摘要：本文介紹了國產(chǎn)多電平高壓變頻器的原理及其在建設(shè)兵團奎屯電廠中的應(yīng)用情況，結(jié)果表明，對電廠循環(huán)泵設(shè)備進行變頻改造后，節(jié)能效果非常明顯，并提高了設(shè)備和系統(tǒng)的安全可靠性，改善了水泵和電機的使用壽命。

關(guān)鍵詞：高壓變頻器 節(jié)能

Application of High Voltage Inverter In KuiTun Thermal Power Plant of XinJiang Abstract: This paper describes the chief principle of high voltage inverter and introduces its application in KuiTun Thermal Power Plant of XinJiang. The result shows that the power plant can acquire obvious benefit by using high voltage inverter, such as saving a lot of energy, improving the reliability of the system, and the operating life of the water pump and motor. Keywords: High Voltage Inverter, Energy Saving

1 引言

隨著國民經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展，能源問題日益的突出，節(jié)能問題愈來愈受到重視。據(jù)統(tǒng)計，目前全國各類電機年耗電量約占全國總發(fā)電量的65%，而其中大功率風(fēng)機、泵類是年耗電量約占工業(yè)總耗電量的50%，最大限度地降低風(fēng)機、泵類等設(shè)備的耗電量對于節(jié)能具有重要意義。

建設(shè)兵團新疆奎屯電廠二廠裝機容量為2×250MW。在循環(huán)供水系統(tǒng)中，是由循環(huán)水泵實現(xiàn)水資源的循環(huán)利用的，經(jīng)熱交換后的熱水進入冷卻設(shè)施進行冷卻，使其水溫降至允許值，然后又重復(fù)將冷卻水輸入凝汽器而循環(huán)使用。由于系統(tǒng)水位基本上是穩(wěn)定的，故循環(huán)水泵的揚程也基本穩(wěn)定，而其容量按計算水量確定。兩臺機組使用共有循環(huán)水管供水，配備4臺功率為176KW循環(huán)水泵，配套電機為250KW/6KV及220KW/6KV各兩臺。

在變頻改造前，水量調(diào)節(jié)是通過調(diào)節(jié)水泵閥門的開度來實現(xiàn)，水泵及電動機運行在低效率工作區(qū)，能源浪費嚴重，同時由于奎屯電廠屬于獨立電網(wǎng)，工頻直接啟動對電動機和電網(wǎng)的沖擊都很大，并容易造成電機籠條松動、有開焊斷條的危險。

基于以上原因，奎屯電廠決定對機組循環(huán)水泵進行了變頻改造，通過考察，最后選擇廣東明陽龍源電力電子有限公司型號為MLVERT-D06/320的變頻器對兩臺250KW/6KV電機進行“一拖二”改造。

2 高壓變頻器的組成和原理

MLVERT-D系列高壓變頻器是廣東明陽龍源電力電子有限公司生產(chǎn)的具有自主知識產(chǎn)權(quán)，無電網(wǎng)污染的調(diào)速系統(tǒng)，采用的結(jié)構(gòu)為多單元串聯(lián)，輸出為多電平移相式PWM方式。特別適合于風(fēng)機、泵類工業(yè)應(yīng)用現(xiàn)場，已經(jīng)被廣大工業(yè)用戶接受和充分認可。下面以6kV系列為例說明其原理。

該高壓變頻器具有運行穩(wěn)定、調(diào)速范圍廣、輸出波形正弦好、輸入電流功率因數(shù)高、效率高等特點，對電網(wǎng)諧波污染小，總體諧波畸變THD小于4%，直接滿足IEEE519-1992的諧波抑制標(biāo)準(zhǔn)，功率因數(shù)高，不必采用功率因數(shù)補償裝置，輸出波形好，不存在諧波引起的電機附加發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問題，不必加輸出濾波器，就可以使用普通的異步電機。

2.1 輸入變壓器

MLVERT-D06系列高壓變頻器的輸入側(cè)隔離變壓器采用移相式變壓器，變壓器原邊繞組為6kV，副邊共18個繞組分為三相。每個繞組為延邊三角形接法，分成6個不同的相位組，分別有±5o、±15o、±25o移相角度，形成36脈波的二極管整流電路結(jié)構(gòu)。每個副邊繞組接一個功率單元，這種移相接法可以有效地消除35次以下的諧波。對電網(wǎng)諧波污染小，直接滿足IEEE519-1992的諧波抑制標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 功率單元

電網(wǎng)送來的三相6KV/50HZ交流電經(jīng)輸入變壓器降壓后給功率單元供電，功率單元為三相輸入，單相輸出的交直交PWM電壓源型逆變器結(jié)構(gòu)，相鄰功率單元的輸出端串接起來，形成Y接結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)變壓變頻的直接輸出，6kV輸出電壓每相由6個額定電壓為580V的功率單元串聯(lián)得到，輸出相電壓3480V，線電壓可達6kV。

每個功率單元采用電壓源型結(jié)構(gòu)，直流環(huán)節(jié)為濾波電容，電機所需的無功功率由電容提供，而不需要和電網(wǎng)交換，變頻器輸入功率因數(shù)高，可保持在0.96以上，且在整個速度范圍段內(nèi)基本保持不變，不需采用功率因數(shù)補償裝置。

每個功率單元通過光纖通訊接收主控系統(tǒng)發(fā)送的調(diào)制信息以產(chǎn)生負載電機需要的電壓和頻率，而功率單元的狀態(tài)信息也通過光纖反饋給主控系統(tǒng)，由主控系統(tǒng)進行統(tǒng)一控制。該光纖是模塊與主控系統(tǒng)之間的唯一連接，因而每個功率單元與主控系統(tǒng)是完全電氣隔離的。

2.3 高壓變頻器PWM技術(shù)

高壓變頻器的PWM技術(shù)是變頻器研究中一個關(guān)鍵技術(shù)，它不僅決定功率變換的實現(xiàn)與否，而且對變頻器輸出電壓波形的質(zhì)量，電路中有源和無源器件的應(yīng)力，系統(tǒng)損耗的減少與效率的提高等方面都有直接的影響。

MLVERT-D06系列高壓變頻器采用了移相式多電平PWM技術(shù)，它是傳統(tǒng)的兩電平PWM技術(shù)的擴展，它的本質(zhì)是PWM技術(shù)與多重化技術(shù)的有機結(jié)合。這里以2單元串聯(lián)的高壓變頻器為例說明其基本原理。

兩個功率單元的載波互差180度相位角，2個載波調(diào)制同一信號波，調(diào)制方法是，當(dāng)信號波大于三角載波時，給出導(dǎo)通控制信號；相反則給出關(guān)斷控制信號。每個功率單元兩個半橋上下橋臂開關(guān)管互補導(dǎo)通和關(guān)斷，驅(qū)動開關(guān)器件的驅(qū)動信號、由此產(chǎn)生的兩個功率單元輸出電壓波形以及合成電壓波形。

對于6功率單元串聯(lián)高壓變頻器，各單元采用共同的調(diào)制波信號，各載波的相位相互錯開載波周期的1/6，對每個功率單元進行SPWM控制，通過載波的移相，使得每個功率單元輸出的PWM脈沖相互錯開，這樣在疊加后，使輸出波形為多電平（相電壓13種電平，線電壓25種電平輸出），同時輸出波形的等效開關(guān)頻率達到單元開關(guān)頻率的6倍，大大改善輸出波形，減少輸出諧波，使輸出電壓非常接近正弦波。同時輸出電壓的每個電平臺階只有單元直流母線電壓大小，dv/dt很小，對電機沒有危害，不必設(shè)置輸出濾波器，就可以使用原有的電機。

3 循環(huán)水泵變頻改造方案

3.1 變頻器選型

改造的循環(huán)水泵是兩臺雙側(cè)布置，甲乙兩臺水泵均采用調(diào)節(jié)閥門開度的方式控制流量，由于電機設(shè)計時冗余較大，加上流量控制采用閥門調(diào)節(jié)引起的阻力損耗，電能的浪費特別嚴重，影響機組的經(jīng)濟運行。

一般情況下，變頻器容量應(yīng)不小于電動機容量，這樣能滿足電機在額定出力內(nèi)進行不同轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。在現(xiàn)實生產(chǎn)工作中，根據(jù)實際運行工況來選擇合適的變頻器容量，既能滿足生產(chǎn)需要，又能節(jié)省變頻器投資及減少配套設(shè)施。奎屯電廠循環(huán)水泵的配套電機功率為6KV/250KW，為了滿足50Hz時滿負荷運行要求，為其配備了容量為320kVA的變頻器以滿足各種工況下不同轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的要求。

3.2 系統(tǒng)方案

對電廠循環(huán)水泵的變頻改造遵循了“最小改動，最大可靠性，最優(yōu)經(jīng)濟性”原則，為兩臺循環(huán)水泵電機進行了“一拖二”改造，此方案的優(yōu)點是兩臺電機可以其中任何一臺變頻運行，另外一臺工頻運行或工頻備用，電機的變頻方案。 工頻旁路系統(tǒng)由兩個高壓柜組成，每個高壓柜內(nèi)有3個高壓隔離開關(guān)，其中刀閘QS1、QS2 與QS3，QS4、QS5與QS6 有機械互鎖，不能同時合；QS1與QS4、QS5，QS4與QS1、QS2 有電氣互鎖，不能同時合。進行變頻改造后，循環(huán)水泵的閥門開度保持全開，基本不需要改變。根據(jù)實際所需的水量，由DCS系統(tǒng)通過PID調(diào)節(jié)，輸出4～20mA模擬電流信號送給變頻器，變頻器通過調(diào)節(jié)輸出頻率改變電機的轉(zhuǎn)速，達到調(diào)節(jié)流量的目的，滿足運行工況的要求。

同時，變頻改造后電機在啟動和調(diào)節(jié)過程中，轉(zhuǎn)速平穩(wěn)變化，沒有出現(xiàn)任何沖擊電流，解決了電機啟動時的大電流沖擊問題，消除了大啟動電流對電機、傳動系統(tǒng)、主機及管道的沖擊應(yīng)力，大大降低維護保養(yǎng)費用。

4 節(jié)能分析

4.1 節(jié)能原理

根據(jù)水泵工作原理與運行曲線，我們可以得到100％轉(zhuǎn)速運行曲線，這條曲線配合水泵在不同流量運行時的特性曲線（阻抗曲線）可以得到在未應(yīng)用變頻調(diào)速情況下使用閥門調(diào)節(jié)控制流量、壓力。

理論上，全流量工作時，采用變頻器和閥門調(diào)節(jié)時，輸入的功率一致，其功率為AI0K包圍的面積，當(dāng)水泵運行點由A（100％流量）點移動到B點（80％流量）時，如果采用閥門調(diào)節(jié)控制時，電動機的功率為BH0L包圍的面積，但是采用變頻器拖動水泵后，由于特性的改變，其輸入功率為EJ0L包圍的面積，其節(jié)能效果為：BHJE包圍的面積。因此在理論上，采用變頻器改造水泵后，將會取得很好的節(jié)能效果。

由流體力學(xué)可知流量Q與轉(zhuǎn)速n的一次方成正比，壓力H與轉(zhuǎn)速n的平方成正比，軸功率Ps與轉(zhuǎn)速n的立方成正比，即Q ∞ n，H ∞ n2，Ps ∞ n3。 當(dāng)所需要的流量減少，水泵轉(zhuǎn)速降低時，其軸功率按轉(zhuǎn)速的三次方下降。如所需流量為額定流量的80%，則轉(zhuǎn)速也下降為額定轉(zhuǎn)速的80%，那么水泵的軸功率將下降為額定功率的51.2%；當(dāng)所需要流量為額定流量的50%時，水泵的軸功率將下降為其額定功率的12.5%。當(dāng)然轉(zhuǎn)速降低時，效率也會有所降低，同時還應(yīng)考慮控制裝置的附加損耗等影響。

4.2 效益

MLVERT-D06/320.A變頻器自2005年在建設(shè)兵團新疆奎屯電廠投運以來，運行良好，達到了改造的目的。

根據(jù)變頻改造前后的運行記錄，在變頻改造前，每一班8小時，耗電為2000KWh；變頻改造后，每一班8小時，耗電為1400KWh，變頻改造后相比改造前節(jié)能達30％。按照年平均運行300天計算，年節(jié)電可達：（2000－1400）×3×300＝54萬度，經(jīng)濟效益十分可觀。

變頻改造以后，循環(huán)泵調(diào)節(jié)閥門一直處于全開狀態(tài)，對其維護量大大減少。變頻啟動時電機轉(zhuǎn)速從0逐漸平穩(wěn)的升到所需轉(zhuǎn)速，沒有任何沖擊，電流從零開始上升，不會超過額定電流，解決了電機啟動時的大電流沖擊問題，消除了大啟動電流對電機、傳動系統(tǒng)和主機的沖擊應(yīng)力，大大降低日常的維護保養(yǎng)費用，延長了電機、水泵壽命。

5 結(jié)束語

對奎屯電廠1＃機組循環(huán)水泵實施了變頻改造后，節(jié)約了大量的電能，改善了工藝過程，電機實現(xiàn)了軟啟動，延長設(shè)備的使用壽命，減少維修量，取得了預(yù)期的效果。

“十一五”規(guī)劃中明確提出了要“突出抓好在電廠等行業(yè)中的節(jié)能工作”及重點工程“電機系統(tǒng)節(jié)能 在煤炭等行業(yè)進行電動機拖動風(fēng)機、水泵系統(tǒng)優(yōu)化改造”。高壓變頻器的推廣使用對于建設(shè)節(jié)約型社會具有重大意義。

作者簡介

張平軍（1977-）男 武漢大學(xué)電力電子專業(yè)碩士畢業(yè) 現(xiàn)就職于廣東明陽龍源電力電子有限公司從事高壓變頻研究工作。