高壓變頻調(diào)速技術(shù)在火電廠的應(yīng)用研究

山西華陽(yáng)集團(tuán)新能股份有限公司發(fā)供電分公司第二熱電廠 李小平

電作為生產(chǎn)生活中不可或缺的一部分，與人們的生活有千絲萬(wàn)縷的聯(lián)系。近十年來(lái)，火電發(fā)電占到70%～75%，是目前我國(guó)最主要的發(fā)電方式之一，據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局公開(kāi)信息顯示，我國(guó)2022年發(fā)電總量達(dá)到了83886億kWh，與2021年相比實(shí)現(xiàn)了2.2%的增長(zhǎng)，其中火力發(fā)電量為58531.3億kWh?；鹆Πl(fā)電裝機(jī)容量占比只有52%，但提供的電力占比卻接近70%，火力發(fā)電仍是維持我國(guó)電力供應(yīng)穩(wěn)定的支柱，尤其在可再生能源難以滿足需要時(shí)。

1 高壓變頻調(diào)速技術(shù)

1.1 高壓變頻技術(shù)的概況

高壓變頻調(diào)速技術(shù)采用單元串聯(lián)多電平技術(shù)，或者IGBT元件直接串聯(lián)高壓變頻器等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速系統(tǒng)的高輸出功率（功率因數(shù)＞0.9），同時(shí)消除對(duì)電網(wǎng)諧波的污染。對(duì)高壓節(jié)電降耗作用明顯，平均節(jié)電率在30%以上。單元串聯(lián)多電平技術(shù)采用功率單元串聯(lián)電壓相加回路，采取變壓器多繞組別分組分壓整流單元均壓，單元電平疊加，通過(guò)IGBT逆變橋進(jìn)行正弦（PWM）控制，可得到單項(xiàng)交流輸出，每個(gè)功率模塊結(jié)構(gòu)及電氣性能上完全一致，可以互換[1]。

高壓變頻調(diào)速技術(shù)在許多發(fā)電廠中得到廣泛應(yīng)用，其中比較典型的有北京大唐發(fā)電公司陡河發(fā)電廠，包括125MW調(diào)峰機(jī)組風(fēng)機(jī)變頻調(diào)節(jié)，主要設(shè)備為1000kW/6kV風(fēng)機(jī)變頻器，大冶特鋼第四煉鋼廠70t交流電弧爐除塵風(fēng)機(jī)變頻調(diào)節(jié)，主要設(shè)備為1600kW/6kV除塵風(fēng)機(jī)變頻器等。

1.2 高壓變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用要求

1.2.1 高-高變頻器及單元串聯(lián)結(jié)構(gòu)應(yīng)用技術(shù)要點(diǎn)

在實(shí)際應(yīng)用中，高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)主要以“高-高”變換，“高-高”式變頻器是一種采用高壓且容量較大的gto或igbt功率元件組成的串聯(lián)結(jié)構(gòu)形式，無(wú)輸出變壓器，直接將高壓電源轉(zhuǎn)成直流，再逆變輸出高壓的過(guò)程。單元串聯(lián)多電平拓?fù)錇橹鞯慕Y(jié)構(gòu)形式，其主體結(jié)構(gòu)由許多功率模塊按照一定的規(guī)則串聯(lián)構(gòu)成，高壓輸出主要由各組低壓經(jīng)過(guò)疊加產(chǎn)生的，由于其對(duì)電網(wǎng)諧波的污染性較小，輸入電流諧波的畸變控制在4%以下，電網(wǎng)輸入電壓諧波畸變?cè)?%以下，滿足了諧波抑制的要求，由于輸入功率因數(shù)高，輸入諧波濾波器及功率因數(shù)補(bǔ)償裝置可不再使用。當(dāng)輸出波形質(zhì)量滿足要求，輸出電流諧波畸變小于2%，避免了電機(jī)附加發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、噪聲、輸出DV、共模電壓等問(wèn)題，3250kW/6kV高壓變頻系統(tǒng)由15個(gè)功率單元組合而成，其中每5個(gè)功率單元串聯(lián)組成一相。

1.2.2 功率單元技術(shù)要點(diǎn)

高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)中每個(gè)功率單元分別由輸入變壓器的一組副邊進(jìn)行供電，功率單元之間及變壓器二次繞組之間必須處于絕緣狀態(tài)，二次繞組通過(guò)延邊三角形接法，達(dá)到多重化的效果，有利于輸入諧波電流的降低。每個(gè)功率單元結(jié)構(gòu)形式上是一致的，在使用過(guò)程中，可根據(jù)需要進(jìn)行互換，系統(tǒng)為基本的單相逆變電路，整流側(cè)為二極管三相全橋，IGBT逆變橋采用PWM控制方式，并有自動(dòng)單元旁路功能。當(dāng)功率單元內(nèi)器件為單元直流母線電壓時(shí)，此時(shí)，其承受的電壓為高電壓，在實(shí)際應(yīng)用中，可以將低壓功率器件直接進(jìn)行使用，器件可不進(jìn)行串聯(lián)連接，因此均壓?jiǎn)栴}在器件串聯(lián)時(shí)不存在的。功率單元采用的低壓IGBT功率模塊，具有驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，技術(shù)安全性、可靠性強(qiáng)，低壓狀態(tài)下使用，故障發(fā)生率低。

1.2.3 單元旁路技術(shù)要點(diǎn)

當(dāng)單元旁路功能某個(gè)功率模塊出現(xiàn)故障，自動(dòng)旁路收到信號(hào)運(yùn)行，變頻裝置無(wú)需停機(jī)，但應(yīng)確保降低額定功率使用。并聯(lián)旁路電路應(yīng)在每個(gè)功率單元輸出端之間，一旦出現(xiàn)功率故障，應(yīng)立即封鎖該功率單元的觸發(fā)信號(hào)，并確保旁路SCR導(dǎo)通，保證電機(jī)電流正常運(yùn)行，在一定程度上提高了系統(tǒng)運(yùn)行的安全性。

2 高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的技術(shù)要點(diǎn)

高壓變頻調(diào)速的高頻器為高-高結(jié)構(gòu)，不需輸出升壓變壓器，輸出為單元串聯(lián)移相式PWM方式。高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)為一體化設(shè)計(jì)，包括輸入干式隔離變壓器，變頻器等所有部件及內(nèi)部連線，用戶只需連接高壓輸入、高壓輸出、低壓控制電源和控制信號(hào)線即可[2]。

在20%～100%的負(fù)載變化情況內(nèi)達(dá)到或超過(guò)0.95的功率因數(shù)，并且電流諧波少，無(wú)須功率因數(shù)補(bǔ)償/諧波抑制裝置。無(wú)需濾波器變頻器就可輸出正弦輸出電流和電壓波形，對(duì)電機(jī)沒(méi)有特殊的要求，可以使用普通異步電機(jī)，電機(jī)不必降額使用。具有軟起動(dòng)功能，沒(méi)有電機(jī)啟動(dòng)沖擊引起的電網(wǎng)電壓下跌，可確保電機(jī)安全、長(zhǎng)期運(yùn)行。變頻裝置輸出波形不會(huì)引起電機(jī)的諧振，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小于0.1%?？杀苊怙L(fēng)機(jī)喘振現(xiàn)象。變頻器有共振點(diǎn)頻率跳躍功能；變頻裝置對(duì)輸出電纜無(wú)特殊要求，電機(jī)不會(huì)受到共模電壓和dv/dt的影響；變頻器可在輸出不帶電機(jī)的情況下進(jìn)行空載調(diào)試，也可在沒(méi)有6kV高壓情況下用低壓電進(jìn)行空載調(diào)試。

控制系統(tǒng)采用全數(shù)字微機(jī)控制，有較強(qiáng)的自診斷功能，能對(duì)所發(fā)生的故障類(lèi)型及故障位置提供中文指示，能在就地顯示并遠(yuǎn)方報(bào)警，便于運(yùn)行人員和檢修人員能辨別和解決所出現(xiàn)的問(wèn)題；在就地監(jiān)控方式下，通過(guò)變頻器上的觸摸屏顯示，可進(jìn)行就地人工啟動(dòng)、停止變頻器，可以調(diào)整轉(zhuǎn)速、頻率；就地控制窗口采用中文操作界面，功能設(shè)定、參數(shù)設(shè)定等均采用中文。賣(mài)方提供的變頻裝置支撐軟件為漢化的比較新的正版軟件。

變頻器高壓主回路與控制器之間為光纖連接，具有較高的通信速率和抗干擾能力，安全性好，轉(zhuǎn)矩特性：0～50Hz恒轉(zhuǎn)矩特性，額定轉(zhuǎn)矩輸出，轉(zhuǎn)矩階躍響應(yīng)＜200ms。50Hz以上恒功率特性，比較大轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成反比下降。輸出頻率0～60Hz（根據(jù)電機(jī)情況可設(shè)定），變頻器抗地震能力為7級(jí)，振動(dòng)0.5G，臨界速度可跳過(guò)（共2組，可任意設(shè)定）。

完整的故障監(jiān)測(cè)電路、精確的故障報(bào)警保護(hù)，自帶冷卻風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)電源與控制電源分開(kāi)取電，電源取自輸入側(cè)變壓器，內(nèi)置PLC，易于改變控制邏輯關(guān)系，適應(yīng)多變的現(xiàn)場(chǎng)需要，可靈活選擇現(xiàn)場(chǎng)控制/遠(yuǎn)程控制，可接收和輸出0～10V/4～20mA工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，可根據(jù)用戶需要內(nèi)置PID調(diào)節(jié)器，完整的通用變頻器參數(shù)設(shè)定功能，自備UPS，可維持30min，旋轉(zhuǎn)再啟動(dòng)功能，單個(gè)功率單元故障時(shí)，輸出電壓仍可達(dá)到93%以上，在大多數(shù)情況下不影響負(fù)載的運(yùn)行。

3 相關(guān)應(yīng)用

3.1 輸入、輸出側(cè)結(jié)構(gòu)在實(shí)際中的應(yīng)用

輸入側(cè)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。輸入側(cè)主要由移相變壓器（H級(jí)絕緣）輸送到每個(gè)單元供電，每個(gè)功率單元都承受全部的電機(jī)電流，1/5（1/8）的相電壓，1/15（1/24）的輸出功率。15（24）個(gè)單元在變壓器上都有自己獨(dú)立的三相輸入繞組，二次繞組在實(shí)際中具有多重化的特點(diǎn)，并降低了輸入電流的諧波成分。根據(jù)功率、電壓等級(jí)的不同功率單元數(shù)也會(huì)隨著變化，功率越大，電壓等級(jí)越高單元數(shù)就越多。移相變壓器的副邊繞組分為三組構(gòu)成30（48）脈沖整流方式，這種多級(jí)移相疊加的整流方式在一定程度上改善了網(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，輸入電流諧波成分比較低，實(shí)測(cè)輸入電流總諧波成分控制在5%內(nèi)。

輸出側(cè)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。輸出側(cè)根據(jù)每個(gè)單元的U、V輸出端子相相互串接而成的星形接法為電機(jī)提供電源，通過(guò)對(duì)每個(gè)單元的PWM波形進(jìn)行重新組合后正弦度好，DV/DT小，減少對(duì)電纜和電機(jī)的絕緣損壞，無(wú)須輸出濾波器輸出電纜長(zhǎng)度可達(dá)1000m，電機(jī)不需降額使用，在舊設(shè)備改造上應(yīng)用較多，同時(shí)電機(jī)的諧波損耗減少，消除了由此引起的機(jī)械振動(dòng)，減小了軸承和葉片的機(jī)械應(yīng)力。

3.2 無(wú)速度傳感器矢量控制技術(shù)應(yīng)用

高性能異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)在火電廠上得到廣泛應(yīng)用，速度傳感器由于受到外界和自身因素的影響，在安裝及維護(hù)、低速運(yùn)行等環(huán)節(jié)上存在問(wèn)題，對(duì)異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的安全性、可靠性等方面產(chǎn)生較大影響，無(wú)速度傳感器異步電機(jī)的應(yīng)用，克服了速度傳感器存在一些弊端，在火電廠中得到有效利用。無(wú)速度傳感器矢量控制變頻器的矢量控制具有許多優(yōu)點(diǎn)，例如高性能特點(diǎn)、傳速快等。在實(shí)際應(yīng)用中，通過(guò)獲得有效運(yùn)行速度信號(hào)是無(wú)速度傳感器矢量控制的最重要環(huán)節(jié)。無(wú)速度傳感器控制系統(tǒng)通過(guò)計(jì)算、參數(shù)識(shí)別，狀態(tài)評(píng)估、間接測(cè)量等手段收集信號(hào)，根據(jù)電機(jī)定子進(jìn)行電壓、電流值的計(jì)算，結(jié)合收集信號(hào)速度，計(jì)算得到轉(zhuǎn)子的運(yùn)行速度，智能系統(tǒng)通過(guò)反饋的速度進(jìn)行判斷是否符合要求。

3.3 在節(jié)能上的應(yīng)用

高壓變頻調(diào)速裝置投入運(yùn)行后，節(jié)流閥全部打開(kāi)，采用遠(yuǎn)方自動(dòng)恒水壓控制方式，平時(shí)操作值班人員只需改變壓力設(shè)定值，多數(shù)情況下，變頻器運(yùn)行在40Hz，功率270kW，高壓輸入電流不到30A，而50Hz定速運(yùn)行時(shí)功率約530kW，高壓輸入電流60A。高壓變頻器是利用半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻變換為另一頻率的電能控制裝置。其是按一定規(guī)律改變脈沖列的脈沖寬度或幅度，以調(diào)節(jié)輸出量和波形的，從而實(shí)現(xiàn)電壓和頻率的平滑變化。

根據(jù)電機(jī)學(xué)原理，交流轉(zhuǎn)速由下式確定：n=（60/np）f（1-s），式中：n、f分別表示發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、供電頻率，Np、s分別為電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)差率。根據(jù)流體力學(xué)的基本定律可知，風(fēng)機(jī)（或水泵）類(lèi)設(shè)備均屬平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，其轉(zhuǎn)速n與流量q、壓力（揚(yáng)程）h以及軸功率p具有如下關(guān)系：Q∞n、H∞T∞n2、P∞T×n×n3，式中：Q、H分別為風(fēng)量、風(fēng)壓；N、T分別為轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)矩；P為軸功率。由以上公式可知，風(fēng)機(jī)（或水泵）的流量與其轉(zhuǎn)速成正比，壓力（或揚(yáng)程）與其轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸功率與其轉(zhuǎn)速的立方成正比。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(dòng)風(fēng)機(jī)的電機(jī)所需的電功率亦可相應(yīng)降低。因此，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速是風(fēng)機(jī)節(jié)能的重要途徑[3]。

4 3250kW/6kV高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

3250kW/6kV高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)主要由控制柜、功率柜、變壓器柜三大部分組成，其各個(gè)部分不僅繼承了以前產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)，而且在產(chǎn)品外觀、可靠性、模塊設(shè)計(jì)、散熱設(shè)計(jì)等各方面都做了一些改進(jìn)，具有一些新的特點(diǎn)。

3250kW/6kV與2500kW/6kV高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的功率柜部分尺寸完全相同，這樣就相當(dāng)于把2500kW/6kV高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)整流逆變部分的功率密度提高了30%。通過(guò)在設(shè)計(jì)上采用新的散熱器（與2500kW/6kV使用的散熱器外形尺寸相同，散熱面積增大一倍），新型號(hào)的電解電容，IGBT等，成功地解決了電解電容的容量和功率模塊的發(fā)熱等一系列的問(wèn)題，大大提高了系統(tǒng)的功率密度，減小了設(shè)備的體積，為變頻器的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用提供了方便。

系統(tǒng)全部使用新的拼裝機(jī)柜。拼裝機(jī)柜不僅外觀上更加美觀，而且提高了機(jī)柜的強(qiáng)度，門(mén)與柜體間安裝了新的壓條式密封條，增強(qiáng)了門(mén)的密封性能，提高了系統(tǒng)的防護(hù)等級(jí)。通過(guò)將變壓器柜底座密封，在變壓器柜柜門(mén)上加裝通風(fēng)濾網(wǎng)，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的散熱風(fēng)道等，使系統(tǒng)的防護(hù)等級(jí)從IP20提高到IP31，通過(guò)特殊設(shè)計(jì)，還可以達(dá)到IP42。

系統(tǒng)安裝了更加友好的人機(jī)界面，并采用了低功耗、可靠性高的嵌入式人機(jī)界面。新的人機(jī)界面集成了變頻器產(chǎn)品在各個(gè)行業(yè)的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)各個(gè)不同的用戶，只需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況在界面中進(jìn)行設(shè)置即可，不需要對(duì)程序進(jìn)行改動(dòng)，這樣就避免了因?yàn)轭l繁改動(dòng)程序而造成失誤的可能，提高了軟件的可靠性；新的嵌入式人機(jī)界面取消了老式工控機(jī)中的一些易損部件，例如CPU風(fēng)扇與電源風(fēng)扇等，并用閃存代替了硬盤(pán)存儲(chǔ)器，使操作界面的可靠性更高，真正實(shí)現(xiàn)了免維護(hù)；系統(tǒng)采用微軟公司的Windows CE操作系統(tǒng)代替了Windows 2000操作系統(tǒng)，使之更加適合變頻器產(chǎn)品，進(jìn)一步提高變頻器產(chǎn)品的可靠性。

系統(tǒng)優(yōu)化了電量的檢測(cè)電路。高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)需要檢測(cè)輸入、輸出側(cè)的電量參與控制和顯示，在3250kW/6kV系統(tǒng)中，改變了原來(lái)的檢測(cè)電路體積大、結(jié)構(gòu)笨重的不足，提高了變頻器低頻運(yùn)行時(shí)的檢測(cè)精度，不僅提高了系統(tǒng)的性能，更為下一步高性能的變頻器——矢量控制型高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)。

綜上所述，高壓變頻調(diào)速技術(shù)專(zhuān)業(yè)性較強(qiáng)，對(duì)操作人員技術(shù)要求高，在實(shí)際應(yīng)用中嚴(yán)格按照相關(guān)操作規(guī)范作業(yè)，在實(shí)踐中不斷總結(jié)高壓變頻調(diào)速技術(shù)在火電廠應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)，優(yōu)化設(shè)計(jì)，達(dá)到節(jié)能、降耗、減排、安全、安穩(wěn)運(yùn)行的效果。