IPER艾帕高压变频器在火电厂辅机的应用

海艾帕电力电子有限公司 竺伟
中国电工技术学会 周鹤良
摘要：本文主要论述火电厂的风机，水泵等主要辅助设备采用高压变频调速的必要性、可行性、经济性和实际运行经验。对高压变频调速装置的选择，使用提出了一些建议，供电厂应用时参考。
一、 概述
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工作十分重要。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400-420克/千瓦时，比国外先进国家高80-90克/千瓦时。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1立方米/秒，而国外先进水平只有0.6-0.7立方米/秒。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，可以既满足生产要求，又达到节约电能，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采用变频调速技术，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，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。
二、 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，2为输入端风门控制时电机消耗的功率，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，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。

三、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，同时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。
四、 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du/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du/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，变频器额定效率可大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。

图3 单元串联多电平变频器输入波形 图4 单元串联多电平变频器的输出波形
与普通采用高压器件直接串联的电流源型变频器及三电平电压源型变频器相比，由于采用功率单元串联，器件承受的最高电压为单元内直流母线的电压，器件不必串联，不存在器件串联引起的均压问题。功率单元中采用常规IGBT功率模块，驱动电路简单，技术成熟可靠。
功率单元采用模块化结构，同一变频器内的所有功率单元可以互换，维修也非常方便。由于采用功率单元串联结构，所以可以采取功率单元旁路选件，当功率单元故障时，控制系统可以将故障单元自动旁路，变频器仍可降额继续运行，大大提高了系统的可靠性。
图5为6KV/1000KVA高压变频器的外形照片。

图5 Innovert高压变频器外形照片
五、应用实例
北方某电厂于2005年10月在200MW机组锅炉二台1250KW/6KV引风机电机上采用上海艾帕电力电子有限公司生产的Innovert系列高压变频调速装置。到目前为止运行良好，节能显著。
锅炉引风机铭牌参数：型号Y4-2X73-2 冷却方式：水冷 风量：723780立米/小时 风压：53779 Pa 叶轮直径：2650mm 配用功率：1250KW
引风机电动机参数：型号：YKK6304-8 额定功率：1250KW 频率：50HZ 额定电压：6000V 接线：Y接法 额定电流：154A 转速：743rpm 功率因数：0.86 绝缘等级：F 防护等级：IP44
变频器型号：Innovert 6/6-140,额定电压6KV,额定电流140A。用户考虑到实际运行负载电流不可能超过140A，为了降低投资，选择变频器额定电流140A。
有关部门对节能效果进行了测试考核。试验用双功率表法测量有功功率，试验中每个工况稳定运行3个小时，试验数据见表1。电厂在变频器经过一个月运行后，将变频改造前后的月耗电量进行比较，见表2。
月平均节电率达到35.93%，按照每年运行5500小时，电价0.36元/KWh计算，年节电费为47.3379/720*5500*0.36=130.2万元。

表1 采用变频前后消耗功率比较
表2 月耗电量比较
安装变频器后，电动机实现了软起动，电机转速从零按照设定的加速时间缓慢升速至运行转速，减少了冲击力矩对电机和风机的损害。安装变频器后，由于正常工作时风机的转速比额定转速低，当机组负荷在200MW时，采用变频器调速后，电机转速比额定转速低150rpm，大大减少了风机叶轮的磨损。
六、采用变频调速应该注意的问题
1.可靠性方面的考虑。电厂的性质决定了用于电厂用的高压变频器需要有很高的可靠性，保证电厂的安全生产。Innovert系列采用主流的功率单元串联技术方案，而不是功率器件直接串联，避免了器件直接串联带来的均压问题，本质上保证了系统的可靠性。同时，产品特有的无速度传感器矢量控制技术在提高起动力矩和转速精度的同时，提高了抗电网波动和负载扰动能力，大大提高了可靠性。
2.变频器输入谐波对电力系统的影响。如果变频器输入电流谐波较大(比如传统的电流源型变频器)，对火电厂的电力系统会产生如下危害：供电系统的继电保护装置误动作，可能导致大面积停电。测量仪器仪表误差增大，影响计量精度和控制性能。影响其它电力电子装置，电子计算机系统及通信设备的正常工作。谐波使电机，变压器和电容器等用电设备损耗增大，严重时会过热或烧损。Innovert系列高压变频器输入电流谐波失真极小，对电网基本不产生谐波污染，满足IEEE满足IEEE519-1992和GB/T14549-93标准。大，中型火电厂自动化水平高，大多数采用自动化仪表和计算机控制系统，对用电系统的谐波要求很高，Innovert变频器在方面有很大的优势。
3.变频器输出波形对电机的影响。由于火电厂应用变频调速很大部分是旧有设备的改造，原有的普通电机是设计成为电网直接运行的，而电网电压波形基本为正弦波。如果变频器输出波形质量不好的话，会对电机产生不良影响。变频器输出谐波会引起的电机附加发热和转矩脉动，噪音增加，输出dv/dt和共模电压会影响电机的绝缘。Innovert系列高压变频器由于输出波形质量好，不必设置输出滤波器，就可以使用原有的普通异步电机。
七、结论
我国火电厂大多数为中、小型机组，数量多 ，单机容量小。不仅发电机组陈旧，其所属的主要辅助设备也较落后，效率低，设备选型不当，大马拉小车。风机水泵的流量压力调节方式基本为进出口闸门的调节，耗能大，经济效益差，设备损坏严重，急需采用先进的高压变频调速进行技术改造，以降低火电厂的厂用电率，节约电能，提高企业的经济效益。
火电厂辅机采用高压变频调速技术，通过上海艾帕电力电子有限公司高压变频器的应用实践证明是必要的、可能的，且经济效益显著。
Innovert系列高压变频器可靠性高，输入输出波形质量好，适合于火电厂辅机的变频调速，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。
参考文献
1 竺伟 陈伯时 高压变频调速技术 电工技术杂志，1999.3
2 竺伟 陈伯时周鹤良 赵相宾 单元串联式多电平高压变频器的起源、现状和展望电气传动 2006.6
作者简介
竺伟，男，1973年出生，博士，高级工程师。1998年毕业于上海大学自动化学院电力传动及其自动化专业。曾任安塞罗宾康（上海）电气有限公司运营主管等职，现任上海艾帕电力电子有限公司总经理。中国自动化学会电气自动化专业委员会委员和中国电工技术学会电控系统与装置专业委员会委员。长期从事电气传动和电力电子方面研究和生产管理，对矢量控制和大容量高压变频器有较深入的研究，在国内外学术期刊和会议上发表论文10余篇，编写专著《通用变频器及其应用》第6章“高压变频器”。科研成果“高压变频调速装置”获上海市高新技术成果转化项目。
周鹤良，中国电工技术学会名誉理事长，教授级高工。长期从事电工技术管理工作，曾任机械工业部电工局局长，重大技术装备办公室主任，发表80多篇技术论文，著有《电工技术与管理》。

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