东方日立高压变频器DHVECTOL高压大功率变频器在淮北发电厂引风机上的应用

一、概述
中国大唐集团公司淮北发电厂位于淮北市相山西南麓，兴建于1970年。先后建成2×50MW 、2×125MW、3×200MW共7台燃煤发电机组，总装机容量达950MW，经增容改造现总装机容量达1022.5MW。
高压变频技术随着功率元器件耐压等级的提高和计算机应用技术的日趋成熟，在电厂的应用已相当普遍，节能效果及控制水平已被电力系统所认识。但在高电压、大功率的设备上应用，淮北发电厂之前没有尝试，基本没有这方面的经验。2004年淮北发电厂组织各个专业人员对国内外高电压、大功率的变频器这一新技术进行了考查、论证。既考察了国产的高压大功率变频器应用情况，也考察、论证了进口的高电压大功率的变频器应用业绩。最后得出结论：国产高电压、大功率变频调速装置，完全能够适应，具体如下几点：
　　1、产品售后服务及时、周到、服务成本低，能够满足生产的及时性。
　　2、产品备件采购方便、备件成本低。
　　3、 变频器操作简单，人机界面简单，易于掌握。
　　4、 通过近多年来国内生产厂家的努力，应该说国产大功率变频器并不比进口的性能差，有的方面还优于进口的变频器。
　　5、 国产造价比进口的低：
所以公司决定对#5、#6机组共四台引风机和#6机组的凝结水泵采用高压变频器调速装置，并且大唐集团公司在国际上公开招标采购高压变频器。我公司为国内唯一中标单位，并一举中标我公司5台高压变频器。

二、高压变频器的节能原理过去，我们对风机、水泵采用挡板、阀门进行流量控制、造成了大量的能源浪费。现在国际上普遍采用转速调节方式进行节能，虽然有多种方式，但是其中应用效果最好的为变频调速方式。
采用直接高压控制电动机定子的电压源型变频器对风机水泵等机械装置进行调速控制来控制风量、流量的方法是当前国内外主流技术，应用得非常广泛，大量采用该项技术进行节能，对于我国经济发展具有重要的意义。
风机和水泵虽然是两类不同的机械装置，但是均属于“平方转矩负载”，分析的方法也基本相同。下面就以风机为例进行说明。

2.1风机的参数和特征
2.1.1风机的基本参数
风量Q：单位时间流过风机的空气量（m³\s）；
风压H：空气流过时产生的压力。其中风机给予每立方米空气的总能量称为风机的全压Ht（Pa），它是由静压Hg和动压Hd组成，即Ht＝Hg+Hd；
功率P：风机工作有效总功率Pt＝QHt（W）。如风机用有效静压Hg，则Pg＝QHg；
效率η：风机的轴功率因有部分损耗而不能全部传给空气，因此可以用风机效率这一参数衡量风机工作的优劣，按照风机的工作方式及参数的不同，效率分别有：
全压效率ηt＝QHt\P
静压效率ηg＝QHg\P

2.1.2风机的特性曲线
表示风机性能的特性曲线有：
H-Q曲线：当转速恒定时，风压与风量间的关系特性
P-Q曲线：当转速恒定时，功率与风量间的关系特性
η-Q曲线：当转速恒定时，风机的效率特性
对于同类型的风机，根据风机参数的比例定律，在不同转速时的H-Q曲线如图1

根据风机相似方程：
当风机转速从n变到n’，风量Q、风压H及轴功率P的变化关系：
Q’=Q（n’\ n） (1)
H’=H（n’\ n）² (2)
P’=P（n’\ n）³ (3)
上面的公式说明，风量与转速成正比。风压与转速的二次方成正比，轴功率与转速的三次方成正比。

2.2管网风阻特性曲线 当管网的风阻R保持不变时，风量与通风阻力之间的关系是确定不变的，即风量与通风阻力K按阻力定律变化，即
K=RQ²
式中： K－通风阻力，Pa；
R－风阻，（kg\m²）
Q－风量，（m³\s）
K－Q的抛物线关系称为风阻特性曲线，如图2-2所示。显然，风阻越大曲线越陡。
风阻的K－Q曲线与管网阻力曲线相交的工作点成为工况点M。同一风机两种不同转速n、n’时的K－Q曲线与R风阻特性曲线相交的工况点分别为M及M’，与R1风阻曲线相交的工况点为M1及M1’。

2.3电动机容量计算 拖动风机的电动机所需的输出轴功率为：

式中：ηb——风扇或风机的效率 
ηc——传动装置效率。

2.4风机的节电方法及节能原理 从以上的介绍可知，风机、水泵负载转矩与转速的二次方成正比，轴功率与转速的三次方成正比，因此我们可以通过调节风机（或水泵）的转速来节电。

2.4.1采用挡板控制风量和变频调速控制风量的对比图
下面我们对采用挡板阀门及变频调速方式调节流量的能量消耗进行分析，以便对变频调速方式下的节能原理有一个理论上的了解。

如果设备的配置都满足设备的最佳运行状态，从图上看到：

2.4.1.1当流量Q＝1时，采用风机挡板和采用变频器时使用的功率将会一致，这是因为它们的输入功率都为AH0K所包围的面积；

2.4.1.2当流量从Q=1下降到Q=0.7时，采用风机挡板进行调节时的输入功率为BI0L所包围的面积，而采用变频调速后，其功率下降为DG0L包围的面积，从图上看，这个面积比BI0L包围的面积小很多；

2.4.1.3当流量进一步下降到Q=0.5时，采用风机挡板调节时的输入功率为CJ0P包围的面积，而采用变频调速时的输入功率为EF0P包围的面积，从图上看到，这个面积与CJ0P相比，其值更小。
所以我们可以从直观的图形上看到采用变频调速技术时比采用风门挡板时会节约大量的能量，也就是说：采用变频调速是一种节能的好办法。
那么，其计算方法怎么得到？
根据风机理论，风机运行时在需要流量变化时，可以采用阀门或者挡板进行调节，其输入功率的计算公式为：
Pnn=P×Hnn×Qnn
其中：Hnn＝U-(U-1) Q²nn U为系统流量为零时压力极值
所以，采用风门挡板时的风机输入功率为：
Pnn=P×Hnn×Qnn＝P×[U-(U-1) Q²nn]×Qnn
式中：Pnn为某个状态下的输入功率标么值；Hnn为某个状态下的压力标么值；Qnn为某个状态下的流量标么值；P为额定状态下的输入功率。

2.5采用变频调速时的功率计算：

2.5.1异步电机的转数为：
转数n=60f(1-s)\p

2.5.2 风机泵类流量、压力、功率与转速n关系为：
流量 Q∝n；
压力 H∝n²
功率 P∝n³
假设：额定流量为Q0，额定功耗为P0；所需流量为Q1，功耗为Pg.in；由上述正比关系得出下式：
P0：n0³ =Pg.in：n1³ 

2.5.3 不同负荷情况下节能效果曲线图（图3）
横坐标代表水泵的负荷状态。①为调节阀门时电机输入功率的曲线，②为调节水泵转速时电机输入功率的曲线，③为采用变频调速方法时，相对于调节阀门而带来的节能效益曲线。

曲线③没有考虑调速装置本身的效率，也忽略调速后水泵本身的效率变化情况，综合考虑这两个因素后，曲线③将略微下降。
三、DHVECTOL-DI变频器的原理
DHVECTOL-DI变频装置采用多电平串联技术，6kV系统由移相变压器、功率单元和控制器组成。6kV变频装置有24个功率单元，每8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，其电路结构如图4，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5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48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6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。 

四、主要技术特点
a. 输入谐波小
DHVECTOL-DI变频器使用了“多重化移相整流技术和单元电平串连叠加技术”，符合GB\T14549－2002及IEEE519-1992对电压、电流谐波失真严格的要求。这项技术比之“三电平技术”、“电流源型变频技术”、“串极调速技术”等技术方案有极大的技术优势，输入输出谐波限制指标较大地高于上述技术。使用时，变频器对同一电网上用电的其它电气设备不产生谐波干扰。还能防止与其它变频调速装置之间的“串并联干扰”。因此完全不需要另外配置谐波治理装置，从而节省安装谐波滤波装置的费用。

b. 高功率因数
DHVECTOL-DI变频器在整个调节范围内都可维持高功率因数，标准值达到0.96以上，负载极小时功率因数也可以达到0.9以上（见图7）。

图7曲线比较了DHVECTOL-DI电压源型变频器和调速技术的功率因数情况，从图上我们可以看到，电压源型变频调速技术比电流源型变频调速、串极调速、电磁离合式电机等技术的功率因数高出很多，采用电压型变频器完全不需要增加功率因数补偿设备，而其它技术则需要增加专用的功率因数补偿设备。

c. 高效率
DHVECTOL-DI变频器具有>95%的高效率(最高可达97.5%)，特别是低转速时的效率比之其它调速技术有非常大的技术优势，远比其它调速技术的效率（30%～80%）高得多。见图8：

d. 输出脉动转矩小
DHVECTOL-DI变频器不需要外部输出滤波器就可提供正弦输出电压，变频器有较低的输出电压失真，不增加电机的运转噪音。DHVECTOL-DI变频器大大降低了输出的谐波电流（低于4%），避免了电机发热和转矩脉动。从而减少了设备上的电应力和机械应力。

e. 可靠性高，维护方便
DHVECTOL-DI变频器采用单元模块化技术方案，便于设备的维护和维修。IGBT模块的驱动和保护采用高可靠性专用驱动模块电路，电子元件和部件均通过高温老化试验。
DHVECTOL-DI变频器变频单元组件具有互换性，若出现故障，可在几分钟内用简单工具进行更换维修。

f. 电机软启动，无冲击电流
DHVECTOL-DI变频器对电机进行软启动，根据电机的现场使用要求，我们可以改变电机的启动时间而得到多条电机启动曲线，使得电机在带上负载后完好地适应负载和工艺要求，并且保证启动过程对电网不会产生冲击电流，可确保电机的安全运行并延长其使用寿命。

g. 降低电机磨损,延长电机和轴承使用寿命，节省维护费用
使用DHVECTOL-DI变频器降低电动机转速不仅能达到较好的节能目的，而且电动机及其负载的机械磨损也大大降低，延长电机的使用寿命，还可明显为用户节省维护费用。

i．单元旁路功能
这种功能是一种快速地、自动地切除出现故障单元而保证系统继续正常运行（或减额运行）的方法。当功率单元出现故障时，故障报警信号经由通讯电路传输给主控系统，主控系统接到故障信号后，经过故障种类判断，对系统的各种信号协调，在条件满足后，用最短的时间将出现故障的功率单元进行旁路切除。主控系统通过改变算法，重新计算输出波形，保持输出电压波形的完整，同时向用户发出报警信号，并且自动对输出功率进行调整，使扰动降至最低，保证系统正常运行。

j. 瞬时停电再启动功能
实际现场中，当高压母线进行切换、母线上电动机成组自起动、母线上大电机起动时会造成高压电网瞬间闪动，变频器若不具备瞬停功能，会立即停机，而电机带负载会存在机械惯性，在电源恢复后电动机的速度尚未降到零，等待重新起动又会经过相当长的时间，会给生产造成重大的经济损失。DHVECTOL-DI变频器具备的瞬时停电再起动功能，可以根据电源恢复时电动机自由旋转的实际速度计算出对应的输出频率，以此频率为起始频率使电动机重新起动并加速到停电前的运行状态，以适应不允许停电设备的需要。现场测试瞬时停电再启动的电流波形如下图10。

五、效益分析
（1） 节能效果明显，能耗降低。使用变频调速后取消了档板调节，风门全开，电机负荷随风机负荷上下波动，节能一般在40%左右，消除了由于各种原因造成的“大马拉小车”现象。
（2） 可获得高精度的调节效益。使用变频器后调节精度高，投运实践证明，变频直接控制远比档板控制精度高，且运行稳定，进而取得高产优质的可观经济效果，其价值大于节电效果。
（3） 使用后实践证明，投运变频器后，频率通常在30-50Hz范围内，转速降低，轴承的机械损耗少，设备的维护工作量大大减少，维护费用降低，有利于装置安、稳、长、满、优运行。
（4） 投资回收年限较短，例如一台1250kW的变频器预计在2年内就可以收回投资成本。

六、结束语
目前在全国范围内组织开展资源节约活动，全面推进能源、原材料、水、土地、煤等资源的节约和综合利用工作。这是加快建设节约型社会，推动循环经济发展，走新型工业化道路，缓解资源瓶颈制约，解决全面建设小康社会面临的资源约束和环境压力，做为用煤大户，火电厂应该走在前列，其中在火电厂风机、水泵所消耗的能源占厂用电的1\3，据调查，具有节能潜力的电机在中国至少有1.8亿千瓦。如果这些风机、水泵都能采用变频调速，那将给我国节约多少能源。所以在火电厂的风机、水泵上采用高压变频调速是刻不容缓的。