高壓變頻裝置在云浮電廠送風機上的應用

摘 要： 本文著重介紹HARSVERT-A高壓串聯多電平型高壓變頻器在廣東省粵電集團云浮發電廠的應用情況，對其節電情況進行對比，說明高壓變頻裝置的應用前景。
關鍵詞： 多電平 高壓變頻器 應用分析

　　廣東粵電集團云浮電廠現有4臺發電機組，其中1、2＃機組裝機容量為125MW，3、4#機組裝機容量為135MW。改造前1、2＃爐送風機采用擋板調節，風道壓流損失嚴重，為了節能降耗、提高機組調節性能，我廠經多方考察認證，我們決定采用運行成熟、技術先進的變頻調速方式進行改造。變頻裝置安裝方便，只需在原斷路器與電機之間串聯變頻裝置即可，無需對負載和電機做任何改動。首先對1＃機組兩臺送風機進行試驗改造。2006年10月份，在#1爐甲、乙側送風機上安裝了兩臺HARSVERT-A06/130型高壓變頻器。通過變頻調速，實現了電機轉速連續無級調速，調速范圍寬，調節精度高，效率高，實現了電機的軟啟動，減少了啟動沖擊及設備磨損。正常運行后，可靠性高，基本上無維護量。通過對引風機進行變頻改造而達到節能增效的目的。
1．HARSVERT-A06/130型高壓變頻裝置原理
（1）高壓變頻器原理簡介
　　HARSVERT-A06/130型變頻裝置采用多電平串聯技術，6kV系統結構如圖1，由移相變壓器、功率單元和控制器組成。系統采用7＋1冗余結構，當有1級模塊旁路時，系統仍能輸出額定電壓滿負荷運行。6kV系列有24個功率單元，每8個功率單元串聯構成一相。

圖1：高壓變頻調速系統結構圖

　　每個功率單元結構上完全一致，可以互換，其電路結構如圖2，為基本的交-直-交單相逆變電路，整流側為二極管三相全橋，通過對IGBT逆變橋進行正弦PWM控制，可得到如圖3所示的波形。

圖2：功率單元電路結構	圖3：單元輸出的PWM波形

　　輸入側由移相變壓器給每個單元供電，移相變壓器的副邊繞組分為三組，構成48脈沖整流方式；這種多級移相疊加的整流方式可以大大改善網側的電流波形，使負載下的網側功率因數接近1。
　　另外，由于變壓器副邊繞組的獨立性，使每個功率單元的主回路相對獨立，類似常規低壓變頻器。
　　輸出側由每個單元的U、V輸出端子相互串接而成星型接法給電機供電，通過對每個單元的PWM波形進行重組，可得到如圖4所示的階梯PWM波形。這種波形正弦度好，dv/dt小，可減少對電纜和電機的絕緣損壞，無須輸出濾波器就可以使輸出電纜長度很長，電機不需要降額使用，可直接用于舊設備的改造；同時，電機的諧波損耗大大減少，消除了由此引起的機械振動，減小了軸承和葉片的機械應力。
　　當某一個單元出現故障時，通過使圖2中的軟開關節點K導通，可將此單元旁路出系統而不影響其他單元的運行，高壓變頻器可持續降額運行；如此可減少很多場合下停機造成的損失。避免了由于一個大功率高壓開關器件的故障而導致的整機故障。保證了多電平變頻器的可靠性。

圖4：變頻器輸出的相電壓階梯PWM波形

（2）該產品部分功能介紹
　　①N+1單元冗余系統。所有功率單元正常時，電壓調制系數比正常的標準設備略低，當有單元出現故障旁路時，則自動提升調制系數，旁路一級時仍能夠滿電壓輸出。
　　②單模塊旁路技術。每相8個模塊串聯，當一個功率模塊故障旁路時，與之對應的同級模塊仍繼續工作，通過中心點偏移技術使輸出電壓平衡，電壓輸出能力為95.6%，比同級旁路時輸出電壓大大提高。
　　③掉電3秒不停機功能。在高壓變頻器高壓失電3秒內，高壓變頻器自動減速繼續運行，3秒內恢復高壓變頻器從最后運行頻率開始恢復運行，3秒內高壓未恢復變頻器停機，20秒內高壓恢復變頻器自動執行飛車啟動。
　　④低電壓延時保護功能。電網電壓波動在＋15～－35％U0之間，高壓變頻器能夠實施有效的低電壓延時保護功能，保證系統的可靠性。
　　⑤高壓掉電恢復自動重啟功能：為避免電網短時失電對企業生產造成影響，HARSVERT-A高壓變頻器具備來電自啟動功能。當電網電壓消失后，高壓變頻器緊急停機，如果在20秒內電源恢復（時間可設置），高壓變頻器會進行自動啟動，恢復停機前的運行狀態。
　　⑥任意轉速旋轉啟動。為了適應國內電網波動大，現場主動力電源母線段切換的要求，系統提供旋轉中再啟動功能。從而在電網電壓波動超過＋15～－35％U0情況下，系統能夠提供有效過、欠壓保護；在電網恢復正常后，自動搜索跟蹤電動機轉速按照設定曲線恢復正常運行狀態，保證機組安全運行不跳閘。在現場主動力電源母線段切換過程中，系統自動識別網側電壓變化，系統保護不停機；待電網電壓恢復后，自動啟動設備運行至給定頻率值，滿足現場對設備的高可靠性要求。為了滿足不同現場對旋轉中再啟動功能的需求，系統提供完備的參數設定功能，保證系統動作有效，保護得當。真正適應現場運行工況要求。
2.變頻改造方案簡介
　　#1爐送風機是兩臺雙側布置，高壓變頻改造前送風機的風量調節由人工調節擋板來實現。送風機及其電機參數如下：
電動機參數
　　型號：Y500-4-6 額定電流：118.8A
　　額定功率：1000kW 額定頻率：50Hz
　　額定電壓：6kV 額定轉速：990r/min
　　為了充分保證系統的可靠性，高壓變頻器同時加裝工頻旁路裝置，當高壓變頻器異常時，停止運行，電機可以直接手動切換到工頻下運行。工頻旁路由3個高壓隔離開關QS1、QS2和QS3組成（如圖5，QF為我廠原有高壓開關）。其中QS2、QS3為雙投隔離開關的兩組刀，在機械上實現互鎖。變頻運行時，QS1和QS2閉
合，QS3斷開；工頻運行時，QS3閉合，QS1和QS2斷開。
　　 為了實現高壓變頻器故障的保護，高壓變頻器對6kV開關QF進行聯鎖，一旦高壓變頻器故障，高壓變頻器跳開QF開關。工頻旁路時，高壓變頻器應允許QF開關合閘，撤消對QF開關的跳閘信號，使電機能正常通過QF開關合閘工頻啟動。
　　高壓變頻調速系統內置西門子S7－200PLC，與現場DCS接口靈活方便。正常運行時，啟動、停機操作，頻率調整由DCS控制，同時高壓變頻器狀態實時反饋給DCS系統。
3.高壓變頻器運行節能效果測試情況：
（1）高壓變頻器參數

型號	HARSVERT-A06/130	輸入電壓	6kV
額定電流	130A	額定功率	1000kW

（2）電機參數

額定功率	1000kW	額定電壓	6kV
額定轉速	990rpn	額定電流	118.8A

（3）節能計算
　　通過流體力學的基本定律可知：風機、泵類設備均屬平方轉矩負載，其轉速n與流量Q，壓力H以及軸功率P具有如下關系：Q∝n ，H∝n2，P∝n3；即，流量與轉速成正比，壓力與轉速的平方成正比，軸功率與轉速的立方成正比。即當電機轉速降為額定轉速的80％時，調速系統（高壓變頻器＋電機）從電網側吸收功率約降為額定轉速時的51％，因此，若工藝要求系統風量下降即送風機轉速下降時，節能效果十分明顯。
　　在相同運行方式及相同工況下進行測試，數據如下：
高壓變頻器投運前后電機實際電流的變化

機組負荷	變頻前	變頻后	節電率
125MW	70A	48A	25%
100MW	55A	29A	40%

　　比較高壓變頻器改造前后，送風機電機實際消耗功率，在機組125MW負荷時，計算節電約為25％，當機組負荷為100MW，計算節電率約為40％。經統計投運前、后兩個月送風機單耗，節電率為27.7％，按現行上網電價，18個月可收回全部投資。
4.空水冷卻器簡介
　　考慮廣東地區夏天氣溫較高，利德華福為高壓變頻器配備了空水冷卻器，保證設備安全運行。
　　空水冷卻器外形如圖6所示。從高壓變頻器出來的熱風，經過風管連接到內有固定水冷管的散熱器中，散熱器中通過溫度低于33℃的涼水，熱風經過散熱片后，將熱量傳遞給冷水，變成冷風從散熱片吹出，熱量被循環冷卻水帶走，保證高壓變頻器室內的環境溫度不高于40℃。

圖6：空水冷卻器外形圖

　　現場一臺高壓變頻器配置兩臺空冷器（如圖7），單臺故障時不會對系統產生較大影響。從實際應用情況看，室內溫度能控制在30℃左右，效果明顯。
　　經綜合計算比較，空水冷卻方式的費用約為空調冷卻方式的50％。

圖7：空冷器與變頻器布局圖

5.結束語
　　高壓變頻裝置由于其節能效果明顯，特別是在低負荷時更為顯著，采用變頻調速后，實現了電機的軟啟動，延長電機的壽命，送風機擋板全開，消除了入口風道原有的喘振，也減少了風道的磨損。良好的節能效果和調節性能，具有廣闊的推廣應用前景。
　　本廠兩臺設備自投運以來，運行非常可靠，未出現任何故障。完全可以說，本次我廠送風機高壓變頻改造項目是成功的。