發(fā)電廠中高壓變頻技術(shù)的應(yīng)用探析

【摘要】變頻調(diào)速技術(shù)的出現(xiàn)和不斷發(fā)展，使電機(jī)調(diào)速領(lǐng)域發(fā)生了革命性的變化。在發(fā)電廠中推廣高壓變頻技術(shù)，不僅可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，還可以改善電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行環(huán)境。本文首先闡述高壓變頻的工作原理，并以火力發(fā)電廠為例，分析研究高壓變頻技術(shù)的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】高壓變頻;發(fā)電廠;應(yīng)用

隨著電力行業(yè)改革不斷深化和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日趨激烈，如何降發(fā)電成本和提高發(fā)電市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，已成為各發(fā)電廠努力追求的目標(biāo)。傳統(tǒng)的發(fā)電廠大都采用定頻技術(shù)，頻繁的調(diào)峰任務(wù)使高壓電機(jī)的啟停次數(shù)增加，電動(dòng)機(jī)受到的沖擊轉(zhuǎn)矩很大，嚴(yán)重影響電動(dòng)機(jī)的機(jī)械壽命，在啟動(dòng)過程中燒毀高壓電機(jī)的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。如采用變頻調(diào)速技術(shù)，則可實(shí)現(xiàn)高壓電機(jī)的軟啟動(dòng)，即電機(jī)從零轉(zhuǎn)數(shù)慢慢升至啟動(dòng)轉(zhuǎn)數(shù)，從而達(dá)到改善電動(dòng)機(jī)運(yùn)行環(huán)境的目的，還可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的作用。

1.變頻調(diào)速原理簡(jiǎn)介

交流異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為：

n=（1-s）n1=（1-s）60f1/p

式中：n—電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)實(shí)際轉(zhuǎn)速，n1—電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，f1—電動(dòng)機(jī)電源頻率，p—電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)，s—電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率。從可以分析如何改變異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

當(dāng)改變電源頻率f1時(shí)，同步轉(zhuǎn)速n1=60f1/p與頻率成正比變化，于是異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n也隨之改變，所以改變電源頻率就可以平滑地調(diào)節(jié)異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

變頻調(diào)速技術(shù)的出現(xiàn)和不斷發(fā)展，使電機(jī)調(diào)速領(lǐng)域發(fā)生了革命性的變化，在不到二十年的時(shí)間里，已被國(guó)內(nèi)外公認(rèn)為是最理想、最有發(fā)展前途的一種調(diào)速方式。通過變頻技術(shù)，不僅可以節(jié)約能源，還具有可靠性高、調(diào)速范圍廣和平滑性好等優(yōu)點(diǎn)，因此在短短十幾年，發(fā)展也十分迅速，這主要?dú)w功于變頻調(diào)速技術(shù)的優(yōu)越性。

變頻器按變換環(huán)節(jié)分為交—交變頻器和交—直—交變頻器，由于交—交變頻器連續(xù)可調(diào)的頻率范圍小，一般為額定頻率的1/2以下。目前，變頻器基本上采用交—直—交電流型或電壓型變頻器，主回路由整流器、濾波環(huán)節(jié)和逆變器構(gòu)成。

2.發(fā)電廠高壓變頻技術(shù)分析

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)高壓電動(dòng)機(jī)采用的變頻調(diào)速方案主要有以下幾種：

2.1 Y/Δ變換

采用Y/Δ變換的辦法是通過降壓變壓器將6000V的電壓降低到一定的電壓等級(jí)，如韓國(guó)ABB公司的ACS系列變頻器的電壓等級(jí)有2.3KV、3.3KV和4.0KV，它的基本構(gòu)成如圖1所示。

圖1 星—三角變換圖

這種聯(lián)接方式要求異步電動(dòng)機(jī)必須采用三角形接法，采用3.3KV或4.16KV的變頻器即能滿足電壓和電流的要求，也能滿足變頻器對(duì)電機(jī)的絕緣等級(jí)提高一級(jí)的要。但它對(duì)dv/dt和共模電壓承受能力較差。由于電廠一般風(fēng)機(jī)電機(jī)的接線方式為Y型，選用此方案的變頻器，電機(jī)的定子線圈要由Y型改接為Δ型，或使用與此電壓等級(jí)配套的高壓電機(jī)，再者還需新增加一個(gè)變壓器;該方案要求換裝電機(jī)的外型尺寸特殊，原有電機(jī)基礎(chǔ)不能使用，需重新施工澆注，安裝周期也較長(zhǎng);電機(jī)進(jìn)行Y/Δ改接后，電機(jī)與電網(wǎng)電壓不一致，無法實(shí)現(xiàn)旁路功能，當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障后，無法保證生產(chǎn)的正常進(jìn)行。

2.2 高-低-高變頻調(diào)速系統(tǒng)

此中調(diào)速控制方案是將高壓通過降壓變壓器，使變頻器的輸入電壓降低，這樣可以采用一般的交流變頻器，然后，將變頻器的輸出電壓通過升壓變壓器將輸出電壓再提高到6000V，以滿足高壓交流電動(dòng)機(jī)的電壓要求。這種方案可以采用較為低廉的變頻器，高-低-高變頻調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如2圖所示。

圖2 高-低-高變頻調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

高-低-高變頻調(diào)速系統(tǒng)普遍采用可控硅整流電路逆變電路，從70年代問世以來，逐步走向成熟，也有很多應(yīng)用成功的例子，但此種系統(tǒng)存在者較多的問題：

（1）高-低-高變頻調(diào)速系統(tǒng)需要用升壓和降壓兩個(gè)變壓器，以實(shí)現(xiàn)6000V電壓直接輸出，從而降低了效率，會(huì)增加0.3%的損耗，并且降壓變壓器和升壓變壓器不能互換，升壓變壓器需要特制，以減弱高次諧波的影響。

（2）高-低-高變頻調(diào)速系統(tǒng)中的變頻器整流部分采用可控橋式整流電路，相應(yīng)變頻器的功率因數(shù)比較低，范圍從0.2到0.9之間。由于送風(fēng)機(jī)經(jīng)常工作在低轉(zhuǎn)速狀態(tài)，可控硅的導(dǎo)通角較小，使系統(tǒng)的功率因數(shù)很小，系統(tǒng)需要消耗大量的無功功率，導(dǎo)致6000V母線電壓下降，影響6000V母線電壓質(zhì)量;同時(shí)可控硅整流在送風(fēng)機(jī)低速范圍運(yùn)行時(shí)，導(dǎo)通角很小，波形畸變大，逆變部分大多采用6脈沖或12脈沖，輸出波形失真，有大量高次諧波存在，使輸出波形不是正弦波，為解決諧波的影響，需要加裝濾波器，增加投資。

（3）高-低-高變頻調(diào)速系統(tǒng)中的變頻器工作在低電壓狀態(tài)，為滿足功率輸出的要求，工作電流很大，往往需要變頻器元件并聯(lián)運(yùn)行，為此必須進(jìn)行元件配對(duì)，加均流措施，檢修技術(shù)水平要求比較高。

（4）高-低-高變頻控制系統(tǒng)需要兩臺(tái)變壓器，變壓器需要裝設(shè)相應(yīng)的保護(hù)，成本也會(huì)有所上升，另外，使用高-低-高變頻系統(tǒng)占地面積較大。

2.3 直接高壓變頻調(diào)速控制系統(tǒng)

直接高壓變頻調(diào)速控制系統(tǒng)用額定電壓為6000V的高壓變頻器直接驅(qū)動(dòng)6000V的電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速，高-高變頻調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如3所示。

圖3 直接高壓變頻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖

直接高壓變頻系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱高-高變頻調(diào)速系統(tǒng)，它是九十年代末針對(duì)高-低-高變頻調(diào)速系統(tǒng)缺陷研制成功的新一代變頻調(diào)速系統(tǒng)。該系統(tǒng)從根本解決了高-低-高變頻調(diào)速系統(tǒng)存在的問題，是一種性能優(yōu)越的變頻調(diào)速設(shè)備。

該調(diào)速系統(tǒng)一般使用一臺(tái)變壓器與電網(wǎng)隔離，變頻器輸出直接到電機(jī)，由于采用了橋式整流電路，在整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)中功率因數(shù)較高，cosφ=0.85，不需要裝設(shè)無功補(bǔ)償裝置，又因?yàn)楦?高變頻調(diào)速系統(tǒng)采用多重化脈寬控制，通過模塊輸出串聯(lián)疊加消除高次諧波的影響。

高-高變頻調(diào)速系統(tǒng)簡(jiǎn)化了主電路和控制電路的結(jié)構(gòu)，變頻器在中間處理器材調(diào)節(jié)器控制下，調(diào)整整流即逆變部分的控制量，通過調(diào)節(jié)逆變器的脈沖寬度和輸出電壓頻率，既實(shí)現(xiàn)調(diào)壓，又實(shí)現(xiàn)調(diào)頻，調(diào)節(jié)器進(jìn)行無偏差的前饋控制，使控制誤差降到了最小，從而使裝置的體積小，重量輕，造價(jià)低，可靠性高。

高-高變頻調(diào)速系統(tǒng)改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，變頻器中逆變器的輸出頻率和電壓，都在逆變器內(nèi)控制和調(diào)節(jié)，因此調(diào)節(jié)速度快，調(diào)節(jié)過程中頻率和電壓的配合好，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能好。

高-高變頻調(diào)速系統(tǒng)有很好的對(duì)負(fù)載供電的波形。變頻器的逆變器輸出電壓和電流波形接近正弦波，從而解決了由于以矩形波供電引起的轉(zhuǎn)矩降低問題，改善了電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行性能，高-高變頻調(diào)速系統(tǒng)適用于常規(guī)電機(jī)和電纜的絕緣要求，現(xiàn)有的送風(fēng)機(jī)電機(jī)和電纜可以繼續(xù)使用。

2.4 高壓變頻技術(shù)方式對(duì)比

以某火電廠為例，如果選用“高-低-高”方式工作的變頻器，變頻實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，可靠性較低，高-低-高變頻調(diào)速系統(tǒng)技術(shù)上不具有先進(jìn)性，但這種系統(tǒng)最大特點(diǎn)是價(jià)格比較低廉，相對(duì)于高-高變頻系統(tǒng)，每套系統(tǒng)節(jié)約不少投資，產(chǎn)品的挑選余地比較大。

如果選用高-高變頻調(diào)速系統(tǒng)，從能量轉(zhuǎn)換上看效率高于高-低-高變頻調(diào)速系統(tǒng)，高-高變頻調(diào)速系統(tǒng)在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)效率穩(wěn)定在95-97%之間，而高-低-高變頻調(diào)速系統(tǒng)在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)從81-93%之間變化，高-高變頻系統(tǒng)可經(jīng)采用不使用變壓器的方案，則滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，又可節(jié)約0.3%左右的能量。

綜合各調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，高-高變頻調(diào)速系統(tǒng)是高-低-高變頻調(diào)速系統(tǒng)的更新?lián)Q代產(chǎn)品，具有較高的科技含量，是變頻調(diào)速發(fā)展的方向，因此，在火電廠中選用高-高變頻調(diào)速系統(tǒng)較為合適。

3.小結(jié)

隨著電力市場(chǎng)的不斷發(fā)展，發(fā)電企業(yè)對(duì)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益的重視程度越來越高，已成為各發(fā)電企業(yè)共同的追求目標(biāo)。本論文通過對(duì)Y/△變換型、高-低-高型、高-高型三種方式進(jìn)行了闡述和比較，并建議在火電廠中選用高-高變頻調(diào)速系統(tǒng)較為合適。

參考文獻(xiàn)

[1]周凌.高壓變頻技術(shù)在電力行業(yè)內(nèi)可靠性應(yīng)用[J].華北電力技術(shù)，2012年4期.

[2]陳詩(shī)翊.芻議高壓變頻技術(shù)在火電廠的實(shí)踐思路[J].通訊世界，2014年10期.

[3]許明圣.高壓變頻技術(shù)在電機(jī)中的應(yīng)用[J].消費(fèi)電子，2013年12期.