国产高压变频器在陡河发电厂吸风机上的应用

中国大唐集团公司陡河电厂 郑宝珍 王子强


问题的提出
　　中国大唐集团公司陡河电厂#2发电机组(125MW)属于调峰机组,机组运行时基本带70-80%负荷,两台吸风机采用入口挡板调节。为了保证电机的安全稳定运行，选用的风机电机的备用容量较大。机组满负荷运行时，吸风机入口挡板开度约60%，机组调峰时，风机入口挡板开度约40%左右，能量损失大，风机效率低。为了进一步适应厂网分开、竞价上网的电力体制，节约能源，降低厂用电率，保护环境，简化运行方式，减少转动设备的磨损等，我公司决定在陡河电厂、下花园电厂及张家口电厂对部分风机、水泵采用高压变频器调速装置，我公司在国际上公开招标采购高压变频器。北京利德华福电气技术有限公司为国内唯一中标单位，并一举中标8台高压变频器。其中陡河电厂#2炉2台吸风机电机上分别加装一套北京利德华福电气技术有限公司生产的6 kV/1000 kW高压变频器装置。
1、HARSVERT-A06/105型高压变频装置原理
　　变频装置采用多电平串联技术，6KV系统结构见图1，由移相变压器、功率单元和控制器组成。6KV系列有21个功率单元，每7个功率单元串联构成一相。
　　每个功率单元结构以及电气性能完全一致，可以互换，其电路结构见图2，为基本的交-直-交单相逆变电路，整流侧为二极管三相全桥，通过对IGBT逆变桥进行正弦PWM控制，可得到如图3所示的波形。




　　每个功率单元结构上完全一致，可以互换，其电路结构见图2，为基本的交-直-交单相逆变电路，整流侧为二极管三相全桥，通过对IGBT逆变桥进行正弦PWM控制，可得到如图3所示的波形。


　　输入侧由移相变压器给每个单元供电，移相变压器的副边绕组分为三组，构成42脉冲整流方式；这种多级移相叠加的整流方式可以大大改善网侧的电流波形，使其负载下的网侧功率因数接近1。
　　另外，由于变压器副边绕组的独立性，使每个功率单元的主回路相对独立，每个功率单元等效为一台单相低压变频器。
　　输出侧由每个单元的U、V输出端子相互串接成星型接法直接给高压电机供电，通过对每个单元的PWM波形进行重组，可得到如图4所示的阶梯正弦PWM波形。这种波形正弦度好，dv/dt小，可减少对电缆和电机的绝缘损坏，无须输出滤波器就可以使输出电缆长度很长，电机不需要降额使用，可直接用于旧设备的改造；同时，电机的谐波损耗大大减少，消除了由此引起的机械振动，减小了轴承和叶片的机械应力。
　　当某一个单元出现故障时，通过使图2中的软开关节点K导通，可将此单元旁路出系统而不影响其他单元的运行，变频器可持续降额运行，可减少很多场合下停机造成的损失。


2、变频改造方案简介
　　#2炉引风机是两台双侧布置，目前其引风机的出力调节由人工调节挡板来实现。由于引风机设计时冗余功率较大，加上风量控制采用档风板引起的阻力损耗，造成厂用电率高，影响机组的经济运行。
电动机参数 　　　　　　　 引风机参数
型号：Y1000-8 　 　　　　 型号： G4-73-11-28D
额定功率：1000kW 　　　 额定风量：455000m3/h
额定电压：6kV 　　　　　 额定风压： 6460Pa
额定电流：119A 　　　　　 风机转速： 742rpm
额定频率：50Hz
额定转速：743r/min
　　为了充分保证系统的可靠性，为变频器同时加装工频旁路装置，变频器异常时，变频器停止运行，电机可以直接手动切换到工频下运行。工频旁路由3个高压隔离开关QS1、QS2和QS3组成（见图，其中QF为甲方原有高压开关）。要求QS2不能与QS3同时闭合，在机械上实现互锁。变频运行时，QS1和QS2闭合，QS3断开；工频运行时，QS3闭合，QS1和QS2断开。
　　为了实现变频器故障的保护，变频器对6KV开关QF进行联锁，一旦变频器故障，变频器跳开QF，要求甲方对QF的合分闸电路进行适当改造。工频旁路时，变频器应允许QF合闸，撤消对QF的跳闸信号，使电机能正常通过QF合闸工频启动。


3、变频装置调试数据对比
中国电力科学研究院对相关参数的测量结果如下




图6 机组负荷90MW时变频器输出电压（波形较电流差）电流波形


图7 变频启动时变频器输出电压（上）和电流（下）波形
　　测试结果表明，72%负荷时节能率为59%，满负荷时节能率也高达46%。同时，电机变频启动时，启动电流平稳上升,电机启动非常平稳。
4、变频改造后的效益计算
1) 全年满负荷时，投入2台变频器后，估算年节电量为：520kW*5500h=2860000 kWh
　 年至少节省电费：2860000 kWh*0.326元/kW.h=93.2万元
2) 全年72%负荷运行时，投入2台变频器后，估算年节电量为：571kW*5500h=3140500 kWh
　 年至少节省电费：3140500 kWh*0.326元/kW.h=102.4万元
　　可见，在满负荷全年运行或者72%负荷全年运行情况下，投入2台北京利德华福电气技术有限公司生产的国产高压变频器后，我公司全年节约电费均可达100万元左右。另外，由于北京利德华福电气技术有限公司系列变频器功率因数可达0.95以上，大于电机功率因数0.85，减少大量无功。并且实现电机软启动，可避免因大电流启动冲击造成对电机绝缘的影响，减少电机维护量，节约检修维护费用，同时电机寿命大幅度延长。
5、结束语
高压变频装置由于其节能效果明显，采用变频调速后，实现了电机的软启动，延长电机的寿命，引风机挡板全开，也减少了风道的振动与磨损。总之，以北京利德华福公司为代表生产的国产高压变频器的可靠运行性能及良好的节能效果为我公司创造了巨大的经济效益和社会效益，值得大力推荐和应用。