有源電力濾波器在污水處理廠中的應用

馬建彬,韓海寧,邱俊華,郝華

（1.中國市政工程華北設計研究總院有限公司，天津300381；2.天津昱丞高科工程設計有限公司，天津300381；3.江門電力設計院有限公司，廣東江門529000）

有源電力濾波器在污水處理廠中的應用

馬建彬1,韓海寧2,邱俊華3,郝華1

（1.中國市政工程華北設計研究總院有限公司，天津300381；2.天津昱丞高科工程設計有限公司，天津300381；3.江門電力設計院有限公司，廣東江門529000）

為減少污水處理設備產生的各次諧波，通過確定主要諧波源，檢測和計算諧波分量，采用有源電力濾波器進行諧波治理>，大幅降低了電力系統中的三相電流畸變率，提高了電能質量；抑制了諧波分量，減少了由諧波引起的電氣設備故障，保證了電力系統的正常運行。

諧波源；諧波補償；有源電力濾波器；電流；污水

1 引言

當前，我國的水污染問題日益突出，嚴重阻礙了經濟和社會的發展。作為污水處理主要設施的污水處理廠，為保護環境發揮著巨大的作用。污水處理系統的范圍大，容量大，設備眾多，直接影響著人們的工作和生活。

根據國家規范，城鎮中的大中型污水處理廠的用電負荷等級通常按照二級負荷考慮，并由兩回高壓線路供電，廠內變電站一般設置兩臺變壓器，以確保供電的可靠性。

污水處理廠中的主要用電設備是風機、水泵類。尤其是曝氣鼓風機和進水提升泵等設備，單機功率比較大。而且由于工藝需要，采用變頻器控制的設備較多，比如曝氣鼓風機常采用變頻器調速控制，以調節生化池內的曝氣量和供氣壓力，使生化處理達到最佳運行狀態，進水提升泵常采用變頻器調速，根據泵池液位調節水泵的轉速以實現恒液位控制。

污水處理廠的自動化控制水平都比較高，要求對工藝處理流程中的流量、液位、壓力和水質分析等進行檢測，采集主要工藝、電氣設備的運行狀態信號，設置自動控制和自動調節系統，以滿足工藝設備的運行要求。以上均需要大量的PLC控制器去實現。

2 諧波補償裝置的比較

目前，污水處理廠諧波治理的主要方法是在電力系統中裝設諧波補償裝置。諧波補償裝置又分為無源型和有源型。

無源濾波器是一種由濾波電容器、電阻器、電抗器組合成的濾波裝置，與諧波源并聯，不僅起到濾波作用，還可進行適當的無功補償。無源濾波器的缺點主要是受電網阻抗和運行狀態影響，容易與電力系統產生并聯諧振，致使諧波放大，導致濾波器過載或者燒毀。此外，一個濾波器只能對一個固定頻率的諧波進行補償，且補償效果不是非常理想[2]。

有源濾波器是一種新型電力電子裝置，其工作原理是先檢測出補償對象中的諧波電流，隨后補償裝置產生一個補償電流，補償電流與該諧波電流大小相等而極性相反，兩者相互抵消，從而濾除掉電網中的諧波分量。這種濾波器的優點是可以對頻率和幅值都變化的諧波進行補償，并且補償特性不會受到電網阻抗和運行狀態的影響，因此得到了廣泛的應用。

3 有源電力濾波器的應用實例

3.1 項目概述

山西某市污水處理廠工程，安裝2臺SCB10-800/10 800 kVA 10/0.4 kV干式變壓器，低壓系統采用單母線分段結線，正常情況下，母聯斷路器打開，2臺變壓器并列運行，每臺變壓器的負荷率約為70%。

廠內主要的大功率變頻設備為2臺90 kW鼓風機和2臺75 kW進水提升泵，由變電站內低壓變頻柜負責供電及控制，變頻器安裝在變頻控制柜內。全廠主要的電動機負載、PLC柜等也都由變電站內低壓開關柜供電，因此廠內的主要諧波源都集中在變電站低壓系統內。

3.2 諧波電流的檢測與計算

頭孢呋辛酯口服混懸液用于治療由化膿性鏈球菌敏感菌株引起的3個月至12歲的兒童患者的輕度至中度咽炎/扁桃體炎。

為確定低壓系統內諧波的情況，采用諧波檢測軟件對低壓系統內的諧波電壓和諧波電流進行檢測，檢測波形和數據見圖1。

從圖中可以看出：

（1）實測電壓波形畸變率約為1.7%，基本符合國家相關規范。

（2）實測電流的畸變率約為7.9%，電流波形畸變較明顯，諧波電流主要為3、5、7次諧波產生。

根據廠內變壓器的容量、負荷率以及諧波畸變率，對一段母線上的諧波電流進行計算，諧波電流的計算公式如下：

圖1 諧波治理前系統內諧波分量的檢測數據

式中符號含義：S為變壓器容量，K為變壓器負荷率，U為變壓器二次側額定電壓；IHR為諧波電流；THDi為電流總諧波畸變率，實測為7.9%。

經計算，

3.3 諧波治理方案

由于廠內的諧波源主要集中在變電站的低壓開關柜內，故考慮對諧波進行集中補償，在低壓系統內安裝有源電力濾波器，并根據上述諧波電流的計算結果，選擇最大輸出補償電流為75 A的濾波器。

由于系統中同時存在諧波補償裝置和無功補償裝置，有源電力濾波器的補償接入點應在無功補償裝置和諧波負載之間，并盡量靠近諧波負載。同時，有源電力濾波器的補償接入點應處于采樣電流互感器的上游，以此保證采樣電流互感器的下游不包含容性負荷電流以及有源電力濾波器自身注入的諧波補償電流。具體補償方案見圖2。

圖2 諧波集中補償方案

3.4 諧波治理效果

安裝有源電力濾波器后，再次對低壓系統內的諧波電壓和諧波電流進行檢測，實測結果見圖3。

由圖2可看出，在應用有源濾波器之后，系統內的三相電壓畸變率由1.7%降為1.5%，三相電流畸變率由7.9%降為4.2%，其中主要的3、5、7次諧波含量明顯下降。系統內電流波形變成了光滑的正弦曲線，諧波治理效果顯著。采用諧波治理裝置的效果如下：

大幅降低電力系統中的三相電流畸變率，一般降幅在50%左右，使電流和電壓波形變得光滑完整，提高了電能質量；抑制主要次數的諧波分量，減少了由諧波引起的電氣設備故障，保證了電力系統的正常運行。

4 總結

在污水處理廠項目中，應根據實際諧波負載的類型、大小和分布情況，科學合理地選擇諧波補償方案。可采用單一補償方案，也可同時采用多種補償方案。當電網中需要同時進行諧波和無功補償時，也可采用混合動態消諧補償裝置。并根據諧波電流計算，選擇合適的有源電力濾波器型號，以達到對污水處理廠電網中諧波治理的目的，保證電源質量和電氣設備的安全運行。

圖3 諧波治理后系統內諧波分量的檢測數據

針對污水處理廠的諧波治理建議：采用電力側諧波與用戶側諧波同時治理的方案；采用靠近諧波源的方式；根據運行經驗，用戶側諧波較為嚴重會造成精密控制設備的燒毀，故在重要的設備處需要加強諧波治理。

[1]孫美君.工業與民用配電設計手冊[M].北京：中國電力出版社2005.

[2]王兆安，楊君，劉進軍.諧波抑制與無功功率補償[M].北京：機械工業出版社，1998.

App lication of Active Power Filter to Sewage Treatment

MA Jian-bin1,HAN Hai-ning2,QIU Jun-hua3and HAO Hua1
(1.North China Municipal Engineering Design&Research Institute,Tianjin 300381,China; 2.Tianjin Yucheng Hi-tech Engineering Design Co.Ltd.,Tianjin 300381,China; 3.Jiangmen Electric Power Design Institute Co.Ltd.,Jiangmen,Huangdong Province 529000,China)

In order to reduce harmonics generating at sewage treatment equipment,measures of determining main harmonic source,measuring and calculating harmonic components and adopting active power filter for harmonic handling substantially lowered three phase current distortion rate in electric system,improved electric energy quality,curbed harmonic components,eliminated electric equipment fault caused by harmonics and ensured the normal running of electric system.

harmonic source;harmonic compensation;active power filter;current;sewage

10.3969/j.issn.1006-110X.2016.05.013

2016-05-22

2016-06-12

馬建彬（1984—），男，碩士，工程師，主要從事電氣設計方面的研究工作。