高壓變頻器在600 MW機組引風機上的應用

倪霄峰，陳 菲

（國電浙江北侖第一發(fā)電有限公司，浙江 寧波 315800）

發(fā)電企業(yè)輔機配置容量裕度較大是一個普遍問題。同時，大容量發(fā)電機組的調峰任務逐步加大。電機調速不僅可以節(jié)能降耗，還可以避免調峰時電機的頻繁啟停，降低電機故障率及延長電機使用年限，給企業(yè)帶來巨大的經濟效益。

變頻調速是通過改變向電機供電的電源頻率來實現(xiàn)調速，具有高效率、響應快、保護功能完善、過載能力強、節(jié)能顯著、維護方便等優(yōu)點，而且變頻器的規(guī)格系列齊全，可以滿足現(xiàn)場不同需求，因此被廣泛采用。

1 變頻調速的節(jié)能原理及技術特點

1.1 節(jié)能原理

傳統(tǒng)的風機調節(jié)是通過改變擋板的開度來實現(xiàn)的，在這種情況下，電機總是處于全速運行狀態(tài)，但實際上機組負荷是不斷調整的，因此這種方法存在嚴重的節(jié)流損耗。由于功率和轉速的三次方成正比，當轉速減小時電機功率將以其三次方的速率下降，變頻調速就是通過改變電動機的輸入電源頻率，從而達到調節(jié)電機輸出轉速，最終實現(xiàn)節(jié)約電能的目的。

交流異步電動機的輸出轉速由式（1）確定：

式中：n為電動機的輸出轉速；f為輸入的電源頻率；s為電動機的轉差率；p為電機的極對數(shù)。

由式（1）可知，電機的輸出轉速與輸入的電源頻率、轉差率、電機的極對數(shù)有關，因而交流電機的直接調速方式主要有變極調速（調整p）、轉子串電阻調速或串級調速或內反饋電機（調整s）和變頻調速（調整f）等。

變頻調速器從電網接收工頻50 Hz的交流電，經過恰當?shù)膹娭谱儞Q方法，將輸入的工頻交流電變換成為頻率和幅值都可調節(jié)的交流電輸出到交流電機，實現(xiàn)交流電機的變速運行。

1.2 技術特點

（1）控制電機的啟動電流。當電機通過工頻直接啟動時,將會產生額定電流值7～8倍的電流。這個電流將大大增加電機繞組的電應力并產生熱量，從而降低電機的壽命。而變頻調速則可以零轉速、零電壓啟動，能充分降低啟動電流，提高繞組承受力，將進一步降低電機維護成本、延長電機的使用壽命。

（2）降低電壓波動。在電機工頻啟動時,電流劇增，電壓也會大幅度波動,電壓下降的幅度將取決于啟動電機的功率大小和配電網的容量。而采用變頻調速后，由于能在零頻零壓時逐步啟動，則能最大程度上消除電壓下降。

（3）可對風機的風量作平滑的無級調速，使風機工作在最佳工作點，工況曲線更符合系統(tǒng)要求，可提高風機效率，避免“喘振”現(xiàn)象，穩(wěn)定爐膛壓力，滿足工作環(huán)境的要求。

（4）低速運行可以減少磨損、降低噪音,有利于延長電機和風機的使用壽命。

（5）節(jié)能效果顯著。由于最終的能耗是與電機的轉速成立方比，所以采用變頻后，大大節(jié)約了運行成本，投資回報快，用戶也愿意接受。

1.3 羅賓康高壓變頻器簡介

高壓變頻器采用若干個低壓脈沖寬度調制技術（PWM）變頻功率單元串聯(lián)的方式實現(xiàn)直接高壓輸出。該變頻器具有對電網諧波污染小，輸入功率因數(shù)高，輸出波形質量好，不存在諧波引起的電機附加發(fā)熱、轉矩脈動、噪音、斷態(tài)電壓臨界上升率dv/dt及共模電壓等問題的特性，不必加輸出濾波器，就可以使用于普通的異步電機。高壓變頻器的系統(tǒng)結構見圖1。

圖1 高壓變頻器的系統(tǒng)結構

電源電壓經過副邊多重化的隔離變壓器降壓后給功率單元供電，功率單元為三相輸入、單相輸出的交直流PWM電壓源型逆變器結構，實現(xiàn)變壓變頻的高壓直接輸出，供給高壓電機。每個功率單元分別由輸入變壓器的1組副邊供電，功率單元之間及變壓器二次繞組之間相互絕緣。二次繞組采用延邊三角形接法，實現(xiàn)多重化，以達到降低輸入諧波電流的目的。

多脈沖的整流電路結構，使輸入電流波形接近正弦波。由于輸入電流諧波失真很低，變頻器輸入側的功率因數(shù)可達到0.95以上。逆變器輸出采用多電平移相式PWM技術，輸出電壓非常接近正弦波，dv/dt很小。電平數(shù)的增加有利于改善輸出波形，由諧波引起的電機發(fā)熱、噪音和轉矩脈動都大大降低，不需要輸出濾波器。

1.4 應用注意問題

（1）風機型號、容量的選型應與實際負荷相匹配，其中包括與所配電機的匹配，一般裕量應控制在10%以內。

（2）不能為了減少變頻器輸出電壓的高次諧波而在其輸出端并聯(lián)電力電容器，因為這樣極易造成變頻器輸出端的電流沖擊。為減少諧波，可以串聯(lián)電抗器。

（3）變頻器輸出端一般不用電磁開關控制電機的啟動和停車。除一臺變頻器帶多臺電機的拖動系統(tǒng)外，控制電機的運行狀態(tài)應使用變頻器裝置，或通過鍵盤面板去操作。同理，也不能用變頻器進線側的斷路器去控制電機的停機。

（4）高壓變頻應在額定電壓下工作。如果非要在額定電壓值以外的電壓下運行時，需通過變壓器把電壓升高或降低到額定電壓值。

（5）為防止電磁干擾，可在硬件和軟件兩個方面采取抗干擾措施，硬件方面可采用隔離、濾波、屏蔽、接地等方法。

2 應用實例

北侖發(fā)電廠2號600 MW機組引風機電機型號MTC3942T，額定功率2 700 kW，額定電壓為10 kV，額定頻率為50 Hz，轉速為590 r/min，三相交流異步電動機，風門采用檔板調節(jié)。據(jù)統(tǒng)計，引風機耗電量占發(fā)電廠用電量的17.23%。選用羅賓康高壓變頻器對引風機實施了變頻改造。引風機變頻裝置型號為PH-10-6-3900，采用“高—高”變換方式，為與今后機組脫硝改造后的電機相匹配，選購的變頻器功率為3 900 kW。

由于變頻器額定輸出電壓為6 kV，而廠用電電壓為10 kV，因此變頻調速裝置中除了變頻器、隔離變壓器、旁路開關柜外，還增加了1套星/三角切換裝置。變頻調速裝置主回路系統(tǒng)結構見圖2，星/三角切換原理圖見圖3。10 kV電源經變頻器輸出至電機；10 kV電源還可經旁路開關送至電機。輸入、輸出和旁路開關的作用是：當變頻器故障時斷開輸入、輸出開關，將變頻器隔離，合上旁路開關電機仍可用廠用工頻電源啟動電機運行。

星/三角切換原理為：當電機定子繞組采用星形接法時，電機額定輸入端電壓為10 kV。當把電機定子繞組轉換為三角形接法時，電機的額定輸入端電壓變?yōu)?0/1.732=5.77 kV。此時，電機可以由6 kV高壓輸出的變頻器驅動。因此，當對10 kV電機進行變頻調速時，通過對電機定子繞組進行星/三角接法的切換，可以安全可靠地實現(xiàn)10 kV電機的變頻/工頻運行切換。在這種接線方式下，當變頻器故障時，引風機電機可通過手動切換至旁路運行，減少了新增變頻設備后對機組運行的影響。

圖2 變頻調速裝置主回路系統(tǒng)圖

圖3 星/三角切換原理圖

3 效益分析

3.1 工頻、變頻運行時測試結果

機組負荷300 MW，450 MW，600 MW時對引風機工頻、變頻運行分別進行了測試，結果見表1。在機組負荷為300 MW時，變頻投運工況下的引風機功率比模擬工頻工況的低960 kW左右；在機組負荷為450 MW時，變頻投運工況下的引風機功率比模擬工頻工況的低733 kW左右；在機組負荷為600 MW時，變頻投運工況下的引風機功率基本上與模擬工頻工況的接近，節(jié)電效果不明顯。

按照上述數(shù)據(jù)可得出引風機變頻改造后節(jié)約的功率曲線，如圖4所示。由圖4可知，在機組負荷較高的情況下，引風機節(jié)能效果并不明顯。因此在夏季用電高峰時期，可考慮將引風機變頻器退出，改為工頻運行。

表1 機組負荷300 MW，450 MW，600 MW時引風機（A/B）變頻、工頻運行比較

圖4 引風機模擬工頻與變頻運行工況比較節(jié)電功率

3.2 直接經濟效益分析

2010年機組計劃發(fā)電量為29.34億kWh，負荷率為69.45%，年計劃運行6 794.02 h，折算成機組平均負荷為416.66 MW。根據(jù)圖4，在此負荷下變頻改造后引風機A與B平均節(jié)約功率分別為787 kW，780 kW。照此估算，年節(jié)約電量預計為：（787＋780）×6794.02＝1 064.62 萬 kWh。 由于模擬工頻運行時統(tǒng)計的引風機功率未剔除變頻器自身的損耗，因此實際節(jié)電量比計算的節(jié)電量要稍少一些，每年的節(jié)電量大約為1 000萬kWh。

引風機變頻器室空調在引風機運行時都投入運行條件下，空調耗電量大致為2 750×3.5%÷3×6794.02×2＝43.6萬 kWh。

年綜合節(jié)約電量956.4萬kWh，年可節(jié)省標煤為 956.4×3.5＝3 347 t。

3.3 間接經濟效益分析

（1）由于實現(xiàn)了軟啟動，啟動峰值電流和時間大為減少，避免了因啟動電流大造成的絕緣老化及由于電動力矩大造成的機械沖擊對電機壽命的影響，又因變頻器自身配置了過電壓、欠電壓、過電流、過溫、過載、斷相、短路和接地保護，在出現(xiàn)故障時均能簡捷地顯示出故障原因，便于及時處理，有效地杜絕了頻繁燒壞電機的現(xiàn)象?？梢詼p少電機更新維護的工作量，節(jié)約維護費用。

（2）擋板全開，節(jié)省了打開擋板所使用的電能，同時減小了風道的振動，使鍋爐運行穩(wěn)定。

（3）變頻調速裝置還采用了分布式計算機控制系統(tǒng)，具有分散控制、信息集中管理的特點，使變頻調速的控制更為可靠、簡單易行。

（4）使用變頻調速，轉速降低，使環(huán)境噪聲得到很好的改善。

（5）可以實現(xiàn)無級調速，精度高。特別適合于對舊設備的技術改造，保持了原電機結構簡單、可靠耐用、維護方便的優(yōu)點。

4 結語

高壓變頻調速控制作為一種新型的調速方法，其優(yōu)良的技術經濟性已得到公認。通過對北侖發(fā)電廠2號機組引風機現(xiàn)場運行的跟蹤檢測，充分說明高壓變頻器運用于引風機控制中可以取得良好的運行效果和經濟效益。高壓變頻器具有安裝簡便、調試簡便及現(xiàn)場工作人員很容易掌握的特點，并且運行性能穩(wěn)定可靠，節(jié)能效果十分顯著。目前在新機組建設和老機組改造中，變頻調速裝置已經得到廣泛運用。

[1]李春雷，吳宇熙.高壓變頻調速在火電廠鍋爐引風系統(tǒng)中的應用[J].變頻器世界，2007（12）:51-57.

[2]吳民強.泵與風機節(jié)能技術問答[M].北京：中國電力出版社，1998.