高壓變頻裝置在云浮電廠送風機上的應(yīng)用

摘 要： 本文著重介紹HARSVERT-A高壓串聯(lián)多電平型高壓變頻器在廣東省粵電集團云浮發(fā)電廠的應(yīng)用情況，對其節(jié)電情況進行對比，說明高壓變頻裝置的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞： 多電平 高壓變頻器 應(yīng)用分析

　　廣東粵電集團云浮電廠現(xiàn)有4臺發(fā)電機組，其中1、2＃機組裝機容量為125MW，3、4#機組裝機容量為135MW。改造前1、2＃爐送風機采用擋板調(diào)節(jié)，風道壓流損失嚴重，為了節(jié)能降耗、提高機組調(diào)節(jié)性能，我廠經(jīng)多方考察認證，我們決定采用運行成熟、技術(shù)先進的變頻調(diào)速方式進行改造。變頻裝置安裝方便，只需在原斷路器與電機之間串聯(lián)變頻裝置即可，無需對負載和電機做任何改動。首先對1＃機組兩臺送風機進行試驗改造。2006年10月份，在#1爐甲、乙側(cè)送風機上安裝了兩臺HARSVERT-A06/130型高壓變頻器。通過變頻調(diào)速，實現(xiàn)了電機轉(zhuǎn)速連續(xù)無級調(diào)速，調(diào)速范圍寬，調(diào)節(jié)精度高，效率高，實現(xiàn)了電機的軟啟動，減少了啟動沖擊及設(shè)備磨損。正常運行后，可靠性高，基本上無維護量。通過對引風機進行變頻改造而達到節(jié)能增效的目的。
1．HARSVERT-A06/130型高壓變頻裝置原理
（1）高壓變頻器原理簡介
　　HARSVERT-A06/130型變頻裝置采用多電平串聯(lián)技術(shù)，6kV系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1，由移相變壓器、功率單元和控制器組成。系統(tǒng)采用7＋1冗余結(jié)構(gòu)，當有1級模塊旁路時，系統(tǒng)仍能輸出額定電壓滿負荷運行。6kV系列有24個功率單元，每8個功率單元串聯(lián)構(gòu)成一相。

圖1：高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　每個功率單元結(jié)構(gòu)上完全一致，可以互換，其電路結(jié)構(gòu)如圖2，為基本的交-直-交單相逆變電路，整流側(cè)為二極管三相全橋，通過對IGBT逆變橋進行正弦PWM控制，可得到如圖3所示的波形。

圖2：功率單元電路結(jié)構(gòu)	圖3：單元輸出的PWM波形

　　輸入側(cè)由移相變壓器給每個單元供電，移相變壓器的副邊繞組分為三組，構(gòu)成48脈沖整流方式；這種多級移相疊加的整流方式可以大大改善網(wǎng)側(cè)的電流波形，使負載下的網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)接近1。
　　另外，由于變壓器副邊繞組的獨立性，使每個功率單元的主回路相對獨立，類似常規(guī)低壓變頻器。
　　輸出側(cè)由每個單元的U、V輸出端子相互串接而成星型接法給電機供電，通過對每個單元的PWM波形進行重組，可得到如圖4所示的階梯PWM波形。這種波形正弦度好，dv/dt小，可減少對電纜和電機的絕緣損壞，無須輸出濾波器就可以使輸出電纜長度很長，電機不需要降額使用，可直接用于舊設(shè)備的改造；同時，電機的諧波損耗大大減少，消除了由此引起的機械振動，減小了軸承和葉片的機械應(yīng)力。
　　當某一個單元出現(xiàn)故障時，通過使圖2中的軟開關(guān)節(jié)點K導(dǎo)通，可將此單元旁路出系統(tǒng)而不影響其他單元的運行，高壓變頻器可持續(xù)降額運行；如此可減少很多場合下停機造成的損失。避免了由于一個大功率高壓開關(guān)器件的故障而導(dǎo)致的整機故障。保證了多電平變頻器的可靠性。

圖4：變頻器輸出的相電壓階梯PWM波形

（2）該產(chǎn)品部分功能介紹
　?、貼+1單元冗余系統(tǒng)。所有功率單元正常時，電壓調(diào)制系數(shù)比正常的標準設(shè)備略低，當有單元出現(xiàn)故障旁路時，則自動提升調(diào)制系數(shù)，旁路一級時仍能夠滿電壓輸出。
　?、趩文K旁路技術(shù)。每相8個模塊串聯(lián)，當一個功率模塊故障旁路時，與之對應(yīng)的同級模塊仍繼續(xù)工作，通過中心點偏移技術(shù)使輸出電壓平衡，電壓輸出能力為95.6%，比同級旁路時輸出電壓大大提高。
　?、鄣綦?秒不停機功能。在高壓變頻器高壓失電3秒內(nèi)，高壓變頻器自動減速繼續(xù)運行，3秒內(nèi)恢復(fù)高壓變頻器從最后運行頻率開始恢復(fù)運行，3秒內(nèi)高壓未恢復(fù)變頻器停機，20秒內(nèi)高壓恢復(fù)變頻器自動執(zhí)行飛車啟動。
　?、艿碗妷貉訒r保護功能。電網(wǎng)電壓波動在＋15～－35％U0之間，高壓變頻器能夠?qū)嵤┯行У牡碗妷貉訒r保護功能，保證系統(tǒng)的可靠性。
　　⑤高壓掉電恢復(fù)自動重啟功能：為避免電網(wǎng)短時失電對企業(yè)生產(chǎn)造成影響，HARSVERT-A高壓變頻器具備來電自啟動功能。當電網(wǎng)電壓消失后，高壓變頻器緊急停機，如果在20秒內(nèi)電源恢復(fù)（時間可設(shè)置），高壓變頻器會進行自動啟動，恢復(fù)停機前的運行狀態(tài)。
　　⑥任意轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)啟動。為了適應(yīng)國內(nèi)電網(wǎng)波動大，現(xiàn)場主動力電源母線段切換的要求，系統(tǒng)提供旋轉(zhuǎn)中再啟動功能。從而在電網(wǎng)電壓波動超過＋15～－35％U0情況下，系統(tǒng)能夠提供有效過、欠壓保護；在電網(wǎng)恢復(fù)正常后，自動搜索跟蹤電動機轉(zhuǎn)速按照設(shè)定曲線恢復(fù)正常運行狀態(tài)，保證機組安全運行不跳閘。在現(xiàn)場主動力電源母線段切換過程中，系統(tǒng)自動識別網(wǎng)側(cè)電壓變化，系統(tǒng)保護不停機；待電網(wǎng)電壓恢復(fù)后，自動啟動設(shè)備運行至給定頻率值，滿足現(xiàn)場對設(shè)備的高可靠性要求。為了滿足不同現(xiàn)場對旋轉(zhuǎn)中再啟動功能的需求，系統(tǒng)提供完備的參數(shù)設(shè)定功能，保證系統(tǒng)動作有效，保護得當。真正適應(yīng)現(xiàn)場運行工況要求。
2.變頻改造方案簡介
　　#1爐送風機是兩臺雙側(cè)布置，高壓變頻改造前送風機的風量調(diào)節(jié)由人工調(diào)節(jié)擋板來實現(xiàn)。送風機及其電機參數(shù)如下：
電動機參數(shù)
　　型號：Y500-4-6 額定電流：118.8A
　　額定功率：1000kW 額定頻率：50Hz
　　額定電壓：6kV 額定轉(zhuǎn)速：990r/min
　　為了充分保證系統(tǒng)的可靠性，高壓變頻器同時加裝工頻旁路裝置，當高壓變頻器異常時，停止運行，電機可以直接手動切換到工頻下運行。工頻旁路由3個高壓隔離開關(guān)QS1、QS2和QS3組成（如圖5，QF為我廠原有高壓開關(guān)）。其中QS2、QS3為雙投隔離開關(guān)的兩組刀，在機械上實現(xiàn)互鎖。變頻運行時，QS1和QS2閉
合，QS3斷開；工頻運行時，QS3閉合，QS1和QS2斷開。
　　 為了實現(xiàn)高壓變頻器故障的保護，高壓變頻器對6kV開關(guān)QF進行聯(lián)鎖，一旦高壓變頻器故障，高壓變頻器跳開QF開關(guān)。工頻旁路時，高壓變頻器應(yīng)允許QF開關(guān)合閘，撤消對QF開關(guān)的跳閘信號，使電機能正常通過QF開關(guān)合閘工頻啟動。
　　高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)內(nèi)置西門子S7－200PLC，與現(xiàn)場DCS接口靈活方便。正常運行時，啟動、停機操作，頻率調(diào)整由DCS控制，同時高壓變頻器狀態(tài)實時反饋給DCS系統(tǒng)。
3.高壓變頻器運行節(jié)能效果測試情況：
（1）高壓變頻器參數(shù)

型號	HARSVERT-A06/130	輸入電壓	6kV
額定電流	130A	額定功率	1000kW

（2）電機參數(shù)

額定功率	1000kW	額定電壓	6kV
額定轉(zhuǎn)速	990rpn	額定電流	118.8A

（3）節(jié)能計算
　　通過流體力學的基本定律可知：風機、泵類設(shè)備均屬平方轉(zhuǎn)矩負載，其轉(zhuǎn)速n與流量Q，壓力H以及軸功率P具有如下關(guān)系：Q∝n ，H∝n2，P∝n3；即，流量與轉(zhuǎn)速成正比，壓力與轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比。即當電機轉(zhuǎn)速降為額定轉(zhuǎn)速的80％時，調(diào)速系統(tǒng)（高壓變頻器＋電機）從電網(wǎng)側(cè)吸收功率約降為額定轉(zhuǎn)速時的51％，因此，若工藝要求系統(tǒng)風量下降即送風機轉(zhuǎn)速下降時，節(jié)能效果十分明顯。
　　在相同運行方式及相同工況下進行測試，數(shù)據(jù)如下：
高壓變頻器投運前后電機實際電流的變化

機組負荷	變頻前	變頻后	節(jié)電率
125MW	70A	48A	25%
100MW	55A	29A	40%

　　比較高壓變頻器改造前后，送風機電機實際消耗功率，在機組125MW負荷時，計算節(jié)電約為25％，當機組負荷為100MW，計算節(jié)電率約為40％。經(jīng)統(tǒng)計投運前、后兩個月送風機單耗，節(jié)電率為27.7％，按現(xiàn)行上網(wǎng)電價，18個月可收回全部投資。
4.空水冷卻器簡介
　　考慮廣東地區(qū)夏天氣溫較高，利德華福為高壓變頻器配備了空水冷卻器，保證設(shè)備安全運行。
　　空水冷卻器外形如圖6所示。從高壓變頻器出來的熱風，經(jīng)過風管連接到內(nèi)有固定水冷管的散熱器中，散熱器中通過溫度低于33℃的涼水，熱風經(jīng)過散熱片后，將熱量傳遞給冷水，變成冷風從散熱片吹出，熱量被循環(huán)冷卻水帶走，保證高壓變頻器室內(nèi)的環(huán)境溫度不高于40℃。

圖6：空水冷卻器外形圖

　　現(xiàn)場一臺高壓變頻器配置兩臺空冷器（如圖7），單臺故障時不會對系統(tǒng)產(chǎn)生較大影響。從實際應(yīng)用情況看，室內(nèi)溫度能控制在30℃左右，效果明顯。
　　經(jīng)綜合計算比較，空水冷卻方式的費用約為空調(diào)冷卻方式的50％。

圖7：空冷器與變頻器布局圖

5.結(jié)束語
　　高壓變頻裝置由于其節(jié)能效果明顯，特別是在低負荷時更為顯著，采用變頻調(diào)速后，實現(xiàn)了電機的軟啟動，延長電機的壽命，送風機擋板全開，消除了入口風道原有的喘振，也減少了風道的磨損。良好的節(jié)能效果和調(diào)節(jié)性能，具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。
　　本廠兩臺設(shè)備自投運以來，運行非常可靠，未出現(xiàn)任何故障。完全可以說，本次我廠送風機高壓變頻改造項目是成功的。