高壓變頻器在國電電力邯鄲熱電廠的應(yīng)用

1 引言 隨著能源問題日益的突出，節(jié)能問題愈來愈受到重視。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前全國各類電機(jī)年耗電量約占全國總發(fā)電量的65%，而其中大功率風(fēng)機(jī)、泵類是年耗電量約占工業(yè)總耗電量的50%，最大限度地降低風(fēng)機(jī)、泵類等設(shè)備的耗電量對(duì)于節(jié)能具有重要意義。國家發(fā)改委已正式將“電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能”列為“十一五”的十大節(jié)能工程之一。 發(fā)電廠既是電能的生產(chǎn)者，又是電能的消費(fèi)者，由于電力體制改革中廠網(wǎng)分開、競價(jià)上網(wǎng)的出現(xiàn)，廠用電率已成為發(fā)電廠考核的重要指標(biāo)，直接關(guān)系到電廠的經(jīng)濟(jì)效益和競爭力。風(fēng)機(jī)是火力發(fā)電廠重要的輔助設(shè)備之一，提高風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率對(duì)降低廠用電率具有重要的作用。傳統(tǒng)的風(fēng)機(jī)風(fēng)量控制大多是通過調(diào)節(jié)擋板的開度來實(shí)現(xiàn)，風(fēng)機(jī)及電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在低效率工作區(qū)，能源浪費(fèi)嚴(yán)重，同時(shí)工頻直接啟動(dòng)對(duì)電動(dòng)機(jī)和電網(wǎng)的電流沖擊很大，并容易造成電機(jī)籠條松動(dòng)、有開焊斷條的危險(xiǎn)。 基于以上原因，國電電力邯鄲熱電廠先對(duì)#11引風(fēng)機(jī)進(jìn)行了變頻改造，通過考察，最后選擇了在質(zhì)量、價(jià)格及服務(wù)上有一定綜合優(yōu)勢(shì)的廣東明陽龍?jiān)措娏﹄娮佑邢薰?，我公司變頻器在廠內(nèi)一次投運(yùn)成功后，運(yùn)行可靠，節(jié)能效果顯著。電廠隨后又對(duì)#11送風(fēng)機(jī)，#12送、引風(fēng)機(jī)進(jìn)行了變頻改造，共引進(jìn)8臺(tái)高壓變頻器。 2 高壓變頻器的組成和原理 MLVERT-D系列高壓變頻器是廣東明陽龍?jiān)措娏﹄娮佑邢薰旧a(chǎn)的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，無電網(wǎng)污染的調(diào)速系統(tǒng)，采用的結(jié)構(gòu)為多單元串聯(lián)，輸出為多電平移相式PWM方式。特別適合于風(fēng)機(jī)、泵類工業(yè)應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)，已經(jīng)被廣大工業(yè)用戶接受和充分認(rèn)可。下面以6kV系列為例說明其原理，變頻器主電路結(jié)構(gòu)見圖1。 圖1 高壓變頻器主電路原理圖 該高壓變頻器具有運(yùn)行穩(wěn)定、調(diào)速范圍廣、輸出波形正弦好、輸入電流功率因數(shù)高、效率高等特點(diǎn)，對(duì)電網(wǎng)諧波污染小，總體諧波畸變THD小于4%，直接滿足IEEE519-1992的諧波抑制標(biāo)準(zhǔn)，功率因數(shù)高，不必采用功率因數(shù)補(bǔ)償裝置，輸出波形好，不存在諧波引起的電機(jī)附加發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問題，不必加輸出濾波器，就可以使用普通的異步電機(jī)。 2.1 輸入變壓器 MLVERT-D系列高壓變頻器的輸入側(cè)隔離變壓器采用移相式變壓器，變壓器原邊繞組為6kV，副邊共18個(gè)繞組分為三相。每個(gè)繞組為延邊三角形接法，分成6個(gè)不同的相位組，分別有±5o、±15o、±25o移相角度，形成36脈波的二極管整流電路結(jié)構(gòu)。每個(gè)副邊繞組接一個(gè)功率單元，這種移相接法可以有效地消除35次以下的諧波。對(duì)電網(wǎng)諧波污染小，直接滿足IEEE519-1992的諧波抑制標(biāo)準(zhǔn)。 2.2 功率單元 如圖1，電網(wǎng)送來的三相6KV/50HZ交流電經(jīng)輸入變壓器降壓后給功率單元供電，功率單元為三相輸入，單相輸出的交直交PWM電壓源型逆變器結(jié)構(gòu)，相鄰功率單元的輸出端串接起來，形成Y接結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)變壓變頻的直接輸出，6kV輸出電壓每相由6個(gè)額定電壓為580V的功率單元串聯(lián)得到，輸出相電壓3480V，線電壓可達(dá)6kV。 每個(gè)功率單元采用電壓源型結(jié)構(gòu)，直流環(huán)節(jié)為濾波電容，電機(jī)所需的無功功率由電容提供，而不需要和電網(wǎng)交換，變頻器輸入功率因數(shù)高，可保持在0.96以上，且在整個(gè)速度范圍段內(nèi)基本保持不變，不需采用功率因數(shù)補(bǔ)償裝置。 每個(gè)功率單元通過光纖通訊接收主控系統(tǒng)發(fā)送的調(diào)制信息以產(chǎn)生負(fù)載電機(jī)需要的電壓和頻率，而功率單元的狀態(tài)信息也通過光纖反饋給主控系統(tǒng)，由主控系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一控制。該光纖是模塊與主控系統(tǒng)之間的唯一連接，因而每個(gè)功率單元與主控系統(tǒng)是完全電氣隔離的。 2.3 高壓變頻器PWM技術(shù) 高壓變頻器的PWM技術(shù)是變頻器研究中一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，它不僅決定功率變換的實(shí)現(xiàn)與否，而且對(duì)變頻器輸出電壓波形的質(zhì)量，電路中有源和無源器件的應(yīng)力，系統(tǒng)損耗的減少與效率的提高等方面都有直接的影響。 MLVERT-D系列高壓變頻器采用了移相式多電平PWM技術(shù)，它是傳統(tǒng)的兩電平PWM技術(shù)的擴(kuò)展，它的本質(zhì)是PWM技術(shù)與多重化技術(shù)的有機(jī)結(jié)合。這里以2單元串聯(lián)的高壓變頻器為例說明其基本原理，圖2給出了2單元串聯(lián)高壓變頻器其中一相的串聯(lián)示意圖。 圖2 兩個(gè)功率單元串聯(lián)示意圖 圖3給出了移相式多電平PWM調(diào)制的波形圖。圖中2個(gè)載波調(diào)制同一信號(hào)波，調(diào)制方法是，當(dāng)信號(hào)波大于三角載波時(shí)，給出導(dǎo)通控制信號(hào)；相反則給出關(guān)斷控制信號(hào)。 圖3中每個(gè)功率單元兩個(gè)半橋上下橋臂開關(guān)管互補(bǔ)導(dǎo)通和關(guān)斷，驅(qū)動(dòng) 、 、 、 開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)、由此產(chǎn)生的兩個(gè)功率單元輸出電壓波形以及合成電壓波形如圖所示。圖中，兩個(gè)功率單元的載波互差180度相位角。對(duì)于n個(gè)功率單元串聯(lián)，載波應(yīng)互差φ=360/n度相位角。 圖3載波移相多電平PWM調(diào)制 由圖3得出，移相多電平PWM調(diào)制的實(shí)質(zhì)是各單元采用共同的調(diào)制波信號(hào)，各載波的相位相互錯(cuò)開載波周期的1/n，對(duì)每個(gè)功率單元進(jìn)行SPWM控制，通過載波的移相，使得每個(gè)功率單元輸出的PWM脈沖相互錯(cuò)開，這樣在疊加后，使輸出波形為多電平（相電壓 種電平，線電壓4n+1種電平輸出），同時(shí)輸出波形的等效開關(guān)頻率達(dá)到單元開關(guān)頻率的n倍，大大改善輸出波形，減少輸出諧波，使輸出電壓非常接近正弦波。同時(shí)輸出電壓的每個(gè)電平臺(tái)階只有單元直流母線電壓大小，dv/dt很小，對(duì)電機(jī)沒有危害，不必設(shè)置輸出濾波器，就可以使用原有的電機(jī)。其輸出波形如圖4所示。 圖4 高壓變頻器的輸出電壓和電流波形 3 引風(fēng)機(jī)變頻改造方案 3.1 變頻器選型 這里以#11爐引風(fēng)機(jī)改造為例進(jìn)行說明，它是兩臺(tái)雙側(cè)布置，甲乙兩臺(tái)引風(fēng)機(jī)均采用調(diào)節(jié)風(fēng)板開度的方式控制風(fēng)量，由于電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)冗余較大，加上風(fēng)量控制采用檔風(fēng)板引起的阻力損耗，電能的浪費(fèi)特別嚴(yán)重，影響機(jī)組的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。 一般情況下，變頻器容量應(yīng)不小于電動(dòng)機(jī)容量，這樣能滿足電機(jī)在額定出力內(nèi)進(jìn)行不同轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。但在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)工作中，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行工況來選擇合適的變頻器容量，既能滿足生產(chǎn)需要，又能節(jié)省變頻器投資及減少配套設(shè)施。國電電力邯鄲電廠#11引風(fēng)機(jī)電機(jī)為6KV/1000KW電機(jī)，設(shè)計(jì)時(shí)有很大的裕量。為了滿足50Hz時(shí)滿負(fù)荷運(yùn)行要求，為其配備了容量為1250kVA的變頻器以滿足各種工況下不同轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的要求。 3.2 系統(tǒng)方案 對(duì)電廠引風(fēng)機(jī)變頻的改造遵循了“最小改動(dòng)，最大可靠性，最優(yōu)經(jīng)濟(jì)性”原則，為兩臺(tái)引風(fēng)機(jī)電機(jī)配備了各自的變頻器調(diào)速裝置，同時(shí)為了充分保證系統(tǒng)的可靠性，為每臺(tái)變頻器加裝工頻旁路裝置，當(dāng)變頻器異常時(shí)，將電機(jī)直接手動(dòng)切換到工頻下運(yùn)行，確保系統(tǒng)正常工作。每臺(tái)電機(jī)的變頻方案示意圖如下圖所示。 圖5 引風(fēng)機(jī)變頻方案示意圖 圖5工頻旁路由3個(gè)高壓隔離開關(guān)組成，為了確保不向變頻器輸出端反送電，K1與K3采用一個(gè)雙投隔離開關(guān)，實(shí)現(xiàn)自然機(jī)械互鎖，并采用S7-200PLC控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電氣連鎖，避免系統(tǒng)誤操作。當(dāng)K2、K3閉合，K1斷開時(shí)，電機(jī)運(yùn)行在變頻狀態(tài)；當(dāng)K2、K3斷開，K1閉合時(shí)，電機(jī)工頻運(yùn)行，此時(shí)高壓變頻器從高壓中隔離出來，便于檢修、維護(hù)和調(diào)試。 進(jìn)行變頻改造后，引風(fēng)機(jī)的風(fēng)板開度保持全開，基本不需要改變。根據(jù)實(shí)際所需的風(fēng)量，由DCS系統(tǒng)通過PID調(diào)節(jié)，輸出4~20mA模擬電流信號(hào)送給變頻器，變頻器通過調(diào)節(jié)輸出頻率改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到調(diào)節(jié)風(fēng)量的目的，滿足運(yùn)行工況的要求。 同時(shí)，變頻改造后電機(jī)在啟動(dòng)和調(diào)節(jié)過程中，轉(zhuǎn)速平穩(wěn)變化，沒有出現(xiàn)任何沖擊電流，解決了電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的大電流沖擊問題，消除了大啟動(dòng)電流對(duì)電機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)和主機(jī)的沖擊應(yīng)力，大大降低維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用。 4 節(jié)能分析 4.1 節(jié)能原理 與傳統(tǒng)的采用調(diào)節(jié)風(fēng)門的方式調(diào)節(jié)風(fēng)量相比，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速來控制風(fēng)量的方法有著明顯的節(jié)能效果，其原理可由下圖來說明。 圖5 風(fēng)機(jī)調(diào)速節(jié)能原理圖 圖中，曲線1為風(fēng)機(jī)在恒速n1下的風(fēng)壓-風(fēng)量（H-Q）特性曲線，曲線3為管網(wǎng)的風(fēng)阻特性（風(fēng)門全開）。 假設(shè)風(fēng)機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)工作在A點(diǎn)，此時(shí)輸出風(fēng)量Q為100%，效率最高，軸功率為Ps1，與Q1和H1的乘積成正比，即Ps1與A-H1-0-Q1-A所包圍的面積成正比。 當(dāng)需要調(diào)節(jié)風(fēng)量時(shí)，例如所需風(fēng)量從100%減小到50%，即從Q1減少到Q2時(shí)，如果采用調(diào)節(jié)風(fēng)門的方法來調(diào)節(jié)風(fēng)量，管網(wǎng)的風(fēng)阻曲線由曲線3變?yōu)榍€4。即減少風(fēng)門開度增加了管網(wǎng)阻力，此時(shí)系統(tǒng)的工作點(diǎn)由原來的A點(diǎn)移至B點(diǎn)，可以看出，風(fēng)量雖然降低了，但風(fēng)壓增加了，軸功率Ps2與B-H2-0-Q2-B成正比，它與Ps1相比，減少不多。 如果采用調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)風(fēng)量的方法，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速由原來的n1降到n2，根據(jù)風(fēng)機(jī)參數(shù)的比例定律，可以畫出在恒速n2下的風(fēng)壓-風(fēng)量(H-Q)特性曲線5，風(fēng)機(jī)工作在C點(diǎn)。由圖可見，在滿足同樣風(fēng)量Q2的情況下，風(fēng)壓將大幅度降低到H3，軸功率Ps2也明顯降低。所節(jié)約的功率與面積A-H1-0-Q1-A和C-H3-0-Q2-C之差成正比。由此可見，用調(diào)速的方法來減少風(fēng)量的經(jīng)濟(jì)效益是十分顯著的。 由流體力學(xué)可知風(fēng)量Q與轉(zhuǎn)速n的一次方成正比，風(fēng)壓H與轉(zhuǎn)速n的平方成正比，軸功率Ps與轉(zhuǎn)速n的立方成正比，即Q ∞ n，H ∞ n²，Ps ∞ n³。 當(dāng)所需要的風(fēng)量減少，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低時(shí)，其軸功率按轉(zhuǎn)速的三次方下降。如所需風(fēng)量為額定風(fēng)量的80%，則轉(zhuǎn)速也下降為額定轉(zhuǎn)速的80%，那么風(fēng)機(jī)的軸功率將下降為額定功率的51.2%；當(dāng)所需要風(fēng)量為額定風(fēng)量的50%時(shí)，風(fēng)機(jī)的軸功率將下降為其額定功率的12.5%。當(dāng)