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劉細(xì)鳳
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201800
【摘要】為減少污水處理設(shè)備產(chǎn)生的各次諧波,通過確定主要諧波源,檢測和計(jì)算諧波分量,采用有源電力濾波器進(jìn)行諧波治理,大幅降低了電力系統(tǒng)中的三相電流畸變率,提高了電能質(zhì)量;抑制了諧波分量,減少了由諧波引起的電氣設(shè)備故障,保證了電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行。
【關(guān)鍵詞】諧波源;諧波補(bǔ)償;有源電力濾波器;電流;污水
1引言
當(dāng)前,我國的水污染問題日益突出,嚴(yán)重阻礙了經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展。作為污水處理主要設(shè)施的污水處理廠,為保護(hù)環(huán)境發(fā)揮著巨大的作用。污水處理系統(tǒng)的范圍大,容量大,設(shè)備眾多,直接影響著人們的工作和生活。
根據(jù)國家規(guī)范,城鎮(zhèn)中的大中型污水處理廠的用電負(fù)荷等級通常按照二級負(fù)荷考慮,并由兩回高壓線路供電,廠內(nèi)變電站一般設(shè)置兩臺變壓器,以確保供電的可靠性。
污水處理廠中的主要用電設(shè)備是風(fēng)機(jī)、水泵類。尤其是曝氣鼓風(fēng)機(jī)和進(jìn)水提升泵等設(shè)備,單機(jī)功率比較大。而且由于工藝需要,采用變頻器控制的設(shè)備較多,比如曝氣鼓風(fēng)機(jī)常采用變頻器調(diào)速控制,以調(diào)節(jié)生化池內(nèi)的曝氣量和供氣壓力,使生化處理達(dá)到*佳運(yùn)行狀態(tài),進(jìn)水提升泵常采用變頻器調(diào)速,根據(jù)泵池液位調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速以實(shí)現(xiàn)恒液位控制。
污水處理廠的自動(dòng)化控制水平都比較高,要求對工藝處理流程中的流量、液位、壓力和水質(zhì)分析等進(jìn)行檢測,采集主要工藝、電氣設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)信號,設(shè)置自動(dòng)控制和自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng),以滿足工藝設(shè)備的運(yùn)行要求。以上均需要大量的PLC控制器去實(shí)現(xiàn)。
污水處理廠中的變壓器、電動(dòng)機(jī)、變頻器、PLC控制器等在正常運(yùn)行的過程中都會(huì)產(chǎn)生大量的各次諧波[1],是污水處理廠中的主要諧波源。這些諧波對廠內(nèi)變配電系統(tǒng)和各個(gè)電氣設(shè)備都會(huì)產(chǎn)生不同程度的影響和危害,帶來安全隱患。
2諧波補(bǔ)償裝置的比較
目前,污水處理廠諧波治理的主要方法是在電力系統(tǒng)中裝設(shè)諧波補(bǔ)償裝置。諧波補(bǔ)償裝置又分為無源型和有源型。
無源濾波器是一種由濾波電容器、電阻器、電抗器組合成的濾波裝置,與鑿波源并聯(lián),不僅起到濾波作用,還可進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒o功補(bǔ)償。無源濾波器的缺點(diǎn)主要是受電網(wǎng)阻抗和運(yùn)行狀態(tài)影響,容易與電力系統(tǒng)產(chǎn)生并聯(lián)諧振,致使諧波放大,導(dǎo)致濾波器過載或者燒毀。此外,一個(gè)濾波器只能對一個(gè)同定頻率的諧波進(jìn)行補(bǔ)償,且補(bǔ)償效果不是非常理想。
有源濾波器是一種新型電力電子裝置,其工作原理是先檢測補(bǔ)償對象中的諧波電流,隨后補(bǔ)償裝置產(chǎn)生一個(gè)補(bǔ)償電流,補(bǔ)償電流與該諧波電流大小相等而極性相反,兩者相互抵消,從而濾除掉電網(wǎng)中的漪波分量。這種濾波器的優(yōu)點(diǎn)是可以對頻率和幅值都變化的諧波進(jìn)行補(bǔ)償,并且補(bǔ)償特性不會(huì)受到電網(wǎng)阻抗和運(yùn)行狀態(tài)的影響,因此得到了廣泛的應(yīng)用。
3有源電力濾波器的應(yīng)用實(shí)例
3.1項(xiàng)目概述
山西某市污水處理廠工程,安裝2臺SCBl0—800/10 800kVA l0/0.4kV干式變壓器,低壓系統(tǒng)采用單母線分段結(jié)線,正常情況下,母聯(lián)斷路器打開,2臺變壓器并列運(yùn)
行,每臺變壓器的負(fù)荷率約為70%。
廠內(nèi)主要的大功率變頻設(shè)備為2臺90kW鼓風(fēng)機(jī)和2臺75kW進(jìn)水提升泵,由變電站內(nèi)低壓變頻柜負(fù)責(zé)供電及控制,變頻器安裝在變頻控制柜內(nèi)。全廠主要的電動(dòng)機(jī)負(fù)載、PLC柜等也都由變電站內(nèi)低壓開關(guān)柜供電,因此廠內(nèi)的主要諧波源都集中在變電站低壓系統(tǒng)內(nèi)。
3.2諧波電流的檢測與計(jì)算
為確定低壓系統(tǒng)內(nèi)諧波的情況,采用諧波檢測軟件對低壓系統(tǒng)內(nèi)的諧波電壓和諧波電流進(jìn)行檢測,檢測波形和數(shù)據(jù)見圖1。
從圖中可以看出:
(1)實(shí)測電壓波形畸變率約為1.7%,基本符合國家相關(guān)規(guī)范。
(2)實(shí)測電流的畸變率約為7.9%,電流波形畸變較明,諧波電流主要為3、5、7次諧波產(chǎn)生。
根據(jù)廠內(nèi)變壓器的容量、負(fù)荷率以及諧波畸變率,對一段母線的諧波電流進(jìn)行計(jì)算,諧波電流的計(jì)算公式如下:
式中符號含義:S為變壓器容量,K為變壓器負(fù)荷率,U為變壓器二次側(cè)額定電壓;IHR為諧波電流;THDi為電流總諧波畸變率,實(shí)測為7.9%
經(jīng)計(jì)算,
3.3諧波治理方案
由于廠內(nèi)的諧波源主要集中在變電站的低壓開關(guān)柜內(nèi),故考慮對諧波進(jìn)行集中補(bǔ)償,在低壓系統(tǒng)內(nèi)安裝有源電力濾波器,并根據(jù)述諧波電流的計(jì)算結(jié)果,選擇*大輸補(bǔ)償電流為75A的濾波器。
由于系統(tǒng)中同時(shí)存在諧波補(bǔ)償裝置和無功補(bǔ)償裝置,有源電力濾波器的補(bǔ)償接入點(diǎn)應(yīng)在無功補(bǔ)償裝置和諧波負(fù)載之間,并盡量靠近諧波負(fù)載。同時(shí),有源電力濾波器的補(bǔ)償接人點(diǎn)應(yīng)處于采樣電流互感器的七游,以此保證采樣電流互感器的下游不包含容性負(fù)荷電流以及有源電力濾波器自身注入的諧波補(bǔ)償電流。具體補(bǔ)償方案見圖2
3.4諧波治理效果
安裝有源電力濾波器后,再次對低壓系統(tǒng)內(nèi)的特波電壓和諧波電流進(jìn)行檢測.實(shí)測結(jié)果見圖3。
由圖2可看出,在應(yīng)用有源濾波器之后,系統(tǒng)的三相電壓畸變率由1.7%降為1.5%,三相電流畸變率巾7.9%降為4.2%,其中主要的3、5、7次諧波含量明顯下降。系統(tǒng)內(nèi)電流波形變成光滑的正弦曲線,諧波治理效果好。采用諧波治理裝置的
效果如下:
大幅降低電力系統(tǒng)中的三相電流畸變率,一般降幅在50%左右,使電流和電壓波形變得光滑完整,提高了電能質(zhì)量;抑制主要次數(shù)的諧波分量,減少由諧波引起的電氣設(shè)備故障.保證了電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行。
4.AcrelEMS-SW智慧水務(wù)能效管理平臺
4.1平臺概述
安科瑞電氣具備從終端感知、邊緣計(jì)算到能效管理平臺的產(chǎn)品生態(tài)體系,AcrelEMS-SW智慧水務(wù)能效管理平臺通過在污水廠源、網(wǎng)、荷、儲、充的各個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)安裝保護(hù)、監(jiān)測、分析、治理裝置,用于監(jiān)測污水廠能耗總量和能耗強(qiáng)度,重點(diǎn)監(jiān)測主要用能設(shè)備能效,保護(hù)污水廠運(yùn)行安全可靠,提高污水廠能效,為污水處理的能效管理提供科學(xué)、精細(xì)的解決方案。
4.2平臺組成
AcrelEMS智慧水務(wù)綜合能效管理系統(tǒng)由變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)、電力監(jiān)控及能效管理系統(tǒng)組成,涵蓋了水務(wù)中壓變配電系統(tǒng)、電氣安全、應(yīng)急電源、能源管理、照明控制、設(shè)備運(yùn)維等,貫穿水務(wù)能源流的始終,幫助運(yùn)維管理人員通過一套平臺、一個(gè)APP實(shí)時(shí)了解水務(wù)配電系統(tǒng)運(yùn)行狀況,并且根據(jù)權(quán)限可以適用于水務(wù)后勤部門管理需要。
4.3平臺拓?fù)鋱D
4.4平臺子系統(tǒng)
4.4.1變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)及電力監(jiān)控
對水務(wù)配電系統(tǒng)中35kV、10kV電壓等級配置繼電保護(hù)和弧光保護(hù),實(shí)現(xiàn)遙測、遙信、遙控、遙調(diào)等功能,對異常情況及時(shí)預(yù)警。
監(jiān)測變壓器、水泵、鼓風(fēng)機(jī)的電流、電壓、有功/無功功率、功率因數(shù)、負(fù)荷率、溫度、三相平衡、異常報(bào)警等數(shù)據(jù)。
4.4.2電能質(zhì)量監(jiān)測與治理
水務(wù)中大量的大功率電機(jī)、水泵變頻啟動(dòng)導(dǎo)致配電系統(tǒng)中存在大量諧波,通過監(jiān)測其配電系統(tǒng)的諧波畸變、電壓波動(dòng)、閃變和容忍度指標(biāo)分析其電能質(zhì)量,并配置對應(yīng)的電能質(zhì)量治理措施提高供電電能質(zhì)量。
4.4.3電動(dòng)機(jī)管理
馬達(dá)監(jiān)控實(shí)現(xiàn)水務(wù)中電機(jī)的保護(hù)、遙測、遙信、遙控功能,電動(dòng)機(jī)保護(hù)器能對過載、短路、缺相、漏電等異常情況進(jìn)行保護(hù)、監(jiān)測和報(bào)警。高效、準(zhǔn)確地反映出故障狀態(tài)、故障時(shí)間、故障地點(diǎn)、及相關(guān)信息,對電機(jī)進(jìn)行健康診斷和預(yù)防性維護(hù)。同時(shí)支持與PLC、軟啟、變頻器等配合,實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)自動(dòng)或遠(yuǎn)程控制,監(jiān)視、控制各個(gè)工藝設(shè)備,保障正常生產(chǎn)。
4.4.4能耗管理
為水務(wù)搭建計(jì)量體系,顯示水務(wù)的能源流向和能源損耗,通過能源流向圖幫助水務(wù)分析能源消耗去向,找出能源消耗異常區(qū)域。
將所有有關(guān)能源的參數(shù)集中在一個(gè)看板中,從多個(gè)維度對比分析,實(shí)現(xiàn)各個(gè)工藝環(huán)節(jié)的能耗對比,幫助領(lǐng)導(dǎo)掌控整個(gè)工廠的能源消耗,能源成本,標(biāo)煤排放等的情況。
能耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)采集水務(wù)中污水廠、自來水廠、水泵站等的用電、用水、燃?xì)?、冷熱量消耗量,同環(huán)比對比分析,能耗總量和能耗強(qiáng)度計(jì)算,標(biāo)煤計(jì)算和CO2排放統(tǒng)計(jì)趨勢。
能效分析按三級計(jì)量架構(gòu),分別進(jìn)行能效分析,契合能源管理體系要求,可對各車間/職能部門的能效水平進(jìn)行分析,同比、環(huán)比、對標(biāo)等。通過污水處理產(chǎn)量以及系統(tǒng)采集的能耗數(shù)據(jù),在污水單耗中生成污水單耗趨勢圖,并進(jìn)行同比和環(huán)比分析,同時(shí)將污水的單耗與行業(yè)/國家指標(biāo)對標(biāo),以便企業(yè)能夠根據(jù)產(chǎn)品單耗情況來調(diào)整生產(chǎn)工藝,從而降低能耗。
系統(tǒng)為污水廠、自來水廠、水泵站等提供了照明控制管理方案,支持單控、區(qū)域控制、自動(dòng)控制、感應(yīng)控制、定時(shí)控制、場景控制、調(diào)光控制等多種控制方式,模塊可根據(jù)經(jīng)緯度自動(dòng)識別日出日落時(shí)間實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制功能,盡量利用自然光照,實(shí)現(xiàn)室內(nèi)、廠區(qū)照明的智能控制達(dá)到安全、節(jié)能、舒適、高效的目的。
4.4.6電氣安全
監(jiān)測配電系統(tǒng)回路的漏電電流和線纜溫度,實(shí)現(xiàn)對污水廠、自來水廠、水泵站的電氣安全預(yù)警。
根據(jù)預(yù)先設(shè)置的應(yīng)急預(yù)案快速啟動(dòng)疏散方案引導(dǎo)人員疏散。系統(tǒng)接入消防應(yīng)急照明指示系統(tǒng)數(shù)據(jù),通過平面圖顯示疏散指示燈具工作狀態(tài)和異常情況。
監(jiān)測消防設(shè)備的工作電源是否正常,保障在發(fā)生火災(zāi)時(shí)消防設(shè)備可以正常投入使用。
4.4.6.4 防火門監(jiān)控系統(tǒng)
防火門監(jiān)控系統(tǒng)集中控制其各終端設(shè)備即防火門監(jiān)控模塊、電動(dòng)閉門器、電磁釋放器的工作狀態(tài),實(shí)時(shí)監(jiān)測疏散通道防火門的開啟、關(guān)閉及故障狀態(tài),顯示終端設(shè)備開路、短路等故障信號。系統(tǒng)采用消防二總線將具有通信功能的監(jiān)控模塊相互連接起來,當(dāng)終端設(shè)備發(fā)生短路、斷路等故障時(shí),防火門監(jiān)控器能發(fā)出報(bào)警信號,能指示報(bào)警部位并保存報(bào)警信息,保障了電氣安全的可靠性。
4.4.7 環(huán)境監(jiān)測
污水廠、自來水廠、水泵站等場所溫濕度、煙霧、積水浸水、視頻、UPS電池間可燃?xì)怏w濃度展示和預(yù)警,保障污水廠、自來水廠、水泵站等安全運(yùn)行。當(dāng)可燃?xì)怏w或有害氣體濃度超標(biāo)可自動(dòng)啟動(dòng)排風(fēng)風(fēng)機(jī)或新風(fēng)系統(tǒng),排除隱患,保持良好的水處理環(huán)境。
4.4.8分布式光伏監(jiān)測
實(shí)時(shí)監(jiān)測低壓并網(wǎng)柜每路的電流、電壓、功率等電氣參數(shù)及斷路器開關(guān)狀態(tài),逆變器運(yùn)行監(jiān)視,對逆變器直流側(cè)每一光伏組串的輸入直流電壓、直流電流、直流功率,逆變器交流電壓、交流電流、頻率、功率因數(shù)、當(dāng)前發(fā)電功率、累計(jì)發(fā)電量進(jìn)行監(jiān)測,以曲線方式繪制上述監(jiān)測的各個(gè)參量的歷史數(shù)據(jù)。
平臺結(jié)合廠區(qū)實(shí)際分布情況,通過3D或2.5D平面圖顯示分布式光伏組件在屋頂、車棚的分布情況,顯示匯流箱、并網(wǎng)點(diǎn)位置,各個(gè)屋頂?shù)难b機(jī)容量。
平臺通過2D、3D方式實(shí)時(shí)監(jiān)視粗格柵、污水提升、細(xì)格柵、曝氣沉砂、改良生化處理、二沉、加氯接觸消毒、污泥濃縮壓濾、生物除臭等工藝設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。在格柵清渣機(jī)、污水提升泵、回流泵、曝氣風(fēng)機(jī)、加藥泵、濃縮壓濾機(jī)、吸沙泵、吸泥泵等低壓電動(dòng)機(jī)控制柜或低壓饋電柜安裝電動(dòng)機(jī)保護(hù),進(jìn)行短路、過流、過載、起動(dòng)超時(shí)、斷相、不平衡、低功率、接地/漏電、te保護(hù)、堵轉(zhuǎn)、逆序、溫度等保護(hù)以及外部故障連鎖停機(jī),與PLC、軟啟、變頻器等配合,實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)自動(dòng)或遠(yuǎn)程控制,監(jiān)視、控制各個(gè)工藝設(shè)備,保障正常生產(chǎn)。
應(yīng)用場合(0.4KV) | 產(chǎn)品 | 型號 | 功能 | |
0.4KV進(jìn)/出線 | APView500 | 相電壓電流+零序電壓零序電流,電壓電流不平衡度,有功無功功率及電能、事件告警及故障錄波,諧波(電壓/電流63次諧波、63組間諧波、諧波相角、諧波含有率、諧波功率、諧波畸變率、K因子)、波動(dòng)/閃變、電壓暫升、電壓暫降、電壓瞬態(tài)、電壓中斷、1024點(diǎn)波形采樣、觸發(fā)及定時(shí)錄波,波形實(shí)時(shí)顯示及故障波形查看,PQDIF格式文件存儲,內(nèi)存32G,16D0+22D1,通訊2RS485+1RS232+1GPS,3以太網(wǎng)接口(+1維護(hù)網(wǎng)口)+1USB接口支持U盤讀取數(shù)據(jù),支持61850協(xié)議 | ||
APM520 | 該儀表采用交流采樣技術(shù),能分別測量電網(wǎng)中的電流、電壓、功率、功率因數(shù)和電能等參數(shù),可通過面板薄膜開關(guān)設(shè)置倍率。帶RS-485通訊接口,采用Modbus協(xié)議;也可將電量信號轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的直流模擬信號輸出;或帶開關(guān)量輸入/輸出,繼電器報(bào)警輸出等功能。 | |||
電能質(zhì)量 | ARC | 測量I、U、Hz、cosΦ,具備過電壓保護(hù)、欠流鎖定、電網(wǎng)諧波過大保護(hù)功能,可控制電容器的投切,RS485/Modbus協(xié)議 | ||
ANSVC | ANSVC低壓無功功率補(bǔ)償裝置并聯(lián)在整個(gè)供電系統(tǒng)中,能根據(jù)電網(wǎng)中負(fù)載功率因數(shù)的變化通過控制器控制電力電容器投切進(jìn)行補(bǔ)償,無功功率補(bǔ)償裝置采用散件組成方案,主要以電容電抗、投切開關(guān)、控制器等組成。 | |||
ANAPF | ANAPF系列有源電力濾波器通過電流互感器采集系統(tǒng)諧波電流,經(jīng)控制器快速計(jì)算并提取各次諧波電流的含量,產(chǎn)生諧波電流指令,通過功率執(zhí)行器件產(chǎn)生與諧波電流幅值相等方向相反的補(bǔ)償電流,并注入電力系統(tǒng)中,從而抵消非線性負(fù)載所產(chǎn)生的諧波電流。 |
6 總結(jié)
在污水處理廠項(xiàng)目中,應(yīng)根據(jù)實(shí)際諧波負(fù)載的類型、大小和分布情況,科學(xué)合理地選擇諧波補(bǔ)償方案??刹捎脝我谎a(bǔ)償方案,也可同時(shí)采用多種補(bǔ)償方案。當(dāng)電網(wǎng)中需要同時(shí)進(jìn)行諧波和無功補(bǔ)償時(shí),也可采用混合動(dòng)態(tài)消諧補(bǔ)償裝置。并根據(jù)諧波電流計(jì)算,選擇合適的有源電力濾波器型號,以達(dá)到對污水處理廠電網(wǎng)中諧波治理的目的,保證電源質(zhì)量和電氣設(shè)備的安全運(yùn)行。
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作者簡介:
劉細(xì)鳳,女,現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司,主要從事配電室在線監(jiān)控系統(tǒng)相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)及應(yīng)用。