一、背景介紹

目前，在我國電源結(jié)構(gòu)中，火電裝機(jī)容量占74%，發(fā)電量占80%；因此火電機(jī)組及其輔機(jī)設(shè)備的節(jié)能改造工作是非常重要的?；痣姀S中的各類輔機(jī)設(shè)備中，風(fēng)機(jī)水泵類設(shè)備占了絕大部分，而在國民經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的當(dāng)代，火電機(jī)組調(diào)峰力度也隨之加大，這些機(jī)組的負(fù)荷變化范圍很大，必須實時調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)水泵的流量，蘊藏著巨大的節(jié)能潛力。目前調(diào)節(jié)流量的方式多為節(jié)流閥調(diào)節(jié)，他并不能大范圍調(diào)節(jié)電動機(jī)的輸出功率，所以浪費了大量的能源。隨著世界能源危機(jī)影響范圍越來越廣，人們對節(jié)約能源的意識也越來越強，我國在電力行業(yè)的改革為適應(yīng)新形勢逐步的深化。降低發(fā)電成本提高單位能耗的發(fā)電量，已成為各火電廠努力追求的經(jīng)濟(jì)目標(biāo)，要求也越來越迫切。而采用變速調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)和泵類達(dá)到節(jié)能目的，已成為共識。 另外，交流高壓電機(jī)的直接起動會產(chǎn)生巨大的電流沖擊和轉(zhuǎn)矩沖擊，在很短的起動過程中，轉(zhuǎn)子籠型繞組及阻尼繞組將承受很高的熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力，致使籠條的端環(huán)斷裂。而且能造成定子繞組絕緣的機(jī)械損傷和磨損，從而導(dǎo)致定子繞組絕緣擊穿。直接起動時的大電流還會引起鐵芯振動，使鐵芯松馳，引起電機(jī)發(fā)熱增加。由于變頻器可以做到起動轉(zhuǎn)矩高且平滑無沖擊，對延長電動機(jī)的使用壽命，減少對電網(wǎng)的沖擊，保證機(jī)組正常運行是很有必要的。還有現(xiàn)在電廠的自動化程度不斷提高，運行工藝對輔機(jī)設(shè)備的控制性能的改善也是十分迫切的，例如在燃料控制系統(tǒng)中，采用精確度很高的變頻調(diào)速可以大幅度地改善爐內(nèi)的燃燒工況，從而節(jié)煤、節(jié)水，并可節(jié)省這些物料的運輸，處理能量等。有更精準(zhǔn)的設(shè)備是必然會出現(xiàn)更優(yōu)良的工藝，從而生產(chǎn)效率，這已不再簡單地局限在節(jié)能的范疇。   

二、項目概況

2.1工程名稱：電廠二期1×660MW工程

工程規(guī)模：規(guī)劃容量為3260MW，一期工程已建設(shè)1臺600MW超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組，本        期工程擴(kuò)建1臺660MW超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組，并同步建設(shè)煙氣脫硫、脫硝裝置。遠(yuǎn)景留有再擴(kuò)建2×1000MW機(jī)組的條件。機(jī)組類型及年利用小時：國產(chǎn)660MW超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組，機(jī)組年利用小時數(shù)為5500小時。

2.2工藝介紹

2.2.1燃煤電廠工藝流程

圖1 燃煤電廠工藝流程圖

燃煤電廠主要包括以下四個系統(tǒng)：

2.2.2燃煤電廠汽水系統(tǒng)基本流程及組成

圖2 燃煤電廠水汽系統(tǒng)基本流程及組成圖

過熱蒸汽——〉主蒸汽管道——〉汽輪機(jī)（沖動汽輪機(jī)葉片轉(zhuǎn)動，帶動發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生電能，自身溫度、壓力下降）——〉凝汽器（被冷卻水/循環(huán)水冷卻）——〉凝結(jié)水匯集在凝汽器中的熱水井中——〉經(jīng)凝結(jié)水泵打至低壓加熱器中加熱——〉由除氧器除氧并繼續(xù)加熱成為鍋爐給水——〉經(jīng)給水泵升壓和高壓加熱器加熱后送入鍋爐汽包

2.2.3凝結(jié)水泵工藝介紹

圖3 凝結(jié)水泵工藝流程圖

凝汽器冷卻凝結(jié)之后，集中在熱水井中，這時凝結(jié)水泵的作用是把凝結(jié)水及時地送往除氧器中。維持凝結(jié)水泵連續(xù)、穩(wěn)定運行是保持電廠安全、經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)地一個重要方面。監(jiān)視、調(diào)整凝汽器內(nèi)的水位是凝結(jié)水泵運行中的一項主要工作。在正常運行狀態(tài)下，凝汽器內(nèi)的水位不能過高或過低。當(dāng)機(jī)組負(fù)荷升高時，凝結(jié)水量增加，凝汽器內(nèi)的水位相應(yīng)上升。當(dāng)機(jī)組負(fù)荷降低時，凝汽器內(nèi)水位相應(yīng)降低。國投宣城電廠凝結(jié)泵電機(jī)為6KV/2000KW電機(jī)，設(shè)計時有較大裕量，每臺機(jī)組配備二臺凝結(jié)泵，一臺變頻運行，一臺工頻運行或備用，為安全起見要求變頻器一旦出現(xiàn)故障，即可馬上停機(jī)，斷開進(jìn)出線真空接觸器，將變頻裝置隔離，再閉合旁路真空接觸器，在工頻電源下起動電機(jī)運行。當(dāng)管道壓力不夠時，在DCS側(cè)聯(lián)起備用凝結(jié)泵。

2.3 HD92系統(tǒng)工作原理

圖4 系統(tǒng)拓?fù)鋱D

主電路拓?fù)湓恚弘娋W(wǎng)電壓經(jīng)主變壓器隔離移相后為功率單元供電，每個功率單元為一個單相交-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機(jī)供電。主變壓器采用移相整流方式，輸入功率因數(shù)高，輸入電壓電流諧波小。滿足IEEE519-1992和GB/T 14549-93對電壓和電流最嚴(yán)格的諧波失真要求。無需任何功因補償和諧波抑制裝置。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，無須加輸出濾器。電動機(jī)諧波損耗小，轉(zhuǎn)矩脈動小，無明顯電動機(jī)噪聲。電動機(jī)不需降額使用。輸出dV/dt和共模電壓小，對電動機(jī)無附加電應(yīng)力損害。

2.4應(yīng)用現(xiàn)場電機(jī)參數(shù)及變頻器選型

2.4.1電機(jī)參數(shù)

2.4.2高壓變頻器選型

匯川介紹結(jié)合該現(xiàn)場自身電機(jī)參數(shù)以及匯川HD92系列高壓變頻器的產(chǎn)品優(yōu)勢，具體選型如下：HD92-F060/2500-DB.。

兩臺變頻器均增加了非對稱機(jī)械旁路技術(shù)。

DCS與變頻器之間采用硬線連接方式，通過4~20mA模擬量信號調(diào)速，驅(qū)動電機(jī)在0~50Hz范圍內(nèi)運行。具體接口信息如下圖所示：

圖5 端口通信圖

變頻器采用三線式控制模式，通過DI9、DI10兩個端口分別控制變頻器啟動、停止，頻率給定采用4~20mA模擬量信號，對應(yīng)變頻器輸出頻率0~50Hz； 

與高壓開關(guān)柜聯(lián)鎖信號：

1）合閘允許：常開接點，閉合有效，此信號串聯(lián)在供電高壓開關(guān)柜的合閘回路中，當(dāng)變頻器自檢完成或系統(tǒng)處于工頻狀態(tài)時，信號閉合，允許用戶合高壓電；

2）高壓跳閘：常閉接點，斷開有效，此信號并聯(lián)在供電高壓開關(guān)柜的分閘回路上，當(dāng)變頻器發(fā)生重故障或急停信號有效時，分?jǐn)嘤脩舾邏弘姡?/span>

變頻器DO信號：

以上輸出信號全部為獨立無源干接點，默認(rèn)為常開接點，閉合有效，容量大小為220V AC 5A。

以上輸入信號僅需客戶提供獨立無源干接點，脈沖信號，除急停外，其它信號均默認(rèn)為常開接點，閉合有效；

變頻器AI信號：

變頻器AO信號：

2.5一次系統(tǒng)方案

圖6：一次系統(tǒng)方案圖

變頻裝置可以變頻/工頻啟動電動機(jī)，正常啟動按變頻方式、事故啟動按工頻方式啟動電動機(jī)。變頻調(diào)速采用一拖一方式配置。6kV電源經(jīng)變頻裝置高壓隔離刀閘QS1、接觸器KM1到高壓變頻裝置，變頻裝置輸出經(jīng)輸出經(jīng)接觸器KM2、隔離刀閘QS2至電動機(jī)；6kV電源還可經(jīng)旁路接觸器KM3直接起動電動機(jī)。一旦工作的變頻器出現(xiàn)故障，即可以自動切除故障變頻器，同時在DCS系統(tǒng)中自動啟動備用電動機(jī)（工頻運行）。隔離刀閘與接觸器、接觸器與接觸器之間具有電氣閉鎖，防止發(fā)生誤操作。兩臺凝結(jié)水泵均為變頻/工頻啟動。兩臺凝結(jié)水泵互為備用。

三、匯川高壓變頻方案優(yōu)勢

1、先進(jìn)的異步電機(jī)磁鏈閉環(huán)矢量控制算法

HD92系列高壓變頻器具備獨有的磁鏈閉環(huán)矢量控制技術(shù)，基于電機(jī)d-q軸數(shù)學(xué)方程式解析，通過對電機(jī)的磁鏈、電流進(jìn)行解藕，完成對磁鏈、電流閉環(huán)控制。從矢量控制最基層的角度全面掌握電機(jī)運行曲線，實現(xiàn)了對電機(jī)的磁鏈閉環(huán)矢量控制?？刂扑惴驁D如下：

圖7：矢量控制算法框圖

這種矢量控制算法在保持較高動態(tài)性能的基礎(chǔ)上，克服了轉(zhuǎn)子電阻、電感參數(shù)對調(diào)速系統(tǒng)性能的影響。對電機(jī)轉(zhuǎn)速控制精度高，加速時電流環(huán)響應(yīng)快，低頻運行時轉(zhuǎn)矩響應(yīng)可達(dá)750rad/s，并且能夠?qū)崿F(xiàn)更高的節(jié)電效率。磁鏈閉環(huán)矢量控制算法解決了擠出機(jī)啟動轉(zhuǎn)矩大，加速大電流，穩(wěn)速精度高等高要求，保證了產(chǎn)線可靠運行。

2、可靠的非對稱機(jī)械旁路技術(shù)    

匯川HD92高壓變頻器功率單元采用兩電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，輸出采用機(jī)械旁路設(shè)計，整個功率單元由全橋整流、直流濾波、逆變?nèi)蟛糠纸M成，功率單元拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如下：

全橋整流    直流濾波    逆變輸 出（具備機(jī)械旁路功能）
圖8：功率單元拓?fù)鋱D

功率單元整體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為交一直一交三相整流/單相逆變輸出結(jié)構(gòu).整流側(cè)為二極管三相全橋整流，將輸入的三相交流整成直流，并通過電容器濾波。逆變側(cè)為IGBT模塊H橋單相逆變，通過對逆變橋進(jìn)行SPWM控制，得到正弦的單相交流輸出。其中每個單元均配備了機(jī)械旁路功能，同時采用非對稱旁路技術(shù)，可靠性與穩(wěn)定性大大提升。

圖9：非對稱旁路技術(shù)示意圖

如上圖所示，HD92系列高壓變頻器采用單元級聯(lián)方式，當(dāng)其中某個單元出現(xiàn)故障后，通過非對稱旁路技術(shù)可以使系統(tǒng)不停機(jī)運行。HD92的非對稱技術(shù)可以實現(xiàn)比傳統(tǒng)旁路方案更高的電壓輸出幅值，電壓輸出能力相比傳統(tǒng)方式最高能提高20%，這使得整個系統(tǒng)的可靠性大大提高。

3、柔和快速的飛車啟動功能

HD92系列高壓變頻器具備飛車啟動功能，能夠在未知電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度的狀況下啟動變頻器，變頻器自動進(jìn)行頻率搜索，直至搜索到與電機(jī)實時旋轉(zhuǎn)頻率相符的頻率，此時變頻器輸出相應(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擠出機(jī)生產(chǎn)的影響以及對電網(wǎng)的沖擊，避免了膠料因意外停機(jī)凝固在螺桿中的情況。現(xiàn)場調(diào)測時的波形圖如下。

圖10：飛車啟動波形圖

四、現(xiàn)場應(yīng)用圖片

圖11：變頻器現(xiàn)場應(yīng)用圖

圖12：場負(fù)載圖片

五、結(jié)束語

隨著大型機(jī)組參與調(diào)峰的增多，越來越多的輔機(jī)需要進(jìn)行調(diào)速改造，以適應(yīng)競爭的需求。這次在600MW以上大機(jī)組應(yīng)用高壓變頻器進(jìn)行調(diào)速改造的成功，為今后600MW以上機(jī)組應(yīng)用高壓變頻器進(jìn)行改造提供了良好的成功應(yīng)用經(jīng)驗，為2000kW以上主輔機(jī)設(shè)備的改造提供了廣闊的應(yīng)用前景。

 匯川技術(shù)有限公司依托多年的自動化行業(yè)的應(yīng)用經(jīng)驗，對電力行業(yè)的變頻改造具有獨到的方案解決能力。匯川技術(shù)有限公司生產(chǎn)的高壓變頻器為采用矢量控制技術(shù)的高性能變頻器，產(chǎn)品適用于冶金、電力、化工、市政等多個應(yīng)用領(lǐng)域。