摘要：降低廠用電率，降低發(fā)電成本，提高上網(wǎng)電能的競爭力，已成為各火電廠努力追求的經(jīng)濟目標。近幾年電網(wǎng)的負荷峰谷差越來越大，頻繁的調(diào)峰任務(wù)使部分輔機仍然運行在工頻狀態(tài)下，造成大量電能流失。本文著重介紹了高壓變頻器的工作原理及實際運行情況的詳細節(jié)能分析，使我們對其節(jié)能效果以及典型風(fēng)機水泵節(jié)能計算有了更進一步認識。因此得出結(jié)論高壓變頻調(diào)速技術(shù)的日趨成熟，在電力系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，節(jié)能效果明顯。
關(guān)鍵詞：調(diào)速 高壓變頻器 功率單元 IGBT 節(jié)電率
一、引言
眾所周知，高壓電動機的應(yīng)用極為廣泛，它是工礦企業(yè)中的主要動力，在冶金、鋼鐵、化工、電力、水處理等行業(yè)的大、中型廠礦中，用于拖動風(fēng)機、泵類、壓縮機及各種大型機械。其消耗的能源占電動機總能耗的70%以上，而且絕大部分都有調(diào)速的要求，由于高壓電機調(diào)速方法落后，浪費大量能源而且機械壽命降低。上世紀90年代，由于變頻調(diào)速技術(shù)在低壓電動機應(yīng)用得非常成功，人們開始研究高壓電動機變頻技術(shù)的應(yīng)用，設(shè)計了高-高電壓源型變頻技術(shù)方案。該方案采用多電平電路型式（CMSL），由若干個低壓PWM 變頻功率單元，以輸出電壓串聯(lián)方式（功率單元為三相輸入、單相輸出）來實現(xiàn)直接高壓輸出的方法。經(jīng)過我廠多方調(diào)研、比較，最后選擇同北京利德華福電氣技術(shù)有限公司合作。本文將從HARSVERT-A系列高壓變頻器的工作原理及實際運行狀況兩方面分析河南新鄉(xiāng)豫新發(fā)電廠引風(fēng)機、凝結(jié)水泵的節(jié)能情況。
二、高壓變頻器的工作原理
（一）變頻器的結(jié)構(gòu)：現(xiàn)以6kV五級單元串聯(lián)多電平的高壓變頻器為例。
1．系統(tǒng)主回路：內(nèi)部是由十五個相同的功率單元模塊構(gòu)成，每五個模塊為一組，分別對應(yīng)高壓回路的三相，單元供電由干式移相變壓器進行供電，原理如圖1。
圖1：變頻器的結(jié)構(gòu) 2．功率單元構(gòu)成：功率單元是一種單相橋式變換器，由輸入干式變壓器的副邊繞組供電。經(jīng)整流、濾波后由4個IGBT以PWM方法進行控制（如圖2所示），產(chǎn)生設(shè)定的頻率波形。變頻器中所有的功率單元，電路的拓撲結(jié)構(gòu)相同，實行模塊化的設(shè)計，控制通過光纖發(fā)送至單元控制板。原理框圖如圖3所示。
圖2：功率模塊輸出的正弦PWM波形
圖3：功率模塊電路結(jié)構(gòu) 3．功率單元控制：來自主控制器的控制光信號，經(jīng)光/電轉(zhuǎn)換，送到控制信號處理器，由控制電路處理器接收到相應(yīng)的指令后，發(fā)出相應(yīng)的IGBT的驅(qū)動信號，驅(qū)動電路接到相應(yīng)的驅(qū)動信號后，發(fā)出相應(yīng)的驅(qū)動電壓送到IGBT控制極，從而操作IGBT關(guān)斷和開通，輸出相應(yīng)波形。
功率單元中的狀態(tài)信息將被收集到應(yīng)答信號電路中進行處理，集中后經(jīng)電/光轉(zhuǎn)換器變換，以光信號向主控制器發(fā)送。
（二）變頻器工作原理
1.變頻器調(diào)速原理
按照電機學(xué)的基本原理，電機的轉(zhuǎn)速滿足如下的關(guān)系式：
n=(1-s)60f/p=n0×（1-s）（P：電機極對數(shù)；f：電機運行頻率；s：滑差）
從式中看出，電機的同步轉(zhuǎn)速n0正比于電機的運行頻率(n0=60f/p)，由于滑差s一般情況下比較小（0-0.05），電機的實際轉(zhuǎn)速n約等于電機的同步轉(zhuǎn)速n0，所以調(diào)節(jié)了電機的供電頻率f，就能改變電機的實際轉(zhuǎn)速。電機的滑差s和負載有關(guān)，負載越大則滑差增加，所以電機的實際轉(zhuǎn)速還會隨負載的增加而略有下降。
2.變頻器結(jié)構(gòu)原理
無諧波高壓變頻器采用若干個低壓PWM變頻功率單元串聯(lián)的方式實現(xiàn)直接高壓輸出。6kV電網(wǎng)電壓經(jīng)過副邊多重化的隔離變壓器降壓后給功率單元供電，功率單元為三相輸入，單相輸出的交直流PWM電壓源型逆變器結(jié)構(gòu)，相鄰功率單元的輸出端串聯(lián)起來，形成Y接結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)變壓變頻的高壓直接輸出，供給高壓電動機。以6kV輸出電壓等級為例，每相由五個額定電壓為690V的功率單元串聯(lián)而成，輸出相電壓最高可達3450V，線電壓達6kV左右。改變每相功率單元的串聯(lián)個數(shù)或功率單元的輸出電壓等級，就可以實現(xiàn)不同電壓等級的高壓輸出。每個功率單元分別由輸入變壓器的一組副邊供電，功率單元之間及變壓器二次繞組之間相互絕緣。二次繞組采用延邊三角形接法，實現(xiàn)多重化，以達到降低輸入諧波電流的目的。對于6kV電壓等級變頻器而言，給15個功率單元供電的15個二次繞組每三個一組，分為5個不同的相位組，互差12度電角度，形成30脈沖的整流電路結(jié)構(gòu)，輸入電流波形接近正弦波，這種等值裂相供電方式使總的諧波電流失真低至1%左右，變頻器輸入的功率因數(shù)可達到0.95以上。原理如圖4所示。
圖4：單元串聯(lián)輸出結(jié)構(gòu)圖 3．變頻器輸出波形疊加原理：
高壓變頻器在運行后，將輸入的工頻的三相高壓交流電轉(zhuǎn)化為可以進行頻率可調(diào)節(jié)的三相交流電，其電壓和頻率按照V/F的設(shè)定進行相應(yīng)的調(diào)節(jié)，保持電機在不同的頻率下運行，而定子磁心中的主磁通常保持在額定水準，提高電機的轉(zhuǎn)換效率。因此多重疊加的應(yīng)用，高壓變頻器輸出電壓的諧波含量很低，已達到常規(guī)供電電壓允許的諧波含量，同時輸出電壓的dV/dt較小，不會增加電機繞組的應(yīng)力，可以向普通標準型交流電動機供電，不需要降容或加輸出濾波電抗器，保證了高壓設(shè)備的通用性。多電平單元串聯(lián)疊加的三相波形如圖5所示。
圖5：多電平單元串聯(lián)疊加的三相輸出波形 三、對300MW機組引風(fēng)機系統(tǒng)變頻節(jié)能分析
引風(fēng)機屬于鍋爐輔機設(shè)備中的高能耗設(shè)備，其輸出功率不能隨機組負荷變化而變化，只有通過改變檔板的開度來調(diào)整風(fēng)壓和風(fēng)量，造成很大部分能量消耗在節(jié)流損失中。針對以上能源浪費的現(xiàn)象，采用高壓變頻技術(shù)對電廠重要用電設(shè)備進行技術(shù)改造，是電廠節(jié)能降耗提高競價上網(wǎng)競爭能力的有效途徑。
1．現(xiàn)場情況介紹：
1）#2發(fā)電機組容量：300MW
2）配置引風(fēng)機數(shù)量：2臺
3）年運行時間：7920h
4）上網(wǎng)電價：0.25元
5）設(shè)備參數(shù)見下表1：
6）發(fā)電機組不同負荷下引風(fēng)機實際運行參數(shù)統(tǒng)計見下表2：
2．工頻狀態(tài)下的年耗電量計算：
Pd：電動機總功率；PA：A電動機功率；PB：B電動機功率；IA：A電動機輸入電流；IB：B電動機輸入電流；U：電動機輸入電壓；cosφ：功率因子。
電動機在工頻狀態(tài)下，引風(fēng)機電動機實際功耗計算值見下表3：
Cd：年耗電量值 ；T：年運行時間 ；δ：單負荷運行時間百分比 。
累計年耗電量公式：Cd= T×∑（Pd×δ） …②
Cd =17630523 kW·h
因此，采用工頻運行時，每年引風(fēng)機系統(tǒng)耗電量約為1763.05萬度電。
3．變頻狀態(tài)下的年耗電量計算：
風(fēng)機設(shè)備屬平方轉(zhuǎn)矩負載，其轉(zhuǎn)速n與流量Q，壓力H以及軸功率P具有如下關(guān)系：Q∝n ，H∝n2，P∝n3；即流量與轉(zhuǎn)速成正比，壓力與轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比。
通過對引風(fēng)機工頻運行數(shù)據(jù)中總功率和擋板平均開度之間關(guān)系的變化趨勢分析，可以看出擋板開度和總功率之間略呈線性關(guān)系。
現(xiàn)取A、B引風(fēng)機在200、300MW負荷點的平均開度百分比和電機總功率數(shù)據(jù)對100％開度情況下的總耗電功率數(shù)據(jù)特性趨勢進行計算，并且推測出100％開度情況下的兩臺引風(fēng)機總耗電功率值。
在200MW機組負荷下，兩臺引風(fēng)機的平均靜葉開度為（40.5+42.8）/2=41.65％
在300MW機組負荷下，兩臺引風(fēng)機的平均靜葉開度為（67.3+70.2）/2=68.75％
即：100％擋板開度下兩臺引風(fēng)機總耗電功率值為3472kW。
P＇：電動機實際總功率；P100：電動機100％擋板開度時總功率；H＇：風(fēng)機實際風(fēng)壓；H0：額定風(fēng)壓。
通過風(fēng)機數(shù)據(jù)，依據(jù)
公式可依次求得引風(fēng)機在采用變頻調(diào)速運行時各負荷對應(yīng)的風(fēng)機總功耗P＇。
若考慮到電機效率和變頻器效率，則網(wǎng)側(cè)功率損耗
電動機效率 與電動機負荷率β之間的關(guān)系如圖6所示。
變頻器效率 與電動機負荷率β之間的關(guān)系如圖7所示。
圖6：電動機效率與負荷率關(guān)系曲線
圖7：變頻器效率與負荷率關(guān)系曲線 電動機在變頻狀態(tài)下，引風(fēng)機變頻功耗計算值見下表4：
Cd：年耗電量值 ；T：年運行時間 ；δ：<
