高压变频器在电厂中的节能作用_电气专业_青果园电厂化学资料网（燃料智能化、电厂化学、QC资料、汽轮机、锅炉、电气、电力能源、脱硫燃料、电力题库、电力应用文、电力标准大全）

当前位置：首页 > 电气专业 > 详细内容

高压变频器在电厂中的节能作用

发布时间：2011/3/20 阅读次数：1028 字体大小: 【小】【中】【大】

本广告位全面优惠招商！欢迎大家投放广告！广告投放联系方式

洪灿华

（国电开远发电有限公司，云南　开远）　

摘要：我国的电力工业中，火电占绝对优势地位（火电装机容量占74%，发电量占80%）。每个火电机组都有大量辅机设备，如给水泵、凝结水泵、吸风机、送风机、一次风机、二次风机、循环水泵等，这些辅机大多用高压大容量的异步电动机拖动，容量大，耗电也多（大约占厂用电的80%）。由于这些辅机的容量在设计上就有一定量的安全冗余，而且机组经常处于变负荷运行，导致各辅机处于节流状态下运行，造成许多不必要的能源消耗和浪费。为达到节能降耗、减排的目的，很多火力发电厂积极采用高压大功率变频器进行辅机调速。

关键词：电动机　变频器　节能

一、概述

云南省国电开远发电有限公司2×300MW循环流化床机组，为实现节能降耗，降低厂用电率，在2008年7月采用东方日立（成都）电控设备有限公司的DHVECTOL-DI 系列无电网污染高压大功率变频器对8号机凝结水泵进行了变频改造。改造后经实际运行节能效果明显。

二、异步电动机工作原理

异步电动机的转速原理：

n=×(1-s)

根据异步电动机的转速特性知，在空载转速时很接近同步转速，随着负载增大，为维持转矩平衡需较大的电磁转矩，因此转差随之增大，但变化量不大。相应的转速变化甚微，也就是说，异步电动机基本上以恒速运转。

异步电动机的调速方法有：改变转差率S、改变极对数P和改变电动机供电频率f三种。近年来随着电气自动化程度的不断发展，高压电动机调速产品主要有:电磁调速、液力耦合器调速、变极调速、普通单级调速、内反馈串级调速和变频调速。变频调速就是通过改变电动机定子供电电源的频率来改变同步转速而实现调速的，变频调速是一种高效调速方式。要使异步电动机的供电频率可变，就必须有一套变频电源。变频装置就是将恒压、恒频电源转换为变压、变频调速的变频电源装置。

三、变频调速的节能原理

1、变频调速节能

变频调速节能主要在调节频繁且幅度大的风机、水泵的应用上。为保证生产的可靠性，电厂各辅机在设计配用动力驱动时，都留有一定的富余量。当电机不能在满负荷下运行时，除达到动力驱动要求外，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成电能的浪费。风机、泵类等设备传统的调节方法是通过调节入口或出口的挡板、阀门开度来实现流体流量、压力的变化调节，其输入功率大，且大量的能源消耗在挡板、阀门的节流（即增大流体的沿层阻力）过程中，当使用变频调速时，将进、出口挡板、阀门全开（使流体受到的沿层阻力最小），通过调节泵或风机的转速来满足调节要求。

由流体力学得出的两台完全相同的泵或风机在相同的条件下输送相同流体，仅仅转速不同，或者说，同一台泵或风机在不同转速下的简化相似定律：

（）=（）

（）=（）²

（）=（）³

注：P_e－输出功率； q_v－流体容积流量；p－风机出口风压；N－泵或风机转转速。

可知，流体流量q_v与泵或风机转速N的一次方成正比；流体压力p与泵或风机转速N的平方成正比；消耗的功率P_e与泵或风机转速N的三次方成正比。如果泵或风机的效率一定，当流体流量下降时，转速N可成比例的下降，而此时输出轴功率P_e成立方关系下降。即泵或风机电机的耗电功率与转速近似成立方比的关系。所以当所要求的流体流量q_v减少时，可调节变频器输出频率使电动机转速n按比例降低。这时，电动机的功率P将按三次方关系大幅度地降低，比调节挡板、阀门节能（40一50）%，从而达到节电的目的。

2、节能评价：

以国电开远发电有限公司8号机凝结水泵为例，凝结水泵：型号9LDTNB－6PJX，轴功率745KW，转速1480，电机：型号YLKK500－4G，功率1120KW，电压6KV，额定电流127A。对比变频改造前后在相同日平均负荷下电机日耗电量，如表一所示：

表一

机组日平均负荷（MW）	凝结水泵工频运行日耗电量（KW.h）	凝结水泵变频运行日耗电量（KW.h）	变频运行日节省电量（KW.h）	节电率(%)
299	16100	14550	1550	10
280	15910	13600	2310	15
259	15530	12550	2980	19
242	15480	11330	4150	27
218	15120	9800	5320	35

由表一可以看出，变频调节的实际节能效果相当明显，而且，电能消耗的降低与负荷的下降不是按比例下降，而是随着负荷下降越低，节能效果越好。

2、功率因数补偿节能

无功功率不但增加线损和设备的发热，更主要的是功率因数的降低导致电网有功功率的降低，大量的无功电能消耗在线路当中，设备使用效率低下，浪费严重，使用变频调速装置后，由于变频器内部滤波电容的作用，从而减少了无功损耗，增加了电网的有功功率。

3、软启动节能

电机硬启动对电厂厂用电系统造成严重的冲击，而且还会对厂用电变压器容量要求过高，启动时产生的大流量对挡板和阀门的冲刷损害极大，对设备、管路的使用寿命极为不利。而使用变频节能装置后，利用变频器的软启动功能将使启动电流从零开始，最大值也不超过额定电流，减轻了对厂用电系统的冲击和对供电厂用变压器容量的要求，延长了设备和阀门的使用寿命。节省了设备的维护费用。

例如：上述凝结水泵,改造前电机工频硬启动时的启动电流198.45A，压力2.7MPa，经30秒后方返回空载电流91A，采用变频启动时的启动电流近乎于0A开始，出口压力、流量随转速增加逐步平稳升高。

三、变频调速装置的结构和特点

1、变频装置结构

高压变频主要指3kV、6kV、10kV这几个电压等级的变频器，目前市场上新型变频器品牌繁多，各有千秋，现以东日立（成都）电控设备有限公司的DHVECTOL-DI 系列无电网污染高压大功率变频器为例。

变频调速系统由移相变压器、功率单元、控制系统和辅助部分（如：风扇电源、开关和风扇等）等构成。

1.1变频器的拓扑结构

DHVECTOL-DI 系列无电网污染高压大功率变频器采用直接高压变换形式，由多个功率单元构成单元串联多电平的拓扑结构。每个功率单元输出交流低压，多个功率单元叠加后输出为所需的交流高压。以6kV每相五个功率单元串联为例,叠加后所构成的主回路拓扑如图1－1所示。

图1-1 6kV 5级变频器电路原理示意图

每个功率单元输入三相交流电压，经整流、逆变后输出单相交流电压，其有效值Ve≈693V，由于每相由五个相同的功率单元串联而成，所以相电压为3464V，三相的一端经过短接形成中性点，三相的另外三个端口线电压为6000V，可以直接驱动交流电动机，所以该级联式主回路拓扑又常常称为“单元串联多电平”直接高压变频器结构。

1.2移相变压器

移相变压器电气原理如图1-2所示:以6kV变频器输入变压器为例，变压器原边绕组为6kV, 副边共十五个绕组分为三相。每个绕组为延边三角形接法，分别有0^o 、±12^o、±24^o 等移相角度，每个绕组接一个功率单元。这种移相接法可以有效消除30次以下谐波。因此，采用移相变压器进行隔离降压不会对电网造成超过国家标准的谐波干扰。

图1-2 移相变压器电气原理图

1.3功率单元

功率单元主要由输入熔断器、三相全桥整流器、滤波电容器组、IGBT逆变桥、直流母线和旁通回路构成，同时电子控制部件还包括电源、驱动、保护监测、通讯等组件组成的控制电路。电容器组根据单元电压选择并联或串联。单元结构如图1-3所示。

图1-3 变频器单元结构

每个功率单元由移相变压器的一组副边绕组供电，通过三相全桥整流器将交流输入变为直流，并将能量储存在电容器组中。电子控制部件接收主控系统发送的PWM信号并通过控制IGBT的工作状态，输出PWM电压波形。监控电路实时监控IGBT和直流母线的状态，将状态反馈回主控系统。在某一个功率单元出现重故障时，主控将允许打开该功率单元的旁通回路，使该功率单元进入旁通状态，整个变频器可以继续工作，当引起旁通的故障原因消失之后，变频器退出旁通并自动恢复到原工作状态。

将每相N个功率单元输出的PWM电压波形进行叠加，产生出2N+1个电压阶梯的多重化相电压波形，五个功率单元输出的PWM波形及叠加之后的相电压波形如图1-4所示。

图1-4 变频器的单元输出波形及相电压叠加波形

1.4控制系统

主控系统包括主控板及其输入输出接口。主控板以专用高性能单片机为控制核心，辅以EPROM存储程序，另外使用NVRAM存储用户设置的现场运行数据。主控板通过光纤通讯系统向各个功率单元传输PWM信号，并接收各个功率单元状态信息。主控板和液晶之间使用光纤连接，液晶及面板键盘实现人机界面功能。变频器系统还安装了一些传感器，这些传感器的信号也送到主控系统处理。通过面板上的功能键，可以实现系统运行、停机、复位及功能参数设定和记录查询。主控板的I/O接口用来实现端子控制模式的外部通信，主要功能有：系统端子复位、运行/停止控制、外部模拟方式频率给定、系统状态、运行频率。主控板的输入还包括控制电源和运行电流的采样信号，如图1-5所示。

图 1-5 控制系统示意图

2、DHVECTOL-DI 系列变频器的特点：

l 输入谐波小、功率因数高、效率高。不需要外部输出滤器就可提供正弦输出电压，不会增加电动机拖动系统的运转噪音，输出转矩脉动小。

l 采用高压场控大功率的IGBT功率模块，电压设计裕度大。IGBT模块的驱动与过流保护采用专用驱动模块电路，可靠性高。功率单元组件具有互换性，若出现故障，可在几分钟内用简单工具进行更换维修。

l 向用户提供多条起动曲线，起动时间由用户设定，可保证电动机安全运行并延长其使用寿命，软起动过程对电网不会产生冲击电流。

l 使用此系列变频器不仅能够节能，而且也大大降低了电动机及其负载的机械磨损，为用户节省了维护费用。

l 高压主回路与主控系统之间采用高速光纤通讯系统连接。

l 用户可以任意选择远方控制或者就地控制方式运行变频器。采用内置PLC，可接受和输出工业标准信号，满足现场各种需要。

l 提供内置PID调节器，可实现闭环控制，内置UPS可提供30分钟维持时间。

l 具备低压空载调试功能，用户只需为变频器提供380V/50Hz的控制电源，变频器在空载状态下就可以进行大部分现场调试工作，大大节约了调试时间。

五、电厂对变频器的特殊要求

由于电力生产的特殊性，电力生产对应用的高压变频器有很高的要求。首先要求高压变频具有很高的可靠性，任何一种辅机调速设备，不管性能多么好，节能多么显著，如果可靠性没有保证，一切就都无从谈起。主要包含几方面的内容：
（1）对电网电压波动的适应能力，即能够在较大的电网电压波动范围内正常工作，这个范围一般是-20％～＋10％；
（2）电源瞬时失电，变频器不能停止运行，电源恢复后要能够记忆并快速恢复至失电前的运行状态；
（3）具备冗余设计，允许在变频装置局部故障时，能够在线维护，不影响其它部分的运行，能够在局部故障的状态下继续运行；
（4）谐波小，包括变频器对电网的影响即输入电流谐波和变频器对电动机的影响即输出的电压、电流谐波；
（5）设备本身的平均无故障运行时间长；

（6）缩小高压变频装置体积，降低对安装环境的要求；

（7）在满足上述要求的前提下，还要求高压变频装置具有高的性能价格比。

六、结束语

国电开远发电有限公司8号机凝结水泵变频改造投入运行后，运行稳定，调节平稳、精确，节能效果明显，公司上下都充分认识到高压大型电机变频调速的节能潜力，现已计划逐步利用机组大修期间进行各高压风机和水泵的变频改造，以实现大幅度降低厂用电率，提高机组效率。

参考文献：

1、南京工学院　周鹗、徐德淦、濮开贵　编，电机学，水利电力出版社。1988

2、毛正孝　主编，泵与风机，中国电力出版社。2005

3、　石秋洁　主编，变频器应用基础，机械工业出版社。2002

4、东方日立（成都）电控设备有限公司的DHVECTOL-DI 系列无电网污染高压大功率变频器技术说明书。

作者：洪灿华

职称：电气工程师

从事专业：2005年以前为电气运行，现为集控运行

工作单位：云南省国电开远发电有限公司

地址：云南省开远市国电开远发电有限

上一篇：直流系统浮充电源损坏的原因分析及解决办法下一篇：600MW机组RB功能的分析与改进

我要评论