高压变频器在火电厂辅机的应用（-2）
日期：2008-11-11 23:54:57 来源：中国自动化网
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1 引言
长期以来，我国政府对节能工作十分重视，我国能源节约与资源综合利用“十五”规划提出高压大功率变频调速作为重点发展的节电技术之一，要求大力推动高压大功率变频调速示范工程。
在工业领域，火力发电厂的节能是非常重要的一部分。目前，在我国的能源结构中，火电约占74%(发电量占80%)。因此，如何提高和改进火电机组及其辅助设备的节能就显得十分重要。我国的电力设备中，大容量，高参数的火电机组所占的比重小，整个火电发电能耗高。据统计，我国火电厂供电煤耗在400-420g/kWh，比国外先进国家高80-90 g/kWh。火电厂的水耗也比较高，一般二次循环水的电厂，每百万千瓦耗水为1m3/s秒，而国外先进水平只有0.6-0.7m3/s。此外，火电厂的送风机，引风机，给水泵，循环水泵，凝升泵，灰浆泵等设备由于种种原因造成大马拉小车现象严重。而且发电机组的 运行状态必须跟随电网负荷需求的变化而不断调节。因此，需要相应地调节上述辅助设备的运行状态，比如利用变频调速技术改变设备的运行速度，以调节给水量、给风量的大小，既可以满足生产要求，又能达到节约电能的目的，同时减少因调节挡板阀门而造成挡板阀门和管道的磨损及经常停机检修所造成的经济损失。因此，在火电厂的主要辅助设备上推广应用变频调速技术，能提高火电厂运行和供电的可靠性，节约大量能源，为火电厂带来较大的经济效益和社会效益。
火电厂厂用电设备主要包括：锅炉送引风机、锅炉给水泵、循环水泵、磨煤机等四大辅机和其它的厂用电设备。发电能源、系统构成和机组配置不同，造成厂用电率的差异。一般机组容量大，机组参数高则厂用电率低。风机和水泵是发电厂中耗电量最多的设备，在火电厂中，风机和水泵的耗电量约占厂用电量的65%左右。对厂用风机、水泵等设备进行变频调速改造，可以显著降低厂用电率。根据具体情况，风机、水泵采用变频调速后，节电率在30%-50%范围内，通常1年半到2年左右内可收回变频器的设备投资。
2 传统挡板阀门调节存在的问题
风机水泵传统的调节方式是调节入口或出口的挡板阀门开度，以此来调节流量和压力，是一种经济效益差、能耗大、设备损坏严重、维修难度大、运行费用高的落后办法。主要存在以下问题。
（1） 采用挡板阀门调节时，大量的能量损耗在挡板阀门的截流过程中。对风机，水泵而言，最有效的节能措施是采用调速来调节流量。由于风机水泵大都为平方转矩负载，轴功率则与转速大致成立方关系，所以当风机水泵转速下降时，消耗的功率大大下降。图1表示了风机采用各种调节方法时消耗功率与风量关系曲线。其中曲线1为输出端风门控制时电机消耗的功率；曲线2为输入端风门控制时电机消耗的功率线；曲线3为转差调速控制(采用滑差电机，液力耦合器)时电动机消耗的功率；曲线4为变频调速控制时电动机消耗的功率；最下面一条曲线为调速控制时风机实际所需轴功率（即电机轴输出功率）。可见，在众多的调节方式中，节能效果最好的是变频调速。
（2） 介质对挡板阀门和管道冲击较大，设备损坏严重。
（3） 挡板阀门动作迟缓，手动时人员不易操作，而且操作不当会造成风机震动。挡板阀门执行机构一般为大力矩的电动执行器，故障较多，不能适应长期频繁调节，调节线性度差，构成闭环自动控制较难，且动态性能不理想。
（4） 异步电动机在直接起动时起动电流一般达到电机额定电流的6～8倍，对电网冲击较大，也会引起电机发热，强大的冲击转矩对电机和风机的机械寿命存在很多不利的影响。
过去也有电厂采用液力耦合器进行调速。液力耦合装置缺点是体积大、噪声大、调速范围窄、效率低、油系统维护复杂等。
图1 风机采用各种调节方法时消耗功率比较
3 采用变频调速的优点
（1） 变频调速能节约原来损耗在挡板阀门截流过程中的大量能量，大大提高了经济效益。
（2） 采用变频调速后，可实现软起动，对电网的冲击和机械负载的冲击都不存在了，延长了电机和风机水泵的寿命。同时，采用变频调速后，电机的无功功率通过变频器直流环节的滤波电容进行了瞬时补偿，变频器的输入功率因数可大0.95以上。相对电机直接工频运行而言，功率因数大大改善，对低速电机效果尤为明显。实现变频调速后，风机和水泵经常在额定转速以下运行，介质对水泵叶轮，风机风扇的磨损，轴承的磨损，密封的损坏都大大降低。同时，烟气对烟道挡板的冲击磨损大大降低，延长了烟道挡板的检修周期，减少了维护工作量。电机运行的振动和噪声也明显降低。
（3） 采用变频调速后，可以很方便地构成闭环控制，进行自动调节，调节器输出的4－20mA信号输出到变频器(或通过通信接口进行控制)，通过变频器调节电机转速，可以平稳地调节风量，流量，且线形度较好，动态响应快，使机组在更经济的状态下安全稳定运行。
4 艾帕高压变频器原理及特点
上海艾帕电力电子有限公司的Innovert系列高压变频器(单元串联多电平PWM电压源型变频器)是一种直接高压输出电压源型变频器。它采用若干个低压PWM变频功率单元串联的方式实现直接高压输出。该变频器具有对电网谐波污染小，输入功率因数高，不必采用输入谐波滤波器和功率因数补偿装置。输出波形质量好，不存在谐波引起的电机附加发热和转矩脉动，噪音，输出dv/dt，共模电压等问题，不必设置输出滤波器，就可以使用普通的异步电机。
Innovert系列采用无速度传感器矢量控制技术（国内首创），全数字控制，具有起动力矩大，转速精度高，抗电网波动和负载扰动能力强的特点。
其原理如图2所示（以3kV高压变频器为例）。
（a）主电路拓扑结构
（b）功率单元结构
图2 单元串联多电平变频器原理
电网电压(如6kV)经过副边多重化的隔离变压器降压后给功率单元供电，功率单元为三相输入，单相输出的交－直－交PWM电压源型逆变器结构，相邻功率单元的输出端串接起来，中心点相联，形成Y接结构，另外三端实现变压变频的高压输出，供给电动机。3kV输出电压等级变频器每相由3个额定电压为690V的功率单元串联而成。改变每相功率单元的串联个数，就可实现不同电压等级的高压输出。6kV变频器每相由5个功率单元串联而成，10kV变频器每相由8个功率单元串联而成。
每个功率单元分别由输入变压器的一组副边绕组供电，功率单元之间及变压器二次绕组之间相互绝缘。二次绕组采用延边三角形接法，实现多重化，以达到降低输入谐波电流的目的。对于6kV电压等级变频器而言，给15个功率单元供电的15个二次绕组每3个一组，分为5个不同的相位组，互差12o电角度，形成30脉冲的整流电路结构，输入电流波形接近正弦波，总的谐波电流失真可达到1%左右，由于输入电流谐波失真很低，而且采用二极管整流方式，变频器输入的综合功率因数可达到0.95以上。图3为该变频器的输入电压电流波形。
逆变器输出采用多电平移相式PWM技术，同一相的功率单元输出相同幅值和相位的基波电压，但串联各单元的载波之间互相错开一定电角度，实现多电平PWM，输出电压非常接近正弦波。输出电压每个电平台阶只有单元直流母线电压大小，所以dv/dt很小。功率单元采用相对较低的开关频率，以降低开关损耗，提高效率，变频器额定效率可达98.5%,考虑输入变压器后的总体效率仍在97%以上。由于采用移相式PWM，电机电压的等效开关频率大大提高，且输出电平数增加，以6kV输出变频器为例，输出相电压为11电平，线电压为21电平，输出等效开关频率为6kHz，电平数和等效开关频率的增加有利于改善输出波形，降低输出谐波，由谐波引起的电机发热，噪音和转矩脉动都大大降低，所以这种变频器对电机没有特殊要求，可直接用于普通异步电机。图4为此类变频器的输出电压，电流波形。
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长期以来，我国政府对节能工作十分重视，我国能源节约与资源综合利用“十五”规划提出高压大功率变频调速作为重点发展的节电技术之一，要求大力推动高压大功率变频调速示范工程。
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在工业领域，火力发电厂的节能是非常重要的一部分。目前，在我国的能源结构中，火电约占74%(发电量占80%)。因此，如何提高和改进火电机组及其辅助设备的节能就显得十分重要。我国的电力设备中，大容量，高参数的火电机组所占的比重小，整个火电发电能耗高。据统计，我国火电厂供电煤耗在400-420g/kWh，比国外先进国家高80-90 g/kWh。火电厂的水耗也比较高，一般二次循环水的电厂，每百万千瓦耗水为1m3/s秒，而国外先进水平只有0.6-0.7m3/s。此外，火电厂的送风机，引风机，给水泵，循环水泵，凝升泵，灰浆泵等设备由于种种原因造成大马拉小车现象严重。而且发电机组的 运行状态必须跟随电网负荷需求的变化而不断调节。因此，需要相应地调节上述辅助设备的运行状态，比如利用变频调速技术改变设备的运行速度，以调节给水量、给风量的大小，既可以满足生产要求，又能达到节约电能的目的，同时减少因调节挡板阀门而造成挡板阀门和管道的磨损及经常停机检修所造成的经济损失。因此，在火电厂的主要辅助设备上推广应用变频调速技术，能提高火电厂运行和供电的可靠性，节约大量能源，为火电厂带来较大的经济效益和社会效益。
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火电厂厂用电设备主要包括：锅炉送引风机、锅炉给水泵、循环水泵、磨煤机等四大辅机和其它的厂用电设备。发电能源、系统构成和机组配置不同，造成厂用电率的差异。一般机组容量大，机组参数高则厂用电率低。风机和水泵是发电厂中耗电量最多的设备，在火电厂中，风机和水泵的耗电量约占厂用电量的65%左右。对厂用风机、水泵等设备进行变频调速改造，可以显著降低厂用电率。根据具体情况，风机、水泵采用变频调速后，节电率在30%-50%范围内，通常1年半到2年左右内可收回变频器的设备投资。
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2 传统挡板阀门调节存在的问题
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风机水泵传统的调节方式是调节入口或出口的挡板阀门开度，以此来调节流量和压力，是一种经济效益差、能耗大、设备损坏严重、维修难度大、运行费用高的落后办法。主要存在以下问题。
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（1） 采用挡板阀门调节时，大量的能量损耗在挡板阀门的截流过程中。对风机，水泵而言，最有效的节能措施是采用调速来调节流量。由于风机水泵大都为平方转矩负载，轴功率则与转速大致成立方关系，所以当风机水泵转速下降时，消耗的功率大大下降。图1表示了风机采用各种调节方法时消耗功率与风量关系曲线。其中曲线1为输出端风门控制时电机消耗的功率；曲线2为输入端风门控制时电机消耗的功率线；曲线3为转差调速控制(采用滑差电机，液力耦合器)时电动机消耗的功率；曲线4为变频调速控制时电动机消耗的功率；最下面一条曲线为调速控制时风机实际所需轴功率（即电机轴输出功率）。可见，在众多的调节方式中，节能效果最好的是变频调速。
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（2） 介质对挡板阀门和管道冲击较大，设备损坏严重。
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（3） 挡板阀门动作迟缓，手动时人员不易操作，而且操作不当会造成风机震动。挡板阀门执行机构一般为大力矩的电动执行器，故障较多，不能适应长期频繁调节，调节线性度差，构成闭环自动控制较难，且动态性能不理想。
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（4） 异步电动机在直接起动时起动电流一般达到电机额定电流的6～8倍，对电网冲击较大，也会引起电机发热，强大的冲击转矩对电机和风机的机械寿命存在很多不利的影响。
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3 采用变频调速的优点
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（2） 采用变频调速后，可实现软起动，对电网的冲击和机械负载的冲击都不存在了，延长了电机和风机水泵的寿命。同时，采用变频调速后，电机的无功功率通过变频器直流环节的滤波电容进行了瞬时补偿，变频器的输入功率因数可大0.95以上。相对电机直接工频运行而言，功率因数大大改善，对低速电机效果尤为明显。实现变频调速后，风机和水泵经常在额定转速以下运行，介质对水泵叶轮，风机风扇的磨损，轴承的磨损，密封的损坏都大大降低。同时，烟气对烟道挡板的冲击磨损大大降低，延长了烟道挡板的检修周期，减少了维护工作量。电机运行的振动和噪声也明显降低。
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其原理如图2所示（以3kV高压变频器为例）。
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（a）主电路拓扑结构
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电网电压(如6kV)经过副边多重化的隔离变压器降压后给功率单元供电，功率单元为三相输入，单相输出的交－直－交PWM电压源型逆变器结构，相邻功率单元的输出端串接起来，中心点相联，形成Y接结构，另外三端实现变压变频的高压输出，供给电动机。3kV输出电压等级变频器每相由3个额定电压为690V的功率单元串联而成。改变每相功率单元的串联个数，就可实现不同电压等级的高压输出。6kV变频器每相由5个功率单元串联而成，10kV变频器每相由8个功率单元串联而成。
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每个功率单元分别由输入变压器的一组副边绕组供电，功率单元之间及变压器二次绕组之间相互绝缘。二次绕组采用延边三角形接法，实现多重化，以达到降低输入谐波电流的目的。对于6kV电压等级变频器而言，给15个功率单元供电的15个二次绕组每3个一组，分为5个不同的相位组，互差12o电角度，形成30脉冲的整流电路结构，输入电流波形接近正弦波，总的谐波电流失真可达到1%左右，由于输入电流谐波失真很低，而且采用二极管整流方式，变频器输入的综合功率因数可达到0.95以上。图3为该变频器的输入电压电流波形。
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逆变器输出采用多电平移相式PWM技术，同一相的功率单元输出相同幅值和相位的基波电压，但串联各单元的载波之间互相错开一定电角度，实现多电平PWM，输出电压非常接近正弦波。输出电压每个电平台阶只有单元直流母线电压大小，所以dv/dt很小。功率单元采用相对较低的开关频率，以降低开关损耗，提高效率，变频器额定效率可达98.5%,考虑输入变压器后的总体效率仍在97%以上。由于采用移相式PWM，电机电压的等效开关频率大大提高，且输出电平数增加，以6kV输出变频器为例，输出相电压为11电平，线电压为21电平，输出等效开关频率为6kHz，电平数和等效开关频率的增加有利于改善输出波形，降低输出谐波，由谐波引起的电机发热，噪音和转矩脉动都大大降低，所以这种变频器对电机没有特殊要求，可直接用于普通异步电机。图4为此类变频器的输出电压，电流波形。
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