高压变频器在火电厂风机上的应用

1  概述

   在能源短缺的今天，节约无疑是最好的方法。在我国的发电能源构成中，火电占70％以上，火力发电厂既是电能的生产者，又是电能的用户和消费者。而一般的火电机组，其厂用电一般占发电量的4％～7％，拖动大容量风机、水泵类辅机的高压厂用电动机的耗电量占厂用电的80％左右。随着厂网分开，发电企业市场化程度加剧，电厂的发电煤耗、厂用电率已成为考核发电厂的重要指标，直接关系到电厂的经济效益和竞争力。而风机、水泵类辅机的变速调节所起到的节能效果可显著地降低厂用电率和发电成本，高压变频器的采用可使火力发电厂的厂用电节电30％～60％。

    我国火力发电厂厂用电源多来自6 kV母线，所有大功率电机都采用这一电压等级。对于一台5万kw的火力发电机组，使用高压电动机的数量超过20台。考虑到工作情况，每个机组至少有10台电动机的负荷具有变频节能改造的可能。因此我国火力发电厂风机、水泵类辅机采用变频调速改造后节能潜力很大，会带来可观的经济效益和社会效益。

2  变频器的工作原理

   通常所说的变频器，是指将频率固定的电源变成频率可变的电源的转换设备。电动机的调速方法有2种：直流调速和交流调整。直流电动机虽有调速性能好的优越性，但其机械式换向器带来的缺点却难以克服，表现在：①维修工作量大，事故率高；②容量、电压、电流和转速均受到换向条件的制约，在一些大容量电动机的调速领域中无法应用；③使用环境受限制，特别是在易燃、易爆场合难于应用。而交流电动机具有一些固有的优点：①容量、电压、电流和转速的上限不像直流电动机那样受限制；②结构简单、造价低；③坚固耐用，事故率低，容易维护。但其最大的缺点是调速性能不佳。

  随着电力电子技术的快速发展，特别是绝缘栅双极性晶体管(IGBT)的出现，实现了元件的自关断功能，省去了线路复杂，体积较大的强迫换向电路。减低了开关损耗，提高了效率，同时由于开关频率的提高，变流器采用了脉宽调制(PwM)控制，大大降低了电动机的谐波损耗，减少了转距脉动。在加快调节速度的同时，提高了动态的相应性能，使高压大功率变频器的制造成为可能。

   从电机学可知，异步电动机的同步调速，即旋转

磁场的转速为

       n1 = 60f1／P

而异步电动机的轴转速为

       n=n1(1一s)= 60f1(1一s)／P

式中，n1为同步转速，r／min；f1为定子频率，Hz；P为磁极对数；s为异步电动机的转差率，s=(n1一n)/n1。

    可见，异步电动机的调速方法有3种：①通过改变电动机的极对数P来改变转速。但这种调速方法是有级差的，不能达到无级调速，应用范围受到限制。不大适用于火电厂风机和水泵等辅机运行转速的调节。②改变转差率s，这种调速方法虽然能达到无级调速，但主要应用在小容量电动机调速上，并存在故障率高，整体效率低的缺点，不适用于火电厂大容量电动机调速。③改变f1(定子频率)，可以改变异步电动机的转速。这种调速方法能达到无级调速，是目前国内外交流调速领域最流行的调速技术。

    交流变频调速装置分为电流源型和电压源2种。完美无谐波高压变频器(单元串联多电平PwM电压源型变频器)是一种新型的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危害小、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的特点。输出波形质量好，不存在谐波引起的电动机附加发热和转矩脉动、噪声、输出dv/dt出、共模电压等问题，不必设置输出滤波器，就可以使用于普通的异步电动机。

   变频器采用这种单元串联的结构，使变频器可以实现单元旁路功能(该功能为选件)，当某一个单元出现故障时，通过使功率单元输出端子并联的继电器闭合，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，可减少很多场合下突然停机造成的损失。

    与普通采用高压器件直接串联的变频器相比，由于采用整个功率单元串联，器件承受的最高电压为单元内直流母线的电压，可直接使用低压功率器件，器件不必串联，不存在由此引起的均压问题。功率单元中采用的低压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技术，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。

3  传统挡扳阀门调节与变频调节所消耗功率的比较

   离心式风机及水泵的工作特性基本相同。以风机为例说明其调速工作原理。风机的工作特性如图1所示。

    在第1种负荷工况下，风机工作在A点，风量为Q1，风压为H1。如果风机仍然按N1速度定速运行，用挡板将风量调节为Q2时，风压将上升到职，风机工作点移到B点。由于挡板的截流作用，风道阻力曲线由③变为④。在A、B两点，风机功率分别为PA=H1,Q1,PB=H3Q2，虽然Q2<Q1，但H3>H1，故实际减小的功率有限。

    如果不采用挡板调节，这时风路阻力特性保持曲线③不变，改用调节风机速度来减小风量，风机改按转速N2运行，工作特性为曲线②，风机工作在c点，风量仍然为Q2，但压力为H2。

    相比B、C两点，风机减少的轴功率为△P=PB一PC=(H3一H2)Q2。

    在风道阻力特性不变的情况下，离心式风机的风量Q、压力H、轴功率P和转速N之间满足如下关系(相似定理)：

     所以有

    就是说，通过调速方式改变风机风量，当风量下降一半时，风机轴功率将下降87．5％。这也是变频调速装置在风机应用上节能十分显著的原因。

    风机、水泵的传统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。从上述分析可以看出，采用挡板阀门调节存在以下问题：当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整来调节流量。由于风机、水泵大都为平方转矩负载，轴功率与转速大致成立方关系，所以当风机、水泵转速下降时，消耗的功率会大大下降。

   图2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。

   由图2可见，在众多的调节方式中，节能效果最好的是变频调速。

4  风机、水泵类辅机采用变频调节的优点

   火力发电厂风机、水泵类辅机采用变频调节的优点主要是节能，与传统挡板阀门调节相比还具有如下特点：

   (1)减少因频繁调节阀门挡板而造成阀门挡板损坏、管道磨损和经常停机检修所造成的经济损失。

   (2)高压变频器与火电厂DCS相连接，可以实现高精度、宽范围的无级调速，全面满足各种复杂工艺的需要。提高生产效率和机组自动化水平。

   (3)采用挡板调节时异步电动机在直接启动时启动电流很大，一般达到电机额定电流的6～8倍，容易产生操作过电压，损伤电动机绝缘，严重威胁电动机的使用寿命。另外，电机满载启动时，启动转矩很大，常常导致转子端环开裂。安装变频器后，电动机可在0转速下启动，即软启动，因此可大大的延长电动机的使用寿命。

   (4)高压变频器可对电动机功率因数实现就地补偿，提高厂用变压器容量的有效利用率，避免风机、水泵启动时厂用电电压的大幅波动。变频器具有高功率因数，高效率、高质量输出，安装变频器后功率因数一般可超过0．95，效率达96％以上。

   (5)方便实现电动机频繁启停，方便实现电动机正反转(不需要接触器)，能最大限度的不间断无跳闸运行。变频器对电网电压波动有极强的适应能力，在+10％～5％额定电压范围可以满载输出。变频器可以在电网电压下降情况下降额运行，在完全失去电网电压5个周期内可满载运行不跳闸；轻载运行时则持续周期可更长。

   (6)具有旋转负载启动功能。当变频器发生瞬间电源中断时，变频器可在电动机还在旋转的情况下重新使转速跟踪至启动位置，恢复运行。

   (7)具有可靠的保护功能。变压器具有过压保护、欠压保护、缺相保护、输出接地保护、输出短路保护、过流保护、变压器过载保护，柜门打开后，控制电源掉电后跳高压断路器，功率单元故障诊断功能、输入变压器带浪涌吸收保护、每个功率单元带三相输入熔断保护等。

   (8)具有控制信号掉电保持功能。当控制信号4～20 mA掉电后，变频器能够根据设定信号(一般为80％额定值)保持在一个恒定位置。  

   (9)变频器调速范围：0％～100％连续可调；频率输出：0～120 Hz(根据电机情况可设定)；加／减速时间：0.1～3 200 s(根据负载情况可设定)；频率精度：±0．5％。

   (10)变频器输出满载时，电流谐波分量小于2％，对电动机没有特殊的要求，可以延用以往的普通异步电动机，电机不必降额使用。

   (11)输入电压为6．3 kV，频率为50 Hz，无相序敏感，36脉冲输入符合IEEE 519：1992或各国供电部门对电压失真和电流失真最严格的要求。

5  高压变频器应用举例

   下面以高压变频器在山西大唐国际云冈热电有限责任公司2×220 Mw供热机组上的应用为例。

   (1)在锅炉一次风机上的应用。山西大唐国际云冈热电有限责任公司2×220 Mw供热机组共有4台一次风机，其所配电动机为4台l 250 kW，6 kV高压异步电机。2003年4月购得4套美国罗宾康高压变频器(额定电压为6 kV、额定容量为l 450 kVA)，考虑在变频器故障时会引起一次风机停运，造成机组降50％负荷运行，故采用了进线隔离开关、旁路隔离开关、出线隔离开关集成柜，以便在变频器故障时把变频器旁路，从而保持一次风机的继续运行。一次风机变频器调速电气一次系统如图3所示。

    图3中，Qsl为变频器进线隔离开关，Qs2为变频器出线隔离开关，Qs3为变频器旁路隔离开关。风机正常运行时，QSl、QS2闭合，Qs3断开，QF闭合，风机靠变频器调节运行；当变频器故障，无法在短时间内修复时，可拉开Qsl、QS2，合上Qs3、QF，风机电动机可跨过变频器，靠挡板调节继续运行，从而不影响机组的负荷。

    以下对变频器的节能效果进行简单分析。表1列出1号炉在不同负荷下，一次风机使用变频器调节和使用挡板调节时电机电流值的变化。

         表1 不同负荷下，一次风机使用变频调节和

             挡板调节电机电流值的对比

   从表1中数据看出：发电机调峰量越大(负荷越小)，和原来相比，采用变频器调节后电流下降越多。即使在1号机组满负荷的情况下，一次风机的电网侧总电流仍然比采用挡板调节时下降了19．3％。

   表2为1号一次风机在使用变频器调节和使用挡板调节时相同发电量的情况下月耗电比较。

   平均节电率达到16.2％，按照每年运行5500h，电价O.38元／kwh计算，年节电费为19．798万kwh÷720 h×5 500 h×0.38元／kWh=57．5(万元)(一月按30天计，共720 h)，2台机组节约电赞57．5×2= 114．938(万元)。如以l美元兑换8元入民币计算，投资回收期为75万美元×8÷114．938=5．22年。

   (2)在汽轮机凝结水裂上的应用。山西大唐国陈云冈热电有限责任公司2×200MW供热机组共有6台凝结水泵，其所配电动机为6台355 kw，6 kV高压异步电动机。2003年4月购得6套利得华福高压变频器(额定电压为6 kV、额定容量为450 kVA>。考虑到每台机组有3台凝结水泵，正常运行时2台运行，1台备用，在变频器故障时不会造成机组降负荷运行，故不再采用进线隔离开关、旁路隔离开关、出线隔离开关集成柜，以便降低造价，节约投资。

    表3为1号机在使用变频器调节和使用挡板调节时相同发电量的情况下月耗电比较。

表3凝结水裂月耗电跑较

   平均节电率达到22．3％，按照每年运行5 500  h，电价0．38元／k搿h诗算，年节电费为7．29万kWh÷720 h×5 500 h×O．38元／kWh=21．16(万元)(一月按30天计，共720 h)，2台机组节约电费21．16×2=42.32万元，可受技能效果非常可观。

6  采用变频调速应该注意的问题

   (1)可靠性要求嘉。电厂的性质决定了用于电厂的高压变频器需要有很高的可靠性，以保证电厂的安全生产。美国罗宾康高压变频器和北京利得华福有限公司的高压变频器均采用整个功率单元串联，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。采用功率单元旁路技术，当功率单元故障时，变频器仍可降额继续运行，大大提高了系统的可靠性。

   (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(如采用电流源型变频器，没有滤波措施时)，对火电厂的电力系统会产生如下危害：①供电系统的继电保护装置误动作，可能导致停电；②测登仪器仪表误差增大，影响计算精度积控制性能；③影响其他电力电子装置，如计算机系统及通信设备的正常工住；④使电动机，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。

   (3)变频器输出波形对电动机的影响。火电厂应用变频调速很大部分是属于旧设备的改造，原有的普通电动机是在电网直接运行的，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，会对电动机产生影响。

   (4)高压变频器进线隔离开关、旁路隔离牙关、出线隔离开关集成柜的选择。选择高压变频器时，可根据辅机设备的重要程度决定是否采用。

   (5)高压变频器要有可靠的冷却电源。高压变频器在冷却风扇停运时，功率单元将超温而使变频器停止运行，因此高压变频器的冷却风扇要有2套来自不同低压段的独立的供电电源。

   (6)高压变频器应选择良好的运行环境。高压变频器的运行应选择清洁、通风、干燥的运行环境，室内应有空调设备，冷却变频器的热风应排出变频器室外。高压变频器变压器柜程功率柜的滤网应定期清扫。特别是在运行环境较差时，如果不定期清扫的话，灰尘将阻塞滤网，造成冷却效果变差而使功率单元超温报警、功控机死机，甚至停运。

7结论

    高压变频器用于火电厂辅机的速度调节后，能延长电动机、水泵与风机的使用寿命，提高生产效率和机组自动化水平，提高火电厂运行和供电的可靠性，节约大量能源程检修费用，为火电厂带来较大的经济效益和社会效益。对火电厂辅机进行变频器改造后，节能潜力很大，值得在全国范围内大规模的推广应用。