有源電力濾波器在污水處理廠中的應(yīng)用

馬建彬,韓海寧,邱俊華,郝華

（1.中國市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司，天津300381；2.天津昱丞高科工程設(shè)計(jì)有限公司，天津300381；3.江門電力設(shè)計(jì)院有限公司，廣東江門529000）

有源電力濾波器在污水處理廠中的應(yīng)用

馬建彬1,韓海寧2,邱俊華3,郝華1

（1.中國市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司，天津300381；2.天津昱丞高科工程設(shè)計(jì)有限公司，天津300381；3.江門電力設(shè)計(jì)院有限公司，廣東江門529000）

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。

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(jí)通常按照二級(jí)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(tái)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)到最佳運(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(duì)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(hào)，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)。

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，與諧波源并聯(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(duì)一個(gè)固定頻率的諧波進(jìn)行補(bǔ)償，且補(bǔ)償效果不是非常理想[2]。

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出補(bǔ)償對(duì)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)中的諧波分量。這種濾波器的優(yōu)點(diǎn)是可以對(duì)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(tái)SCB10-800/10 800 kVA 10/0.4 kV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(tái)變壓器并列運(yùn)行，每臺(tái)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(tái)90 kW鼓風(fēng)機(jī)和2臺(tái)75 kW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

頭孢呋辛酯口服混懸液用于治療由化膿性鏈球菌敏感菌株引起的3個(gè)月至12歲的兒童患者的輕度至中度咽炎/扁桃體炎。

為確定低壓系統(tǒng)內(nèi)諧波的情況，采用諧波檢測軟件對(duì)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%，電流波形畸變較明顯，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(duì)一段母線上的諧波電流進(jìn)行計(jì)算，諧波電流的計(jì)算公式如下：

圖1 諧波治理前系統(tǒng)內(nèi)諧波分量的檢測數(shù)據(jù)

式中符號(hào)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(duì)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)上述諧波電流的計(jì)算結(jié)果，選擇最大輸出補(bǔ)償電流為75 A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)償接入點(diǎn)應(yīng)處于采樣電流互感器的上游，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。

圖2 諧波集中補(bǔ)償方案

3.4 諧波治理效果

安裝有源電力濾波器后，再次對(duì)低壓系統(tǒng)內(nèi)的諧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)內(nèi)的三相電壓畸變率由1.7%降為1.5%，三相電流畸變率由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)電流波形變成了光滑的正弦曲線，諧波治理效果顯著。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。

4 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(hào)，以達(dá)到對(duì)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。

圖3 諧波治理后系統(tǒng)內(nèi)諧波分量的檢測數(shù)據(jù)

針對(duì)污水處理廠的諧波治理建議：采用電力側(cè)諧波與用戶側(cè)諧波同時(shí)治理的方案；采用靠近諧波源的方式；根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，用戶側(cè)諧波較為嚴(yán)重會(huì)造成精密控制設(shè)備的燒毀，故在重要的設(shè)備處需要加強(qiáng)諧波治理。

[1]孫美君.工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊[M].北京：中國電力出版社2005.

[2]王兆安，楊君，劉進(jìn)軍.諧波抑制與無功功率補(bǔ)償[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

App lication of Active Power Filter to Sewage Treatment

MA Jian-bin1,HAN Hai-ning2,QIU Jun-hua3and HAO Hua1
(1.North China Municipal Engineering Design&Research Institute,Tianjin 300381,China; 2.Tianjin Yucheng Hi-tech Engineering Design Co.Ltd.,Tianjin 300381,China; 3.Jiangmen Electric Power Design Institute Co.Ltd.,Jiangmen,Huangdong Province 529000,China)

In order to reduce harmonics generating at sewage treatment equipment,measures of determining main harmonic source,measuring and calculating harmonic components and adopting active power filter for harmonic handling substantially lowered three phase current distortion rate in electric system,improved electric energy quality,curbed harmonic components,eliminated electric equipment fault caused by harmonics and ensured the normal running of electric system.

harmonic source;harmonic compensation;active power filter;current;sewage

10.3969/j.issn.1006-110X.2016.05.013

2016-05-22

2016-06-12

馬建彬（1984—），男，碩士，工程師，主要從事電氣設(shè)計(jì)方面的研究工作。