高壓變頻調速技術及其在電廠中的應用

1 引言

在火力發電廠中，風機和水泵是主要的耗能設備，通常情況下其輸入能量的15～20％被電機和風機或水泵本身所消耗，約35～50％的輸入能量被檔板或閥門節流所消耗，因此對發電廠的風機和水泵進行節能改造具有很大的潛力。如果用電動機調速裝置來代替原來的風門、檔板、閥門來調節流量，將取得顯著的節能效果。

變頻調速是用變頻電源改變電動機定子繞組的頻率，從而改變同步轉速來實現調速。變頻系統首先將電網中的交流電整流成直流電，再通過逆變器逆變為頻率可調的交流電，供給交流電動機，從而改變電機的轉速。這種方法具有高效率、寬范圍和高精度的調速性能，規格系列齊全可以滿足各種不同需求，因而被廣泛采用，是最具發展前途的理想調速方法。特別是電流源型高壓變頻器在動態精度要求高的地方具有明優勢，適用于軋機、提升設備的應用。三電平高壓變頻裝置，由于其器件較少，結構相對簡單，較適合于3.3kv或 4.16kv的電機應用。功率單元串聯多電平結構的高壓變頻器，適合于風機水泵類負載，但不適合用在對動態要求很高的地方。

2 高壓變頻器選用的技術因素

高壓變頻器除了應具備通用變頻器所具有的基于拖動系統要求的各項技術性能之外，由于其大功率的緣故，在一些低壓小功率變頻器中并不重要的問題，在這里卻顯得很重要，主要包括：

2.1 諧波對廠用電系統的影響

高壓變頻器的整流和逆變電路都使用了電力電子器件的開關特性，在其輸入和輸出端都會產生波形畸變。由于高壓變頻器一般功率較大，其功率可能占廠用電系統容量的相當大一部分，因此，這種畸變對于供電線路和負載電機兩方面都會造成有害的影響，如變頻器輸出電流諧波可能會造成電機過熱，產生過大的噪聲，影響電機的壽命；而且電機必須“降額”使用。這一點與低壓變頻器有很大的不同。

降低高壓變頻器諧波電流對電源電壓的影響，最根本的方法是盡可能減少以至消除高壓變頻器本身電流的波形畸變。高壓變頻器輸入諧波畸變必須控制在ieee-519和gb12668標準規定的范圍內，不應對廠用電系統中其他負載的正常工作造成影響。

2.2 共模電壓和dv/dt的影響

變頻器的共模電壓和d_v/d_t會使電機的絕緣受到“疲勞”損害，影響到使用壽命，如果處理不好，還會損壞變頻器本身。

2.3 對所接母線電壓的影響

高壓電動機在不帶變頻器時，母線電壓按式（1）計算：
（1）
式中u_m為電動機正常起動的母線電壓（標么值）；u₀為廠用母線上的空載電壓（標么值）；x為變壓器或電抗器的電抗；s為合成負荷（標么值），可按式（2）計算：
s=s₁+s_q （2）
式中s₁為電動機起動前，廠用母線上的已有負荷（標么值），s_q為起動電動機的起動容量。

式中k_q為電動機的起動電流倍數；σp_e為電動機的額定功率（kw）；η_dcosd為電動機的額定效率和額定功率因數的乘積。
未裝設高壓變頻器時，k_q一般在工程中取6～7；裝設高壓變頻器后，由于高壓變頻器的軟啟動特性，k_q一般低于1.6。這樣，s_q值將是未裝設高壓變頻器的1/4～1/5。
另一方面，目前所采用的高壓變頻器一般都裝設移相變壓器，在高壓變頻器、電動機組啟動瞬間會產生4～6倍啟動過電流。這樣，由于移相變壓器的作用，s_q值會增加4～6倍。
由于以上兩方面的共同作用，在裝設了高壓變頻器的電動機，在整組啟動瞬間，s_q值基本上和未裝設高壓變頻器的電動機啟動一樣，對所接母線電壓影響也相似。因此，在廠用電設計時，選擇高壓廠用電容量和校驗母線電壓時，可不計及變頻器的影響。

2.4 對廠用電二次保護的影響

當高壓變頻器不裝設在對應回路的高壓斷路器旁邊時，對應于該回路，將有二段電纜回路和二個電氣設備。因此，在二次保護方面，應兩段分別裝設保護。

對于小于2000kw的電動機，高壓變頻器以上部分，保護配置可按6kv饋線回路配置，但同時考慮該回路電動機的重要性。

高壓變頻器以下部分，一般高壓變頻器本身配置以下保護：過電壓、過電流、欠電壓、缺相保護、短路保護、超頻保護、失速保護、變頻器過載、電機過載保護、半導體器件過熱保護、瞬時停電保護等。用戶可以根據需要選擇聯跳該回路斷路器。

2.5 廠用電源切換對高壓變頻器的影響

廠用電源在事故狀態下切換到備用廠用電源，目前采用的廠用電源快切裝置在切換過程停電時間約為50ms～150ms，高壓變頻器瞬時停電超過100ms，變頻器可能會停止工作，因此在選型時應注意這一問題。

2.6 高壓變頻器型式的選擇

高壓變頻器主要有兩種結構形式：一種是采用升、降壓變壓器稱之為“高-低-高式變頻器；另一種采用高壓大容量gto或igbt功率元件串聯結構，無輸出變壓器，直接將高壓電源整流為直流，在逆變輸出高壓，稱之為“高—高”式變頻器。由于“高—低—高”式變頻器結構本身帶來的問題，其可靠性、安全性都比較差，一般應考慮選擇高—高型變頻器。

2.7 輸入功率因數和系統效率

變頻器的輸入功率因數和效率將直接決定使用變頻器系統的經濟效益，效率低的變頻器還存在散熱等一系列的問題。

2.8 高壓變頻器的安裝位置和環境要求

高壓變頻器理論上說可以安裝在對應輔機斷路器旁，也可以布置在電動機旁邊或廠房某個位置。無論布置在何處，都需注意變頻器對安裝環境的要求。

高壓變頻器柜由電源切換柜、進線保護柜、移相變壓器柜、功率單元柜、控制柜組成。柜內電子元件比較多，這些元件對安裝環境都有要求。

高壓變頻器通常采用風冷或水冷裝置，降低柜體內的微環境溫度，確保功率器件的管芯溫度在允許值以下。一般對變頻器房間應設置空調設備，并對變頻器的出風處加裝隔熱的通風管道，將熱風直接排出室外。

3 高壓變頻器的經濟效益分析

3.1功率分析
以600mw火電廠凝結水泵為例，在運行中，兩臺水泵一用一備。其額定參數分別為：
額定電壓：6kv，
額定功率：2200kw。
在實際運行中，電機負荷情況如下表所示，按全年7800運行小時計：

3.2 能耗計算和費用分析
若不用變頻調節，電機始終工作于全速運行狀態，則全年用電量為：
p1=2200×（4200+2120+1180+300）=17160000（kwh）
若采用變頻控制，則全年用電量為：
p2=2200×4200+2200×0.75×2120+2200×0.50×1180+2200×0.40×300=14300000（kwh）
與電機全速運行相比，變頻調速每年可節約電能：
△p=p1-p2=17160000-14300000=2860000（kwh）
按上網電價0.40元/kwh計，每年可節約114.40萬元。

4 結束語

通過以上對變頻器技術分析和經濟比較，不難看出，變頻調節技術是比較先進、理想的調節技術，雖然初期投資較大，但由于其節電效果明顯，投資回收周期較短，因而其綜合經濟效益還是較高的，從節能觀點出發，應充分采用變頻器技術。

作者簡介

繆盛華（1962-） 男 工程師 供職于浙江浙能樂清發電有限責任公司 從事火力發電廠生產管理工作。

參考文獻（略）