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    沈阳水务集团有限公司 姚宇新，白 川

    北京市市政工程设计研究总院 陈运珍
                              
    姚宇新（1959-）男，湖南人，本科，高级工程师、电气注册工程师，现就职于沈阳水务集团有限公司研发中心，研究方向为市政水源、水厂供配电系统安全与节能降耗。

      摘要：变频调速给水工业带来极大经济效益的同时也带来了一些弊端。超标的高次谐波会严重污染电网，会严重影响供配电系统的正常运行，对自动化监控系统及一切弱电设备有极大的破坏性，其实例很多，损失巨大。变频器如何选择？无功如何补偿？高次谐波如何抑制？网络上如何安全、快速、综合的优化监控？这些关键问题，都是每个工程项目中贯彻低碳经济和节能减排必须解决的重大课程。

    关键词：变频调速；谐波抑制；SVG；网络化监控

    Abstract: Frequency-converting brings great economic benefits to hydropower and meanwhile a number of drawbacks. The high-order harmonic that exceeds the limits, seriously pollutes the electrical network affects the normal operation of power supply and distribution system, and has great destructive on the automatic monitoring system and all other electronic equipments. There are problemss, such as how to choose transducer, how to solve dynamic reactive power compensation,how to control high-order harmonic and how to monitor the network, are required to be solved for each project in order to implement a low carbon economy and energy savings.

    Key words: Frequency-converting; harmonic suppression; SVG; network monitoring

    1 北京第九水厂实例分析

    1.1 水厂变频调速设备的配置

    北京第九水厂在上世纪八十年代，为了节约电能、消除水锤的破坏、优化水工艺运转条件，进行了变频放道。6台水泵机组（每台电机容量为2500kW），均选用西门子公司的变频调速设备：一期选用两台电流源型变频调速装置（Simovert A）；二期选用两台以GTO元件组成主电路的数字控制式变频器；三期又添加了二套西门子罗宾康电压源型变频器。使用发现，在一、二期的变频器调速时产生大量的高次谐波，要花大力对谐波进行综合治理和无功功率的集中补偿。

    1.2 谐波测试与理论分析

    （1）谐波实测数据

    测试工作分为：一期设备的1#变频机组，二期设备的5#.6#变频机组，以及1#、3#、5#、6#四台变频机组联合运行四种情况（见表1）。

                     表1 四台变频机组同时运转时谐波电流、电压测试值
     
 
    测试结果表明一期变频器不但产生11、13等次特征谐波电流，非特征谐波电流也很大，奇次、偶次谐波极为丰富。

    （2）谐波实测分析

    西门子公司提供的变频调速整流系统是借助于变压器相位移动来消除谐波，其前题条件是：变频机组副边两个绕组负荷相同且交流侧三相电压平衡。但，实际上其前题条件是不存在的。

    在二期高次谐波的测试中，除发现特征谐波外，还发现了非特征谐波。从变频机组6kV侧谐波测试电流波形可见，各台阶的间距是不相等的，即触发角出现误差。非特征谐波产生的原因除了变压器副边负荷不一致及三相交流电源电压不平衡外，触发角误差更是一个最主要原因。

    1.3 本工程无功补偿及滤波静补方案的确定

    （1）注入电网的允许谐波电流计算

    水电厂供电系统的公共连接点变电站110kV侧，内部供电系统为6kV/0.4kV。根据《国标》中附录B中的说明，当电网连接点的实际最小短路容量和计算谐波电流允许值的短路容量不同时，按式（1）、（2）进行计算：

    I_h=S_k1/S_k2×I_hp （1）

    I_hi = I_h ×（S_i/S_t）^1/a （2）

    （2）无功静补的设置

    不同转速下六台变频调速机组实测数据（功率因数均补到0.96计）：

    70%额定转速运行时，平均有功出力3220千瓦，则功率因数从0.478提高到0.96所需无功为4977.8kvar；80%额定转速运行时，平均有功出力5283.5千瓦，则功率因数由0.623提高到0.96所需无功为4937.7kvar；90%额定转速运行时，功率因数从0.731提高到0.96所需无功为4644.8kvar；100%额定转速运行时，平均有功出力9662.4千瓦，则功率因数从0.815提高到0.96所需无功为4051.7kvar；

    110kV电源总进线侧总有功、总无功、功率因数的折算主变压器（20MVA）在运行中，消耗的无功功率包括两部分，激磁电流无功和阻抗无功，激磁无功损耗为86kvar，阻抗无功损耗为784kvar。主变压器消耗的总无功为870kvar，主变压器的有功损耗为PT=100kW。水厂二期七条滤波补偿装置全部投入后可发出的总有效无功为： QΣ＝－5863.5kvar（负号表示发出无功）。

    110kV电源总进线处的有功功率和无功功率按下式计算：

    P₁₁₀=P_四调+P_一定+P_T （3）

    Q₁₁₀=Q_四调+Q_一定+Q_T-Q_Σ （4）

    根据实测，分别算出变频机组在70%、80%、90%、100%额定转速下，110kV电源总进线的有功、无功功率及对应的功率因数，计算结果见表2。

           
 
    （3）滤波静补方案的确定

    滤波静补方案有三种选择：

    ① 2nd.3rd.4th. 5th.6th.7HP1.7HP2.7HP3

    ② 3rd.4th.5th.6th.7HP1.7HP2.7HP3

      ③ 3rd.4th.5th.6th.7HP1.7HP2.10HP

    方案①，共设八条滤波支路，投资大。从滤波容量上看，对设置2nd滤波支路是不利的，同时，由于变频器产生的10.11次谐波与一期相比有很大增加，超标严重，而三组七次高通对滤除10.11谐波效果不是最佳。方案②同样存在以上问题，故选用方案③较合适。

    方案③为最后的滤波静补方案。其中3rd、4th、5th、6th四个支路采用R.L.C串联谐振原理为单调谐滤波器，每条支路吸收一种频率的谐波；7HP1、7HP2、10HP为二阶减幅型三个支路为三组高通滤波器，电阻器与电抗器并联，可吸收七次及以上各次谐振。水电厂110kV、6kV总进线的各次谐波电流均在国家标准允许值以内，特别是10.11.12.13次谐波电流得到了抑制，6kV母线电压总畸变率由4.0%降到2.66%。当时，笔者配合北京电科院，做了大量的测试、分析、计算，又增加近300万人民币投入，投入大量的人力物力，才初步达到国标要求。

    2 水工业谐波产生的根源及危害

    2.1 谐波产生的根源

    无论是哪一种变频器，都大量使用了晶闸管等非线性电力电子元件，不管采用哪种整流方式，变频器从电网中吸取能量的方式均不是连续的正弦波，而是以脉动的断续方式向电网索取电流，这种脉动电流和电网的沿路阻抗共同形成脉动电压降叠加在电网的电压上，使电压发生畸变，经傅里叶分析可知，这种非同期正弦波电流是由于频率相同的基波和大于基波频率的谐波组成。实践告诉我们，变频器就是一个谐波源，什么‘无谐波’‘免维修’，那是一个美化了的骗人的科学笑话。

    2.2 谐波危害性极大

    变频器对容量大的电力系统影响不是十分明显，但是对于系统容量小的系统，谐波产生的干扰就不可忽视，它对公用电网是一种污染，客观的存在对公用电网和其它系统的危害大致有：使公用电网的元件产生附加的谐波损耗，降低了发电、输电及用电设备的使用率，使元件及线路过热甚至发生火灾；产生机械振动、噪音和过电流，使电容器、电缆、电机、变压器等设备过热，绝缘老化、寿命缩短以至损坏；引起公用电网的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，这就使上述的危害大大的增加，甚至引起严重事故；对临近的通讯系统及仪表弱电检测系统产生严重干扰，导致通讯质量降低，甚至无法工作等。

    3 谐波抑制和无功动态补尝必须同步进行

    3.1 选用高品质的绿色环保型变频器

    绿色变频器的品质标准是：输入和输出电流都是正弦波，输入功率因数可控，带任何负载时都能使功率因数为1，可获得工频上下任意可控的输出频率。从根上消除谐波源，是至关重要的。

    (1) 选择高性能IGBT模块功率元件构建双PWM绿色环保型的新型变频主电路是重中之重双PWM绿色变频主电路拓扑结构，将是新型大功率变频调速技术发展的主要趋势。不仅逆变部分采用最新的自关断器件，就是整流部分也采用最新的PIC功率模块元件，电网侧输入电流波形接近正弦波，且功率因数接近于1；另一方面，实现能量向电网回馈，保证变频器能四象限运行。PWM整流回路还可以大大减小直接环节的滤波电容的容量；采用双PWM技术，对消除机械和电磁噪音是最佳的方法。

    ＰＷＭ控制技正处在不断创新的大好阶段，随着微处理技术、虚拟技术、嵌入式技术、超导技术、先进控制技术、精加工技术、软开关技术的迅猛发展，优化的PWM模式，即三次谐波叠加法和电压空间矢量PWM法（如电压矢量的菱形调制等），有计算简单、实时控制容易、动态响应快速、控制精度高、准确度高的全数字化和网络化的特点。客户希望制造公司，创造出更多集功率变换、驱动保护、数字监测、智能控制、筹命长、抗干扰性强、抗尖峰电压及电流冲击能力强、能自诊断、有自愈力等功能于一身，效率更高、功能更强、附加值更多的新一代绿色环保型变频器供客户任意挑选。

    变频主电路的功率元件是变频器技术发展的最主要的核心物质基础。主电路功率元件的工作过程就是能量的过渡过程，其可靠性、稳定性、精确性决定了变频器的可靠性、稳定性和精确性。中国荣信公司选用EUPEC公司的高性能IGBT模块功率元件，采用多重化脉宽调制技术，对每个功率单元进行多重化叠加，可得到阶梯正弦的PWM波形；采用美国著名的德马考尔（Thermacore）公司的超导热管冷却专利技术，彻底解决了IGBT等功率器件散热的热岛效应问题，使用筹命在30年左右。这种阶梯正弦的PWM波形，正弦度很好，dv/dt远小于500v/μs之下，对电机和电缆的绝缘无损害，无需另加滤波器，对输出的电缆长度无特殊要求，可直接用于普通电机，能有效消除负载电机的转矩脉动和机械轴承的振动。

    (2) 选择高质量长寿命的滤波电容是变频器长期稳定运行的根本保证

    当今变频器大都要配置电容，大多选用电解电容。无数实践证明，这种电解电容耐压低，要多个串联，其均压问题不好解决，致使电容发热严重，不能自愈，极易引起外壳炸裂，寿命极短，每五年就要全部更换，维护价格很高，使客户望而却步。荣信公司采用高可靠性的低感性电力电容，耐压高（比电解电容高4倍左右）、容量大，寄生电感小，有自愈功能，寿命可达20~30年，是变频器长期稳定运行的根本保证。上海柯达公司采用无极性电容，效果也很好。

    （3）选择绿色环保型变频器的其他条件具有互联网远程监控支持系统的功能，可得到制造公司专职维护工程师的24小时的技术支持和运行监控，保证售出的变频器（RHVC）、SVC、SVG、FC等装置的无故障高可靠安全稳定运行；出厂前变频器整机要全部经过严格的高低温老化考核；出厂前能进行耐中压的全负载试验检测；变频器采用双峰焊和自动贴片生产线，使控制线路具有优良的抗干扰能力，确保控制系统长期可靠运行。

    从上面七个关键要素中去评选绿色环保型的功能安全的能在网络上实现远程监控和实时远程诊断的变频器装置。

    3.2 谐波抑制的主要方法

    （1）国内外许多公司，在变频器电网侧采用隔离移相变压器，构成多级移相叠加的整流方式，实现几十到一百的脉冲整流效果，这种多重化结构设计，可大大改善电网侧的电流波形，无需任何无功功率补偿及谐波抑制装置就可满足供电部门对负载网侧电能质量的要求，功率因素高达0.95以上。由于变压器副边绕组的独立性，使变频功率单元的主回路也相对独立，非常安全可靠，不增加噪音和发热，不产生转矩脉动，变频器的效率高于0.97以上。

    （2）使用无源滤波器或有源滤波器

    使用无源滤波器其主要是改变在特殊频率下电源的阻抗，适用于稳定、不改变的系统。而使用有源滤波器主要是用于补偿非线性负载。北京第九水厂是采用无源滤波法。无源滤波器（LC）存在的问题：一种参数只能针对特定次数谐波补偿；响应速度慢，无法跟踪动态谐波进行动态补偿；补偿谐波时，可能产生多余的无功；系统阻抗小时补偿效果难以令人满意；改变系统阻抗特性，可能导致谐振；参数稳定性差，特别是电容参数容易变，导致失谐。

    （3）增加变压器的容量，减少回路的阻抗及切断传输线路法由于非线性负载引起的畸变电流在电缆的阻抗上产生一个畸变电压降，而合成的畸变电压波形加到与此同一线路上所接的其它负载，引起谐波电流在其上流过，采用提高变压器容量，增大电缆截面积，特别是加大中性线电缆截面，以及选用整定值较大的断路器、熔断器等保护元件等办法，也无法从根本上消除谐波，反而降低了保护特性与功能，加大了建设投资，加深了供电系统的安全隐患。

    3.3 静态无功补偿与动态无功补偿必须同步设计

    （1）传统的无功补偿设计手段都是静态的并联电容器，如图1所示。
                       
                                    图1  某水厂滤波装置原理接线图
    并联电容器是固定式设备。一般只能满足按小时考核的功率因数，或者每小时4个点的功率因数考核。

    电动机的负荷变化时其功率因数也是变化的，而且是连续的。通常功率因数在0.5~0.85之间变化；负荷也总是变化的，特别是冲击性的负荷，如大功率交交变频等，则更明显。传统的静态的无功补偿，就无法将功率因数连续同步的补偿到0.95左右。无功过量补偿时，无功倒送同样要造成额外的电能损耗。并联电容器就是第一代静态的无功补偿装置。

    （2）第二代动态无功补偿（SVC）的工作原理（如图2所示）
                          
                                       图2  TCR型SVC工作原理
    基于晶闸管控制电抗器（TCR）的SVC无功补偿是第二代无功补偿装置，可在网上进行动态的无功补偿和消除各次高次谐波。TCR通常与固定并联的电容器（FC）相配合。TCR产生变化的连续动态可调的滞后的感性无功QTCR，FC并联的电容器提供固定的超前的容性无功Qc，只要感性无功与容性无功相抵消，就能够做到：功率因数保持恒定，电压几乎不波动。即：Q_N（系统）=Q_V（负载）-Q_C+Q_TCR=恒定值（或0）

    （3）第三代最新型的动态无功补偿装置SVG第三代无功补偿装置 ，即静止无功发生器（SVG），其工作原理如图3、图4所示。
                        
                                      图4  SVG的工作原理结构图
    ① SVG原理介绍：直接电流控制，等效于一个受控的电流源，既可以发容性无功，又可以发感性无功。静止无功发生器SVG（Static Var Generator，也称为STATCOM）。

    SVG能快速跟踪负荷的无功变化；高频开关，低损耗；连续平滑调节；保持稳定的高功率因数；改善电能质量。适用于配电网络中大功率的非线性负荷的补偿（电解装置、整流设备、电弧炉、轧钢机等）。

    ② SVG与 SVC性能比较

    SVG动态响应速度快，SVC为2~3周波，不能有效抑制电闪变；

    SVG占地面积小，仅为SVC 的1/2~1/3；

    SVG输出电流谐波含量小，不需外加滤波器；

    SVG输出无功电流与接入点电压大小无关，SVC无功电流随电压正比下降，因此每kvar的补偿效果相当SVC的1.2~1.3倍；

    SVG与SVC造价比较（以50M~150M容量比较）：每kvar计算，SVC为150元~200元左右；SVG为180元~220元左右；但是，随着功率半导体器件价格的逐年下降，SVG价格下降空间大，SVC价格下降很难。SVG性能比阻抗型SVC优越得多。

    ③ SVG与 SVC长期运行费用比较

    所有动态无功补偿装置都不可避免地会有功损耗，其长期运行损耗不容忽视！以损耗1%计：100Mvar-SVC，438万/年（以每度电0.5元）；SVG零输出无损耗，仅仅动态补偿时才有损耗，SVG与并联电容合用后产生的动态无功要比SVC大一倍，而正常运行的功率损耗是同容量SVC的1/2倍，更加符合节约资源的国策！

    实例： 1 0 0M v a r - S V C 的正常运行有功损耗=10万*1%*24*365=876万kWh*0.5元=438万元；如果电费1元/度,100Mvar-SVC每年有功功率损耗为867万元；200Mvar SVC年损耗1700万！而SVG运行损耗接近零。

    4 创建科学的安全实用的水工业综合自动化网络监控系统

    水工业像其他工业系统一样，90%负荷要在网上能动态调速节能，不断变化的功率因素值随时要调整到0.95以上，随时要消除各种谐波。一个ERP/MES/PCS三层结构始终保持在最优状态下安全运作，必须有一个如下的水工业综合自动化网络监控系统：

    （1）现场设备是综合自动化的基石。现场机、电、仪、执行器等设备要尽快微型化、虚拟化、智能化、多功能化、数字化和网络化。

    （2）现场要选用PAC可编程自动化控制器作为ERP/MES/PCS三层架构中的现场底层，原先是PLC为主体，现在的工程设计时，现场可以选用新的PAC（也可选功能强大性价比高的PLCopen）。PAC保持了PLC的编程方式和特点，具有很高的可靠性和稳定性；PAC又具有IPC的硬实时操作系统，具有强大的运算和联网功能，编程更加简化，更容易实现水工业流程中独特的预估、加药、加氯、氧曝等闭环的先进控制；

      PAC是一个软逻辑结构，有极大容量的存储能力；PAC有标准的网络接口，能方便的与其他品牌的PLC、计算机、网络、各种分析仪器、现场所有的电、气、仪、机等设备联网通信；PAC的数据测试是海量的，能对应复杂的有几百个I/O节点，甚至更多的I/O节点；PAC的性价比高，成本更低；PAC采用了事实上的网络接口、编程语言、安全监控等各种工业标准，与异型异构的网络进行快速的数据交换，数据共享，使远程监控有了坚实的底层基础；PAC采用模块化的软件结构可任意增加和裁减，非常适合水工业各种规模的流程的运转控制，极便于二次开发；PAC具有统一的软硬件开发平台，能满足多专业、多速率、多循环、多任务的非线性操作运行的控制要求；操作工程师可通过网上的任一台计算机的Web窗口获取各站最底层的所有数据信息，并能在线的进行系统诊断，寻找故障所在；与传统的自动化设备相比，应该说PAC是实现ERP/MES/PCS三层自动化架构的最好的帮手。

    （3）实时数据库是MES的核心，是水企业实现自动化的心脏。水工艺流程中海量的实时数据（包括变频器的最优控制、无功动态补偿、谐波动态消除）要进行统一的存储、分析、运算、处理和管理，能为客户提供开放的二次开发平台接口，来提升企业功能，不断的与时俱进的提高生产效率，也能发布到其它关系数据库，提供MES、ERP系统所用，帮助企业决策管理。

    （4）监控组态软件和先进控制软件是水企业综合自动化的精神支柱，就像人的大脑一样，是最关键的软件技术。一个高效的水企业自动化系统监控组态软件要智能化，功能要网络化及实时化和WED模块化，接口要标准化，同时要兼容多种操作系统，要求将监控组态软件嵌入到信息化平台上，实现信息化的全集成，实现数据分析与管理决策的统一。监控组态软件将进一步向开放化、标准化、信息化、系统化和上下两端发展，成为工厂信息化的核心技术。要结合各系统调速节能的工程实际，选择合适的监控组态软件和先进控制技术。

      （5）现场信息监控网络必须选用实时工业以太网RTE（Real Time Ethernet, RTE ）DCS系统之后，FCS现场总线系统向数字化和开放性发展了一大步。但是，FCS不能完成大量的数据传输，各大厂家的软件技术互不兼容，无法实现总线并构，变成一个又一个的“孤岛”。

    实时工业以太网比FCS现场总线具有一系列的优势：采用公认的TCP/IP通讯协议，现场层极易与Internet连接，实现公司与众多现场层流程控制的无缝链接。价格低廉、稳定可靠，软硬件产品丰富，支持技术非常成熟；快速以太网的通讯速率一再提高，从10Mb/s、100Mb/s增加到今天的1000Mb/s、10Gb/s，这是FCS系统无法比拟的优势，大大提高了网络控制的可靠性和确定性；车间现场可采用各种网络拓扑结构；只用一根电缆就解决了一个车间或一个终端的控制和供电问题，终端采用无线传感器网络或采用远程I/O接口就更好与主站联网；实时以太网可持续发展的潜力巨大，主站计算机，通过Internet能实现管网GIS地理监控系统及众多远程的取水泵站的无缝连接，可在主站中心或任何网上链接的其他地方，进行修改整合或监控管理。

    （6）创建全集成的水工业综合自动化架构当今水工业综合自动化的体系结构应涵盖着从底层的流程企业到公司级管理自动化：从自动化控制和生态管理到企业全方位管理的信息数据要全集成；所有现场底层的电气控制、过程控制、运动控制和数以万计的仪器仪表测试系统都要高度的有机的融合在综合自动化网络上；而公司顶级部门面对客户市场的ERP系统，从生产到采购、从库存到销售、从流程自动化到市场供应链以及财务人事等广泛的业务领域，其功能和信息数据都要快速高效的融合集成，这中间MES系统起着承上启下的桥梁作用。

    开放，就意味着在网络上能互连、互通、共享和互操作。

    什么是水工业真实可用的综合自动化集成架构？著名的美国咨询集团ARC的描述比较准确：“从全局的观念对整个工厂的流程所牵涉的各个环节，通过单一而又统一的平台来进行工程设计和组态、可视化、控制、生产管理和调度、资产设备管理；具有良好的可扩展能力、可满足小规模的单元控制、中规模的区域控制和大规模的全厂控制的各种要求；它在公共的工程环境、统一的通信框架、建立在工业标准的基础上等几个关键特征。”这就是ARC提出的协同过程自动化系统CPAS（collaborative process Automation System）。其示意图如图5所示。
                 
                                   图5  CPAS系统示意图
    CPAS系统是所有水工业实现ERP/MES/PCS三层结构的一种理想的优化解决方案：用一个统一的软硬件平台提供全厂的控制功能；用一个统一的工程设计和监控组态软件，解决所有车间的电控、仪控、各种阀门执行机构和启动装置、HMI、SCADA的设计和组态、以及开车调试、运行管理、安全保障、在线的系统诊断等工程的一切需要。一个流程企业自动化灵不灵，关键是信息传递灵不灵，正是在实时信息数据快速交换的关键问题上，CPAS在三层结构中提出的解决信息同步交换的问题，解决了经营管理、生产管理、生产制造之间的闭环控制，使电子商务和市场供应链与工厂流程监控协同作战。追求最佳的绩效，这就是CPAS的理念。

    5 结语

    系统在线优化调速、无功动态补偿、谐波动态消除，实现“信息控制一体化”的关键是：抓住信息化的核心技术不放，各种数据、图象、声频、视频、文本、报表能畅通无阻，达到无距离无时限的垂直上下和横平左右的安全高效快速的访问；加氯、加药、预估、氧曝、等响应时间要求毫秒级、抖动误差小于1微秒的、可采用等时同步实时IRT等技术来满足某些高精确度控制的要求；站在建设“数字工厂”的高度上思考问题，从本企业的实际情况出发，做好企业系统的ERP/MES/PCS三个系统基础的科学配置。“信息控制一体化” 的科学的安全实用的水工业综合自动化网络集成架构 ，就是“(INTERNET+WLAN)＋(RTE+WPAN)＋TCP/IP协议+PAC”的完全开放的灵活高效的集成体，如图6所示。
               
                     

    参考文献：

    [1] 韩英锋. 动态无功补偿和谐波抑制与节能[R]，院士高峰论坛，2008.10.

    [2] 陈运珍. 节能降耗与功能安全是水工业建设的两大主题[J]. 电机与控制应用, 2008.

    [3] 王宇, 王明彦. 高压大功率变频器的谐波分析[J]. 变频器世界，2007(3).

    [4] 荣冈, 张泉灵. MES的现状及发展[J].自动化博览, 2008(3), 14-18.

    [5] 缪学勤. 实时以太网技术及其趋势发展[J]. 世界仪表与自动化,2007(9).

    [6] 彭瑜. 自动化体系架构的现状和发展.电气时代[J]. 2007(9).
 
    [7] 陈运珍. 现代水工业自动化必须走信息控制一体化的道路[J].自动化博览，2006(9),84-87.

    摘自《自动化博览》2010年第七期