高压变频器在国电电力邯郸热电厂的应用

1 引言 随着能源问题日益的突出，节能问题愈来愈受到重视。据统计，目前全国各类电机年耗电量约占全国总发电量的65%，而其中大功率风机、泵类是年耗电量约占工业总耗电量的50%，最大限度地降低风机、泵类等设备的耗电量对于节能具有重要意义。国家发改委已正式将“电机系统节能”列为“十一五”的十大节能工程之一。 发电厂既是电能的生产者，又是电能的消费者，由于电力体制改革中厂网分开、竞价上网的出现，厂用电率已成为发电厂考核的重要指标，直接关系到电厂的经济效益和竞争力。风机是火力发电厂重要的辅助设备之一，提高风机的运行效率对降低厂用电率具有重要的作用。传统的风机风量控制大多是通过调节挡板的开度来实现，风机及电动机运行在低效率工作区，能源浪费严重，同时工频直接启动对电动机和电网的电流冲击很大，并容易造成电机笼条松动、有开焊断条的危险。 基于以上原因，国电电力邯郸热电厂先对#11引风机进行了变频改造，通过考察，最后选择了在质量、价格及服务上有一定综合优势的广东明阳龙源电力电子有限公司，我公司变频器在厂内一次投运成功后，运行可靠，节能效果显著。电厂随后又对#11送风机，#12送、引风机进行了变频改造，共引进8台高压变频器。 2 高压变频器的组成和原理 MLVERT-D系列高压变频器是广东明阳龙源电力电子有限公司生产的具有自主知识产权，无电网污染的调速系统，采用的结构为多单元串联，输出为多电平移相式PWM方式。特别适合于风机、泵类工业应用现场，已经被广大工业用户接受和充分认可。下面以6kV系列为例说明其原理，变频器主电路结构见图1。 图1 高压变频器主电路原理图 该高压变频器具有运行稳定、调速范围广、输出波形正弦好、输入电流功率因数高、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，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。 2.1 输入变压器 MLVERT-D系列高压变频器的输入侧隔离变压器采用移相式变压器，变压器原边绕组为6kV，副边共18个绕组分为三相。每个绕组为延边三角形接法，分成6个不同的相位组，分别有±5o、±15o、±25o移相角度，形成36脉波的二极管整流电路结构。每个副边绕组接一个功率单元，这种移相接法可以有效地消除35次以下的谐波。对电网谐波污染小，直接满足IEEE519-1992的谐波抑制标准。 2.2 功率单元 如图1，电网送来的三相6KV/50HZ交流电经输入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，实现变压变频的直接输出，6kV输出电压每相由6个额定电压为580V的功率单元串联得到，输出相电压3480V，线电压可达6kV。 每个功率单元采用电压源型结构，直流环节为滤波电容，电机所需的无功功率由电容提供，而不需要和电网交换，变频器输入功率因数高，可保持在0.96以上，且在整个速度范围段内基本保持不变，不需采用功率因数补偿装置。 每个功率单元通过光纤通讯接收主控系统发送的调制信息以产生负载电机需要的电压和频率，而功率单元的状态信息也通过光纤反馈给主控系统，由主控系统进行统一控制。该光纤是模块与主控系统之间的唯一连接，因而每个功率单元与主控系统是完全电气隔离的。 2.3 高压变频器PWM技术 高压变频器的PWM技术是变频器研究中一个关键技术，它不仅决定功率变换的实现与否，而且对变频器输出电压波形的质量，电路中有源和无源器件的应力，系统损耗的减少与效率的提高等方面都有直接的影响。 MLVERT-D系列高压变频器采用了移相式多电平PWM技术，它是传统的两电平PWM技术的扩展，它的本质是PWM技术与多重化技术的有机结合。这里以2单元串联的高压变频器为例说明其基本原理，图2给出了2单元串联高压变频器其中一相的串联示意图。 图2 两个功率单元串联示意图 图3给出了移相式多电平PWM调制的波形图。图中2个载波调制同一信号波，调制方法是，当信号波大于三角载波时，给出导通控制信号；相反则给出关断控制信号。 图3中每个功率单元两个半桥上下桥臂开关管互补导通和关断，驱动 、 、 、 开关器件的驱动信号、由此产生的两个功率单元输出电压波形以及合成电压波形如图所示。图中，两个功率单元的载波互差180度相位角。对于n个功率单元串联，载波应互差φ=360/n度相位角。 图3载波移相多电平PWM调制 由图3得出，移相多电平PWM调制的实质是各单元采用共同的调制波信号，各载波的相位相互错开载波周期的1/n，对每个功率单元进行SPWM控制，通过载波的移相，使得每个功率单元输出的PWM脉冲相互错开，这样在叠加后，使输出波形为多电平（相电压 种电平，线电压4n+1种电平输出），同时输出波形的等效开关频率达到单元开关频率的n倍，大大改善输出波形，减少输出谐波，使输出电压非常接近正弦波。同时输出电压的每个电平台阶只有单元直流母线电压大小，dv/dt很小，对电机没有危害，不必设置输出滤波器，就可以使用原有的电机。其输出波形如图4所示。 图4 高压变频器的输出电压和电流波形 3 引风机变频改造方案 3.1 变频器选型 这里以#11炉引风机改造为例进行说明，它是两台双侧布置，甲乙两台引风机均采用调节风板开度的方式控制风量，由于电机设计时冗余较大，加上风量控制采用档风板引起的阻力损耗，电能的浪费特别严重，影响机组的经济运行。 一般情况下，变频器容量应不小于电动机容量，这样能满足电机在额定出力内进行不同转速的调节。但在现实生产工作中，根据实际运行工况来选择合适的变频器容量，既能满足生产需要，又能节省变频器投资及减少配套设施。国电电力邯郸电厂#11引风机电机为6KV/1000KW电机，设计时有很大的裕量。为了满足50Hz时满负荷运行要求，为其配备了容量为1250kVA的变频器以满足各种工况下不同转速调节的要求。 3.2 系统方案 对电厂引风机变频的改造遵循了“最小改动，最大可靠性，最优经济性”原则，为两台引风机电机配备了各自的变频器调速装置，同时为了充分保证系统的可靠性，为每台变频器加装工频旁路装置，当变频器异常时，将电机直接手动切换到工频下运行，确保系统正常工作。每台电机的变频方案示意图如下图所示。 图5 引风机变频方案示意图 图5工频旁路由3个高压隔离开关组成，为了确保不向变频器输出端反送电，K1与K3采用一个双投隔离开关，实现自然机械互锁，并采用S7-200PLC控制系统实现电气连锁，避免系统误操作。当K2、K3闭合，K1断开时，电机运行在变频状态；当K2、K3断开，K1闭合时，电机工频运行，此时高压变频器从高压中隔离出来，便于检修、维护和调试。 进行变频改造后，引风机的风板开度保持全开，基本不需要改变。根据实际所需的风量，由DCS系统通过PID调节，输出4~20mA模拟电流信号送给变频器，变频器通过调节输出频率改变电机的转速，达到调节风量的目的，满足运行工况的要求。 同时，变频改造后电机在启动和调节过程中，转速平稳变化，没有出现任何冲击电流，解决了电机启动时的大电流冲击问题，消除了大启动电流对电机、传动系统和主机的冲击应力，大大降低维护保养费用。 4 节能分析 4.1 节能原理 与传统的采用调节风门的方式调节风量相比，调节转速来控制风量的方法有着明显的节能效果，其原理可由下图来说明。 图5 风机调速节能原理图 图中，曲线1为风机在恒速n1下的风压-风量（H-Q）特性曲线，曲线3为管网的风阻特性（风门全开）。 假设风机在设计时工作在A点，此时输出风量Q为100%，效率最高，轴功率为Ps1，与Q1和H1的乘积成正比，即Ps1与A-H1-0-Q1-A所包围的面积成正比。 当需要调节风量时，例如所需风量从100%减小到50%，即从Q1减少到Q2时，如果采用调节风门的方法来调节风量，管网的风阻曲线由曲线3变为曲线4。即减少风门开度增加了管网阻力，此时系统的工作点由原来的A点移至B点，可以看出，风量虽然降低了，但风压增加了，轴功率Ps2与B-H2-0-Q2-B成正比，它与Ps1相比，减少不多。 如果采用调节转速来调节风量的方法，风机转速由原来的n1降到n2，根据风机参数的比例定律，可以画出在恒速n2下的风压-风量(H-Q)特性曲线5，风机工作在C点。由图可见，在满足同样风量Q2的情况下，风压将大幅度降低到H3，轴功率Ps2也明显降低。所节约的功率与面积A-H1-0-Q1-A和C-H3-0-Q2-C之差成正比。由此可见，用调速的方法来减少风量的经济效益是十分显著的。 由流体力学可知风量Q与转速n的一次方成正比，风压H与转速n的平方成正比，轴功率Ps与转速n的立方成正比，即Q ∞ n，H ∞ n²，Ps ∞ n³。 当所需要的风量减少，风机转速降低时，其轴功率按转速的三次方下降。如所需风量为额定风量的80%，则转速也下降为额定转速的80%，那么风机的轴功率将下降为额定功率的51.2%；当所需要风量为额定风量的50%时，风机的轴功率将下降为其额定功率的12.5%。当