高壓大功率變頻器在電廠鍋爐風(fēng)機(jī)上的應(yīng)用

榮獲“2005年度工控及自動化領(lǐng)域優(yōu)秀案例”有獎評選 　二等獎
	專家點評：目前節(jié)能成為國民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要課題.該案例中，國產(chǎn)高壓大功率變頻器在電廠鍋爐風(fēng)機(jī)上的應(yīng)用,在節(jié)能降耗以及高壓大功率變頻器國產(chǎn)化方面均有良好的經(jīng)濟(jì)效益.

摘要：本文介紹了朝陽發(fā)電廠引風(fēng)機(jī)應(yīng)用高壓變頻調(diào)速的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)分析。 隨著電力行業(yè)的改革不斷深化，廠網(wǎng)分家，競價上網(wǎng)政策的逐步實施，降低廠用電率，降低發(fā)電成本，提高上網(wǎng)的競爭力，已成為各火電廠努力追求的經(jīng)濟(jì)目標(biāo)，要求越來越迫切。在火電廠各類輔機(jī)設(shè)備的能源消耗中，風(fēng)機(jī)水泵類設(shè)備占了絕大部分，蘊(yùn)藏著巨大的節(jié)能潛力。 一、概述 國電電力朝陽發(fā)電廠位于遼寧省朝陽市龍城區(qū)馬山北麓，運行著我國自行設(shè)計、制造安裝的第一臺和第三臺200MW雙水內(nèi)冷汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組，兩臺機(jī)組分別于1972年12月和1975年5月并網(wǎng)發(fā)電。2號爐兩臺引風(fēng)機(jī)功率均為1250kW，電壓等級6kV,雙機(jī)并聯(lián)運行，采用入口擋板方式進(jìn)行風(fēng)量調(diào)節(jié)，擋板在60％－100％之間變化，電流在125A左右變化。擋板節(jié)流損失大，運行效率低，浪費大量的電能，使廠用電率升高，供電煤耗高，發(fā)電成本高。為了適應(yīng)改革的潮流，提高公司在市場上的競爭能力，2002年公司開始研究對其實施節(jié)能改造的可行性。在進(jìn)行改造前，通過現(xiàn)場的實際測試，掌握了大量的一手資料，有充分的證據(jù)顯示改造后將會有非常好的效益。通過認(rèn)真考察、分析、研究，從產(chǎn)品質(zhì)量、性能、售后服務(wù)、改造成本等綜合考慮，最后決定選用成都東方凱奇電氣有限責(zé)任公司生產(chǎn)的DFCVERT-MV系列變頻器來實施引風(fēng)機(jī)的變頻改造。 二、變頻器的節(jié)能原理 我國現(xiàn)行的火電設(shè)計規(guī)程SDJ-79規(guī)定，燃煤鍋爐的送、引風(fēng)機(jī)的風(fēng)量裕度分別為5%和5%～10%，風(fēng)壓裕度分別為10%和10%～15%。這是因為在設(shè)計過程中，很難準(zhǔn)確地計算出管網(wǎng)的阻力，并考慮到長期運行過程中可能發(fā)生的各種問題，通?？偸前严到y(tǒng)的最大風(fēng)量和風(fēng)壓富裕量作為選擇風(fēng)機(jī)型號的設(shè)計值。但風(fēng)機(jī)的型號和系列是有限的，往往在選用不到合適的風(fēng)機(jī)型號時，只好往大機(jī)號上靠。這樣，電站鍋爐送、引風(fēng)機(jī)的風(fēng)量和風(fēng)壓富裕度達(dá)20%～30%是比較常見的。鍋爐送、引風(fēng)機(jī)的用電量中，很大一部分是因風(fēng)機(jī)的型號與管網(wǎng)系統(tǒng)的參數(shù)不匹配及調(diào)節(jié)方式不當(dāng)而被調(diào)節(jié)門消耗掉的。同時，發(fā)電廠的負(fù)荷必須要跟隨用戶的使用狀況而改變，發(fā)電機(jī)的負(fù)荷調(diào)節(jié)必然要求鍋爐跟隨而動，相應(yīng)的送引風(fēng)機(jī)等也必須進(jìn)行調(diào)節(jié)，在調(diào)節(jié)的過程中又有大量的能量被浪費了。因此，改進(jìn)離心風(fēng)機(jī)的調(diào)節(jié)方式是提高風(fēng)機(jī)效率，降低風(fēng)機(jī)耗電量的最有效途徑。 風(fēng)機(jī)和水泵都是流體機(jī)械，由流體動力學(xué)可知，流量Q∝n，壓力H∝n²，電機(jī)功耗N∝n³。 當(dāng)流量由額定值Q0降至Q1時，與額定功耗N0相比較，采用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的電機(jī)的功耗為： Nt=（n1/n0）³N0 如流量有100%下降到50%，則轉(zhuǎn)速相應(yīng)降到50%，壓力降到25%，而電機(jī)功耗降到12.5%，也就是節(jié)約電能87.5 %。扣除節(jié)門調(diào)節(jié)時的功耗與額定功耗的差、轉(zhuǎn)速下降可能會引起電機(jī)的效率下降等因素，節(jié)電效果也是非常顯著的。 三、單元串聯(lián)多重化電壓源型變頻器的基本原理 成都東方凱奇電氣有限責(zé)任公司利用單元串聯(lián)多重化技術(shù)，生產(chǎn)出功率為110kVA～7100kVA的無電網(wǎng)污染(DFCVERT-MV)高壓變頻器，無須輸出變壓器實現(xiàn)了直接3kV、6kV或10kV高壓輸出；國內(nèi)首家在高壓變頻器中采用了先進(jìn)的IGBT功率開關(guān)器件，達(dá)到了完美無諧波的輸出波形，無須外加濾波器即可滿足供電部門對諧波的嚴(yán)格要求；輸入功率因數(shù)可達(dá)0.95以上，THD<1％，總體效率（包括輸入隔離變壓器在內(nèi)）高達(dá)97％；對電機(jī)無附加硬力，將大大延長電機(jī)的使用壽命。 所謂多重化技術(shù)就是每相由幾個低壓PWM功率單元串聯(lián)組成，各功率單元由一個多繞組的隔離變壓器供電，用高速微處理器實現(xiàn)控制和以光導(dǎo)纖維隔離驅(qū)動。多重化技術(shù)從根本上解決了一般6脈沖和12脈沖變頻器所產(chǎn)生的諧波問題，可實現(xiàn)完美無諧波變頻。 圖1為6kV變頻器的主電路拓?fù)鋱D，每組由8個額定電壓為433V的功率單元串聯(lián)，因此相電壓為433V×8=3464V，所對應(yīng)的線電壓為6000V。每個功率單元由輸入隔離變壓器的24個二次繞組分別供電，24個二次繞組分成8組，每組之間存在一個7.5°的相位差。所需相差角度可通過變壓器的不同聯(lián)接組別來實現(xiàn)。 圖2中的每個功率單元都是由低壓絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）構(gòu)成的三相輸入，單相輸出的低壓PWM電壓型逆變器。功率單元電路見圖3。每個功率單元輸出電壓為1、0、－1三種狀態(tài)電平，每相8個單元疊加，就可產(chǎn)生17種不同的電平等級，分別為±8、±7、±6、±5、±4、±3、±2、±1和0。圖4為一相合成的正波輸出電壓波形。用這種多重化技術(shù)構(gòu)成的高壓變頻器，也稱為單元串聯(lián)多電平PWM電壓型變頻器，采用功率單元串聯(lián)，而不是用傳統(tǒng)的器件串聯(lián)來實現(xiàn)高壓輸出，所以不存在器件均壓的問題。每個功率單元承受全部的輸出電流，但僅承受1/8的輸出相電壓和1/24的輸出功率。變頻器由于采用多重化PWM技術(shù)，由8對依次相移7.5°的三角載波對基波電壓進(jìn)行調(diào)制。對A相基波調(diào)制所得的8個信號，分別控制A1～A8八個功率單元，經(jīng)疊加可得圖4所示的線電壓波形，線電壓波型具有33階梯電平，它相當(dāng)于48脈波變頻，理論上47次以下的諧波都可以抵消，總的電壓和電流失真率可分別低于1.2％和0.8％，堪稱無諧波污染變頻器。它的輸入功率因數(shù)可達(dá)0.95以上，不必設(shè)置輸入濾波器和功率因數(shù)補(bǔ)償裝置。變頻器同一相的功率單元輸出相同的基波電壓，串聯(lián)各單元之間的載波錯開一定的相位，每個功率單元的IGBT開關(guān)頻率若為600Hz，則當(dāng)8個功率單元串聯(lián)時，等效的輸出相電壓開關(guān)頻率為9.6kHz。功率單元采用低的開關(guān)頻率可以降低開關(guān)損耗，而高的等效輸出開關(guān)頻率和多電平可以大大改善輸出波形。波形的改善除減小輸出諧波外，還可以降低噪聲、dv/dt值和電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動。所以這種變頻器對電機(jī)無特殊要求，可用于普遍籠 型電機(jī)，且不必降額使用，對輸出電纜長度也無特殊限制。 由于功率單元有足夠的濾波電容，變頻器可承受－30％電源電壓下降和3秒的電源喪失。這種主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)雖然使器件數(shù)量增加，但由于IGBT驅(qū)動功率很低，且不必采用均壓電路、吸收電路和輸出濾波器，可使變頻器的效率高達(dá)96％以上。 DFCVERT-MV系列變頻器單元串聯(lián)多重化的優(yōu)點是： 1）由于采用功率單元串聯(lián)，可采用技術(shù)成熟、可靠的低壓IGBT組成逆變單元，通過串聯(lián)單元的個數(shù)適應(yīng)不同的輸出電壓要求； 2）完美的輸入輸出波形，使其能適應(yīng)任何場合及電機(jī)使用； 3）廠家在設(shè)計單元的串聯(lián)時充分考慮到用戶系統(tǒng)運行的可靠性，放棄了六級單元的結(jié)構(gòu)，采用8級單元進(jìn)行串聯(lián)。由于多功率單元具有相同的結(jié)構(gòu)及參數(shù)，便于將功率單元做成模塊化，實現(xiàn)冗余設(shè)計，即使在個別單元故障時也可通過單元旁路功能將該單元短路，系統(tǒng)仍能正常或降額運行。8級功率單元串聯(lián)的變頻器在旁路掉兩級功率單元后，變頻器仍然能夠正常運行。 4）采用純中文人機(jī)界面（觸摸屏），操作方便，故障記錄準(zhǔn)確可靠。 5）整套變頻器配置手動旁路柜，變頻器需要檢修時可切入工頻旁路運行，從而保證系統(tǒng)的連續(xù)運行。系統(tǒng)圖見圖5。 四、實際運用 高壓變頻技術(shù)目前在國內(nèi)還處于發(fā)展階段，但是通過眾多廠家實際的使用來看，技術(shù)應(yīng)該還是比較成熟可靠的。我們通過考察分析得出結(jié)論：高壓變頻器能否成功運用跟現(xiàn)場的用戶正確使用也很關(guān)鍵。因為變頻器內(nèi)部有大量的微電子，半導(dǎo)體，集成電路以及電阻，電容組成的復(fù)雜的電力電子設(shè)備，盡管壽命長，可靠性高，但是由于存在離散性，故障偶發(fā)性及使用條件不當(dāng)，變頻器運行一段時間后發(fā)生故障也是可能的。因此這就要求變頻器必須運行在清潔、通風(fēng)良好、干燥的室內(nèi)。 我公司2號爐兩臺引風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻改造選擇在機(jī)組大修期間進(jìn)行。2004年3月20日安裝完畢，4月24日開始調(diào)試，在調(diào)試過程中，各種連鎖可靠，故障聲報警準(zhǔn)確，和DCS系統(tǒng)連接方便、控制精度高，調(diào)試順利。隨著電廠大修進(jìn)行完畢，5月18日變頻器開始正式投入試運行。試運行期間，曾出現(xiàn)了一次變頻器過熱停機(jī)?？紤]到機(jī)組的穩(wěn)定運行，我們反復(fù)的分析調(diào)查，通過廠家查找技術(shù)參數(shù)，最后得出結(jié)論：根據(jù)廠家提供的變頻器的發(fā)熱量，如果要靠自然冷卻方式的話，根本無法保證變頻器的正常運行。但是如果要采取傳統(tǒng)的方式，將變頻器室全密封，通過裝空調(diào)來保證變頻器的散熱的話，投資成本又較大。于是我們公司技術(shù)人員深思熟慮，反復(fù)討論，在廠家的大力配合下，決定給變頻器加裝風(fēng)道（將變頻器柜頂風(fēng)機(jī)排出的風(fēng)通過風(fēng)道直接排向室外），同時又為了保證變頻器室的風(fēng)量，將原來的兩個窗戶改成進(jìn)風(fēng)口，加裝濾網(wǎng)。 整個改造工作完成后，低壓送電，模擬啟動變頻器，