变频调速是供水系统节能的最佳选择

编者按：中国水网专家陈运珍在6月份落幕的“2009水业高级技术论坛”会刊征文中，撰文指出变频调速是供水系统节能的最佳选择，陈运珍原北京市市政工程设计研究总院二所副所长，擅长“电气与自控”工程的设计、评标、审核，承担过承担过北京及深圳市供水调度广域网络系统工程及北京水源九厂、深圳东湖泵站等几十项大中型给水排水的供配电系统及复杂的综合自动化监控系统工程的设计任务。

　　由于全国各省市城镇化建设的飞速发展，近年来出现严重缺电缺水现象。许多城市出现限电限水现象。国家出巨资进行大规模的给水排水工程建设。据统计及预测，全国城市每天缺水2000万m³，每天排放污水量约1亿m³，我国每年新建扩建的水厂近600万m³/d，污水处理厂的处理能力将达到700万m³/d左右。

　　在给排水工程的建设和管理运行中，设备运行管理费用很高，其中水厂的电耗约占50％。大多数新建的FCS、DCS、PLC监控系统也不能进行网络化监控，造成许多资源的消费。有许多厂站存在先天性的缺陷，变电站位置不合理，配电电缆太多太长，变压器等设备选择不合理，特别是水泵机组选择不合理，工艺流程总体布局不合理，使给水排水系统的电耗居高不下。给排水厂运行管理，应从工艺流程及其配套用电设备的变配电系统的综合设计系统、加药系统、水泵机组系统的三方向进行重点研究，要制定每吨水的综合制造单位电耗和药耗标准，即从每吨水的投资到运行的最佳的代价做文章。在这里，单就水泵机组的最佳节能技术选择进行分析和研究。

实例分析
  
　　从上世纪七十年代开始，几十座大中小型规模给水厂站的设计，就打破了常规设计的保守选泵法，采用串级调速或变频调速技术，使供水系统的出厂水流量和扬程，尽量适应其配置的管网系统特性的变化，提高水泵的运行效率，尽量使供水调度得到经济合理，维持管网未端压力稳定运行。

　　北京市水源九厂开始设计时，打破了常规设计的做法，从工艺流程到变配电设备选型，不是按最高日最高时的流量和其对应的压力为工作点来选不同容量水泵和水泵组合；而是在满足最大设计水量的基础上，尽量使调速高效特性曲线接近系统的特性曲线，也就是说，尽量将各种调速泵组合的高效区能套入出现机率最高的工作段或点上。调速泵台数，应在全年内运行工况中开泵出现次数最多的台数为需要的台数，而备用泵选用定速泵。

　　先看取水泵站。取水泵站的各种台数组合的高效中心线，均在系统特性曲线的左侧。在设计运转台数时，应将高效中心线包入最大流量点的曲线段，曲线向右下方移动，流量加大而扬程降低，使其与4台泵运转的系统特性曲线重合或靠近，水泵综合运转效率就会更高。从系统分析看，水泵同时运转4台为最经济，考虑分期建设，第一期选用两台容量最大的水泵调速将更经济合理。

　　再看配水厂站配置。从电算可知，首期2台泵运转出现机率最高，其次为3台，同时各种台数组合的高效区均能包入高日高时流量的基础上向右下方移动，见上图。加大额定流量降低额定扬程，使配水泵综合的高效中心线介于两三台水泵运转时系统特性曲线之间，二期后同时运转需要4台，再考虑日变时变率，运转泵均为调速泵比较合理。当一台调速泵有故障时，三调一定运转，其综合效率降低一点，而工作扬程还是较高。所以，备用泵选用定速泵比较经济合理。

供水系统可选的几种变频调速技术

　　从上世纪80年代开始，我国水工业真正步入了变频调速时代。如北京水源九厂、深圳梅林水厂、深圳中西部源水系统各泵站、北方南水北调各大输水泵站、上海原水公司和自来水公司、上海排水管理公司、广州、福州、厦门、东莞、天津、重庆、石家庄、昆明、成都、潮州、大庆油田等自来水公司的上百个大中型水厂和泵站都选用了变频调速装置。水泵电机容量从315KW到2500KW，采用变频调速装置的台数近1000台以上。200KW以下容量选用变频调速装置就更多了。

　　由于电流型变频器是全控桥整流，谐波非常丰富，对电网公害大，抑制谐波的措施比较复杂，在价格和可靠性上失去了优势，在水工业领域中已很少采用了。220KW及以上水泵机组可选择的变频调速装置有以下六种：

•   “中－低－中”变频器
　　优点是变频器价格低，缺点是增加了占地面积和成本，增加了两级变压器损耗，可靠性大大降低了，在低速时，变压器效率更低，功率因数也低。

•低压大功率变频器
　　国产低压变频器已做到1000KW，国外已做到2000KW。建议尽量选用1.7KV、2.3KV、3.3KV多相特殊电动机。

•中－低压大功率变频器
　　其优点是中压输电损耗小，低压变频效率高，输入变压器一侧采用角（△）接法，可吸收变频系统中的高次谐波。

•中－中压变频器
　　a）中压IGBT PWM变频器。额定功率因数≥0.96，系统器件由60支减为24支，电路简化了，可靠性提高了。b）中压IGCT PWM变频器。额定效率＞98％，额定功率因数＞0.95。

•多重式多级串联中压变频器
　　美国ROBICON公司、日本安川、富士、东芝公司等公司，都先后推出了多重式多级串联中压变频调速装置。采用多电平结构和多级低压小功率IGBT PWM变频单元串联输出中压变频电，实现了大功率集成。额定效率≥96％，额定功率因数≥0.95。但必须指出，同一容量采用中压设备不但价格贵得多，且可靠性也下降了。

关于水泵电机采用矢量控制或直接转矩控制的变频调速控制方案的思考

　　矢量控制系统（VC）和直接转矩控制系统（DTC），都是高性能的交流变频调速系统，都是转矩控制，都是基于异步电动机的动态数学模型设计的。矢量控制系统的特点是：通过坐标变换，按转子磁链定向，电机模型需要电机参数多，定向准确度受参数变化影响大。

　　直接转矩控制系统（DTC），在转速环内，利用转矩反馈直接控制电机的定子磁链转矩。DTC受转子侧参数影响不大，而VC受转子参数变化影响大，DTC鲁棒性比VC强。

　　DTC系统由电机的电压和电流计算出定子磁链和转矩，采用砰－砰控制来实现变频器的PWM控制，其着眼点是电压，而矢量控制的着眼点是电流，存在电流调节时间滞后，而DTC没有电流控制环路，没有任何电流反映，电机可以获得较大的dv／dt，较大的加速电流，产生较快的电流响应和转矩响应，DTC转矩响应比VC快4～5倍。

　　DTC由于采用砰－砰控制，其开关频率不稳定，其电流的谐波比VC稍大些，变频器效率略比VC低一些，就是说DTC控制变频器的稳态指标要比VC差一些。无速度传感器控制是DTC和VC控制系统共同的研究课题，并不是DTC的发明专利，它们都采用同样的交流电机数学模型。DTC的低速控制性能不好，用转子磁链控制来补偿DTC的低速性能，控制系统低速时用ISR，高速时过渡到DTC。在水泵机组、生化处理、加药系统中选用DTC系统，还是VC系统，要注意选择，否则有害无益。DTC和VC系统作为高性能的调速系统，在本质上是相同的，都能实现较高的静、动态性能。DTC和VC系统，由于控制方法上的差异，各有特色，各有不同的优缺点，各有侧重的应用领域。矢量控制更适应于宽范围调速系统和伺服系统，直接转矩控制更适应于快速转矩响应，鲁棒性好的大滞后运动控制系统，两种系统都存在一些不足，两种系统的研究和开发工作都朝着克服其缺点方向发展。

编辑：周芸