蒼南平原引供水公司成立于1998年，擔任著蒼南江南平原地區60萬人口的供水任務，日設計供水量為10萬噸。其送水泵房共有7臺水泵機組，10kV/250kW二臺，380kV/160kW二臺，380kV/90kW二臺，380kV/55kW一臺，采用工頻運行方式，泵站自1998年3月投入試運行。但由于實際需求輸水總量為6-7萬噸/日,所以只能依靠調節出口閥開度及頻繁開停泵來調節流量。以保證生產廠的處理平衡的需求。這不但操作麻煩、難以控制，而且能源浪費大。同時，根據預測，在近二、三年內還尚未能達到10萬噸/日的需求量。鑒此，為了資源的合理利用和能源的節約，保證輸水管網的安全可靠運行，擬考慮安裝變頻調速裝置，并經過經濟技術評估，認為是可行的，于2003年3月籌劃建設該技改項目。通過社會調查和篩選，決定選用北京利德華福公司制造的HARSVERT-A10/015高壓變頻調速裝置，并于2003年12月投入使用。實踐證明，將近5年多時間的運用高壓變頻調速裝置是切實可行的，公司的加壓水泵明顯降低了能耗，提高了工作效率。

一、變頻器節能的理論依據

　　蒼南平原地區的各鄉鎮的用水量是不均勻的，這是由于氣候和人們生活以及生產規律所決定的。由于流量的變化從而影響到管網水頭損失的變化，尤其是地勢平坦的地區，在幾何揚程很小的情況下，送水泵站出口所需壓力隨流量的變化更為顯著。水泵站的裝機是按最不利條件下、最大時流量和所需相應揚程決定的。而實際上每天內只有很短時間能達到最大時流量，大多數時間里，水泵站都處在小流量下工作。為了適應流量的變化，先前泵站在運行中多采取關小出口閘門的辦法來控制流量，從而造成出口閘門前后的壓力差值（少則多米，多則幾十米）就白白地浪費于閘門阻力上。當水泵臺數足夠多時，是可以很好地適應水量變化的，但是水泵型號是有限的。裝機臺數過多，不僅管理不便，而且會無謂地增大建筑面積，提高工程造價，即使這樣，也無法做到完全適應水量變化，還需要用閘門來調節水量。為此，采用水泵機組高壓變頻調速技術，可連續地改變水泵轉數，來變更水泵工況，使其流量與揚程適應于管網用水量的變化，從而提高機組效率，維持管網壓力恒定，達到節能的效果。我們從水泵調節原理得知，當水泵拖動電機工頻運行時，出力為額定值，轉速及功率亦為額定值;當采用變頻調速時，可以按需要升降電機轉速，改變水泵的性能曲線，使水泵的額定參數滿足工藝要求。根據水泵的相似定律，變速前后流量、揚程、功率與轉速之間的關系為：

二、國內高壓變頻器技術現狀與主要分類

　　由于高壓大功率交流傳動應用場合的限定，評價高壓變頻器的表現需要了解多方面的技術指標——可靠性、冗余設計、諧波含量、損耗等等的因素。由于對高壓變頻器性能的辨識還沒有到更多技術細節的程度,因與低壓變頻器統一的拓撲結構不同，高壓變頻器為解決功率器件的耐壓問題，不同廠家采用了不同的拓撲結構，從而形成了多種技術流派。

　　1.功率器件串聯二電平電流型的代表廠商是Rockwell，早期代表產品有 Bulletin1557，以GTO為功率器件;近幾年，又推出了PowerFlex7000，使用SGCT替代GTO 。優點是變頻器可以四象限運行，缺點是功率因數隨調速曲線變化，低速時功率因數隨之變的很低。另外，只有6kV產品，無法適配10kV電機。

　　2.中性點鉗位三電平PWM的代表廠商是ABB和西門子。Abb公司代表產品有ACS1000，IGCT為功率器件;西門子公司主推SIMOVERTMV系列產品， 以高壓IGBT為主要功率器件;此技術方案最高輸出電壓僅有4.16kV（abb公司），不能適配10kV電網。

　　3.利德華福、羅賓康為代表的單元串聯多電平技術方案。代表產品有HARSVERT-A系統， Perfect Harmony，以低壓IGBT為功率器件，通過逆變H橋的串聯形成高壓。就目前的市場份額而言，以利德華福為代表的單元串聯多重化電壓源型變頻器銷售量占據優勢，并且是國內產品的主要技術類型。其使用單元串聯多電平的拓撲結構，可以直接使用成熟的低壓變頻器技術方案，具有對電網諧波污染小，輸出波形多電平，正弦度高，適配普通國產異步電機的優點。該類型產品，輸出電壓可以直接到10kV，輸出不需要加裝升壓變壓器及濾波電抗器，結構簡單。

　　4.在以上的拓撲結構之外，成都佳靈采用了直接串連的拓撲結構，但這種技術的成熟度市場還沒有定論。如果在技術上實現了穩定應用的突破，將是一種極有前景的技術，將對市場格局產生重大影響。但是目前從市場反應來看，成都佳靈仍然有很長的一段路要走。

三、系統方案

　　根據實際情況確定的調速方案為：選擇1、2號泵為可調速水泵，正常運行時其中任一臺運行于調速狀態，而另一臺泵作為備用，也可隨時投入工頻狀態運行。兩臺泵運行狀態的切換采用手動方式。并要求兩臺泵不能同時投入變頻狀態，或同時投入工頻狀態運行，對此要求，在設計旁路切換柜時特別設計了機械聯鎖裝置 。開環或閉環自動恒壓供水，帶閥門聯動功能。

　　變頻器與現場設備接口如圖1所示：

圖1：變頻器與現場設備接口圖

　　其中：高壓緊急分斷信號與KM1高壓開關控制跳閘回路并聯，高壓合閘允許信號與KM1高壓開關控制合閘回路串聯，M1、M2閥門開全，關嚴信號取自閥門行程開關的空節點。M1、M2閥門開閥，關閥信號與閥門開閥，關閥控制回的開關閥按鈕并聯。M1、M2，水泵重故障信號取自水泵控制保護柜的空節點。

　　變頻器與現場設備一次接線如圖2所示：

圖2：變頻器與現場設備一次接線圖

四、 恒壓供水系統原理及PID調整

　　由于蒼南平原引供水公司泵站是新改建工程，用水負荷需要在實際運行時進行精確調整和測量，因此采用的是恒壓供水系統，其工作原理如圖3所示，測量元件為壓力傳感器，將它設在水泵機組出水口，Vi為恒定供水壓力設定值，供水壓力V作為輸出量，構成閉環控制系統。變頻器內部的PLC采集供水壓力值V與用戶給定值Vi進行比較和運算，通過PID進行調整，將結果轉換為頻率調節信號送至變頻器，直至達到供水壓力的給定值Vi。不管系統供水流量如何變化，供水壓力值V始終維持在給定壓力值Vi附近。

圖3：恒壓供水系統工作原理框圖

　　1.在PID控制中，比例增益P加大，會使系統的動作靈敏，速度加快，P偏大，振蕩次數加多，調節時間加長。當P太大時，系統會趨于不穩定。若P太小，又會使系統的動作緩慢;

　　2.積分I的作用主要是消除系統的靜態誤差。但過強的積分作用使供水系統超調加大。所以在調節過程初期，應減弱積分作用，防止產生積分飽和現象;而到過程后期，應適當增強積分作用，以提高控制精度。

　　3.微分D的作用主要是改善供水系統的動態性能。增大微分時間，有利于加快系統響應，使系統超調量減小，穩定性增加，但抑制外擾能力下降。所以微分時間常數應該在供水系統控制要求的前提下而隨機改變。即在調節過程初期，應加大微分的作用，以減小超調;在調節過程中、后期，應不斷減小微分時間，以增強系統的抗干擾能力，同時還可以縮短調節時間。

　　泵站變頻器在運行初期，供水系統采用恒壓閉環控制，運行中發現運行頻率曲線呈鋸齒波，上下波動幅度較大，因此對PID系數進行調整，將P由1改為0.06、I由0.2改為0.5。通過幾次逐步調整，現運行曲線較為平緩，波動幅度相當小。變頻器根據偏差相應調節PID的參數，當運行參數遠離目標參數時，調節幅度加快，隨著偏差的逐步接近，跟蹤的幅度逐漸減小，近似相等時，系統達到一個動態平衡，維持供水系統的恒壓穩定狀態。

五、應用高壓變頻調速系統的節能效果

　　根據泵站供水系統改造之前一個月的報表計算得1000t水耗電率為98度電，改造之后的一個月1000t水耗電率為92度電. 分析泵站一年可節電（98-92）×70×360=15120度電。并且隨著供水量的增加泵站供水系統采用一臺工頻，一臺變頻兩臺高壓電動機供水方式節能效果更顯著。現在泵站供水量隨著經濟的發展日供水量已達到9.5萬噸。根據運行節能分析的需要對泵站供水系統泵的運行組合方式進行測試結果如下表

六、應用高壓變頻調速系統生產的其他效果

　　1.改善了工藝。在實際生產操作過程中，泵的參數（尤其是流量）需時常調整，不僅需要調節參數，而且備用設備需時常切換。根據工藝的變動，工藝參數又主要通過調節出口閥來控制，人工關小或開大閥門不僅費事，速度慢，也縮短閥門的壽命（填料及閥桿的磨損）采用變頻調速就不用調節出口閥，只需要控制室內調節電機的轉速即可。變頻啟動轉速可以從零開始逐漸升高，因此帶負荷直接啟動不會有較大的啟動電流，避免了通常泵組首先關閉出口閥后再啟動的要求（無載啟動是為了降低啟動電流，保護電機）。

　　2.維護量減少。采用變頻調速后，可能避免因通過閥門控制使泵過多偏離額定工作區而引起的振動，嚴重時會引起懸臂泵軸頭斷裂。通常情況下，變頻調速系統的應用主要是為了降低泵的轉速。由于啟動緩慢及轉速的降低，相應地延長了許多零部件，特別是密封、軸承的壽命。

　　3.工作強度降低。由于調速系統在運轉設備與備用設備間實現計算機聯鎖控制，機組實現自動運行和相應的保護及故障報警，操作工作由動手轉變為監控，完全實現生產的無人操作，大大降低了勞動強度，提高了生產效率，為優化運營提供了可靠保證。

　　4.減少了對電網的沖擊。采用變頻調節后，系統實現軟啟動，電機啟動電流只是額定電流，啟動時間相應延長，對電網無大的沖擊，減輕了啟動機械轉矩對電機機械損傷，有效的延長了電機的使用壽命。

七、高壓變頻調速系統的問題與改善

　　高壓變頻器在安裝時對安裝的環境考慮不周到,引起夏天高壓變頻器運行溫度偏高需要安裝空調才能滿足高壓變頻器運行溫度的要求并且室內環境溫度偏高，引起變頻器頻繁過熱保護。而且空調的可靠性會影響變頻器的穩定運行，空調運行費用偏高，我們根據本站變頻器的運行和環境情況對目前高壓變頻器的三種冷卻方式進行分析決定采用安裝風道加空調的方式進行改造，利用變頻器原有的排風扇加裝通風通道將熱風引出室外，改裝散熱風道及空調后問題解決。另外，由于泵站處于平原地帶，夏季雷雨臺風季節，雷電頻繁，變頻器因此出現異常。后通過改善接地，加裝避雷裝置，問題得到一定解決。

結束語

　　高壓變頻器控制水泵機組，大大改善了供水、凈水生產及現場環境，完全達到了生產工藝要求。PLC控制技術、Profibus總線技術和高壓變頻技術的完美結合，使得集成自動化程度高，運行穩定，操作簡單，節能高效明顯等優點。

　　蒼南平原引供水公司高壓變頻器控制系統的成功應用，對于節約電能、提高效益、技術創新，都具有很高的經濟價值，值得推廣。

　　但要想送水泵站每臺泵實現優化運行，就要研究其定性與定量的運行規律。根據蒼南平原引供水公司地區用水曲線、出廠壓力與管網壓力控制點，清水池水位等參數，正在建立優化控制數學模型，在此基礎上，下一步定量控制泵站定速與變頻調速機組優化運行時的流量、揚程、效率變化規律。這樣可以根據用戶對于用水量與揚程要求，實現最優化控制。這種方式實現之時，便可以滿足用戶對水量、水壓的需要，又達到明顯降低電耗的目的，這是我們面臨的一個艱巨的、必須攻克的難題。送水泵房水泵機組調速的經濟效果很明顯，比不調速節能8%左右，而且設備運行可靠，操作維護方便，由計算機控制，實現了泵站優化控制和現代化管理。要繼續努力，力爭將送水泵房水泵機組調速的經濟效果更明顯，比不調速節能15%左右，將蒼南平原引供水公司供水泵站建成國內外先進水平的泵站。

參考文獻

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