摘 要 ：本文介紹了新一代高壓變頻器的原理和技術(shù)特點，以及在國電雙鴨山電廠灰漿泵變頻改造的技術(shù)方案、應(yīng)用情況和節(jié)能情況。

1  引言

    采用新型高壓大功率電力電子器件、直接“高-高”方式的高壓變頻器，具有體積小、效率高、結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠等特點。變頻器裝置采用不可控24脈沖移相整流和全控器件進行開關(guān)調(diào)制，具有很高的輸入側(cè)功率因數(shù)、優(yōu)良的調(diào)速性能和轉(zhuǎn)矩控制性能。高壓變頻器通過改變電動機運行頻率，在很寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)進行高效率的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，可以取得很好的節(jié)電效果，在風(fēng)機和水泵的節(jié)能改造上已經(jīng)得到廣泛驗證。
    國電雙鴨山發(fā)電廠3、4號機為210MW火電機組，和3、4號機組配備有6臺6kV/570kW灰漿泵電機，電機型號JS512-8，額定電流69A，額定轉(zhuǎn)速730r/min。其中，6#灰漿泵是二級泵，和5#灰漿泵配合使用。在安裝變頻器之前，6#灰漿泵是根據(jù)前池液面的高度決定啟、停電機。這樣就存在兩方面問題:一方面為了適應(yīng)生產(chǎn)工藝要求，需要每天根據(jù)前池液位和沖灰管的需要不斷切換、啟停電機，前池液位高度得不到很好控制，而且頻繁工頻啟動電機對電機造成很大沖擊; 另一方面存在節(jié)流損失，造成電能的浪費。為了進一步優(yōu)化灰漿泵運行工況，節(jié)省電能，所以對6#灰漿泵電機進行高壓變頻改造。
    6#灰漿泵電機在高壓變頻器改造之后，通過調(diào)整6#灰漿泵變頻器的運行頻率（電機轉(zhuǎn)速）來調(diào)整前池液面的高度，這樣5#灰漿泵可以一直在最佳效率下工頻運行，從而減少了操作6#灰漿泵開關(guān)的分合次數(shù)，減小了電機工頻啟動造成的沖擊，進一步優(yōu)化了生產(chǎn)工藝，并且節(jié)省了電能。

2  灰漿泵運行工藝和變頻改造技術(shù)方案

2.1 6#灰漿泵運行情況及變頻改造技術(shù)方案
（1） 在灰漿泵運行現(xiàn)場，變頻器到電機之間的高壓電纜經(jīng)常發(fā)生單相對地放電或單相直接接地的情況。在這種情況下，要保證不能損壞變頻器，并且變頻器要能發(fā)出報警停機信號以便現(xiàn)場人員及時處理。因此，要求變頻器輸出能承受單相接地的能力，相應(yīng)變頻器的輸出濾波器電容中性點不能直接接地，而是需要通過電容接地。
（2） 由于6#灰漿泵屬于二級泵，所以在啟動6#灰漿泵變頻器運行之前，5#一級灰漿泵通常已經(jīng)在運行，將會推動6#灰漿泵電機運轉(zhuǎn)，變頻器相當(dāng)于飛車啟動。所以變頻器啟動時需實時檢測電機運行頻率，根據(jù)該運行頻率帶動電機啟動。
（3） 6#灰漿泵變頻運行要求能對前池液位高度閉環(huán)控制，自動調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速。

（4） 由于灰漿泵運行時，在前池液位很低的時候有可能造成負(fù)荷過大甚至堵轉(zhuǎn)的情況，因此要求變頻器有過載能力以及過流保護措施。
    綜合上述因素，從目前國內(nèi)、外主要的兩種高壓變頻器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，選擇基于IGCT的三電平中性點箝位的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點:開關(guān)功率器件數(shù)少、IGCT開關(guān)電流大、過流能力強、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、適合負(fù)載沖擊較大的應(yīng)用場合。
    在控制方面，灰漿泵前池液位設(shè)置壓力式水位傳感器，將測量得到水位高度信號，變換為4～20mA標(biāo)準(zhǔn)信號，由電流環(huán)接口送給變頻器; 變頻器計算出當(dāng)前水位與控制水位之間的偏差，通過變頻器內(nèi)置的數(shù)字PID調(diào)節(jié)器改變變頻器的輸出頻率，調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速，進而控制灰漿泵前池液位的高度。
2.2 三電平中點箝位電路原理結(jié)構(gòu)圖
    基于IGCT的三電平中性點箝位的高壓變頻器結(jié)構(gòu)簡單，主體由整流器、逆變器和濾波器組成。如圖1所示，整流器采用24脈沖不控整流，由移相15°的24脈波移相整流變壓器和四重三相整流橋構(gòu)成，這樣可以滿足對輸入端的電流諧波要求。直流環(huán)節(jié)由共模電抗、IGCT保護及充電限流電阻和直流電容（C1、C2）構(gòu)成。

 

    三電平逆變器由di/dt吸收電路（由陽極電抗及嵌位電路組成）和12個IGCT組件構(gòu)成的三電平逆變橋組成。
    三電平結(jié)構(gòu)的變頻器需要拖動6kV電機，所以變頻器直流母線電壓需要10kV。實際運行時，兩個處于關(guān)斷狀態(tài)的功率組件需要承受10kV的電壓，這樣每個組件要承受5kV。在主開關(guān)功率器件IGCT工作耐壓只有4.5kV的條件下，需要采用兩只串聯(lián)的方式組成一個功率組件。

變頻器內(nèi)置輸出濾波器由三相濾波電抗（La、Lb、Lc）和三相濾波電容（Ca、Cb、Cc、Cn）構(gòu)成。濾波器使變頻器輸出到電機的電壓和電流波形更加接近正弦波，而不需要電動機降容使用。
高壓變頻器內(nèi)部采用無熔斷器結(jié)構(gòu)，電路的主保護主要由保護IGCT來實現(xiàn)，其動作時間在μs級。

2.3 新一代高壓變頻器控制系統(tǒng)的改進
    我公司第一代變頻器采用工控機進行信號處理，控制的實時性得不到保證。由于變頻器要采用優(yōu)化的PWM控制算法控制電機，需要主控系統(tǒng)控制器具有更高的運行速度和處理能力、更大的存儲器和外部信號處理端口、具備浮點運算的能力。因此，新一代的變頻器控制器選用浮點數(shù)字信號處理器DSP和大規(guī)模集成電路的FPGA相結(jié)合的方案，DSP主要負(fù)責(zé)采集的信息和運算處理，F(xiàn)PGA根據(jù)處理結(jié)果轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的控制脈沖，控制實時性大大提高。圖2是新一代高壓變頻器主控板的硬件框圖，它與第一代控制器相比，更能適應(yīng)高性能的矢量控制算法的要求。

 

3  II期6#灰漿泵高壓變頻器現(xiàn)場調(diào)試運行和節(jié)能分析

3.1 變頻器系統(tǒng)的控制調(diào)試
    灰漿泵的流量是根據(jù)機組的負(fù)荷大小和沖灰工藝需求控制的，水流量的變化較大，有時呈階梯狀特性，水位波動比較大。水位壓力式傳感器需要選擇合適的測量點，否則會因為水池內(nèi)水流因素和水面波動引起測量的不穩(wěn)定性。經(jīng)過現(xiàn)場測試，選擇了水流變化不大的靠池壁位置。經(jīng)過調(diào)試，建立了一個合適的模型和PID控制參數(shù)，通過閉環(huán)跟蹤水位變化，穩(wěn)定控制前池液面的高度，優(yōu)化了生產(chǎn)工藝。
    另外，變頻器還可以選擇運行在開環(huán)狀態(tài)，通過電廠DCS信號控制變頻器的輸出頻率。

3.2 變頻器節(jié)能分析

    II期6#灰漿泵進行變頻改造的一個重要原因是節(jié)約電能。電機變頻運行節(jié)能的原理在許多資料均有論述，這里不做討論。表1～2是通過II期6#灰漿泵的工頻旁路運行和變頻運行的實際數(shù)據(jù)來說明變頻的節(jié)能效果。

 

    根據(jù)以上數(shù)據(jù)，采用變頻運行后，24h可節(jié)約電量9380-6360=3020kWh。采用變頻器后節(jié)能32%。由以上實際運行數(shù)據(jù)可以看出:電機變頻運行不僅滿足了工藝要求，同時能節(jié)約大量電能。經(jīng)過幾個月的連續(xù)運行，II期6#灰漿泵的變頻改造后，節(jié)能效果顯著?；覞{泵屬于火電機組的公用設(shè)備，年運行時間長，可以為電廠節(jié)約15～30%左右的能源。

4  結(jié)束語

    雙鴨山電廠II期灰漿泵經(jīng)過變頻改造后，優(yōu)化了灰漿泵的運行狀況和生產(chǎn)工藝，更好地穩(wěn)定了前池液位的高度，實現(xiàn)了閉環(huán)自動控制，同時節(jié)約了大量電能，節(jié)能效果明顯。高壓變頻器的控制系統(tǒng)和控制技術(shù)發(fā)展很快，對電機更好性能的控制需要性能更高的主控系統(tǒng)平臺。雖然新一代控制系統(tǒng)的高壓變頻器首先運用到風(fēng)機、水泵的變頻驅(qū)動上，但它比以前更可靠、更能提高高壓變頻器的控制性能。