国产高压变频器在张家口发电厂凝结水泵上的应用

北京大唐张家口发电厂设备部 孙廷珏


1、前言：
　　北京大唐发电股份有限公司张家口发电厂位于河北省张家口市，始建于1988年，目前拥有八台装机容量各为300兆瓦的机组，总装机为2400兆瓦，是华北地区第一大电厂。2002年，北京大唐发电股份有限公司通过国际招标，对大批设备进行变频改造。北京利德华福技术有限公司作为高压变频器国内标段的唯一的中标者，为我厂提供了两套HARSVERT-A06/130高压变频器，用于6＃、8＃机组的凝结水泵改造项目。目前6＃机组＃1凝泵变频器已稳定运行了3个多月，运行稳定，节能效果明显
2、凝结水泵的运行工况
　　在汽轮机内做完功的蒸汽在凝汽器冷却凝结之后，集中在热水井中，这时凝结水泵的作用是把凝结水及时地送往除氧器中。维持凝结水泵连续、稳定运行是保持电厂安全、经济生产地一个重要方面。
　　监视、调整凝汽器内的水位是凝结水泵运行中的一项主要工作。在正常运行状态下，凝汽器内的水位不能过高或过低。当机组负荷升高时，凝结水量增加，凝汽器内的水位相应上升。当机组负荷降低时，凝汽器内水位相应降低。
　　凝结泵电机为6KV/1000KW电机，设计时有一定裕量，每台机组配备二台凝结泵，一台运行，一台备用。
　　没有使用变频器之前，凝汽器内的水位调整是通过改变凝结水泵出口阀门的开度进行的，调节线性度差，大量能量在阀门上损耗。同时由于频繁的对阀门进行操作，导致阀门的可靠性下降，影响机组的稳定运行。
　　使用高压变频器后，凝结水泵出口阀门基本不需要频繁调整，阀门开度保持在一个比较大的范围内，通过调节变频器的输出频率改变电机的转速，达到调节出口流量的目的，满足运行工况的要求。
3、HARSVERT-A06/130型高压变频器原理及特点
　　Harsvert-A系列高压变频器是由北京利德华福电气技术有限公司生产，具有自主知识产权，适合国内电网特性，符合国内用户使用习惯的调速系统。该系统为电压源型高压变频器，具有运行稳定、调速范围广、输出波形好、输入电流谐波低、功率因数高、效率高等特点，对电网谐波污染小，总体谐波畸变THD小于4%，直接满足IEEE519-1992的谐波抑制标准，不必采用输入谐波滤波器，功率因数高，不必采用功率因数补偿装置，输出波形好，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，不必加输出滤波器，就可以使用普通的异步电机。
　　Harsvert-A系列高压变频器采用单元串联多电平PWM拓扑结构（简称CSML）。由若干个低压PWM变频功率单元串联的方式实现直接高压输出,高压主回路与控制器之间为光纤连接，安全可靠；精确的故障报警保护；具有电力电子保护和工业电气保护功能，保证变频器和电机在正常运行和故障时的安全可靠。




　　电网电压（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，形成Y接结构，实现变压变频的高压直接输出，供给高压电机。6kV输出电压每相有7个额定电压为480V的功率单元串联而成，输出相电压3450V，线电压达到6kV左右，每个功率单元承受全部的电机电流，但只提供1/7的相电压和1/21的输出功率。


　　每个功率单元分别由输入变压器的一组副边供电，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，即使在电动机电流出现不平衡的情况下，也能保证各相位组的电流基本相同，达到理想的谐波抵消效果。对6kV输出电压，给21个功率单元供电的21个二次绕组每3个一组，分为7个不同的相位组，互差60/7度电度角，形成42脉冲的整流电路结构，输入电流波形接近正弦波，总的谐波电流失真低于4%，输入功率因数可以达到0.95以上。



　
　　 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，功率单元采用较低的开关频率，以降低开关损耗，且输出电平数增加。6kV输出电压输出相电压为15电平，线电压为29电平，输出等效开关频9KHz，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、转矩脉动等都大大降低，可以直接用于普通异步电机，不会产生输出电缆较长时行波反射引起的浪涌电压增加而造成电机绝缘破坏问题。




　　采用功率单元串联，而不是功率器件串联，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。直接使用低压IGBT功率模块，器件工作在低压状态，不易发生故障；6kv变频器共使用42对1200V低压IGBT，低压IGBT门极驱动功率较低，驱动电路非常简单，开关频率很低，不必采取均压电路和浪涌吸收电路，系统效率高，同时功率单元采用电容滤波的结构，总体技术成熟可靠。
　　变频器可以承受30%的电源电压下降而继续运行，变频器的6KV主电源完全失电时，变频器可以在3秒内不停机，能够全面满足变频器动力母线切换时不停机的需要。另外6KV主电源欠压时可不停机，自动降额，电压正常后再恢复到原来速度。
　　采用二极管不可控整流电路结构，变频器对浪涌电压的承受能力较强，雷击或开关操作引起的浪涌电压可以经过变压器（变压器的阻抗一般为8%左右）产生浪涌电流，经过功率单元的整流二极管，给滤波电容充电，滤波电容足以吸收进入到单元内的浪涌能量，另外变压器一次侧安装了压敏电阻浪涌吸收装置，起到进一步保护作用。
　　功率单元采用模块化结构，同一变频器内所有功率单元结构上完全一致，可以互换，维修非常方便，更换功率单元只要拆除3个交流输入端子和2个交流输出端子，以及1个光纤插头，就可抽出整个单元。当某一功率模块发生故障时，用户在5分钟内，经过简单的操作就可以用备用功率模块进行更换，保证系统可靠运行，所有功率模块均有两个指示灯，一个是带电指示，另一个是运行指示，模块的运行状态一目了然。
　　功率单元为多极模块串联，某个模块发生故障时自动旁路运行，便于现场采取对应措施；即在每个功率单元输出端之间并联旁路电路，当功率单元故障时，封锁对应功率单元IGBT的触发信号，然后让旁路SCR导通，保证电机电流能通过，仍形成通路。为保证三相输出电压对称，在旁路故障功率单元的同时，另外两相对应的两个功率单元也同时旁路。对于6kv的变频器每相由7个功率单元串联而成，当每相1个单元被旁路后，每相剩下6个功率单元，输出最高电压为额定电压的86%，输出电流仍可达到100%，输出功率仍可达到86%左右，对于水泵负载转速仍可达92%以上，基本能维持生产要求，大大提高了系统运行的可靠性。
　　输入干式变压器免维护，可靠性高。变压器的防护与变频器共同防护为IP21防护外壳，可防止直径大于12mm的固体异物及鼠、蛇、猫、雀等小动物进入，造成短路停电等恶性故障，为带电部分提供安全屏障。
　　高效率(>96%)，输入功率因数高(>0.95)，电流谐波少(<4%)，无须功率因数补偿/谐波抑制装置；输出阶梯正弦PWM波形，无须输出滤波装置，对电缆、电机绝缘无损害，电机谐波少，减少轴承、叶片的机械振动，输出线可以长达1000米；减少配件的损耗，延长设备使用寿命，提高劳动生产效率。
　　高的调速精度和精确的输出频率分辨率(0.01HZ)，输出频率0.5Hz—120Hz连续可调，完全可以满足电力机组生产工艺工况的要求；电机可实现软启动、软制动，转速自动控制；启动电流小于电机的额定电流；电机启动时间可连续可调，减少了对电网影响。


　　变频器预装具有自主版权的全中文操作和监控软件，本机及远程启停操作、功能设定、参数设定、故障查询、运行记录查询等均采用全中文的WINDOWS操作界面；配备12.1"彩色液晶触摸显示屏，可实现完整的通用变频器参数设定功能，可打印输出运行报表；调整触摸式面板，可随时显示电压及电流波形、频率和电机转速，可非常直观地显示电机在任何时间的实时状态；具有很强的诊断、指示能力：可检测变频器各部分的运行状态，完整的故障监测电路、精确的故障定位，所有的功率模块均为智能化设计，当有故障发生时，将故障信息返回到主控单元中，主控单元会及时将主要功率元件IGBT关断，保护主电路，同时在中文人机界面上精确定位显示故障位置、类别，使故障点一目了然，适应于一般操作工人和维护人员的技能水平。
　　变频器直接内置有PLC，易于改变控制逻辑关系，适应多变的现场需要；与机组的DCS系统实现真正的无缝接口。
　　采用外部模拟信号控制变频器输出频率时(变频器作为DCS的执行机构)，如果发生模拟信号掉线或短路时，变频器可以提供报警信号，同时保持原有输出频率不变。
　　变频器控制电源可接收交流220V和直流220V输入，并配备有UPS，在控制电源发生故障时可以继续运行，同时提供报警。