变频调速在北方供暖工程中的节能潜力分析_谐波治理

论文导读:：通过对某集中供暖工程中的分析，论述了对风机、水泵类电机采用变频器调速的节能潜力。以实例说明变频调速的节能效果及变频谐波的治理方案。
论文关键词：节能，变频，谐波治理
 

1 前言

目前我国建筑能耗约占总能耗的1//3，而集中供暖工程又是北方建筑不可缺少的组成部分，其运行时间长，涉及面较广，消耗能源之多，在创造节约低碳的新型社会中尤其引人关注。如何在保证舒适的前提下降低能耗，是目前研究的重点^[1~2]。

供暖工程中需要使用到大量的风机、水泵等设备，这些设备都是耗电大户，当然对这些设备进行节能分析也是很有意义的。本文通过一个位于河北保定市的集中供暖项目为例，分析变频器在风机、水泵类电机中的节能效益，并对变频谐波提出具体的治理方案。

2 变频调速装置在供暖工程中的应用

河北保定市某集中供暖工程谐波治理，规模为5台64MW的燃煤热水锅炉及其附属设施。总建筑面积约15000m²，新建变电站一座，安装2台10/0.4kV、1250kVA变压器和2台10/0.4kV、1000VA变压器，2台630kW大循环水泵采用10/0.69kV、800kVA、12脉冲整流变压器构成电动机变压器组供电。

在该项目中，选择CFC-2000变频器对风机和水泵等设备进行调速。CFC-2000变频器控制方式可以采用无PG矢量控制、有PG矢量控制及V/F控制。速度控制精度达到0.1%，提供1:1000的速度控制范围，可实现转速追踪再起动功能，实现对旋转中的电机的无冲击平滑启动。该工程主要的风机、水泵等设备均采用变频器调速，见表1。

表1 主要风机、水泵配用变频器一览表

鼓风机、引风机、小循环水泵电机等（功率不大于400 kW）采用380V变频器调速控制，既节约能源，又能软启动，减少启动电流对电网的冲击杂志网。

对于630 kW大循环水泵电机，尽管可选到380V变频器，但采用380V电动机，电流太大，电缆损耗高，施工接线不方便。经比较有一下三种调速效果较好的方案：

（1）电机采用高压变频器调速，高压变频器控制装置为10 kV输入，6kV（或10 kV）输出，选用6 kV（或10 kV）高压电机。高压变频器调速电机电流小，电缆截面小，变频器节能效果显著。其缺点之一是价格昂贵，一次性投资较大；二是设备体积大谐波治理，占地面积大。

（2）电机采用660V变频器调速，该方案需设10/0.69kV变压器。660V变频器为成熟的设备，每千瓦投资与380V变频器接近，约为同功率同档次高压变频器调速装置价格的一半左右，且接线简单，技术可靠，不需要另外的电容补偿，功率因数可达到0.95以上。

（3）电机采用斩波内馈调速，斩波内馈调速技术是国内专利技术，以低电压、低功率对高压大功率电机进行调速，节能效果与变频器装置差不多，其成本比低压变频器高一些。其缺点是采用绕线型电机存在滑环和电刷问题，增加了电机维护量和运行成本，另外电机体积较大，占地面积大。

以上三种调速方案均为技术先进，节能效果显著的方案。从技术先进，运行可靠，控制精度，占地面积，节能效果等方面综合考虑，400kW以上至800kW电机采用660V变频调速方案较好。该工程两台630kW大循环水泵电机采用660V变频调速方案，减少了谐波的影响，变频器选用12脉冲整流。

该工程已于去年投入运行谐波治理，一个供暖期供暖时间为3240h，去年冬季5台锅炉运行2台已满足要求。根据现场统计资料，两条锅炉满负荷、90%负荷、80%负荷、70%及以下负荷运行时间各为15天、30天、60天、30天。鼓、引风机电机运行频率及变频器输入电流统计见表2所示。

表2 鼓、引风机电机运行频率及变频器输入电流统计表

如果电机极对数一定，其转差率变化不大时，转速基本上与频率成正比。表2中锅炉在不同的负荷率时频率变化，转速也变化，而风机、水泵类电机轴功率与转速的立方成正比，输入功率大幅度降低。从变频器输入电流也可看出，在80%及以下负荷率运行的时间占整个采暖期的2/3，而此时鼓、引风机变频器输入电流均为额定电流的50%以下，显然节能效果明显。

假设鼓、引风机变频调速与调节风门控制风量相比平均节能30%，则单台鼓、引风机一个采暖期节约电量分别为：

鼓风机：132 kW×30%×3240 h=128304 kWh

引风机：400 kW×30%×3240 h=388800 kWh

根据该工程的高压供电方案，按非工业电价收费，电价为0.6625元/kWh，则单台鼓、引风机一个采暖期节约资金分别为：

鼓风机：128304 kWh×0.6625元/kWh=8.5万元

引风机：388800 kWh×0.6625元/kWh=25.8万元

而CFC-2000变频器每千瓦价格约600元，鼓风机变频器初投资约为7.9万元，引风机变频器初投资约为24万元。由此可见，一年左右的时间就可收回鼓、引风机的变频器的投资。水泵变频效果比鼓、引风机稍差一些，投资回收期稍长一些。

3 变频器谐波治理

该工程风机、水泵类电机采用了大量的变频调速设备，尽管CFC-2000有一定的抑制谐波功能，但还会在5、7、11次及以上谐波。采用变频调速谐波治理有以下三种方案：

（1）若变频调速设备占变压器所带负荷的15%以上谐波治理，则在变压器低压母线补偿电容器上串联适当电抗值（如5.5%）的电抗器，使共振点避开谐波源，可避免谐波污染，亦可消除少量谐波，但主要功能是电容补偿杂志网。

（2）若变频调速设备占变压器所带负荷的50%以上，则需要装设无源滤波器或有源滤波器。但无源滤波器使电容器与电抗器于谐波频率下阻抗为零，成组电容器与电抗器必须同时投切，而变频器功率因数达到0.93以上，需要电容补偿的数量少且变化大，若谐波含量大则有过补偿的危险。且每一阶次需要单独设计一个单谐波滤波器，因此无源滤波器不太适用于消除变频器的谐波。

（3）有源滤波器可同时处理多阶次谐波，不会过补偿。

在该工程中，由于所带变频设备太多，需要进行谐波治理，根据某专业部门电能质量仿真评估报告，以1#变压器为例，所带变频负荷有功功率达到1100kW，1#变压器低电压侧母线最小短路容量为18.8MVA，按国家标准GB/T 14549-93^[3]，折算出1#变压器低压侧母线中的各次谐波电流允许值（见表3）。1#变压器所带负荷注入低压母线的谐波电流见表4。

表3 1#变压器低压侧母线中的各次谐波电流允许值（A）

表4 1#变压器所带负荷注入低压母线的谐波电流表

1#变压器5次、7次及11次谐波电流超过国家标注规定的允许值。谐波治理方案为在1#变压器低压母线侧安装电抗系数为7%的电容补偿200kVar，安装200A有源滤波器，电压总谐波畸变率降低为4.84%，电流总谐波畸变率降为11.2%谐波治理，功率因数由0.928提高到0.982，5次谐波电流下降了182A，7次谐波电流下降了50A，11次谐波电流下降了42A。2#、3#、4#变压器也装设了电抗系数为7%的电容补偿及相应容量的有源滤波器。

4 结论

供暖工程中水泵、风机类电机设备存在较大节能潜力，变频调速因其调速效率高，功能因数高，调速范围宽，调速精度高等优势，又可以实现软启动，减少电网的电流冲击及设备的机械冲击，延长设备使用寿命，是目前风机、水泵类设备最理想的调速方案。使用变频调速时，会产生高次谐波，对电网有污染，安装适当电抗系数的电容补偿与有源滤波器配合使用，是消除变频器谐波的较好方案。

参考文献
[1]江亿.我国建筑能耗状况及有效的节能途径.暖通空调，2005，35（5）：30-40
[2]江亿院士谈供热节能潜力及途径.供热制冷，2010.09：34-36
[3]《电能质量电力系统谐波》GB/T 14549-93