1.广东省水利电力勘测设计研究院 广州 510635； 2.广东电网有限责任公司管理科学研究院 广州 510080
摘 要：随着变频装置在供水工程中的应用日渐广泛，变频装置在设计时的选型问题变得十分重要而倍受关注。文章从变频装置的电压与电流、核心元器件、谐波、控制模式、维护周期等技术特点进行了比较分析，列举出具体的选型实例进行分析探讨。
关键词：变频；供水；谐波；选型
1 引言
近年来，随着对变频技术的认识不断提高,专业技术人员认识到，评价变频调速合理性和经济性的指标不仅是一次性投资,而是经过全面的比较和权衡,才能突出其经济性。变频装置如何选型成为变频技术合理应用的关键，倍受人们的关注。
变频装置的选型是个多因素综合考量的过程，其选型受到电机的电压等级、泵组的运行工况等等因素的影响及制约；而且，不同品牌的变频技术各有优劣，相关的国家标准或行业标准、设计规程少。因此，本文就如何进行变频装置的选型和应用进行探讨。
2 变频置主要参数介绍
2.1 变频装置的电压及电流
变频装置的电压等级须与所拖动电机的电压等级相一致。国内电机电压等级有10kV/6kV/380V几种。合资品牌的变频装置的电压有10kV/6kV/4.2kV/3.3kV/690V/380V，国产品牌有10kV/6kV/690V/380V，不同品牌不同电压囊括的功率段均不一样。
除了变频装置与电机电压一致外，还应注意变频装置的输出电流须大于电机额定电流。市场调研中发现，大部分变频装置的厂家资料中变频装置的输出容量仅按拖动标准四极电机来计算。
2.2 变频装置的核心元器件
核心元器件是指变频单元的电力电子元件，现市场主流变频装置的核心元器件主要分为以下几种：
由表1看出，在中高压变频器领域，根据因核心元件将变频技术分两类：一是用耐压水平为6500V的高压元件逆变输出电压6kV，另一种是通过耐压水平为1700V的元件逆变叠加输出10kV或6kV。而在低压变频器领域，核心元件原理均一致，逆变技术可归类为只有一种。
2.3 变频装置的谐波抑制
变频装置输入侧非线性整流电路，变频器经整流逆变后，输出侧的电压、电流含有丰富的谐波。此外，在变频装置内的振荡电路、数字电路、开关等元件都将产生连续的干扰频谱。
根据文献[1]和[2]，变频装置在稳态条件下的电压总谐波畸变率（THD）应不大于10％。但工程实际经验中，电力系统管理通常以配电电网母线电压的畸变率来考核用户对配电设备谐波的控制。而根据文献[3]，公用电网电压总谐波畸变率，低压系统应不超过5%，6~10kV系统应不超过4%。对于供水工程而言，变频装置本是供水泵站接入公用电网处的一个主要的谐波源，因此，对于需要并入电网的供水工程而言，变频装置的谐波抑制是考虑选用该类产品的一个重要因素。
变频装置在输入及输出端各有一套抑制谐波的装置，该装置代表了不同变频品牌对抑制谐波的水平。由表2可看出，输入端抑制谐波的效果与选用多少脉冲整流有密切关系，即整流脉冲数越高，谐波越低。低压变频每相变频单元较少，所以整流脉冲数最多也只能做到12脉冲。因此，中高压变频比低压产品谐波低很多，所以选用中高压变频装置会比选用低压变频更好的控制水泵电机运行时对电网带来的谐波。但实际上，电力企业是在并网点考核受电工程的谐波对电网的影响，对于选用10kV/6kV电机的泵站，由于外电电压等级多为10kV，且通常是直接配电到电机，导致电机变频运行产生的谐波会直接反馈入电网；而对于选用690V/380V电机的泵站，10kV外电往往需要经过一级降压才能给低压电机配电，因此，由于变压器将低压电机与电网隔离，电机变频运行时产生的谐波虽稍大，但并网点处的电压畸变值不一定会超过设计的要求。
2.4 变频装置的控制模式
变频器的控制方式大致有三种，分别是：恒U/f控制、转差频率控制及矢量控制。
供水工程使用变频调节的目的是在保持阀门开度不变的前提下，改变水泵的转速来调节流量，对控制精度要求并不高，恒U/f控制能满足这个要求。恒U/f控制的原理则是在改变频率的同时也改变变频器输出电压，并保证电动机的效率及功率因数均不下降。由图1可看出电动机经变频调节后，频率改变的同时转速也在改变，可达到调节流量的目的。但需注意图2中Tkn为起动力矩，当转速很低时，力矩衰减很快。因此，在选择变频装置时应注意该装置的U/f曲线，电压U不可调节过低，否则力矩T会随着电压U的降低而降低，克服不了拖动水泵时的阻力矩，电机则无法拖动水泵[4]。
2.5 变频装置维护周期
国产变频品牌投入运行约为5~6年时间，因运行数据相对缺乏而暂时无法估计其维护周期。根据运行经验，国产品牌运行约4年就需要更换。而进口变频品牌投入运行已超过10年，运行时间较长、积累的运行经验较丰富，其维护周期约为10年。以一个供水工程稳定运行10～15年来计算，使用国产变频产品，运行4~5年进入维修周期，与使用进口产品，运行10年进入维护周期，两者从购置到维护更换，10～15年所花的总体费用，基本是相当的。因此，在变频装置选型时要结合工程的实际，充分考虑供水工程运行的模式及需要。
3 变频装置的选型实例分析
广东省内在运的供水项目有东深供水、东部供水、西江供水，在建的有南澳供水，在前期设计阶段的有北江供水、稔平供水项目等。本文以符合现有变频技术水平的西江供水、在建的南澳供水，以及设计中的北江供水工程来对变频装置的选型进行对比分析。
三个工程中西江供水装机容量为12×2500kW，装机规模最大，其外电电源只能由110kV降压，水泵电机的电压水平理论上可选择用10kV或6kV相对应，变频装置电压等级亦可选用10kV或6kV。若选用10kV，只是通过1700V的变频核心元件叠加；而选择6kV，则是可以直接选用高压的变频核心元件。因此，西江供水工程的变频装置电压最终选择了6kV。
北江供水装机容量为6×2000kW，规模不大，但单机容量与西江供水接近，该工程因所在区域的10kV电源比110kV电源容易获取，且10kV线路的维护费用较低，该工程首选10kV变频。而且，高压（10kV）变频抑制谐波的效果均能满足在4％以内，所以北江供水与西江供水两个工程均采用“隔离变压器+脉冲整流器”的谐波控制方式。
南澳供水工程装机容量为3×500kW，装机规模、单机容量相对小，变频装置电压选择较多。综合地理位置条件，外电电压选择10kV，拖动3台500kW电机，设计人员提出了四个“变频＋电机”的组合方案，如表3所示。
由表3看出，若变频装置选用380V合资品牌，则价格较高，要比选用国产10kV的高约1.5倍。但若选择10kV国产变频装置，则需要考虑增加高压开关柜的数量、费用以及增设高压设备房的土建费用。鉴于南澳供水工程装机数量只有3台，供水泵站站用负荷也需由10kV降压至380V使用，若选用380V变频则可与站用负荷共用同一台降压变压器，并将此降压变压器作为与电网的隔离，使低压变频产生的谐波不会对电网造成影响。因此，综合各因素衡量，该工程最终选择“合资380V变频＋380V电机”的组合方案。
4 结束语
随着经济和变频技术的发展，越来越多的变频装置应用于供水工程上。变频装置的选型是个综合多因素考量的过程，在设计和应用时，应结合工程的性质及需要，综合考虑节能及投资等因素，合理选择变频装置的形式及其与电动机组的配置组合方案，必要时还应根据工程的实际情况进行技术和经济比较后择优确定。
参考文献：
[1] GB/T 12668.2-2002，调速电气传动系统第2部分[S].
[2] GB/T 12668.4-2006，调速电气传动系统第4部分[S].
[3] GB/T 14549-1993，电能质量公用电网谐波[S].
[4]粱昊. 最新变频器国家强制性标准实施与设计选型使用技术手册[M]，天津电子出版社出版2005
作者简介：
古晓丽（1981），女，汉族，广州人，工程师，本科，现场从事水力发电厂和泵站电气设计工作；
叶杰宏（1979），男，汉族，广东顺德人，工程师，硕士，现从电网与设备的安全运行管理工作；
论文作者:古晓丽1,叶杰宏2
论文发表刊物:《电力技术》2016年第4期
论文发表时间:2016/7/23
标签：装置论文; 谐波论文; 电压论文; 电机论文; 电网论文; 西江论文; 供水工程论文; 《电力技术》2016年第4期论文;