李大勇1，温奇志1，李克菲2，李昕3，李德普3，王永成4 （1. 中国市政工程东北设计院，吉林长春130021）
（2. 吉林市水务集团，吉林吉林132012）
（3. 大连市水务集团，辽宁大连116015）
（4. 阜新市水务集团，辽宁阜新123105） 摘要 结合吉林市第三净水厂变频调速设计的实例，介绍了多电平拓扑电路原理及特点，应用变频器的节能分析，提出送水泵房优化控制的想法，以及调速系统的标准配置。 关键字 变频设备；脉冲宽度调制；多电平拓扑电路；高压变频器 Summary of Transmission Pump Station's VFD Design for Use in Water Treatment Plant LI Dayong1，WEN Qizhi1，LI Kefei2，LI Xin3，LI Depu3，WANGE Yongcheng4 （1. China Northeast Municipal Engineering Design and Research Institute，Changchun Jiling 130021 China）
（2. Jilin Water Affairs Group，Jiling Jiling 132012 China）
（3. Dalian Water Affairs Group，Dalian Liaoning 116015 China）
（4. FuxinWater Affairs Group，Fuxin Liaoning 123105 China） Abstract According to the design example of the transmission pumping station's VFD Design of Jilin water treatment plant, the principle and characteristic of the topology of multi-level inverter circuit, and analyses of energy-saving for the VFD system application are introduced. A kind of the optimum control thinking for the transmission pumping station and standard configuration of this system are presented. Keywords VFD；pulse-width modulation（PWM）；multi-level-topology circuit；high voltage drive inverters
0 引言
高压变频器的产业化在上世纪80 年代中期才开始形成，随着大功率电力电子器件的迅速发展和巨大的市场推动力，高压变频器20 多年来的发展非常迅速，使用的器件已经从Thyristor、GTR、GTO发展到IGBT、IECT、IGCT（SGCT）等，功率范围从几百kW到几十MW，技术已经成熟，可靠性也得到保证，应用越来越广。国内外生产高压变频器的厂家很多，如西门子公司、ABB公司、依林公司、日立公司、国内的利德华福公司等。
从1984 年开始，沈阳、哈尔滨、大连、鞍山等城市的供水工程，在不同时期先后选用了不同型号、一次侧为10 kV的变频调速装置。其中哈尔滨第三净水厂用的是奥地利ELEN 公司的设备（奥地利政府贷款），鞍山市三家净水厂用的是德国西门子公司上世纪80年代末的设备（日元贷款），大连沙河第二净水厂用的是德国西门子公司1998 年以后推出的最新的SIMOVERT（日元贷款），吉林市第二净水厂及第三净水厂分别于2002年、2004 年选用了和美国罗宾康技术等同的利德华福公司的10 kV变频调速设备。吉林市第三净水厂所用的产品具有新颖、运行可靠、技术先进、节能显著等优点。本文重点介绍吉林市第三净水厂水泵机组的变频调速系统，它具有代表性，而且对净水厂进行变频调速技术改造的实际指导意义也较大。
吉林市自来水集团有限公司在考察对比了国内外多家高压变频器生产厂家后，决定选用北京利德华福电气技术有限公司生产的HARSVERT-A 系列高压变频器。2002年先在二水厂选用一台，两年来运行效果很好，2004 年决定在三水厂再选用两台。
HARSVERT-A 系列高压变频器技术先进，可靠性高，输出电压波形好，并且已成功应用于电力、冶金、石化、市政供水、水泥等多个领域，得到了用户的普遍认可。
1 工程概况
吉林市于1998年建成二水厂（净水厂），2004年建成三水厂（净水厂及原水给水厂）。二水厂与法国得利满公司合作，V 型滤池计算机系统由设计院和法国得利满联合设计。V 型滤池用的设备（阀门、仪表、控制台）材料，送水泵房的水泵，高压10 kV 电机，中控室计算机系统及模拟屏、投影设备均由法国得利满公司供货。几年来，通过与外方合作，去国内外水厂考察调研，学习到了国内外水厂的长处，积累了丰富的经验。尤其是时间已进入了21世纪，在设计三水厂时，必须以“高起点、上水平、创特色”为宗旨，设计、建设最好的水厂，让市民满意的水厂。
2 节能原理
同中国其他城市一样，吉林市城市用水量是不均匀的，这是由于气候和人们生活以及生产规律所决定的。由于流量的变化影响到管网水头损失的变化，尤其是地势平坦的市区，在几何扬程很小的情况下，送水泵站出口所需压力随流量的变化更为显著。
水泵站的装机是按最不利条件下、最大时流量和所需相应扬程决定的。但是，实际上每天只有很短时间能达到最大时流量，大多数时间里，水泵站都处在小流量下工作。为了适应流量的变化，许多泵站在运行中采取关小出口闸门的办法来控制流量，从而造成出口闸门前后少则几m 多则几十m 的压力差值白白地浪费于闸门阻力上，如图1所示。
当水泵台数足够多时，可以很好地适应水量变化，但是水泵型号是有限的，装机台数过多，不仅管理不便，而且会无谓地增大建筑面积，提高工程造价，即使这样，也无法做到完全适应水量变化，仍然需要用闸门来调节水量，如图2所示。
很多水厂通过切削水泵叶轮以适应工作点的需要，但因水泵工作点不连续照样有能量损失。
若采用无级调速技术，则可连续地改变水泵转速，来变更水泵工况，使流量与扬程适应于管网用水量的变化，提高机组效率，维持管网压力恒定，从而达到节能的效果。这一方法节能原理如图3所示。图中，AB为全速泵特性曲线，AnBn为调速泵特性曲线，CBnB为管路特性曲线，CO为几何扬程（含地形差和自由水头），在用水量从qmax减少到qmin的过程中，全速泵的扬程将沿BA 曲线上升，而管网所需扬程将沿
BBn曲线下降，这两条曲线纵坐标的差值就意味着全速泵扬程的浪费。应用水泵调速技术时，当用水量从qmax变动到qmin的过程中，水泵转速随流量从额定位n0降到n1n2n3……nn，水泵的q-h 特性曲线AB也相应变化为A1B1，A2B2，A3B3……AnBn。而这组平行的特性曲线AB-AnBn 与管路特性曲线CB 的交点轨迹BBn正在管路特性曲线上。这样就可使水泵工作点沿管路特性曲线滑动，使其扬程处处能与系统阻力相适应，做到没有多余压力的损失，且能保持管网压力恒定，根据水泵轴功率的计算公式，明显收到节能效果。
为实现水泵机组随用水量变化而自动调速，最直接的办法是在管网最不利点处设置压力计，并设定压力值。微机系统据输入的压力信号按存放的程序改变水泵转速，使最不利点压力恒定和供需水量平衡。但是最不利点距泵站往往很远，远传信号很不方便。采用泵站出口压力和流量来控制水泵转速是常用的办法。当管网确定之后，出口压力应是流量的函数，其函数曲线即为管路特性曲线，所以可以利用图4的控制系统自动地调节水泵转速。
3 系统电气设计方案
3.1 三水厂的净水厂
设计院和吉林市自来水集团有限公司按照工艺进行了认真计算，根据实际工况要求，选用HARSVERT-A 型高压变频器实现一拖一的技术方案进行主回路电气结构图的设计，如图5所示。一拖一的两台电机互为备用。
以3#水泵为例，一拖一包括高压变频器U、3 个真空接触器KM31、KM32、KM33以及2个高压隔离开关QS31、QS32，其中KM31、KM32、KM33为高压真空接触器，用于变频和工频的电动切换。QS31和QS32为高压隔离开关，一般情况下处于合闸状态，仅在变频器检修时拉开，用于电机工频运行情况下对变频器进行安全检修。
这种控制方式具有以下特点。
1）可以实现工频/ 变频自动切换功能在变频器出现严重故障时，系统能够自动切入工频电网中，断开变频器时，负载不用停机，满足现场不能停机要求；
2）易实现四运两备运行方式即一台变频运行，三台工频运行，两台工频备用；或者是四台工频运行，一台工频备用，一台变频备用。
3.2 三水厂的取水厂
选用HARSVERT-A 型高压变频器一拖一的方案，如图6所示，与净水厂的方案基本相同只是根据水泵的台数不同，采用了三运一备运行方式，即一台变频运行，二台工频运行，一台工频备用；或者是三台工频运行，一台变频备用。
4 变频调速设备
HARSVERT-A 高压变频器采用单元串联多电平电压源型拓扑，具有如下特点：采用输入多重化设计，高次谐波含量非常小，输出采用单元模块串联，使得谐波含量极低，在无输出滤波器的情况下，可使
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