高壓變頻在2×600MW機(jī)組發(fā)電廠的應(yīng)用

　　1 前言
　　寧夏大唐國際大壩發(fā)電公司安裝的2臺600MW空冷火力發(fā)電機(jī)組，原靜葉可調(diào)式軸流引風(fēng)機(jī)擬改為高壓變頻無級調(diào)速，不但實現(xiàn)了對鍋爐負(fù)壓的精確調(diào)整，同時也在節(jié)能降耗、提高電廠經(jīng)濟(jì)效益、減少對設(shè)備的磨損、降低維護(hù)成本等方面拓展開了新局面。此次工程全部由國內(nèi)自主設(shè)計、引風(fēng)機(jī)廠用電率由0.9%下降至0.63%。項目當(dāng)前是國內(nèi)發(fā)電廠應(yīng)用功率最大的高壓變頻系統(tǒng)設(shè)施，且全部自主建設(shè)、自主制造、自主調(diào)試、自主運(yùn)行管理，并擁有國內(nèi)領(lǐng)先水平的高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)。（圖1、2為合康變頻器運(yùn)行現(xiàn)場）
　　引風(fēng)機(jī)變頻改造后，每臺機(jī)組日均發(fā)電量1050萬度電時，調(diào)速系統(tǒng)（6KV 4500KW），實現(xiàn)了國內(nèi)高壓變頻領(lǐng)域在靜葉可調(diào)式軸流風(fēng)機(jī)上的可靠使用，并具有良好的節(jié)能效益。此次改造，不但為發(fā)電廠靜葉可調(diào)式軸流引風(fēng)機(jī)在高壓變頻改造領(lǐng)域方面積累了寶貴的經(jīng)驗，也為西北地區(qū)其它相同等級發(fā)電廠高壓變頻的節(jié)能改造建設(shè)提供了借鑒。
　　2  HIVERT-Y06/545的高壓變頻器技術(shù)指標(biāo)(性能)簡介
　　一般高壓變頻器安裝標(biāo)準(zhǔn)為海拔1000米以下。這與空氣的密度有關(guān)，海拔1000米以下空氣的密度基本維持不變，但隨著海拔高度的升高，空氣變得越來越稀薄，高壓變頻器冷卻能力有所下降。鑒于此，在海拔比較高的地區(qū)需選用有足夠富裕量的高壓變頻器，否則就會頻繁出現(xiàn)過流、過載、過熱等跳閘現(xiàn)象。另外一個原因是空氣較稀薄的地區(qū)，易發(fā)生擊穿放電現(xiàn)象。
　　針對高海拔使用現(xiàn)狀，選用額定功率為HIVERT-Y06/545（4500KW）的高壓變頻器，能有效解決高海拔變頻器降容問題。
　　高壓變頻器中所有的PCB電路板，均做了三防漆處理，三防漆可以為PCB電路板提供更好的抗灰塵、抗潮濕、抗霉變、耐腐蝕和抗振動的超強(qiáng)保護(hù)。同時三防漆還可以對電路和組件起到保護(hù)作用，防止它們直接放電和增大爬電距離。
　　由于高海拔的影響，裸露于外的銅排在棱角、尖銳處容易出現(xiàn)尖峰放電現(xiàn)象。高壓變頻所有銅排均做過鍍鎳、鍍鉻處理，以防止銅排表面氧化，影響通流能力。同時將所有的銅排棱角、尖銳做特殊的打磨處理，避免出現(xiàn)尖峰放電問題。
　　鑒于高海拔地區(qū)因空氣稀薄易出現(xiàn)空氣直接擊穿的問題，改造者在6KV高壓變頻設(shè)計中，將所有的電氣間隙及爬電距離統(tǒng)一按照10KV系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計、配置，有效避免了此類問題的出現(xiàn)。

表1 通用高壓變頻與HIVERT-Y06/545技術(shù)參數(shù)對比情況

　　3控制系統(tǒng)概述 
　　3.1控制系統(tǒng)的選用——雙核DSP控制系統(tǒng)
　　主控板采用高速DSP，完成對電機(jī)控制的所有功能，運(yùn)用正弦波空間矢量方式產(chǎn)生脈寬調(diào)制的三相電壓指令。通過通訊口與人機(jī)界面主控板進(jìn)行交換數(shù)據(jù)，提供變頻器的狀態(tài)參數(shù)，并接受來人機(jī)界面主控板的參數(shù)設(shè)置。
　　人機(jī)界面采用高速DSP，提供友好的全中文操作界面，負(fù)責(zé)信息處理和與外部的通訊聯(lián)系，可選上位監(jiān)控而實現(xiàn)變頻器的網(wǎng)絡(luò)化控制。通過主控板和IO接口板通訊傳來的數(shù)據(jù)，計算出電流、電壓、功率、運(yùn)行頻率等運(yùn)行參數(shù)，提供表計功能，并實現(xiàn)對電機(jī)的過載、過流告警和保護(hù)。通過通訊口與主控板連接、IO接口板連接，實時監(jiān)控變頻器系統(tǒng)的狀態(tài)。
　　雙DSP控制系統(tǒng)，無需人工控機(jī)，具備功耗小，發(fā)熱量小，軟件簡單，實時性好，可靠性高等特點。速度高達(dá)納秒級，比工控機(jī)的響應(yīng)速度快幾十倍，杜絕了變頻器死機(jī)問題。
　　3.2控制方式選用——無速度傳感矢量控制技術(shù)
　　在轉(zhuǎn)子磁場定向的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，定子電流可分解為兩個獨立的分量：勵磁電流分量與轉(zhuǎn)矩電流分量。在控制轉(zhuǎn)子磁通恒定的前提下，電機(jī)轉(zhuǎn)矩與定子電流的分量成正比。從而實現(xiàn)了轉(zhuǎn)子磁通和轉(zhuǎn)矩的解耦控制。這樣，在轉(zhuǎn)子磁場定向的坐標(biāo)系下，矢量控制就是把定子電流中的勵磁電流分量與轉(zhuǎn)矩電流分量分解成兩個垂直的直流變量，分別進(jìn)行控制。通過坐標(biāo)變換重建的電動機(jī)模型就可等效為一臺直流電動機(jī)，從而可以實現(xiàn)直流電動機(jī)那樣進(jìn)行轉(zhuǎn)矩和磁通控制。

圖1 無速度傳感矢量控制原理圖

　　4 HIVERT高壓變頻主電路構(gòu)造原理 
　　HIVERT系列高壓變頻器采用交-直-交直接高壓（高-高）方式，主電路開關(guān)元件為IGBT。由于IGBT耐壓所限，無法直接逆變輸出6kV，且因開關(guān)頻率高、均壓難度大等技術(shù)難題無法完成直接串聯(lián)。HIVERT變頻器采用功率單元串聯(lián)，疊波升壓，充分利用常壓變頻器的成熟技術(shù)，因而具有很高的可靠性。圖2為6kV系列典型主電路圖。

圖2 HIVERT-Y高壓變頻器6kV系列主電路圖

　　隔離變壓器為三相干式整流變壓器，風(fēng)冷，有使用壽命長、免維護(hù)等優(yōu)點。變壓器原邊輸入可為任意電壓，Y接；副邊繞組數(shù)量依變頻器電壓等級及結(jié)構(gòu)而定， 6kV系列為18個，延邊三角形接法，為每個功率單元提供三相電源輸入。
　　為了最大限度抑制輸入側(cè)諧波含量，同一相的副邊繞組通過延邊三角形接法移相，繞組間的相位差由下式計算：
　　移相角度 =   60°/每相單元數(shù)量 
　　由于為功率單元提供電源的變壓器副邊繞組間有一定的相位差，從而消除了大部分由單個功率單元所引起的諧波電流，所以HIVERT變頻器輸入電流的總諧波含量（THD）遠(yuǎn)小于國家標(biāo)準(zhǔn)5%的要求，并且能保持接近1的輸入功率因數(shù)。

圖3 6kV系列電壓疊加圖

　　三相輸出Y接，得到驅(qū)動電機(jī)所需的可變頻三相高壓電源。圖3為6kV（六單元）、變頻器系列的電壓疊加示意圖。

圖4 6kV系列單元輸出及相電壓波形示意圖

　　圖4為六個580VAC功率單元串聯(lián)時，每個功率單元輸出的電壓波形及其串聯(lián)后輸出的相電壓波形示意圖，可以得到6～0～-6共13個不同的電壓等級。增加電壓等級的同時，每個等級的電壓值大為降低，從而減小了dv/dt對電機(jī)絕緣的破壞，并大大削弱了輸出電壓的諧波含量，圖5為6kV六單元變頻器輸出的Uab線電壓波形實錄圖，峰值電壓為8.5kV。因為電機(jī)電感的濾波效果，輸出電流波形更優(yōu)于電壓波形，圖5`即為輸出電流Ia的實錄波形圖，峰值電流130A。電壓等級數(shù)量的增加，大大改善了變頻器的輸出性能，輸出波形幾乎接近正弦波。  

圖5 輸出線電壓波形                        圖5` 輸出電流波形

　　功率單元原理見圖6，輸入電源端R、S、T接變壓器二次線圈的三相低壓輸出，三相二極管全波整流為直流環(huán)節(jié)電容充電，電容上的電壓提供給由IGBT組成的單相H形橋式逆變電路。
 

圖6 功率單元原理圖

　　5改造后效益概述
　　5.1降低設(shè)備損耗，延長設(shè)備使用壽命
　　靜葉可調(diào)軸流式風(fēng)機(jī)的工作原理：氣體被進(jìn)風(fēng)箱均勻的吸入，通過前導(dǎo)器改變氣流的流量和氣流的預(yù)定方向。轉(zhuǎn)動葉輪上的葉片對氣流沿圓周方向向上做功，提高了氣流的壓力能和動能。同時，氣流在流道形狀收縮的葉片子午面上得到加速。通過靜子（后導(dǎo)葉）和擴(kuò)壓器將一部分氣體的動能轉(zhuǎn)化為靜壓能的軸流式通風(fēng)機(jī)。前導(dǎo)器是一組不隨風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動的葉片，安裝在風(fēng)機(jī)工作輪的前面，用來改變風(fēng)機(jī)入口風(fēng)流的速度。葉片角度可根據(jù)要求調(diào)節(jié)，用來變化風(fēng)機(jī)的特性曲線。
　　原控制方式中通過改變風(fēng)機(jī)靜葉的角度來調(diào)節(jié)風(fēng)量盡管比一般采用控制入口擋板開度來實現(xiàn)風(fēng)量的調(diào)節(jié)有一定的節(jié)能效果，但是節(jié)流損失仍然很大，特別是低負(fù)荷時節(jié)流損失更大。其次靜葉調(diào)節(jié)動作遲緩，造成機(jī)組負(fù)荷相應(yīng)遲滯。異步電動機(jī)在啟動時啟動電流一般達(dá)到電機(jī)額定電流的5-7倍，對廠用電形成沖擊，同時強(qiáng)大的沖擊轉(zhuǎn)矩對電機(jī)和風(fēng)機(jī)的使用壽命存在很大不利影響。
　　在此次高壓變頻系統(tǒng)改造中，預(yù)先測定靜葉可調(diào)軸流式風(fēng)機(jī)在最高效率區(qū)時最大靜葉開度值作為變頻運(yùn)行時的風(fēng)門開度。由于變頻運(yùn)行時，風(fēng)機(jī)效率曲線平行位移，最高效率區(qū)時最大靜葉可以保證在變頻運(yùn)行時，風(fēng)機(jī)始終處于最佳效率區(qū)。其流量與轉(zhuǎn)速的一次方成正比，壓力與轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比，當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低后，其軸功率隨轉(zhuǎn)速的三次方降低，驅(qū)動風(fēng)機(jī)的電機(jī)所需的電功率有效降低。采用變頻調(diào)速后可以實現(xiàn)對引風(fēng)機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速的線性調(diào)節(jié)，通過改變電動機(jī)轉(zhuǎn)速使?fàn)t膛負(fù)壓、鍋爐氧量等指標(biāo)與引風(fēng)機(jī)風(fēng)量維持一定的關(guān)系。
　　5.2有效避免機(jī)械共振、風(fēng)機(jī)喘震
　　高壓大容量風(fēng)機(jī)應(yīng)用高壓變頻改造后，由固定轉(zhuǎn)速運(yùn)行方式進(jìn)入變速運(yùn)行方式，設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生了很大的變化。同時由于風(fēng)機(jī)廠家設(shè)計時，基本按固定轉(zhuǎn)速方式設(shè)計及測試，在變頻運(yùn)行時可能會帶來機(jī)械共振，風(fēng)機(jī)喘震等問題。所以高壓大容量風(fēng)機(jī)在高壓變頻改造時，對可能出現(xiàn)的問題給予足夠的重視。
　　在此次高壓變頻系統(tǒng)改造中，重點關(guān)注此問題。高壓變頻系統(tǒng)參數(shù)中設(shè)置有共振頻率跳轉(zhuǎn)設(shè)置，共有2對頻率跳轉(zhuǎn)設(shè)置，可設(shè)定頻率跳轉(zhuǎn)起始頻率點及恢復(fù)頻率點，能使電機(jī)避開共振點運(yùn)行，讓風(fēng)機(jī)不喘震。
　　在實際設(shè)備投運(yùn)過程中，DCS操作人員通過DCS遠(yuǎn)端從0-50HZ逐漸調(diào)整轉(zhuǎn)速，間隔為1HZ，每個頻率點運(yùn)轉(zhuǎn)1分鐘，同時測試人員在風(fēng)機(jī)本體附近測試風(fēng)機(jī)的震動，記錄在各頻率段的震幅值內(nèi)。
　　通過現(xiàn)場實際操作檢測，在各頻率段，風(fēng)機(jī)各項震動值基本處于正常范圍之內(nèi)。由于引風(fēng)機(jī)實際運(yùn)行中，運(yùn)行頻率會較高，同時為避免變頻在低頻區(qū)的轉(zhuǎn)矩波動問題，在DCS參數(shù)操作盒中設(shè)定最低運(yùn)行頻率，保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。
　　5.3提高鍋爐系統(tǒng)的綜合效益對比
　　目前電廠引風(fēng)機(jī)風(fēng)量為入口靜葉調(diào)節(jié)方式，調(diào)解精度差、效率低，特別是近幾年寧夏電網(wǎng)的負(fù)荷峰谷差越來越大，頻繁的調(diào)峰任務(wù)使部分輔機(jī)仍然運(yùn)行在工頻狀態(tài)下，造成大量電能流失。
　　四臺引風(fēng)機(jī)節(jié)能改造前，按2010年利用小時數(shù)6453，負(fù)荷率82.58%，運(yùn)行平均電流為272A計算，全年耗電量為6055.75萬KWh，按2010年發(fā)電煤耗309.82g/KWh折算，耗用標(biāo)煤18762噸。
　　為了提高鍋爐系統(tǒng)的綜合經(jīng)濟(jì)性以及降低能耗，需對兩臺鍋爐、四臺引風(fēng)機(jī)電機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速改造，利用高壓變頻調(diào)速技術(shù)改變設(shè)備的運(yùn)行速度，以實現(xiàn)各運(yùn)行工況所需風(fēng)壓、風(fēng)量，達(dá)到節(jié)約電能，提高鍋爐出力和效率的作用。
　　具體方法是：優(yōu)化引風(fēng)機(jī)風(fēng)量及爐膛負(fù)壓控制系統(tǒng)，增加四臺引風(fēng)機(jī)高壓變頻裝置，并設(shè)置旁路裝置，使引風(fēng)機(jī)電機(jī)可在工頻、變頻兩種狀態(tài)下運(yùn)行，同時與引風(fēng)機(jī)靜葉調(diào)節(jié)相配合，適合鍋爐各個運(yùn)行工況，達(dá)到節(jié)能目的。
　　鍋爐引風(fēng)機(jī)系統(tǒng)技術(shù)改造能耗基礎(chǔ)數(shù)據(jù)
　　制造廠設(shè)計值：引風(fēng)機(jī)電流497 A（額定電流）
　　改造前能耗數(shù)據(jù)：引風(fēng)機(jī)電流272A（負(fù)荷率82.58%）
　　改造后能耗數(shù)據(jù)：引風(fēng)機(jī)電流225A（負(fù)荷率82.58%）
　　鍋爐引風(fēng)機(jī)系統(tǒng)技術(shù)改造項目節(jié)能量測算公式
　　計算時間段：1年
　　引風(fēng)機(jī)裝機(jī)臺數(shù)：4
　　引風(fēng)機(jī)改造后節(jié)約標(biāo)煤量
　　=1.732×電壓×（電流變化量）×功率因數(shù)×年利用小時×發(fā)電煤耗率×4
　　鍋爐引風(fēng)機(jī)系統(tǒng)技術(shù)改造項目節(jié)能量計算過程
　　計算時間段：1年
　　引風(fēng)機(jī)裝機(jī)臺數(shù)：4
　　引風(fēng)機(jī)改造后節(jié)約標(biāo)煤量
　　=1.732×電壓×（電流變化量）×功率因數(shù)×年利用小時×發(fā)電煤耗率×4
　　=1.732×6KV×（272-225）A×0.83×6453×309.82g/kWh×4
　　=3242噸
　　表2 變頻改造效益分析對比

　　備注:以上計算采用平均負(fù)荷計算方式,所有計算數(shù)據(jù)均以單臺引風(fēng)機(jī)為計算基礎(chǔ).
　　6 結(jié)束語
　　通過HIVERT高壓變頻器改造后的實際運(yùn)行情況來看，該設(shè)備運(yùn)行比較穩(wěn)定、調(diào)速操作簡單、維護(hù)方便，給操作人員和維護(hù)人員帶來了很大方便，在高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)、降低能耗和安全環(huán)保等方面發(fā)揮了很大作用，達(dá)到了設(shè)計預(yù)期效果，并創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益，值得在廣大發(fā)電領(lǐng)域推廣和使用。