浅谈有源电力滤波器及配电能效平台在污水处理厂中的应用

孟新元

安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定 201800

【摘要】为减少污水处理设备产生的各次谐波，通过确定主要谐波源，检测和计算谐波分量，采用有源电力滤波器进行谐波治理，大幅降低了电力系统中的三相电流畸变率，提高了电能质量；抑制了谐波分量，减少了由谐波引起的电气设备故障，保证了电力系统的正常运行。

【关键词】谐波源；谐波补偿；有源电力滤波器；电流；污水

1引言

当前，我国的水污染问题日益突出，严重阻碍了经济和社会的发展。作为污水处理主要设施的污水处理厂，为保护环境发挥着巨大的作用。污水处理系统的范围大，容量大，设备众多，直接影响着人们的工作和生活。

根据国家规范，城镇中的大中型污水处理厂的用电负荷等级通常按照二级负荷考虑，并由两回高压线路供电，厂内变电站一般设置两台变压器，以确保供电的可靠性。

污水处理厂中的主要用电设备是风机、水泵类。尤其是曝气鼓风机和进水提升泵等设备，单机功率比较大。而且由于工艺需要，采用变频器控制的设备较多，比如曝气鼓风机常采用变频器调速控制，以调节生化池内的曝气量和供气压力，使生化处理达到*佳运行状态，进水提升泵常采用变频器调速，根据泵池液位调节水泵的转速以实现恒液位控制。

污水处理厂的自动化控制水平都比较高，要求对工艺处理流程中的流量、液位、压力和水质分析等进行检测，采集主要工艺、电气设备的运行状态信号，设置自动控制和自动调节系统，以满足工艺设备的运行要求。以上均需要大量的PLC控制器去实现。

污水处理厂中的变压器、电动机、变频器、PLC控制器等在正常运行的过程中都会产生大量的各次谐波[1]，是污水处理厂中的主要谐波源。这些谐波对厂内变配电系统和各个电气设备都会产生不同程度的影响和危害，带来安全隐患。

2谐波补偿装置的比较

目前，污水处理厂谐波治理的主要方法是在电力系统中装设谐波补偿装置。谐波补偿装置又分为无源型和有源型。

无源滤波器是一种由滤波电容器、电阻器、电抗器组合成的滤波装置，与凿波源并联，不仅起到滤波作用，还可进行适当的无功补偿。无源滤波器的缺点主要是受电网阻抗和运行状态影响，容易与电力系统产生并联谐振，致使谐波放大，导致滤波器过载或者烧毁。此外，一个滤波器只能对一个同定频率的谐波进行补偿，且补偿效果不是非常理想。

有源滤波器是一种新型电力电子装置，其工作原理是先检测补偿对象中的谐波电流，随后补偿装置产生一个补偿电流，补偿电流与该谐波电流大小相等而极性相反，两者相互抵消，从而滤除掉电网中的漪波分量。这种滤波器的优点是可以对频率和幅值都变化的谐波进行补偿，并且补偿特性不会受到电网阻抗和运行状态的影响，因此得到了广泛的应用。

3有源电力滤波器的应用实例

3．1项目概述

山西某市污水处理厂工程，安装2台SCBl0—800／10 800kVA l0／0．4kV干式变压器，低压系统采用单母线分段结线，正常情况下，母联断路器打开，2台变压器并列运

行，每台变压器的负荷率约为70％。

厂内主要的大功率变频设备为2台90kW鼓风机和2台75kW进水提升泵，由变电站内低压变频柜负责供电及控制，变频器安装在变频控制柜内。全厂主要的电动机负载、PLC柜等也都由变电站内低压开关柜供电，因此厂内的主要谐波源都集中在变电站低压系统内。

3．2谐波电流的检测与计算

为确定低压系统内谐波的情况，采用谐波检测软件对低压系统内的谐波电压和谐波电流进行检测，检测波形和数据见图1。

从图中可以看出：

(1)实测电压波形畸变率约为1．7％，基本符合国家相关规范。

(2)实测电流的畸变率约为7．9％，电流波形畸变较明，谐波电流主要为3、5、7次谐波产生。

根据厂内变压器的容量、负荷率以及谐波畸变率，对一段母线的谐波电流进行计算，谐波电流的计算公式如下：

式中符号含义：S为变压器容量，K为变压器负荷率，U为变压器二次侧额定电压；IHR为谐波电流；THDi为电流总谐波畸变率，实测为7．9％

经计算，

3．3谐波治理方案

由于厂内的谐波源主要集中在变电站的低压开关柜内，故考虑对谐波进行集中补偿，在低压系统内安装有源电力滤波器，并根据述谐波电流的计算结果，选择*大输补偿电流为75A的滤波器。

由于系统中同时存在谐波补偿装置和无功补偿装置，有源电力滤波器的补偿接入点应在无功补偿装置和谐波负载之间，并尽量靠近谐波负载。同时，有源电力滤波器的补偿接人点应处于采样电流互感器的七游，以此保证采样电流互感器的下游不包含容性负荷电流以及有源电力滤波器自身注入的谐波补偿电流。具体补偿方案见图2

3．4谐波治理效果

安装有源电力滤波器后，再次对低压系统内的特波电压和谐波电流进行检测．实测结果见图3。

由图2可看出，在应用有源滤波器之后，系统的三相电压畸变率由1．7％降为1．5％，三相电流畸变率巾7．9％降为4．2％，其中主要的3、5、7次谐波含量明显下降。系统内电流波形变成光滑的正弦曲线，谐波治理效果显著。采用谐波治理装置的

效果如下：

大幅降低电力系统中的三相电流畸变率,一般降幅在50%左右，使电流和电压波形变得光滑完整，提高了电能质量；抑制主要次数的谐波分量，减少由谐波引起的电气设备故障．保证了电力系统的正常运行。

4.AcrelEMS-SW智慧水务能效管理平台

4.1平台概述

安科瑞电气具备从终端感知、边缘计算到能效管理平台的产品生态体系，AcrelEMS-SW智慧水务能效管理平台通过在污水厂源、网、荷、储、充的各个关键节点安装保护、监测、分析、治理装置，用于监测污水厂能耗总量和能耗强度，重点监测主要用能设备能效，保护污水厂运行安全可靠，提高污水厂能效，为污水处理的能效管理提供科学、精细的解决方案。

4.2平台组成

AcrelEMS智慧水务综合能效管理系统由变电站综合自动化系统、电力监控及能效管理系统组成，涵盖了水务中压变配电系统、电气安全、应急电源、能源管理、照明控制、设备运维等，贯穿水务能源流的始终，帮助运维管理人员通过一套平台、一个APP实时了解水务配电系统运行状况，并且根据权限可以适用于水务后勤部门管理需要。

4.3平台拓扑图

4.4平台子系统

4.4.1变电站综合自动化系统及电力监控

对水务配电系统中35kV、10kV电压等级配置继电保护和弧光保护，实现遥测、遥信、遥控、遥调等功能，对异常情况及时预警。

监测变压器、水泵、鼓风机的电流、电压、有功/无功功率、功率因数、负荷率、温度、三相平衡、异常报警等数据。

4.4.2电能质量监测与治理

水务中大量的大功率电机、水泵变频启动导致配电系统中存在大量谐波，通过监测其配电系统的谐波畸变、电压波动、闪变和容忍度指标分析其电能质量，并配置对应的电能质量治理措施提高供电电能质量。

4.4.3电动机管理

马达监控实现水务中电机的保护、遥测、遥信、遥控功能，电动机保护器能对过载、短路、缺相、漏电等异常情况进行保护、监测和报警。高效、准确地反映出故障状态、故障时间、故障地点、及相关信息，对电机进行健康诊断和预防性维护。同时支持与PLC、软启、变频器等配合，实现电动机自动或远程控制，监视、控制各个工艺设备,保障正常生产。

4.4.4能耗管理

为水务搭建计量体系，显示水务的能源流向和能源损耗，通过能源流向图帮助水务分析能源消耗去向，找出能源消耗异常区域。

将所有有关能源的参数集中在一个看板中，从多个维度对比分析，实现各个工艺环节的能耗对比，帮助领导掌控整个工厂的能源消耗，能源成本，标煤排放等的情况。

能耗数据统计采集水务中污水厂、自来水厂、水泵站等的用电、用水、燃气、冷热量消耗量，同环比对比分析，能耗总量和能耗强度计算，标煤计算和CO2排放统计趋势。

能效分析按三级计量架构，分别进行能效分析，契合能源管理体系要求，可对各车间/职能部门的能效水平进行分析，同比、环比、对标等。通过污水处理产量以及系统采集的能耗数据，在污水单耗中生成污水单耗趋势图，并进行同比和环比分析，同时将污水的单耗与行业/国家/国际先进指标对标，以便企业能够根据产品单耗情况来调整生产工艺，从而降低能耗。

4.4.5智能照明控制

系统为污水厂、自来水厂、水泵站等提供了照明控制管理方案，支持单控、区域控制、自动控制、感应控制、定时控制、场景控制、调光控制等多种控制方式，模块可根据经纬度自动识别日出日落时间实现自动控制功能，尽量利用自然光照，实现室内、厂区照明的智能控制达到安全、节能、舒适、高效的目的。

4.4.6电气安全

4.4.6.1电气火灾监测

监测配电系统回路的漏电电流和线缆温度，实现对污水厂、自来水厂、水泵站的电气安全预警。

4.4.6.2消防应急照明和疏散指示

根据预先设置的应急预案快速启动疏散方案引导人员疏散。系统接入消防应急照明指示系统数据，通过平面图显示疏散指示灯具工作状态和异常情况。

4.4.6.3消防设备电源监测

监测消防设备的工作电源是否正常，保障在发生火灾时消防设备可以正常投入使用。

4.4.6.4 防火门监控系统

防火门监控系统集中控制其各终端设备即防火门监控模块、电动闭门器、电磁释放器的工作状态，实时监测疏散通道防火门的开启、关闭及故障状态，显示终端设备开路、短路等故障信号。系统采用消防二总线将具有通信功能的监控模块相互连接起来，当终端设备发生短路、断路等故障时，防火门监控器能发出报警信号，能指示报警部位并保存报警信息，保障了电气安全的可靠性。

4.4.7 环境监测

污水厂、自来水厂、水泵站等场所温湿度、烟雾、积水浸水、视频、UPS电池间可燃气体浓度展示和预警，保障污水厂、自来水厂、水泵站等安全运行。当可燃气体或有害气体浓度超标可自动启动排风风机或新风系统，排除隐患，保持良好的水处理环境。

4.4.8分布式光伏监测

实时监测低压并网柜每路的电流、电压、功率等电气参数及断路器开关状态，逆变器运行监视，对逆变器直流侧每一光伏组串的输入直流电压、直流电流、直流功率，逆变器交流电压、交流电流、频率、功率因数、当前发电功率、累计发电量进行监测，以曲线方式绘制上述监测的各个参量的历史数据。

平台结合厂区实际分布情况，通过3D或2.5D平面图显示分布式光伏组件在屋顶、车棚的分布情况，显示汇流箱、并网点位置，各个屋顶的装机容量。

4.4.9工艺仿真监控

平台通过2D、3D方式实时监视粗格栅、污水提升、细格栅、曝气沉砂、改良生化处理、二沉、加氯接触消毒、污泥浓缩压滤、生物除臭等工艺设备运行状态。在格栅清渣机、污水提升泵、回流泵、曝气风机、加药泵、浓缩压滤机、吸沙泵、吸泥泵等低压电动机控制柜或低压馈电柜安装电动机保护，进行短路、过流、过载、起动超时、断相、不平衡、低功率、接地/漏电、te保护、堵转、逆序、温度等保护以及外部故障连锁停机，与PLC、软启、变频器等配合，实现电动机自动或远程控制，监视、控制各个工艺设备,保障正常生产。

5.相关平台部署硬件选型清单

6 总结

在污水处理厂项目中,应根据实际谐波负载的类型、大小和分布情况,科学合理地选择谐波补偿方案。可采用单一补偿方案,也可同时采用多种补偿方案。当电网中需要同时进行谐波和无功补偿时,也可采用混合动态消谐补偿装置。并根据谐波电流计算,选择合适的有源电力滤波器型号,以达到对污水处理厂电网中谐波治理的目的,保证电源质量和电气设备的安全运行。

参考文献

1. 孙美君.工业与民用配电设计手册[M北京:中国电力出版社2005.
2. 王兆安,杨君,刘进军谐波抑制与无功功率补偿M北京机械工业出版社,1998.

[3] 安科瑞企业微电网设计与应用手册.2022.05版

[4] 马建彬，韩海宁，邱俊华，郝华.有源电力滤波器在污水处理厂中的应用

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