IPER艾帕高壓變頻器在火電廠輔機的應用

海艾帕電力電子有限公司 竺偉
中國電工技術學會 周鶴良
摘要：本文主要論述火電廠的風機，水泵等主要輔助設備采用高壓變頻調速的必要性、可行性、經濟性和實際運行經驗。對高壓變頻調速裝置的選擇，使用提出了一些建議，供電廠應用時參考。
一、 概述
長期以來，我國政府對節能工作十分重視，我國能源節約與資源綜合利用“十五”規劃提出高壓大功率變頻調速作為重點發展的節電技術之一，要求大力推動高壓大功率變頻調速示范工程。
在工業領域，火力發電廠的節能是非常重要的一部分。目前，在我國的能源結構中，火電約占74%(發電量占80%)。因此，如何提高和改進火電機組及其輔助設備的節能工作十分重要。我國的電力設備中，大容量，高參數的火電機組所占的比重小，整個火電發電能耗高。據統計，我國火電廠供電煤耗在400-420克/千瓦時，比國外先進國家高80-90克/千瓦時?；痣姀S的水耗也比較高，一般二次循環水的電廠，每百萬千瓦耗水為1立方米/秒，而國外先進水平只有0.6-0.7立方米/秒。此外，火電廠的送風機，引風機，給水泵，循環水泵，凝升泵，灰漿泵等設備由于種種原因造成大馬拉小車現象嚴重。而且發電機組的運行狀態必須跟隨電網負荷需求的變化而不斷調節。因此，需要相應地調節上述輔助設備的運行狀態，比如利用變頻調速技術改變設備的運行速度，以調節給水量，給風量的大小，可以既滿足生產要求，又達到節約電能，同時減少因調節擋板閥門而造成擋板閥門和管道的磨損及經常停機檢修所造成的經濟損失。因此，在火電廠的主要輔助設備上推廣采用變頻調速技術，能提高火電廠運行和供電的可靠性，節約大量能源，為火電廠帶來較大的經濟效益和社會效益。
火電廠廠用電設備主要包括：鍋爐送引風機、鍋爐給水泵、循環水泵、磨煤機等四大輔機和其它的廠用電設備。發電能源、系統構成和機組配置不同，造成廠用電率的差異。一般機組容量大，機組參數高則廠用電率低。風機和水泵是發電廠中耗電量最多的設備，在火電廠中，風機和水泵的耗電量約占廠用電量的65%左右。對廠用風機、水泵等設備進行變頻調速，可以顯著降低廠用電率。根據具體情況，風機、水泵采用變頻調速后，節電率在30%-50%范圍內，通常1年半到2年左右內可收回變頻器的設備投資。
二、 傳統擋板閥門調節存在的問題
風機水泵傳統的調節方式是調節入口或出口的擋板閥門開度，以此來調節流量和壓力，是一種經濟效益差、能耗大、設備損壞嚴重、維修難度大、運行費用高的落后辦法。主要存在以下問題：
1.采用擋板閥門調節時，大量的能量損耗在擋板閥門的截流過程中。對風機，水泵而言，最有效的節能措施是采用調速來調節流量。由于風機水泵大都為平方轉矩負載，軸功率則與轉速大致成立方關系，所以當風機水泵轉速下降時，消耗的功率大大下降。圖1表示了風機采用各種調節方法時消耗功率與風量關系曲線。其中曲線1為輸出端風門控制時電機消耗的功率，2為輸入端風門控制時電機消耗的功率，3為轉差調速控制(采用滑差電機，液力耦合器)時電動機消耗的功率，4為變頻調速控制時電動機消耗的功率，最下面一條曲線為調速控制時風機實際所需軸功率（即電機軸輸出功率）?？梢姡诒姸嗟恼{節方式中，節能效果最好的是變頻調速。
2.介質對擋板閥門和管道沖擊較大，設備損壞嚴重。
3.擋板閥門動作遲緩，手動時人員不易操作，而且操作不當會造成風機震動。擋板閥門執行機構一般為大力矩的電動執行器，故障較多，不能適應長期頻繁調節，調節線性度差，構成閉環自動控制較難，且動態性能不理想。
4.異步電動機在直接起動時起動電流一般達到電機額定電流的6-8倍，對電網沖擊較大，也會引起電機發熱，強大的沖擊轉矩對電機和風機的機械壽命存在很多不利的影響。
過去也有電廠采用液力耦合器進行調速。液力耦合裝置缺點是體積大、噪聲大、調速范圍窄、效率低、油系統維護復雜。

三、采用變頻調速的優點
1.變頻調速能節約原來損耗在擋板閥門截流過程中的大量能量，大大提高了經濟效益。
2.采用變頻調速后，可實現軟起動，對電網的沖擊和機械負載的沖擊都不存在了，同時延長了電機和風機水泵的壽命。同時，采用變頻調速后，電機的無功功率通過變頻器直流環節的濾波電容進行了瞬時補償，變頻器的輸入功率因數可大0.95以上。相對電機直接工頻運行而言，功率因數大大改善，對低速電機效果尤為明顯。實現變頻調速后，風機和水泵經常在額定轉速以下運行，介質對水泵葉輪，風機風扇的磨損，軸承的磨損，密封的損壞都大大降低。同時，煙氣對煙道擋板的沖擊磨損大大降低，延長了煙道擋板的檢修周期，減少了維護工作量。電機運行的振動和噪聲也明顯降低。
3.采用變頻調速后，可以很方便地構成閉環控制，進行自動調節，調節器輸出的4-20mA信號輸到變頻器(或通過通信接口進行控制)，通過變頻器調節電機轉速，可以平穩地調節風量，流量，且線形度較好，動態響應快，使機組在更經濟的狀態下安全穩定運行。
四、 艾帕高壓變頻器原理及特點
上海艾帕電力電子有限公司的Innovert系列高壓變頻器(單元串聯多電平PWM電壓源型變頻器)是一種直接高壓輸出電壓源型變頻器。它采用若干個低壓PWM變頻功率單元串聯的方式實現直接高壓輸出。該變頻器具有對電網諧波污染小，輸入功率因數高，不必采用輸入諧波濾波器和功率因數補償裝置。輸出波形質量好，不存在諧波引起的電機附加發熱和轉矩脈動，噪音，輸出du/dt，共模電壓等問題，不必設置輸出濾波器，就可以使用普通的異步電機。
Innovert系列采用無速度傳感器矢量控制技術（國內首創），全數字控制，具有起動力矩大，轉速精度高，抗電網波動和負載擾動能力強的特點。
其原理如圖2所示（以3KV高壓變頻器為例）。

a) 主電路拓撲結構
b)功率單元結構
圖2 單元串聯多電平變頻器原理
電網電壓(如6KV)經過副邊多重化的隔離變壓器降壓后給功率單元供電，功率單元為三相輸入，單相輸出的交直交PWM電壓源型逆變器結構，相鄰功率單元的輸出端串接起來，中心點相聯，形成Y接結構，另外三端實現變壓變頻的高壓輸出，供給電動機。3KV輸出電壓等級變頻器每相由3個額定電壓為690V的功率單元串聯而成。改變每相功率單元的串聯個數，就可實現不同電壓等級的高壓輸出。6KV變頻器每相由5個功率單元串聯而成，10KV變頻器每相由8個功率單元串聯而成。
每個功率單元分別由輸入變壓器的一組副邊繞組供電，功率單元之間及變壓器二次繞組之間相互絕緣。二次繞組采用延邊三角形接法，實現多重化，以達到降低輸入諧波電流的目的。對于6KV電壓等級變頻器而言，給15個功率單元供電的15個二次繞組每3個一組，分為5個不同的相位組，互差12º電角度，形成30脈沖的整流電路結構，輸入電流波形接近正弦波，總的諧波電流失真可達到1%左右，由于輸入電流諧波失真很低，而且采用二極管整流方式，變頻器輸入的綜合功率因數可達到0.95以上。圖3為該變頻器的輸入電壓電流波形。
逆變器輸出采用多電平移相式PWM技術，同一相的功率單元輸出相同幅值和相位的基波電壓，但串聯各單元的載波之間互相錯開一定電角度，實現多電平PWM，輸出電壓非常接近正弦波。輸出電壓每個電平臺階只有單元直流母線電壓大小，所以du/dt很小。功率單元采用相對較低的開關頻率，以降低開關損耗，提高效率，變頻器額定效率可大98.5%,考慮輸入變壓器后的總體效率仍在97%以上。由于采用移相式PWM，電機電壓的等效開關頻率大大提高，且輸出電平數增加，以6KV輸出變頻器為例，輸出相電壓為11電平，線電壓為21電平，輸出等效開關頻率為6KHZ，電平數和等效開關頻率的增加有利于改善輸出波形，降低輸出諧波，由諧波引起的電機發熱，噪音和轉矩脈動都大大降低，所以這種變頻器對電機沒有特殊要求，可直接用于普通異步電機。圖4為此類變頻器的輸出電壓，電流波形。

圖3 單元串聯多電平變頻器輸入波形 圖4 單元串聯多電平變頻器的輸出波形
與普通采用高壓器件直接串聯的電流源型變頻器及三電平電壓源型變頻器相比，由于采用功率單元串聯，器件承受的最高電壓為單元內直流母線的電壓，器件不必串聯，不存在器件串聯引起的均壓問題。功率單元中采用常規IGBT功率模塊，驅動電路簡單，技術成熟可靠。
功率單元采用模塊化結構，同一變頻器內的所有功率單元可以互換，維修也非常方便。由于采用功率單元串聯結構，所以可以采取功率單元旁路選件，當功率單元故障時，控制系統可以將故障單元自動旁路，變頻器仍可降額繼續運行，大大提高了系統的可靠性。
圖5為6KV/1000KVA高壓變頻器的外形照片。

圖5 Innovert高壓變頻器外形照片
五、應用實例
北方某電廠于2005年10月在200MW機組鍋爐二臺1250KW/6KV引風機電機上采用上海艾帕電力電子有限公司生產的Innovert系列高壓變頻調速裝置。到目前為止運行良好，節能顯著。
鍋爐引風機銘牌參數：型號Y4-2X73-2 冷卻方式：水冷 風量：723780立米/小時 風壓：53779 Pa 葉輪直徑：2650mm 配用功率：1250KW
引風機電動機參數：型號：YKK6304-8 額定功率：1250KW 頻率：50HZ 額定電壓：6000V 接線：Y接法 額定電流：154A 轉速：743rpm 功率因數：0.86 絕緣等級：F 防護等級：IP44
變頻器型號：Innovert 6/6-140,額定電壓6KV,額定電流140A。用戶考慮到實際運行負載電流不可能超過140A，為了降低投資，選擇變頻器額定電流140A。
有關部門對節能效果進行了測試考核。試驗用雙功率表法測量有功功率，試驗中每個工況穩定運行3個小時，試驗數據見表1。電廠在變頻器經過一個月運行后，將變頻改造前后的月耗電量進行比較，見表2。
月平均節電率達到35.93%，按照每年運行5500小時，電價0.36元/KWh計算，年節電費為47.3379/720*5500*0.36=130.2萬元。

表1 采用變頻前后消耗功率比較
表2 月耗電量比較
安裝變頻器后，電動機實現了軟起動，電機轉速從零按照設定的加速時間緩慢升速至運行轉速，減少了沖擊力矩對電機和風機的損害。安裝變頻器后，由于正常工作時風機的轉速比額定轉速低，當機組負荷在200MW時，采用變頻器調速后，電機轉速比額定轉速低150rpm，大大減少了風機葉輪的磨損。
六、采用變頻調速應該注意的問題
1.可靠性方面的考慮。電廠的性質決定了用于電廠用的高壓變頻器需要有很高的可靠性，保證電廠的安全生產。Innovert系列采用主流的功率單元串聯技術方案，而不是功率器件直接串聯，避免了器件直接串聯帶來的均壓問題，本質上保證了系統的可靠性。同時，產品特有的無速度傳感器矢量控制技術在提高起動力矩和轉速精度的同時，提高了抗電網波動和負載擾動能力，大大提高了可靠性。
2.變頻器輸入諧波對電力系統的影響。如果變頻器輸入電流諧波較大(比如傳統的電流源型變頻器)，對火電廠的電力系統會產生如下危害：供電系統的繼電保護裝置誤動作，可能導致大面積停電。測量儀器儀表誤差增大，影響計量精度和控制性能。影響其它電力電子裝置，電子計算機系統及通信設備的正常工作。諧波使電機，變壓器和電容器等用電設備損耗增大，嚴重時會過熱或燒損。Innovert系列高壓變頻器輸入電流諧波失真極小，對電網基本不產生諧波污染，滿足IEEE滿足IEEE519-1992和GB/T14549-93標準。大，中型火電廠自動化水平高，大多數采用自動化儀表和計算機控制系統，對用電系統的諧波要求很高，Innovert變頻器在方面有很大的優勢。
3.變頻器輸出波形對電機的影響。由于火電廠應用變頻調速很大部分是舊有設備的改造，原有的普通電機是設計成為電網直接運行的，而電網電壓波形基本為正弦波。如果變頻器輸出波形質量不好的話，會對電機產生不良影響。變頻器輸出諧波會引起的電機附加發熱和轉矩脈動，噪音增加，輸出dv/dt和共模電壓會影響電機的絕緣。Innovert系列高壓變頻器由于輸出波形質量好，不必設置輸出濾波器，就可以使用原有的普通異步電機。
七、結論
我國火電廠大多數為中、小型機組，數量多 ，單機容量小。不僅發電機組陳舊，其所屬的主要輔助設備也較落后，效率低，設備選型不當，大馬拉小車。風機水泵的流量壓力調節方式基本為進出口閘門的調節，耗能大，經濟效益差，設備損壞嚴重，急需采用先進的高壓變頻調速進行技術改造，以降低火電廠的廠用電率，節約電能，提高企業的經濟效益。
火電廠輔機采用高壓變頻調速技術，通過上海艾帕電力電子有限公司高壓變頻器的應用實踐證明是必要的、可能的，且經濟效益顯著。
Innovert系列高壓變頻器可靠性高，輸入輸出波形質量好，適合于火電廠輔機的變頻調速，能提高火電廠運行和供電的可靠性，節約大量能源，為火電廠帶來較大的經濟效益和社會效益。
參考文獻
1 竺偉 陳伯時 高壓變頻調速技術 電工技術雜志，1999.3
2 竺偉 陳伯時周鶴良 趙相賓 單元串聯式多電平高壓變頻器的起源、現狀和展望電氣傳動 2006.6
作者簡介
竺偉，男，1973年出生，博士，高級工程師。1998年畢業于上海大學自動化學院電力傳動及其自動化專業。曾任安塞羅賓康（上海）電氣有限公司運營主管等職，現任上海艾帕電力電子有限公司總經理。中國自動化學會電氣自動化專業委員會委員和中國電工技術學會電控系統與裝置專業委員會委員。長期從事電氣傳動和電力電子方面研究和生產管理，對矢量控制和大容量高壓變頻器有較深入的研究，在國內外學術期刊和會議上發表論文10余篇，編寫專著《通用變頻器及其應用》第6章“高壓變頻器”。科研成果“高壓變頻調速裝置”獲上海市高新技術成果轉化項目。
周鶴良，中國電工技術學會名譽理事長，教授級高工。長期從事電工技術管理工作，曾任機械工業部電工局局長，重大技術裝備辦公室主任，發表80多篇技術論文，著有《電工技術與管理》。

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