中國水網(wǎng)專家陳運珍在6月份落幕的“2009水業(yè)高級技術(shù)論壇”會刊征文中，撰文指出變頻調(diào)速是供水系統(tǒng)節(jié)能的最佳選擇，陳運珍原北京市市政工程設(shè)計研究總院二所副所長，擅長“電氣與自控”工程的設(shè)計、評標(biāo)、審核，承擔(dān)過承擔(dān)過北京及深圳市供水調(diào)度廣域網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)工程及北京水源九廠、深圳東湖泵站等幾十項大中型給水排水的供配電系統(tǒng)及復(fù)雜的綜合自動化監(jiān)控系統(tǒng)工程的設(shè)計任務(wù)。

由于全國各省市城鎮(zhèn)化建設(shè)的飛速發(fā)展，近年來出現(xiàn)嚴(yán)重缺電缺水現(xiàn)象。許多城市出現(xiàn)限電限水現(xiàn)象。國家出巨資進行大規(guī)模的給水排水工程建設(shè)。據(jù)統(tǒng)計及預(yù)測，全國城市每天缺水2000萬m³，每天排放污水量約1億m³，我國每年新建擴建的水廠近600萬m³/d，污水處理廠的處理能力將達到700萬m³/d左右。

在給排水工程的建設(shè)和管理運行中，設(shè)備運行管理費用很高，其中水廠的電耗約占50％。大多數(shù)新建的FCS、DCS、PLC監(jiān)控系統(tǒng)也不能進行網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控，造成許多資源的消費。有許多廠站存在先天性的缺陷，變電站位置不合理，配電電纜太多太長，變壓器等設(shè)備選擇不合理，特別是水泵機組選擇不合理，工藝流程總體布局不合理，使給水排水系統(tǒng)的電耗居高不下。給排水廠運行管理，應(yīng)從工藝流程及其配套用電設(shè)備的變配電系統(tǒng)的綜合設(shè)計系統(tǒng)、加藥系統(tǒng)、水泵機組系統(tǒng)的三方向進行重點研究，要制定每噸水的綜合制造單位電耗和藥耗標(biāo)準(zhǔn)，即從每噸水的投資到運行的最佳的代價做文章。在這里，單就水泵機組的最佳節(jié)能技術(shù)選擇進行分析和研究。

實例分析
  
從上世紀(jì)七十年代開始，幾十座大中小型規(guī)模給水廠站的設(shè)計，就打破了常規(guī)設(shè)計的保守選泵法，采用串級調(diào)速或變頻調(diào)速技術(shù)，使供水系統(tǒng)的出廠水流量和揚程，盡量適應(yīng)其配置的管網(wǎng)系統(tǒng)特性的變化，提高水泵的運行效率，盡量使供水調(diào)度得到經(jīng)濟合理，維持管網(wǎng)未端壓力穩(wěn)定運行。

北京市水源九廠開始設(shè)計時，打破了常規(guī)設(shè)計的做法，從工藝流程到變配電設(shè)備選型，不是按最高日最高時的流量和其對應(yīng)的壓力為工作點來選不同容量水泵和水泵組合；而是在滿足最大設(shè)計水量的基礎(chǔ)上，盡量使調(diào)速高效特性曲線接近系統(tǒng)的特性曲線，也就是說，盡量將各種調(diào)速泵組合的高效區(qū)能套入出現(xiàn)機率最高的工作段或點上。調(diào)速泵臺數(shù)，應(yīng)在全年內(nèi)運行工況中開泵出現(xiàn)次數(shù)最多的臺數(shù)為需要的臺數(shù)，而備用泵選用定速泵。

先看取水泵站。取水泵站的各種臺數(shù)組合的高效中心線，均在系統(tǒng)特性曲線的左側(cè)。在設(shè)計運轉(zhuǎn)臺數(shù)時，應(yīng)將高效中心線包入最大流量點的曲線段，曲線向右下方移動，流量加大而揚程降低，使其與4臺泵運轉(zhuǎn)的系統(tǒng)特性曲線重合或靠近，水泵綜合運轉(zhuǎn)效率就會更高。從系統(tǒng)分析看，水泵同時運轉(zhuǎn)4臺為最經(jīng)濟，考慮分期建設(shè)，第一期選用兩臺容量最大的水泵調(diào)速將更經(jīng)濟合理。

再看配水廠站配置。從電算可知，首期2臺泵運轉(zhuǎn)出現(xiàn)機率最高，其次為3臺，同時各種臺數(shù)組合的高效區(qū)均能包入高日高時流量的基礎(chǔ)上向右下方移動，見上圖。加大額定流量降低額定揚程，使配水泵綜合的高效中心線介于兩三臺水泵運轉(zhuǎn)時系統(tǒng)特性曲線之間，二期后同時運轉(zhuǎn)需要4臺，再考慮日變時變率，運轉(zhuǎn)泵均為調(diào)速泵比較合理。當(dāng)一臺調(diào)速泵有故障時，三調(diào)一定運轉(zhuǎn)，其綜合效率降低一點，而工作揚程還是較高。所以，備用泵選用定速泵比較經(jīng)濟合理。

供水系統(tǒng)可選的幾種變頻調(diào)速技術(shù)

從上世紀(jì)80年代開始，我國水工業(yè)真正步入了變頻調(diào)速時代。如北京水源九廠、深圳梅林水廠、深圳中西部源水系統(tǒng)各泵站、北方南水北調(diào)各大輸水泵站、上海原水公司和自來水公司、上海排水管理公司、廣州、福州、廈門、東莞、天津、重慶、石家莊、昆明、成都、潮州、大慶油田等自來水公司的上百個大中型水廠和泵站都選用了變頻調(diào)速裝置。水泵電機容量從315KW到2500KW，采用變頻調(diào)速裝置的臺數(shù)近1000臺以上。200KW以下容量選用變頻調(diào)速裝置就更多了。

由于電流型變頻器是全控橋整流，諧波非常豐富，對電網(wǎng)公害大，抑制諧波的措施比較復(fù)雜，在價格和可靠性上失去了優(yōu)勢，在水工業(yè)領(lǐng)域中已很少采用了。220KW及以上水泵機組可選擇的變頻調(diào)速裝置有以下六種：

•   “中－低－中”變頻器
優(yōu)點是變頻器價格低，缺點是增加了占地面積和成本，增加了兩級變壓器損耗，可靠性大大降低了，在低速時，變壓器效率更低，功率因數(shù)也低。

•低壓大功率變頻器
國產(chǎn)低壓變頻器已做到1000KW，國外已做到2000KW。建議盡量選用1.7KV、2.3KV、3.3KV多相特殊電動機。

•中－低壓大功率變頻器
其優(yōu)點是中壓輸電損耗小，低壓變頻效率高，輸入變壓器一側(cè)采用角（△）接法，可吸收變頻系統(tǒng)中的高次諧波。

•中－中壓變頻器
a）中壓IGBT PWM變頻器。額定功率因數(shù)≥0.96，系統(tǒng)器件由60支減為24支，電路簡化了，可靠性提高了。b）中壓IGCT PWM變頻器。額定效率＞98％，額定功率因數(shù)＞0.95。

•多重式多級串聯(lián)中壓變頻器
美國ROBICON公司、日本安川、富士、東芝公司等公司，都先后推出了多重式多級串聯(lián)中壓變頻調(diào)速裝置。采用多電平結(jié)構(gòu)和多級低壓小功率IGBT PWM變頻單元串聯(lián)輸出中壓變頻電，實現(xiàn)了大功率集成。額定效率≥96％，額定功率因數(shù)≥0.95。但必須指出，同一容量采用中壓設(shè)備不但價格貴得多，且可靠性也下降了。

關(guān)于水泵電機采用矢量控制或直接轉(zhuǎn)矩控制的變頻調(diào)速控制方案的思考

量控制系統(tǒng)（VC）和直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)（DTC），都是高性能的交流變頻調(diào)速系統(tǒng)，都是轉(zhuǎn)矩控制，都是基于異步電動機的動態(tài)數(shù)學(xué)模型設(shè)計的。矢量控制系統(tǒng)的特點是：通過坐標(biāo)變換，按轉(zhuǎn)子磁鏈定向，電機模型需要電機參數(shù)多，定向準(zhǔn)確度受參數(shù)變化影響大。

直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)（DTC），在轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)，利用轉(zhuǎn)矩反饋直接控制電機的定子磁鏈轉(zhuǎn)矩。DTC受轉(zhuǎn)子側(cè)參數(shù)影響不大，而VC受轉(zhuǎn)子參數(shù)變化影響大，DTC魯棒性比VC強。

DTC系統(tǒng)由電機的電壓和電流計算出定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩，采用砰－砰控制來實現(xiàn)變頻器的PWM控制，其著眼點是電壓，而矢量控制的著眼點是電流，存在電流調(diào)節(jié)時間滯后，而DTC沒有電流控制環(huán)路，沒有任何電流反映，電機可以獲得較大的dv／dt，較大的加速電流，產(chǎn)生較快的電流響應(yīng)和轉(zhuǎn)矩響應(yīng)，DTC轉(zhuǎn)矩響應(yīng)比VC快4～5倍。

DTC由于采用砰－砰控制，其開關(guān)頻率不穩(wěn)定，其電流的諧波比VC稍大些，變頻器效率略比VC低一些，就是說DTC控制變頻器的穩(wěn)態(tài)指標(biāo)要比VC差一些。無速度傳感器控制是DTC和VC控制系統(tǒng)共同的研究課題，并不是DTC的發(fā)明專利，它們都采用同樣的交流電機數(shù)學(xué)模型。DTC的低速控制性能不好，用轉(zhuǎn)子磁鏈控制來補償DTC的低速性能，控制系統(tǒng)低速時用ISR，高速時過渡到DTC。在水泵機組、生化處理、加藥系統(tǒng)中選用DTC系統(tǒng)，還是VC系統(tǒng)，要注意選擇，否則有害無益。DTC和VC系統(tǒng)作為高性能的調(diào)速系統(tǒng)，在本質(zhì)上是相同的，都能實現(xiàn)較高的靜、動態(tài)性能。DTC和VC系統(tǒng)，由于控制方法上的差異，各有特色，各有不同的優(yōu)缺點，各有側(cè)重的應(yīng)用領(lǐng)域。矢量控制更適應(yīng)于寬范圍調(diào)速系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)，直接轉(zhuǎn)矩控制更適應(yīng)于快速轉(zhuǎn)矩響應(yīng)，魯棒性好的大滯后運動控制系統(tǒng)，兩種系統(tǒng)都存在一些不足，兩種系統(tǒng)的研究和開發(fā)工作都朝著克服其缺點方向發(fā)展。