1.引言

大唐七臺(tái)河發(fā)電有限責(zé)任公司隸屬于大唐黑龍江發(fā)電有限公司，總裝機(jī)容量1900MW。其中，一期工程建設(shè)規(guī)模為兩臺(tái)350MW機(jī)組，為國產(chǎn)亞臨界水冷燃煤凝汽機(jī)組。

2.電廠發(fā)電工藝介紹

大唐七臺(tái)河電廠為凝汽式燃煤坑口電廠，鍋爐采用煤粉爐，鍋爐燃燒方式是采用把煤磨細(xì)成煤粉，用空氣吹入爐膛燃燒的方式。由于燃燒的是粉末對(duì)鍋爐磨損較小，所以比循環(huán)流化床鍋爐好控制，給鍋爐加壓或降壓的時(shí)候反應(yīng)時(shí)間比循環(huán)流化床快。采用凝汽式汽輪機(jī)提高了汽輪機(jī)的熱效率，減少汽輪機(jī)排汽缸的直徑尺寸，將做過部分功的蒸汽從汽輪機(jī)內(nèi)抽出來，送入回?zé)峒訜崞?，用以加熱鍋爐給水。

鍋爐燃燒的具體的過程是，煤斗中的原煤要先送至球磨機(jī)內(nèi)磨成煤粉。經(jīng)過空預(yù)器加熱后的一次風(fēng)機(jī)的熱空氣吹入球磨機(jī)攜帶煤粉送入鍋爐的爐膛內(nèi)燃燒，同時(shí)送風(fēng)機(jī)的空氣經(jīng)過空預(yù)器加熱后和煤粉混合使燃燒更加充分。煤粉燃燒后形成的熱煙氣沿鍋爐的水平煙道和尾部煙道流動(dòng)，放出熱量，最后進(jìn)入除塵器，除塵器將燃燒后的煤灰分離出來。潔凈的煙氣在引風(fēng)機(jī)的作用下通過煙囪排入大氣。助燃用的空氣由送風(fēng)機(jī)送入裝設(shè)在尾部煙道上的空氣預(yù)熱器內(nèi)，利用熱煙氣加熱空氣。這樣，一方面使進(jìn)入鍋爐的空氣溫度提高，易于煤粉的著火和燃燒，另一方面也可以降低排煙溫度，提高熱能的利用率。從空氣預(yù)熱器排出的熱空氣分為兩股：一股去磨煤機(jī)干燥和輸送煤粉，另一股直接送入爐膛助燃。燃煤燃盡的灰渣落入爐膛下面的渣斗內(nèi)，與從除塵器分離出的細(xì)灰一起用水沖至灰漿泵房內(nèi)，再由灰漿泵送至灰場。一次風(fēng)和和送風(fēng)機(jī)工藝流程圖如下圖1所示，發(fā)電流程圖如下圖2所示。

圖1  一次風(fēng)和和送風(fēng)機(jī)工藝流程圖

圖2   發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)圖

一次風(fēng)機(jī)、送風(fēng)機(jī)是發(fā)電機(jī)組運(yùn)行中的關(guān)鍵設(shè)備，如若發(fā)生故障，不能快速恢復(fù)，整機(jī)停機(jī)后將會(huì)導(dǎo)致整個(gè)發(fā)電機(jī)組跳機(jī)的事故。整個(gè)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行在自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)下，如果一次風(fēng)或者送風(fēng)量發(fā)生變化，DCS系統(tǒng)會(huì)同時(shí)自動(dòng)改變給煤量和送風(fēng)量和其他變量，可能會(huì)導(dǎo)致鍋爐滅火，發(fā)電機(jī)組跳機(jī)事故，即使配備整機(jī)自動(dòng)旁路，上切到工頻后，因?yàn)轱L(fēng)量突然變大，而風(fēng)門又不能及時(shí)關(guān)小，同樣可能會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)組跳機(jī)事故，所以要求高壓變頻器有較高的運(yùn)行穩(wěn)定型。一次風(fēng)機(jī)、送風(fēng)機(jī)系統(tǒng)同時(shí)也是發(fā)電系統(tǒng)中耗電量較大的設(shè)備，風(fēng)機(jī)變頻改造后，實(shí)現(xiàn)了良好的節(jié)能效益和安全可靠的運(yùn)行，減少了電機(jī)風(fēng)機(jī)設(shè)備維護(hù)量，變頻運(yùn)行的節(jié)電率在20%以上。隨著火電機(jī)組調(diào)峰力度加大，機(jī)組的負(fù)荷變化范圍也會(huì)很大，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的流量，蘊(yùn)藏著巨大的節(jié)能潛力。

3.項(xiàng)目概況

大唐七臺(tái)河發(fā)電有限責(zé)任公司一二期工程建設(shè)規(guī)模為兩臺(tái)350MW機(jī)組，每套發(fā)電機(jī)組一次風(fēng)機(jī)：6kV/1400kW×2；送風(fēng)機(jī)：6kV/850kW×2，均采用通過調(diào)節(jié)風(fēng)門開度即用擋板的形式來調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的風(fēng)量。

調(diào)節(jié)風(fēng)門開度的調(diào)節(jié)方式很致命的缺點(diǎn)就是能量浪費(fèi)多，無法根據(jù)工況變化準(zhǔn)確調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，不管負(fù)荷如何變化，電機(jī)均維持在最高轉(zhuǎn)速運(yùn)行，大量的能量浪費(fèi)在了管阻上，浪費(fèi)電量很嚴(yán)重。而根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)，可以知道通過調(diào)節(jié)電源頻率f可以達(dá)到調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，即調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，以這種方式就能夠在不改變管阻特性的情況下來調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的流量，這種方式有很大的節(jié)能空間。

4.變頻系統(tǒng)方案

（1） 現(xiàn)場電機(jī)參數(shù)

（2）風(fēng)機(jī)參數(shù)

（3）高壓變頻器選型

根據(jù)現(xiàn)場電機(jī)參數(shù)及實(shí)際運(yùn)行需求，對(duì)高壓變頻器進(jìn)行如下選型：

(4)  方案介紹

七臺(tái)河大唐電廠一次風(fēng)機(jī)及送風(fēng)機(jī)均采用匯川技術(shù)生產(chǎn)的HD9x系列高壓變頻器，采用手動(dòng)一拖一方案控制。變頻調(diào)速系統(tǒng)接入電廠現(xiàn)有的DCS系統(tǒng)，DCS根據(jù)生產(chǎn)的負(fù)荷情況，對(duì)風(fēng)機(jī)風(fēng)量進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，并且對(duì)4臺(tái)高壓變頻器運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行集中監(jiān)控。

現(xiàn)場的兩臺(tái)一次風(fēng)機(jī)配備整機(jī)旁路，兩臺(tái)送風(fēng)機(jī)變頻器配備單元旁路功能，單元旁路采用機(jī)械接觸器方式進(jìn)行，能夠保證在單元出現(xiàn)故障的情況下，將故障單元旁路掉，不影響整機(jī)的運(yùn)行，具有非對(duì)稱旁路技術(shù)，即使在單元旁路的情況下也能保證高電壓輸出能力，以滿足大部分工況需求。

1400kW一次風(fēng)機(jī)和850kW送風(fēng)機(jī)旁路柜均采用一拖一手動(dòng)切換方案。變頻器進(jìn)、出線端增加了2把隔離刀閘，工頻回路1把刀閘，以便在變頻器退出，電機(jī)運(yùn)行于工頻時(shí)，能安全地進(jìn)行變頻器的故障處理或維護(hù)工作。其主回路如下圖所示：

圖 3 電氣原理圖

QS1、QS2、QS3為3個(gè)隔離刀閘，QS1、QS2處于變頻運(yùn)行回路上，QS3為用戶工頻回路隔離刀閘。QS2與QS3采用機(jī)械和電氣互鎖，確保不向變頻器輸出端反送電。當(dāng)變頻運(yùn)行時(shí)，QS1、QS2閉合，QS3斷開，合QF1電機(jī)變頻運(yùn)行；斷開QS1、QS2，合上QS3，合QF1，電機(jī)工頻運(yùn)行。這是高壓變頻器工變頻手動(dòng)切換的典型應(yīng)用。

集控DCS給定模擬信號(hào)控制變頻器輸出頻率，變頻器作為DCS的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，即使發(fā)生模擬信號(hào)給定掉線或短路時(shí)，變頻器不僅可以提供報(bào)警信號(hào)，也可以同時(shí)保持原有輸出頻率不變。

高壓變頻器與DCS系統(tǒng)有較好的接口能力，其控制部分由高速DSP+RAM+FPGA作為核心的處理器共同構(gòu)成。DSP實(shí)現(xiàn)矢量控制算法和功率單元的保護(hù)。人機(jī)界面提供友好的全中文監(jiān)控界面，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)化控制。DCS系統(tǒng)與高壓變頻器之間的信號(hào)開關(guān)量15個(gè)，模擬量3個(gè)，共有18個(gè)；DCS系統(tǒng)與旁路柜之間的信號(hào)3個(gè)，均為開關(guān)量信號(hào)。

5、HD9X高壓變頻器基本原理與優(yōu)勢(shì)

5.1 HD9X系統(tǒng)工作原理

電網(wǎng)電壓經(jīng)主變壓器隔離移相后為每個(gè)功率單元供電，每個(gè)功率單元為一個(gè)單相交-直-交電壓型逆變器，單元串聯(lián)星接后形成三相變頻電源給高壓電動(dòng)機(jī)供電。根據(jù)串聯(lián)單元級(jí)數(shù)的不同，產(chǎn)品分為3kV、6kV、10kV三個(gè)系列。變頻器輸出采用多重化PWM技術(shù)，輸出為近乎完美的正弦波，無須加輸出濾波器。變頻運(yùn)行后電動(dòng)機(jī)諧波損耗小，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小，無明顯電動(dòng)機(jī)噪聲。電動(dòng)機(jī)不需降額使用。輸出dV/dt和共模電壓小，對(duì)電動(dòng)機(jī)無附加電應(yīng)力損害。

隔離變壓器為三相干式整流變壓器，采用強(qiáng)迫風(fēng)冷降溫，有使用壽命長、免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。移相變壓器原邊輸入為3KV,6KV,10KV 的Y接形式；副邊繞組數(shù)量根據(jù)變頻器電壓等級(jí)確定。6kV系列為18個(gè)副邊繞組，為延邊三角形接法，為每個(gè)功率單元提供三相690V電源輸入。

移相變壓器的移相繞組最大限度的抑制輸入側(cè)諧波含量，同一相的副邊繞組通過延邊三角形接法移相，繞組間的相位差由下式計(jì)算：

移相角度= 60°/每相單元數(shù)量

因?yàn)闉楣β蕟卧峁╇娫吹淖儔浩鞲边吚@組間有一定的相位差，所以從而消除了大部分由單個(gè)功率單元所引起的諧波電流，滿足IEEE519-1992和GB/T 14549-93對(duì)電壓和電流最嚴(yán)格的諧波失真要求。無需任何功因數(shù)補(bǔ)償和諧波抑制裝置。并且能保持接近1的輸入功率因數(shù)。

HD90高壓變頻器采用功率單元串聯(lián)，疊波升壓，成熟的功率單元級(jí)聯(lián)技術(shù)，因而具有很高的可靠性。圖示為6kV系列典型主電路圖。

圖4  產(chǎn)品原理圖

5.2 功率單元原理

功率單元采用三相交流輸入，整流濾波后形成直流電壓，經(jīng)IGBT的H橋逆變后輸出脈寬調(diào)制（PWM）電壓。功率單元控制板由IGBT驅(qū)動(dòng)電路和監(jiān)測保護(hù)電路、光纖通信電路、單元旁路電路和控制電源組成。運(yùn)行中功率單元故障時(shí)，變頻器可將故障單元自動(dòng)旁路并繼續(xù)運(yùn)行，等情況允許時(shí)再停機(jī)排除故障。(其中單元旁路功能為選配，用戶可根據(jù)實(shí)際需要選擇)

5.3 HD9X技術(shù)特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)

匯川公司HD9X系列高壓變頻器為完美無諧波型高壓變頻器，采用功率單元級(jí)聯(lián)式技術(shù)路線，矢量控制高壓變頻器，控制核心采用DSP+ARM+FPGA組成，指令在納秒級(jí)完成，因此控制波形和逆變波形可以實(shí)時(shí)校驗(yàn)。具有國際領(lǐng)先的技術(shù)！ 

公司所有高壓產(chǎn)品均進(jìn)行滿載48小時(shí)測試，除一些保護(hù)功能外，磁鏈閉環(huán)矢量控制技術(shù)、高頻技術(shù)、快速疊頻技術(shù)、Syn-transfer技術(shù)、非對(duì)稱旁路技術(shù)、雙路控制電源等功能，這些功能技術(shù)上處于國內(nèi)領(lǐng)先水平（注：部分功能為選配）。

公司的電力電子，自動(dòng)控制和計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域具有理論水平和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的優(yōu)秀科研隊(duì)伍，長期致力于電力電子領(lǐng)域各類產(chǎn)品的開發(fā)研制，對(duì)于關(guān)系產(chǎn)品質(zhì)量的生產(chǎn)工藝也作了大量的完善和改進(jìn)，如：其中層疊直流母線的制作工藝保證了直流母線的分布電感最小，有效抑制了功率器件在開關(guān)過程中的di/dt電壓尖峰；高密度FPGA貼片工藝保證了控制器在惡劣環(huán)境下能夠長期穩(wěn)定運(yùn)行；整流橋、功率器件和電解電容的安裝工藝使整個(gè)系統(tǒng)的離散性達(dá)到最小，保證質(zhì)量和性能的高度一致性。為保障質(zhì)量和效率，公司還研制了各類具有特色的和方便使用的工藝調(diào)試工裝，建全了相應(yīng)的質(zhì)量管理體系。

優(yōu)勢(shì)分析主要由以下兩方面簡述：產(chǎn)品性能優(yōu)勢(shì)、公司試驗(yàn)檢測平臺(tái)。

5.4產(chǎn)品性能優(yōu)勢(shì)     

1.矢量控制技術(shù)

HD9X系列高壓變頻器具備通用矢量控制技術(shù)，基于電機(jī)d-q軸數(shù)學(xué)方程式解析，對(duì)電機(jī)定子電流解耦成勵(lì)磁分量電流和轉(zhuǎn)矩分量電流，并分別加以控制，以達(dá)到模擬自然解耦的直流電動(dòng)機(jī)的控制效果。

2.非對(duì)稱旁路技術(shù)

HD90系列高壓變頻器采用單元級(jí)聯(lián)方式，當(dāng)其中某個(gè)單元出現(xiàn)故障后，在單元配備旁路功能的情況下，通過非對(duì)稱旁路技術(shù)可以使系統(tǒng)不停機(jī)運(yùn)行。HD90的非對(duì)稱技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)比傳統(tǒng)旁路方案更高的電壓輸出幅值。

3.飛車啟動(dòng)功能

HD90系列高壓變頻器具備飛車啟動(dòng)功能，能夠在未知電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度的狀況下啟動(dòng)變頻器，變頻器自動(dòng)進(jìn)行頻率搜索，直至搜索到與電機(jī)實(shí)時(shí)旋轉(zhuǎn)頻率相符的頻率，此時(shí)變頻器輸出相應(yīng)頻率，并控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)至指定頻率，此技術(shù)能有效減少瞬間停電對(duì)生產(chǎn)的影響以及對(duì)電網(wǎng)的沖擊。

圖5 飛車啟動(dòng)

4.雙路控制電源  

HD90控制系統(tǒng)采用雙電源供電，控制電源失電后可正常工作；一路由用戶提供，一路由高壓變壓器繞組降到380v。兩路電源切換電路采用儲(chǔ)能電容，保證切換時(shí)平滑無擾動(dòng)。

5.來電自啟動(dòng)功能

電網(wǎng)瞬間跌落或波動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)可保證瞬間失電不跳閘，且在失電后5個(gè)周期內(nèi)變頻器運(yùn)行不受影響，超過5個(gè)周期變頻器自動(dòng)降額運(yùn)行，失電超過9s后變頻器停機(jī)，連續(xù)生產(chǎn)提高系統(tǒng)生產(chǎn)效率。

圖6 來電自啟動(dòng)

6.高可靠性器件

核心器件IGBT、整流二極管、高品質(zhì)電容、主控制芯片ARM、DSP、FPGA等均選用高品質(zhì)器件，保證了運(yùn)行的高可靠性，生命周期長。

7.遠(yuǎn)程監(jiān)視方案

在無線通訊模式中，通過2G/3G技術(shù)的支持，數(shù)據(jù)中心可以24小時(shí)對(duì)工藝運(yùn)行過程中變頻調(diào)速系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、監(jiān)控。具有以下優(yōu)勢(shì)：故障報(bào)警及時(shí)，安全系數(shù)高；減少了現(xiàn)場維護(hù)數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控的工作量：數(shù)據(jù)記錄準(zhǔn)確：網(wǎng)絡(luò)無線監(jiān)控，降低了客戶在OSI網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)物理層建設(shè)的投入。

圖7 遠(yuǎn)程監(jiān)視方案

8.公司試驗(yàn)檢測平臺(tái)

匯川研發(fā)的核心團(tuán)隊(duì)承擔(dān)了中國第一代矢量控制變頻器的研發(fā)工作，并使其實(shí)現(xiàn)了真正的產(chǎn)業(yè)化；蘇州、深圳的雙研發(fā)中心戰(zhàn)略聚攬全國各地的優(yōu)秀工程師；匯川擁有研發(fā)人員500名，有長期從事高壓電機(jī)調(diào)速研發(fā)團(tuán)隊(duì)；每年投入當(dāng)年銷售額的10%用于研發(fā)；公司現(xiàn)有產(chǎn)品試驗(yàn)檢測平臺(tái)有環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)室、EMC試驗(yàn)室、模塊老化試驗(yàn)室、IGBT試驗(yàn)中心、熱仿真試驗(yàn)平臺(tái)、先進(jìn)加工工藝有貼片加工工藝、全自動(dòng)三防漆工藝。

9.環(huán)境模擬試驗(yàn)室    

主要對(duì)高壓變頻器在高溫、低溫、鹽霧、潮濕、振動(dòng)等環(huán)境下的耐力進(jìn)行考核。

EMC試驗(yàn)室   

主要對(duì)高壓變頻器進(jìn)行快速脈沖群、靜電、浪涌、電壓跌落等項(xiàng)目進(jìn)行測試。

模塊老化試驗(yàn)室   

主要對(duì)高壓變頻器的功率單元進(jìn)行高溫滿電流運(yùn)行72小時(shí)老化試驗(yàn)。

IGBT試驗(yàn)中心   

主要測試IGBT性能。

熱仿真試驗(yàn)平臺(tái)   

主要仿真功率器件的溫升。

高壓滿載試驗(yàn)站  

擁有國內(nèi)領(lǐng)先的高壓變頻器專用多功能全電壓滿載試驗(yàn)平臺(tái)，同時(shí)還滿足低壓及中壓的全載試驗(yàn)需求，保證產(chǎn)品出廠前100%進(jìn)行高壓全載試驗(yàn)滿72小時(shí)。大大保證了產(chǎn)品在用戶端的質(zhì)量和穩(wěn)定性。

6. 匯川高壓變頻器在發(fā)電機(jī)風(fēng)機(jī)中的應(yīng)用中的主要問題與應(yīng)對(duì)措施

6.1降低設(shè)備損耗，延長設(shè)備使用壽命

異步電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)時(shí)啟動(dòng)電流一般達(dá)到電機(jī)額定電流的5-7倍，對(duì)廠用電源造成很大成沖擊，同時(shí)強(qiáng)大的沖擊轉(zhuǎn)矩對(duì)電機(jī)和風(fēng)機(jī)的使用壽命存在很大不利影響，變頻改造后，啟動(dòng)電流小于電機(jī)額定電流，對(duì)電機(jī)沒有任何損傷。

在此次高壓變頻系統(tǒng)改造中，變頻運(yùn)行后風(fēng)門全開。由于變頻運(yùn)行時(shí)，風(fēng)機(jī)效率曲線平行位移，風(fēng)機(jī)始終處于最佳效率區(qū)。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)所需的電功率有效降低。采用變頻調(diào)速后實(shí)現(xiàn)了對(duì)引風(fēng)機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速的線性調(diào)節(jié)，通過改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速使?fàn)t膛負(fù)壓、鍋爐氧量等指標(biāo)與引風(fēng)機(jī)風(fēng)量維持一定的關(guān)系，保證鍋爐處在最佳狀態(tài)。

6.2有效避免機(jī)械共振、風(fēng)機(jī)喘震

高壓大容量風(fēng)機(jī)應(yīng)用高壓變頻改造后，運(yùn)行工況發(fā)生了很大變化，在變頻運(yùn)行時(shí)可能會(huì)帶來機(jī)械共振，風(fēng)機(jī)喘震等問題。此次高壓變頻系統(tǒng)改造后，針對(duì)在變頻運(yùn)行時(shí)可能會(huì)帶來的機(jī)械共振，風(fēng)機(jī)喘震等問題。高壓變頻系統(tǒng)參數(shù)中設(shè)置了共振頻率跳躍點(diǎn)和下限頻率，設(shè)置 2對(duì)頻率跳轉(zhuǎn)點(diǎn)，使電機(jī)避開共振點(diǎn)運(yùn)行，風(fēng)機(jī)不發(fā)生喘震。通過現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行和測試來看，風(fēng)機(jī)沒有發(fā)生喘振現(xiàn)象。

7、變頻改造后設(shè)備應(yīng)用情況

圖8  應(yīng)用照片

圖9  現(xiàn)場運(yùn)行狀態(tài)照片

8.結(jié)束語

目前，電力行業(yè)的競爭非常激烈，關(guān)鍵還是發(fā)電成本的競爭。電動(dòng)機(jī)電耗占發(fā)電成本較大比例，因此做好電動(dòng)機(jī)的降耗增效工作就顯得尤為重要。匯川技術(shù)有限公司依托多年的自動(dòng)化行業(yè)的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，對(duì)電力行業(yè)的變頻改造具有獨(dú)到的方案解決能力。從350MW機(jī)組風(fēng)機(jī)變頻改造使用效果看，高壓變頻器系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，維護(hù)量小，節(jié)能效果顯著，為用戶的正常生產(chǎn)和節(jié)能降耗做出了貢獻(xiàn)。高壓變頻調(diào)速器節(jié)能技術(shù)目前已經(jīng)比較成熟，是電力廠節(jié)能改造的理想手段，具有很高的推廣價(jià)值。