高壓大功率變頻器在電廠鍋爐風機上的應用

榮獲“2005年度工控及自動化領域優秀案例”有獎評選 　二等獎
	專家點評：目前節能成為國民經濟可持續發展的重要課題.該案例中，國產高壓大功率變頻器在電廠鍋爐風機上的應用,在節能降耗以及高壓大功率變頻器國產化方面均有良好的經濟效益.

摘要：本文介紹了朝陽發電廠引風機應用高壓變頻調速的技術和經濟分析。 隨著電力行業的改革不斷深化，廠網分家，競價上網政策的逐步實施，降低廠用電率，降低發電成本，提高上網的競爭力，已成為各火電廠努力追求的經濟目標，要求越來越迫切。在火電廠各類輔機設備的能源消耗中，風機水泵類設備占了絕大部分，蘊藏著巨大的節能潛力。 一、概述 國電電力朝陽發電廠位于遼寧省朝陽市龍城區馬山北麓，運行著我國自行設計、制造安裝的第一臺和第三臺200MW雙水內冷汽輪機發電機組，兩臺機組分別于1972年12月和1975年5月并網發電。2號爐兩臺引風機功率均為1250kW，電壓等級6kV,雙機并聯運行，采用入口擋板方式進行風量調節，擋板在60％－100％之間變化，電流在125A左右變化。擋板節流損失大，運行效率低，浪費大量的電能，使廠用電率升高，供電煤耗高，發電成本高。為了適應改革的潮流，提高公司在市場上的競爭能力，2002年公司開始研究對其實施節能改造的可行性。在進行改造前，通過現場的實際測試，掌握了大量的一手資料，有充分的證據顯示改造后將會有非常好的效益。通過認真考察、分析、研究，從產品質量、性能、售后服務、改造成本等綜合考慮，最后決定選用成都東方凱奇電氣有限責任公司生產的DFCVERT-MV系列變頻器來實施引風機的變頻改造。 二、變頻器的節能原理 我國現行的火電設計規程SDJ-79規定，燃煤鍋爐的送、引風機的風量裕度分別為5%和5%～10%，風壓裕度分別為10%和10%～15%。這是因為在設計過程中，很難準確地計算出管網的阻力，并考慮到長期運行過程中可能發生的各種問題，通?？偸前严到y的最大風量和風壓富裕量作為選擇風機型號的設計值。但風機的型號和系列是有限的，往往在選用不到合適的風機型號時，只好往大機號上靠。這樣，電站鍋爐送、引風機的風量和風壓富裕度達20%～30%是比較常見的。鍋爐送、引風機的用電量中，很大一部分是因風機的型號與管網系統的參數不匹配及調節方式不當而被調節門消耗掉的。同時，發電廠的負荷必須要跟隨用戶的使用狀況而改變，發電機的負荷調節必然要求鍋爐跟隨而動，相應的送引風機等也必須進行調節，在調節的過程中又有大量的能量被浪費了。因此，改進離心風機的調節方式是提高風機效率，降低風機耗電量的最有效途徑。 風機和水泵都是流體機械，由流體動力學可知，流量Q∝n，壓力H∝n²，電機功耗N∝n³。 當流量由額定值Q0降至Q1時，與額定功耗N0相比較，采用轉速調節的電機的功耗為： Nt=（n1/n0）³N0 如流量有100%下降到50%，則轉速相應降到50%，壓力降到25%，而電機功耗降到12.5%，也就是節約電能87.5 %?？鄢濋T調節時的功耗與額定功耗的差、轉速下降可能會引起電機的效率下降等因素，節電效果也是非常顯著的。 三、單元串聯多重化電壓源型變頻器的基本原理 成都東方凱奇電氣有限責任公司利用單元串聯多重化技術，生產出功率為110kVA～7100kVA的無電網污染(DFCVERT-MV)高壓變頻器，無須輸出變壓器實現了直接3kV、6kV或10kV高壓輸出；國內首家在高壓變頻器中采用了先進的IGBT功率開關器件，達到了完美無諧波的輸出波形，無須外加濾波器即可滿足供電部門對諧波的嚴格要求；輸入功率因數可達0.95以上，THD<1％，總體效率（包括輸入隔離變壓器在內）高達97％；對電機無附加硬力，將大大延長電機的使用壽命。 所謂多重化技術就是每相由幾個低壓PWM功率單元串聯組成，各功率單元由一個多繞組的隔離變壓器供電，用高速微處理器實現控制和以光導纖維隔離驅動。多重化技術從根本上解決了一般6脈沖和12脈沖變頻器所產生的諧波問題，可實現完美無諧波變頻。 圖1為6kV變頻器的主電路拓撲圖，每組由8個額定電壓為433V的功率單元串聯，因此相電壓為433V×8=3464V，所對應的線電壓為6000V。每個功率單元由輸入隔離變壓器的24個二次繞組分別供電，24個二次繞組分成8組，每組之間存在一個7.5°的相位差。所需相差角度可通過變壓器的不同聯接組別來實現。 圖2中的每個功率單元都是由低壓絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）構成的三相輸入，單相輸出的低壓PWM電壓型逆變器。功率單元電路見圖3。每個功率單元輸出電壓為1、0、－1三種狀態電平，每相8個單元疊加，就可產生17種不同的電平等級，分別為±8、±7、±6、±5、±4、±3、±2、±1和0。圖4為一相合成的正波輸出電壓波形。用這種多重化技術構成的高壓變頻器，也稱為單元串聯多電平PWM電壓型變頻器，采用功率單元串聯，而不是用傳統的器件串聯來實現高壓輸出，所以不存在器件均壓的問題。每個功率單元承受全部的輸出電流，但僅承受1/8的輸出相電壓和1/24的輸出功率。變頻器由于采用多重化PWM技術，由8對依次相移7.5°的三角載波對基波電壓進行調制。對A相基波調制所得的8個信號，分別控制A1～A8八個功率單元，經疊加可得圖4所示的線電壓波形，線電壓波型具有33階梯電平，它相當于48脈波變頻，理論上47次以下的諧波都可以抵消，總的電壓和電流失真率可分別低于1.2％和0.8％，堪稱無諧波污染變頻器。它的輸入功率因數可達0.95以上，不必設置輸入濾波器和功率因數補償裝置。變頻器同一相的功率單元輸出相同的基波電壓，串聯各單元之間的載波錯開一定的相位，每個功率單元的IGBT開關頻率若為600Hz，則當8個功率單元串聯時，等效的輸出相電壓開關頻率為9.6kHz。功率單元采用低的開關頻率可以降低開關損耗，而高的等效輸出開關頻率和多電平可以大大改善輸出波形。波形的改善除減小輸出諧波外，還可以降低噪聲、dv/dt值和電機的轉矩脈動。所以這種變頻器對電機無特殊要求，可用于普遍籠 型電機，且不必降額使用，對輸出電纜長度也無特殊限制。 由于功率單元有足夠的濾波電容，變頻器可承受－30％電源電壓下降和3秒的電源喪失。這種主電路拓撲結構雖然使器件數量增加，但由于IGBT驅動功率很低，且不必采用均壓電路、吸收電路和輸出濾波器，可使變頻器的效率高達96％以上。 DFCVERT-MV系列變頻器單元串聯多重化的優點是： 1）由于采用功率單元串聯，可采用技術成熟、可靠的低壓IGBT組成逆變單元，通過串聯單元的個數適應不同的輸出電壓要求； 2）完美的輸入輸出波形，使其能適應任何場合及電機使用； 3）廠家在設計單元的串聯時充分考慮到用戶系統運行的可靠性，放棄了六級單元的結構，采用8級單元進行串聯。由于多功率單元具有相同的結構及參數，便于將功率單元做成模塊化，實現冗余設計，即使在個別單元故障時也可通過單元旁路功能將該單元短路，系統仍能正?；蚪殿~運行。8級功率單元串聯的變頻器在旁路掉兩級功率單元后，變頻器仍然能夠正常運行。 4）采用純中文人機界面（觸摸屏），操作方便，故障記錄準確可靠。 5）整套變頻器配置手動旁路柜，變頻器需要檢修時可切入工頻旁路運行，從而保證系統的連續運行。系統圖見圖5。 四、實際運用 高壓變頻技術目前在國內還處于發展階段，但是通過眾多廠家實際的使用來看，技術應該還是比較成熟可靠的。我們通過考察分析得出結論：高壓變頻器能否成功運用跟現場的用戶正確使用也很關鍵。因為變頻器內部有大量的微電子，半導體，集成電路以及電阻，電容組成的復雜的電力電子設備，盡管壽命長，可靠性高，但是由于存在離散性，故障偶發性及使用條件不當，變頻器運行一段時間后發生故障也是可能的。因此這就要求變頻器必須運行在清潔、通風良好、干燥的室內。 我公司2號爐兩臺引風機進行變頻改造選擇在機組大修期間進行。2004年3月20日安裝完畢，4月24日開始調試，在調試過程中，各種連鎖可靠，故障聲報警準確，和DCS系統連接方便、控制精度高，調試順利。隨著電廠大修進行完畢，5月18日變頻器開始正式投入試運行。試運行期間，曾出現了一次變頻器過熱停機?？紤]到機組的穩定運行，我們反復的分析調查，通過廠家查找技術參數，最后得出結論：根據廠家提供的變頻器的發熱量，如果要靠自然冷卻方式的話，根本無法保證變頻器的正常運行。但是如果要采取傳統的方式，將變頻器室全密封，通過裝空調來保證變頻器的散熱的話，投資成本又較大。于是我們公司技術人員深思熟慮，反復討論，在廠家的大力配合下，決定給變頻器加裝風道（將變頻器柜頂風機排出的風通過風道直接排向室外），同時又為了保證變頻器室的風量，將原來的兩個窗戶改成進風口，加裝濾網。 整個改造工作完成后，低壓送電，模擬啟動變頻器，