一、前言 能源是國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)，關(guān)系到經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展?，F(xiàn)代社會(huì)發(fā)展的主要能源是動(dòng)力來源。世界上所有的國家都在致力于大規(guī)模的開發(fā)和利用能源，并在提高能源利用率方面做了大量的工作。據(jù)有關(guān)部門提供的能耗統(tǒng)計(jì)資料表明，目前我國能源利用率還是非常低，只有32%，而美國則為51%，日本為57%,我國每萬元國民生產(chǎn)總值能耗比發(fā)達(dá)國家高出4倍多，主要能耗產(chǎn)品的單位能耗比發(fā)達(dá)國家高出30%～90%；我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展成本是國外發(fā)達(dá)國家的1.5倍。同時(shí)隨著我國加入WTO，國內(nèi)市場(chǎng)的開放程度將越來越大，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)也將越來越殘酷，因此企業(yè)大力提高能源節(jié)約和資源綜合利用技術(shù)水平，將成為企業(yè)將低成本、提高競(jìng)爭(zhēng)力的內(nèi)在要求和必由之路。 二、油田企業(yè)的節(jié)能潛力分析 油田企業(yè)在我國是公認(rèn)的產(chǎn)能大戶，同時(shí)又是耗能大戶。能源消耗在油田企業(yè)生產(chǎn)成本中占有相當(dāng)比重，如：油氣生產(chǎn)能源消耗費(fèi)用占油氣生產(chǎn)成本的20%左右，原油加工能源消耗費(fèi)用占加工成本的30%左右。因此節(jié)能降耗是油田企業(yè)一項(xiàng)長期戰(zhàn)略任務(wù)。 油田的注水系統(tǒng)、輸油系統(tǒng)、機(jī)械采油系統(tǒng)、鍋爐供熱系統(tǒng)和供配電系統(tǒng)等五大系統(tǒng)為油田的耗能大戶，他們的耗能量占油田總耗能量的75%以上，提高這五大系統(tǒng)效率是搞好油田企業(yè)節(jié)能降耗的關(guān)鍵。在這些能耗中，電力耗能占了相當(dāng)大的比重。油田企業(yè)的用電負(fù)荷和耗電量都是其他企業(yè)不可攀比的。注油泵、排污泵、清水泵、深井泵、加壓泵、輸油泵、抽油機(jī)、深井油泵、供熱鍋爐鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、…，在這些設(shè)備的大量應(yīng)用使其異步電機(jī)耗電約占油田總用電量的80%，占油氣生產(chǎn)用電量的95%。在各種生產(chǎn)裝置配備的各類異步電動(dòng)機(jī)，在考慮了生產(chǎn)工況的變化和啟動(dòng)容量的需要后，總體來說配備容量都大于實(shí)際輸出功率，平均負(fù)載率和平均運(yùn)行功率都較低，因此節(jié)電的潛力也非常巨大。 現(xiàn)階段對(duì)于異步電機(jī)節(jié)能降耗最有效的方法之一就是應(yīng)用高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)。變頻調(diào)速以其優(yōu)異的調(diào)速和起制動(dòng)性能，高效率、高功率因數(shù)和節(jié)電效果，廣泛的適用范圍及其它許多優(yōu)點(diǎn)而被國內(nèi)外公認(rèn)為最有發(fā)展前途的調(diào)速方式。 三、高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)節(jié)能分析 調(diào)速節(jié)能原理從二個(gè)方面來說明： 1、風(fēng)機(jī)水泵的節(jié)電原理就是用調(diào)速控制代替擋風(fēng)板或節(jié)流閥控制風(fēng)流量，這是一個(gè)節(jié)電的有效途徑。風(fēng)機(jī)的特性曲線如圖 1 所示。在用檔風(fēng)板控制額定風(fēng)量 Q1 =100% 輸出時(shí)，則軸功率 N1 與面積 AH1 OQ1 成正比，若風(fēng)量減半 Q2 =50% 輸出時(shí)，則軸功率 N2 與面積 BH2 OQ2 成正比，它比 N1 減少不多，這是因?yàn)樾枰朔n風(fēng)板阻力增大風(fēng)壓所致。如果采用調(diào)速控制同樣風(fēng)量減半輸出時(shí)，轉(zhuǎn)數(shù)由 n1 降至 n2 ，按風(fēng)機(jī)參數(shù)比例定律畫出 n2 時(shí)的特性曲線， C 點(diǎn)為新的工礦點(diǎn)，這時(shí)軸功率 N2 與面積 CH3OQ2 成正比，在滿足同樣風(fēng)量 Q2 情況下，軸功能降低很多，節(jié)省的功率耗損△ N 與面積 BH2H3C 成正比，可見節(jié)電效果十分顯著。 2、流體力學(xué)的觀點(diǎn) 流量 ∝ 轉(zhuǎn)速 壓力 ∝轉(zhuǎn)速︿2 軸功率∝轉(zhuǎn)速︿3 若轉(zhuǎn)速下降 20%，則功率下降到51.2% 若轉(zhuǎn)速下降 50%，則軸功率下降到12.5% 即使考慮調(diào)速裝置本身的損耗等因素，節(jié)電也是相當(dāng)可觀的。 四、一種新型的移相級(jí)聯(lián)式高壓變頻器 一種新型的移相級(jí)聯(lián)式高壓變頻器在北京新電創(chuàng)拓科技有限公司投入批量生產(chǎn)，這種被命名為Diamond-HV系列的高壓變頻器是由新電創(chuàng)拓公司和德國技術(shù)專家合作開發(fā)成功的。它采用HV-IGBT元件、全橋級(jí)聯(lián)式多電平逆變技術(shù)、多重化輸出和模塊化設(shè)計(jì)方案，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、安全可靠、無湝波污染和可直接驅(qū)動(dòng)普通異步電動(dòng)機(jī)等特點(diǎn)?，F(xiàn)將這種高壓變頻器簡(jiǎn)介如下： 1、系統(tǒng)結(jié)構(gòu) Diamond-HV系列高壓變頻器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，由移相變壓器、功率單元和控制器組成。 Diamond-HV系列變頻器（標(biāo)準(zhǔn)配置） 移相級(jí)聯(lián)式高壓變頻器采用3個(gè)獨(dú)立功率單元串聯(lián)的方式來實(shí)現(xiàn)高壓輸出，其原理如圖2所示。電網(wǎng)電壓經(jīng)過二次側(cè)多重化的隔離變壓器降壓后給功率單元供電，功率單元為三組輸入、單組輸出的交—直—交SPWM電壓源型逆變器結(jié)構(gòu)，如圖3所示。將相鄰功率單元的輸出端串聯(lián)起來，形成Y聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)變壓變頻的高壓直接輸出，供給高壓電動(dòng)機(jī)。每個(gè)功率單元分別由輸入變壓器的一組二次繞組供電，功率單元之間及變壓器二次繞組之間相互絕緣。 以額定輸出電壓為6KV的變頻器為例，每相由3個(gè)額定電壓為1275V的功率單元串聯(lián)而成，輸出組電壓最高可達(dá)3825V，線電壓可達(dá)6600V左右，每個(gè)功率單元承受全部的輸出電流，但只提供1/3的相電壓和1/9的輸出功率。這樣設(shè)計(jì)，單元的電壓等級(jí)和串聯(lián)數(shù)量決定變頻器輸出電壓，單元的額定電流決定變頻器輸出電流。由于不是采用傳統(tǒng)的器件串聯(lián)的方式來實(shí)現(xiàn)高壓輸出，而是采用整個(gè)功率單元串聯(lián)，所以不存在功率器件串聯(lián)引起的動(dòng)態(tài)均壓?jiǎn)栴}。單元內(nèi)采用3300V的HV-IGBT，以達(dá)到在滿足輸入、輸出波形質(zhì)量要求的前提下，盡量減少每組串聯(lián)單元的個(gè)數(shù)，降低成本，提高可靠性。 輸入變壓器采用多重化設(shè)計(jì)，以達(dá)到降低輸入諧波電流的目的。變壓器的9個(gè)二次繞組，采用延邊三角形聯(lián)結(jié)。分為3個(gè)不同相位，互差200電角度，形成18脈波的二極管整流電路結(jié)構(gòu)，所以理論上17次以下的諧波都可以消除，輸入電流波形接近正弦波，總的諧波電流失真低于3%。在變壓器二次繞組分配時(shí)，組成同一相位組的每三個(gè)二次繞組，分別給分屬于電動(dòng)機(jī)三相的功率單元供電。這樣，即使在電動(dòng)機(jī)電流出現(xiàn)不平衡的情況下，也能保證各相位組的電流基本相同，達(dá)到理想的諧波抵消效果。這種變頻器不加任何諧波濾波器就可以滿足供電部門對(duì)輸入電流諧波失真的要求。由于采用二極管整流的電壓源型結(jié)構(gòu)，電動(dòng)機(jī)所需的無功功率可由濾波電容提供，所以輸入功率因數(shù)較高，基本可保持在0.96以上，不必采用功率因數(shù)補(bǔ)償裝置。 [align=center] [/align] 由于采用二極管不可控整流電路結(jié)構(gòu)，所以變頻器對(duì)浪涌電壓的承受能力較強(qiáng)。雷擊或開關(guān)操作引起的浪涌電壓可以經(jīng)過變壓器產(chǎn)生浪涌電流，經(jīng)過功率單元的整流二極管給濾波電容充電，濾波電容足以吸收進(jìn)入到單元內(nèi)的浪涌能量。 3、移相SPWM輸出技術(shù) 逆變器輸出采用多電平移相式SPWM技術(shù)，同一組功率單元輸出相同幅值和相位的基波電壓，但串聯(lián)各單元的載波之間互相錯(cuò)開1200電角度，實(shí)現(xiàn)多電平移相SPWM，輸出電壓非常接近正弦波，輸出波形如圖5所示。功率單元采用較低的開關(guān)頻率，以降低開關(guān)損耗，且可以不用浪涌吸收電路，提高變頻器效率。由于采取多電平移相式SPWM，等效輸出開關(guān)頻率很高，且輸出電平數(shù)增加，可大大改善輸出波形，降低輸出諧波，輸出電壓湝波含量低于2.33%。同時(shí)，諧波引起的電動(dòng)機(jī)發(fā)熱、噪聲和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)也大大降低。對(duì)脈動(dòng)電壓波來講，當(dāng)輸出電纜長度超過臨界值時(shí)，運(yùn)行波反射引起的過電壓會(huì)造成電動(dòng)機(jī)的絕緣損壞。由于Diamond-HV系列高壓變頻器的輸出du/dt較低，每個(gè)電平臺(tái)階只有單元直流母線電壓大小，運(yùn)行中不會(huì)對(duì)電動(dòng)機(jī)絕緣構(gòu)成威脅，所以對(duì)變頻輸出與電動(dòng)機(jī)之間的電纜長度沒有特殊限制。 4、接口與通訊 功率單元與主控系統(tǒng)之間通過光纖進(jìn)行通訊技術(shù)，低壓部分和高壓部分完全可靠隔離，特別值得一提的是，與其他廠家單元串聯(lián)高壓變頻器不同，Diamond-HV高壓變頻器的單元外殼是安全接地的，系統(tǒng)具有極高的安全性，同時(shí)具有很好的抗電磁干擾性能。功率單元采用模塊化結(jié)構(gòu)，所有的功率單元可以互換，以便于維修，每個(gè)單元只有3個(gè)輸入、2個(gè)輸出電氣連接端和四組光纖插頭與控制系統(tǒng)連接。 Diamond-HV高壓變頻器采用功率單元自動(dòng)旁路技術(shù)，這樣即使在個(gè)別功率單元損壞的情況下,也能降額繼續(xù)運(yùn)行，或采用冗余功率單元設(shè)計(jì)方案使變頻器滿載繼續(xù)運(yùn)行。 5、控制器 控制器核心由嵌入系統(tǒng)并行處理單元和光纖通訊接口組成。移相SPWM技術(shù)可以保證電機(jī)在各種頻率下都能達(dá)到最優(yōu)的運(yùn)行性能。全中文視窗監(jiān)控和操作界面使操作更加方便、可靠。工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)化控制。該類型高壓變頻器徹底摒棄了可靠性較差的工控機(jī)，取而代之的是超大規(guī)模集成電路的一體化設(shè)計(jì)，其運(yùn)行可靠性大大提高。 控制器還包括一臺(tái)內(nèi)置的PLC，用于柜體內(nèi)開關(guān)信號(hào)的邏輯處理，以及與現(xiàn)場(chǎng)各種操作信號(hào)和狀態(tài)信號(hào)的協(xié)調(diào)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性。 四、結(jié)束語 今天節(jié)能降耗工作日益成為人們關(guān)注的重點(diǎn)，油田企業(yè)擁有著巨大的節(jié)能潛力，而高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)在我國油田企業(yè)的節(jié)能降耗工作中也必將成為強(qiáng)有力的工具。