東方日立高壓變頻器DHVECTOL高壓大功率變頻器在淮北發(fā)電廠引風(fēng)機上的應(yīng)用

一、概述
中國大唐集團公司淮北發(fā)電廠位于淮北市相山西南麓，興建于1970年。先后建成2×50MW 、2×125MW、3×200MW共7臺燃煤發(fā)電機組，總裝機容量達(dá)950MW，經(jīng)增容改造現(xiàn)總裝機容量達(dá)1022.5MW。
高壓變頻技術(shù)隨著功率元器件耐壓等級的提高和計算機應(yīng)用技術(shù)的日趨成熟，在電廠的應(yīng)用已相當(dāng)普遍，節(jié)能效果及控制水平已被電力系統(tǒng)所認(rèn)識。但在高電壓、大功率的設(shè)備上應(yīng)用，淮北發(fā)電廠之前沒有嘗試，基本沒有這方面的經(jīng)驗。2004年淮北發(fā)電廠組織各個專業(yè)人員對國內(nèi)外高電壓、大功率的變頻器這一新技術(shù)進(jìn)行了考查、論證。既考察了國產(chǎn)的高壓大功率變頻器應(yīng)用情況，也考察、論證了進(jìn)口的高電壓大功率的變頻器應(yīng)用業(yè)績。最后得出結(jié)論：國產(chǎn)高電壓、大功率變頻調(diào)速裝置，完全能夠適應(yīng)，具體如下幾點：
　　1、產(chǎn)品售后服務(wù)及時、周到、服務(wù)成本低，能夠滿足生產(chǎn)的及時性。
　　2、產(chǎn)品備件采購方便、備件成本低。
　　3、 變頻器操作簡單，人機界面簡單，易于掌握。
　　4、 通過近多年來國內(nèi)生產(chǎn)廠家的努力，應(yīng)該說國產(chǎn)大功率變頻器并不比進(jìn)口的性能差，有的方面還優(yōu)于進(jìn)口的變頻器。
　　5、 國產(chǎn)造價比進(jìn)口的低：
所以公司決定對#5、#6機組共四臺引風(fēng)機和#6機組的凝結(jié)水泵采用高壓變頻器調(diào)速裝置，并且大唐集團公司在國際上公開招標(biāo)采購高壓變頻器。我公司為國內(nèi)唯一中標(biāo)單位，并一舉中標(biāo)我公司5臺高壓變頻器。

二、高壓變頻器的節(jié)能原理過去，我們對風(fēng)機、水泵采用擋板、閥門進(jìn)行流量控制、造成了大量的能源浪費?，F(xiàn)在國際上普遍采用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)方式進(jìn)行節(jié)能，雖然有多種方式，但是其中應(yīng)用效果最好的為變頻調(diào)速方式。
采用直接高壓控制電動機定子的電壓源型變頻器對風(fēng)機水泵等機械裝置進(jìn)行調(diào)速控制來控制風(fēng)量、流量的方法是當(dāng)前國內(nèi)外主流技術(shù)，應(yīng)用得非常廣泛，大量采用該項技術(shù)進(jìn)行節(jié)能，對于我國經(jīng)濟發(fā)展具有重要的意義。
風(fēng)機和水泵雖然是兩類不同的機械裝置，但是均屬于“平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載”，分析的方法也基本相同。下面就以風(fēng)機為例進(jìn)行說明。

2.1風(fēng)機的參數(shù)和特征
2.1.1風(fēng)機的基本參數(shù)
風(fēng)量Q：單位時間流過風(fēng)機的空氣量（m³\s）；
風(fēng)壓H：空氣流過時產(chǎn)生的壓力。其中風(fēng)機給予每立方米空氣的總能量稱為風(fēng)機的全壓Ht（Pa），它是由靜壓Hg和動壓Hd組成，即Ht＝Hg+Hd；
功率P：風(fēng)機工作有效總功率Pt＝QHt（W）。如風(fēng)機用有效靜壓Hg，則Pg＝QHg；
效率η：風(fēng)機的軸功率因有部分損耗而不能全部傳給空氣，因此可以用風(fēng)機效率這一參數(shù)衡量風(fēng)機工作的優(yōu)劣，按照風(fēng)機的工作方式及參數(shù)的不同，效率分別有：
全壓效率ηt＝QHt\P
靜壓效率ηg＝QHg\P

2.1.2風(fēng)機的特性曲線
表示風(fēng)機性能的特性曲線有：
H-Q曲線：當(dāng)轉(zhuǎn)速恒定時，風(fēng)壓與風(fēng)量間的關(guān)系特性
P-Q曲線：當(dāng)轉(zhuǎn)速恒定時，功率與風(fēng)量間的關(guān)系特性
η-Q曲線：當(dāng)轉(zhuǎn)速恒定時，風(fēng)機的效率特性
對于同類型的風(fēng)機，根據(jù)風(fēng)機參數(shù)的比例定律，在不同轉(zhuǎn)速時的H-Q曲線如圖1

根據(jù)風(fēng)機相似方程：
當(dāng)風(fēng)機轉(zhuǎn)速從n變到n’，風(fēng)量Q、風(fēng)壓H及軸功率P的變化關(guān)系：
Q’=Q（n’\ n） (1)
H’=H（n’\ n）² (2)
P’=P（n’\ n）³ (3)
上面的公式說明，風(fēng)量與轉(zhuǎn)速成正比。風(fēng)壓與轉(zhuǎn)速的二次方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。

2.2管網(wǎng)風(fēng)阻特性曲線 當(dāng)管網(wǎng)的風(fēng)阻R保持不變時，風(fēng)量與通風(fēng)阻力之間的關(guān)系是確定不變的，即風(fēng)量與通風(fēng)阻力K按阻力定律變化，即
K=RQ²
式中： K－通風(fēng)阻力，Pa；
R－風(fēng)阻，（kg\m²）
Q－風(fēng)量，（m³\s）
K－Q的拋物線關(guān)系稱為風(fēng)阻特性曲線，如圖2-2所示。顯然，風(fēng)阻越大曲線越陡。
風(fēng)阻的K－Q曲線與管網(wǎng)阻力曲線相交的工作點成為工況點M。同一風(fēng)機兩種不同轉(zhuǎn)速n、n’時的K－Q曲線與R風(fēng)阻特性曲線相交的工況點分別為M及M’，與R1風(fēng)阻曲線相交的工況點為M1及M1’。

2.3電動機容量計算 拖動風(fēng)機的電動機所需的輸出軸功率為：

式中：ηb——風(fēng)扇或風(fēng)機的效率 
ηc——傳動裝置效率。

2.4風(fēng)機的節(jié)電方法及節(jié)能原理 從以上的介紹可知，風(fēng)機、水泵負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的二次方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比，因此我們可以通過調(diào)節(jié)風(fēng)機（或水泵）的轉(zhuǎn)速來節(jié)電。

2.4.1采用擋板控制風(fēng)量和變頻調(diào)速控制風(fēng)量的對比圖
下面我們對采用擋板閥門及變頻調(diào)速方式調(diào)節(jié)流量的能量消耗進(jìn)行分析，以便對變頻調(diào)速方式下的節(jié)能原理有一個理論上的了解。

如果設(shè)備的配置都滿足設(shè)備的最佳運行狀態(tài)，從圖上看到：

2.4.1.1當(dāng)流量Q＝1時，采用風(fēng)機擋板和采用變頻器時使用的功率將會一致，這是因為它們的輸入功率都為AH0K所包圍的面積；

2.4.1.2當(dāng)流量從Q=1下降到Q=0.7時，采用風(fēng)機擋板進(jìn)行調(diào)節(jié)時的輸入功率為BI0L所包圍的面積，而采用變頻調(diào)速后，其功率下降為DG0L包圍的面積，從圖上看，這個面積比BI0L包圍的面積小很多；

2.4.1.3當(dāng)流量進(jìn)一步下降到Q=0.5時，采用風(fēng)機擋板調(diào)節(jié)時的輸入功率為CJ0P包圍的面積，而采用變頻調(diào)速時的輸入功率為EF0P包圍的面積，從圖上看到，這個面積與CJ0P相比，其值更小。
所以我們可以從直觀的圖形上看到采用變頻調(diào)速技術(shù)時比采用風(fēng)門擋板時會節(jié)約大量的能量，也就是說：采用變頻調(diào)速是一種節(jié)能的好辦法。
那么，其計算方法怎么得到？
根據(jù)風(fēng)機理論，風(fēng)機運行時在需要流量變化時，可以采用閥門或者擋板進(jìn)行調(diào)節(jié)，其輸入功率的計算公式為：
Pnn=P×Hnn×Qnn
其中：Hnn＝U-(U-1) Q²nn U為系統(tǒng)流量為零時壓力極值
所以，采用風(fēng)門擋板時的風(fēng)機輸入功率為：
Pnn=P×Hnn×Qnn＝P×[U-(U-1) Q²nn]×Qnn
式中：Pnn為某個狀態(tài)下的輸入功率標(biāo)么值；Hnn為某個狀態(tài)下的壓力標(biāo)么值；Qnn為某個狀態(tài)下的流量標(biāo)么值；P為額定狀態(tài)下的輸入功率。

2.5采用變頻調(diào)速時的功率計算：

2.5.1異步電機的轉(zhuǎn)數(shù)為：
轉(zhuǎn)數(shù)n=60f(1-s)\p

2.5.2 風(fēng)機泵類流量、壓力、功率與轉(zhuǎn)速n關(guān)系為：
流量 Q∝n；
壓力 H∝n²
功率 P∝n³
假設(shè)：額定流量為Q0，額定功耗為P0；所需流量為Q1，功耗為Pg.in；由上述正比關(guān)系得出下式：
P0：n0³ =Pg.in：n1³ 

2.5.3 不同負(fù)荷情況下節(jié)能效果曲線圖（圖3）
橫坐標(biāo)代表水泵的負(fù)荷狀態(tài)。①為調(diào)節(jié)閥門時電機輸入功率的曲線，②為調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速時電機輸入功率的曲線，③為采用變頻調(diào)速方法時，相對于調(diào)節(jié)閥門而帶來的節(jié)能效益曲線。

曲線③沒有考慮調(diào)速裝置本身的效率，也忽略調(diào)速后水泵本身的效率變化情況，綜合考慮這兩個因素后，曲線③將略微下降。
三、DHVECTOL-DI變頻器的原理
DHVECTOL-DI變頻裝置采用多電平串聯(lián)技術(shù)，6kV系統(tǒng)由移相變壓器、功率單元和控制器組成。6kV變頻裝置有24個功率單元，每8個功率單元串聯(lián)構(gòu)成一相。每個功率單元結(jié)構(gòu)以及電氣性能完全一致，可以互換，其電路結(jié)構(gòu)如圖4，為基本的交-直-交單相逆變電路，整流側(cè)為二極管三相全橋，通過對IGBT逆變橋進(jìn)行正弦PWM控制，可得到如圖5所示的波形。輸入側(cè)由移相變壓器給每個單元供電，移相變壓器的副邊繞組分為三組，構(gòu)成48脈沖整流方式；這種多級移相疊加的整流方式可以大大改善網(wǎng)側(cè)的電流波形，使其負(fù)載下的網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)接近1。另外，由于變壓器副邊繞組的獨立性，使每個功率單元的主回路相對獨立，每個功率單元等效為一臺單相低壓變頻器。輸出側(cè)由每個單元的U、V輸出端子相互串接成星型接法直接給高壓電機供電，通過對每個單元的PWM波形進(jìn)行重組，可得到如圖6所示的階梯正弦PWM波形。這種波形正弦度好，dv\dt小，可減少對電纜和電機的絕緣損壞，無須輸出濾波器就可以使輸出電纜長度很長，電機不需要降額使用，可直接用于舊設(shè)備的改造；同時，電機的諧波損耗大大減少，消除了由此引起的機械振動，減小了軸承和葉片的機械應(yīng)力。 

四、主要技術(shù)特點
a. 輸入諧波小
DHVECTOL-DI變頻器使用了“多重化移相整流技術(shù)和單元電平串連疊加技術(shù)”，符合GB\T14549－2002及IEEE519-1992對電壓、電流諧波失真嚴(yán)格的要求。這項技術(shù)比之“三電平技術(shù)”、“電流源型變頻技術(shù)”、“串極調(diào)速技術(shù)”等技術(shù)方案有極大的技術(shù)優(yōu)勢，輸入輸出諧波限制指標(biāo)較大地高于上述技術(shù)。使用時，變頻器對同一電網(wǎng)上用電的其它電氣設(shè)備不產(chǎn)生諧波干擾。還能防止與其它變頻調(diào)速裝置之間的“串并聯(lián)干擾”。因此完全不需要另外配置諧波治理裝置，從而節(jié)省安裝諧波濾波裝置的費用。

b. 高功率因數(shù)
DHVECTOL-DI變頻器在整個調(diào)節(jié)范圍內(nèi)都可維持高功率因數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)值達(dá)到0.96以上，負(fù)載極小時功率因數(shù)也可以達(dá)到0.9以上（見圖7）。

圖7曲線比較了DHVECTOL-DI電壓源型變頻器和調(diào)速技術(shù)的功率因數(shù)情況，從圖上我們可以看到，電壓源型變頻調(diào)速技術(shù)比電流源型變頻調(diào)速、串極調(diào)速、電磁離合式電機等技術(shù)的功率因數(shù)高出很多，采用電壓型變頻器完全不需要增加功率因數(shù)補償設(shè)備，而其它技術(shù)則需要增加專用的功率因數(shù)補償設(shè)備。

c. 高效率
DHVECTOL-DI變頻器具有>95%的高效率(最高可達(dá)97.5%)，特別是低轉(zhuǎn)速時的效率比之其它調(diào)速技術(shù)有非常大的技術(shù)優(yōu)勢，遠(yuǎn)比其它調(diào)速技術(shù)的效率（30%～80%）高得多。見圖8：

d. 輸出脈動轉(zhuǎn)矩小
DHVECTOL-DI變頻器不需要外部輸出濾波器就可提供正弦輸出電壓，變頻器有較低的輸出電壓失真，不增加電機的運轉(zhuǎn)噪音。DHVECTOL-DI變頻器大大降低了輸出的諧波電流（低于4%），避免了電機發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動。從而減少了設(shè)備上的電應(yīng)力和機械應(yīng)力。

e. 可靠性高，維護方便
DHVECTOL-DI變頻器采用單元模塊化技術(shù)方案，便于設(shè)備的維護和維修。IGBT模塊的驅(qū)動和保護采用高可靠性專用驅(qū)動模塊電路，電子元件和部件均通過高溫老化試驗。
DHVECTOL-DI變頻器變頻單元組件具有互換性，若出現(xiàn)故障，可在幾分鐘內(nèi)用簡單工具進(jìn)行更換維修。

f. 電機軟啟動，無沖擊電流
DHVECTOL-DI變頻器對電機進(jìn)行軟啟動，根據(jù)電機的現(xiàn)場使用要求，我們可以改變電機的啟動時間而得到多條電機啟動曲線，使得電機在帶上負(fù)載后完好地適應(yīng)負(fù)載和工藝要求，并且保證啟動過程對電網(wǎng)不會產(chǎn)生沖擊電流，可確保電機的安全運行并延長其使用壽命。

g. 降低電機磨損,延長電機和軸承使用壽命，節(jié)省維護費用
使用DHVECTOL-DI變頻器降低電動機轉(zhuǎn)速不僅能達(dá)到較好的節(jié)能目的，而且電動機及其負(fù)載的機械磨損也大大降低，延長電機的使用壽命，還可明顯為用戶節(jié)省維護費用。

i．單元旁路功能
這種功能是一種快速地、自動地切除出現(xiàn)故障單元而保證系統(tǒng)繼續(xù)正常運行（或減額運行）的方法。當(dāng)功率單元出現(xiàn)故障時，故障報警信號經(jīng)由通訊電路傳輸給主控系統(tǒng)，主控系統(tǒng)接到故障信號后，經(jīng)過故障種類判斷，對系統(tǒng)的各種信號協(xié)調(diào)，在條件滿足后，用最短的時間將出現(xiàn)故障的功率單元進(jìn)行旁路切除。主控系統(tǒng)通過改變算法，重新計算輸出波形，保持輸出電壓波形的完整，同時向用戶發(fā)出報警信號，并且自動對輸出功率進(jìn)行調(diào)整，使擾動降至最低，保證系統(tǒng)正常運行。

j. 瞬時停電再啟動功能
實際現(xiàn)場中，當(dāng)高壓母線進(jìn)行切換、母線上電動機成組自起動、母線上大電機起動時會造成高壓電網(wǎng)瞬間閃動，變頻器若不具備瞬停功能，會立即停機，而電機帶負(fù)載會存在機械慣性，在電源恢復(fù)后電動機的速度尚未降到零，等待重新起動又會經(jīng)過相當(dāng)長的時間，會給生產(chǎn)造成重大的經(jīng)濟損失。DHVECTOL-DI變頻器具備的瞬時停電再起動功能，可以根據(jù)電源恢復(fù)時電動機自由旋轉(zhuǎn)的實際速度計算出對應(yīng)的輸出頻率，以此頻率為起始頻率使電動機重新起動并加速到停電前的運行狀態(tài)，以適應(yīng)不允許停電設(shè)備的需要。現(xiàn)場測試瞬時停電再啟動的電流波形如下圖10。

五、效益分析
（1） 節(jié)能效果明顯，能耗降低。使用變頻調(diào)速后取消了檔板調(diào)節(jié)，風(fēng)門全開，電機負(fù)荷隨風(fēng)機負(fù)荷上下波動，節(jié)能一般在40%左右，消除了由于各種原因造成的“大馬拉小車”現(xiàn)象。
（2） 可獲得高精度的調(diào)節(jié)效益。使用變頻器后調(diào)節(jié)精度高，投運實踐證明，變頻直接控制遠(yuǎn)比檔板控制精度高，且運行穩(wěn)定，進(jìn)而取得高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的可觀經(jīng)濟效果，其價值大于節(jié)電效果。
（3） 使用后實踐證明，投運變頻器后，頻率通常在30-50Hz范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)速降低，軸承的機械損耗少，設(shè)備的維護工作量大大減少，維護費用降低，有利于裝置安、穩(wěn)、長、滿、優(yōu)運行。
（4） 投資回收年限較短，例如一臺1250kW的變頻器預(yù)計在2年內(nèi)就可以收回投資成本。

六、結(jié)束語
目前在全國范圍內(nèi)組織開展資源節(jié)約活動，全面推進(jìn)能源、原材料、水、土地、煤等資源的節(jié)約和綜合利用工作。這是加快建設(shè)節(jié)約型社會，推動循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展，走新型工業(yè)化道路，緩解資源瓶頸制約，解決全面建設(shè)小康社會面臨的資源約束和環(huán)境壓力，做為用煤大戶，火電廠應(yīng)該走在前列，其中在火電廠風(fēng)機、水泵所消耗的能源占廠用電的1\3，據(jù)調(diào)查，具有節(jié)能潛力的電機在中國至少有1.8億千瓦。如果這些風(fēng)機、水泵都能采用變頻調(diào)速，那將給我國節(jié)約多少能源。所以在火電廠的風(fēng)機、水泵上采用高壓變頻調(diào)速是刻不容緩的。