高压变频调速技术及其在电厂中的应用

　　1 引言

　　在火力发电厂中，风机和水泵是主要的耗能设备，通常情况下其输入能量的15～20％被电机和风机或水泵本身所消耗，约35～50％的输入能量被档板或阀门节流所消耗，因此对发电厂的风机和水泵进行节能改造具有很大的潜力。如果用电动机调速装置来代替原来的风门、档板、阀门来调节流量，将取得显著的节能效果。

　　变频调速是用变频电源改变电动机定子绕组的频率，从而改变同步转速来实现调速。变频系统首先将电网中的交流电整流成直流电，再通过逆变器逆变为频率可调的交流电，供给交流电动机，从而改变电机的转速。这种方法具有高效率、宽范围和高精度的调速性能，规格系列齐全可以满足各种不同需求，因而被广泛采用，是最具发展前途的理想调速方法。特别是电流源型高压变频器在动态精度要求高的地方具有明优势，适用于轧机、提升设备的应用。三电平高压变频装置，由于其器件较少，结构相对简单，较适合于3.3kv或4.16kv的电机应用。功率单元串联多电平结构的高压变频器，适合于风机水泵类负载，但不适合用在对动态要求很高的地方。

　　2 高压变频器选用的技术因素

　　高压变频器除了应具备通用变频器所具有的基于拖动系统要求的各项技术性能之外，由于其大功率的缘故，在一些低压小功率变频器中并不重要的问题，在这里却显得很重要，主要包括：

　　2.1谐波对厂用电系统的影响

　　高压变频器的整流和逆变电路都使用了电力电子器件的开关特性，在其输入和输出端都会产生波形畸变。由于高压变频器一般功率较大，其功率可能占厂用电系统容量的相当大一部分，因此，这种畸变对于供电线路和负载电机两方面都会造成有害的影响，如变频器输出电流谐波可能会造成电机过热，产生过大的噪声，影响电机的寿命；而且电机必须“降额”使用。这一点与低压变频器有很大的不同。

　　降低高压变频器谐波电流对电源电压的影响，最根本的方法是尽可能减少以至消除高压变频器本身电流的波形畸变。高压变频器输入谐波畸变必须控制在ieee-519和gb12668标准规定的范围内，不应对厂用电系统中其他负载的正常工作造成影响。

　　2.2共模电压和dv/dt的影响

　　变频器的共模电压和dv/dt会使电机的绝缘受到“疲劳”损害，影响到使用寿命，如果处理不好，还会损坏变频器本身。

　　2.3对所接母线电压的影响

　　高压电动机在不带变频器时，母线电压按式（1）计算：

　　（1）式中um为电动机正常起动的母线电压（标么值）；u0为厂用母线上的空载电压（标么值）；x为变压器或电抗器的电抗；s为合成负荷（标么值），可按式（2）计算：

　　s=s1+sq （2）

　　式中s1为电动机起动前，厂用母线上的已有负荷（标么值），sq为起动电动机的起动容量。

　　式中kq为电动机的起动电流倍数；σpe为电动机的额定功率（kw）；ηdcosd为电动机的额定效率和额定功率因数的乘积。

　　未装设高压变频器时，kq一般在工程中取6～7；装设高压变频器后，由于高压变频器的软启动特性，kq一般低于1.6。这样，sq值将是未装设高压变频器的1/4～1/5。

　　另一方面，目前所采用的高压变频器一般都装设移相变压器，在高压变频器、电动机组启动瞬间会产生4～6倍启动过电流。这样，由于移相变压器的作用，sq值会增加4～6倍。

　　由于以上两方面的共同作用，在装设了高压变频器的电动机，在整组启动瞬间，sq值基本上和未装设高压变频器的电动机启动一样，对所接母线电压影响也相似。因此，在厂用电设计时，选择高压厂用电容量和校验母线电压时，可不计及变频器的影响。

　　2.4对厂用电二次保护的影响

　　当高压变频器不装设在对应回路的高压断路器旁边时，对应于该回路，将有二段电缆回路和二个电气设备。因此，在二次保护方面，应两段分别装设保护。

　　对于小于2000kw的电动机，高压变频器以上部分，保护配置可按6kv馈线回路配置，但同时考虑该回路电动机的重要性。

　　高压变频器以下部分，一般高压变频器本身配置以下保护：过电压、过电流、欠电压、缺相保护、短路保护、超频保护、失速保护、变频器过载、电机过载保护、半导体器件过热保护、瞬时停电保护等。用户可以根据需要选择联跳该回路断路器。

　　2.5厂用电源切换对高压变频器的影响

　　厂用电源在事故状态下切换到备用厂用电源，目前采用的厂用电源快切装置在切换过程停电时间约为50ms~150ms，高压变频器瞬时停电超过100ms，变频器可能会停止工作，因此在选型时应注意这一问题。

　　2.6高压变频器型式的选择

　　高压变频器主要有两种结构形式：一种是采用升、降压变压器称之为“高-低-高式变频器；另一种采用高压大容量gto或igbt功率元件串联结构，无输出变压器，直接将高压电源整流为直流，在逆变输出高压，称之为“高—高”式变频器。由于“高—低—高”式变频器结构本身带来的问题，其可靠性、安全性都比较差，一般应考虑选择高—高型变频器。

　　2.7输入功率因数和系统效率

　　变频器的输入功率因数和效率将直接决定使用变频器系统的经济效益，效率低的变频器还存在散热等一系列的问题。

　　2.8高压变频器的安装位置和环境要求

　　高压变频器理论上说可以安装在对应辅机断路器旁，也可以布置在电动机旁边或厂房某个位置。无论布置在何处，都需注意变频器对安装环境的要求。

　　高压变频器柜由电源切换柜、进线保护柜、移相变压器柜、功率单元柜、控制柜组成。柜内电子元件比较多，这些元件对安装环境都有要求。

　　高压变频器通常采用风冷或水冷装置，降低柜体内的微环境温度，确保功率器件的管芯温度在允许值以下。一般对变频器房间应设置空调设备，并对变频器的出风处加装隔热的通风管道，将热风直接排出室外。

　　3 高压变频器的经济效益分析

　　3.1功率分析

　　以600mw火电厂凝结水泵为例，在运行中，两台水泵一用一备。其额定参数分别为：

　　额定电压：6kv，

　　额定功率：2200kw。

　　在实际运行中，电机负荷情况如下表所示，按全年7800运行小时计：

　　3.2能耗计算和费用分析

　　若不用变频调节，电机始终工作于全速运行状态，则全年用电量为：

　　p1=2200×（4200+2120+1180+300）=17160000（kwh）

　　若采用变频控制，则全年用电量为：

　　p2=2200×4200+2200×0.75×2120+2200×0.50×1180+2200×0.40×300=14300000（kwh）

　　与电机全速运行相比，变频调速每年可节约电能：

　　△p=p1-p2=17160000-14300000=2860000（kwh）

　　按上网电价0.40元/kwh计，每年可节约114.40万元。

　　4 结束语

　　通过以上对变频器技术分析和经济比较，不难看出，变频调节技术是比较先进、理想的调节技术，虽然初期投资较大，但由于其节电效果明显，投资回收周期较短，因而其综合经济效益还是较高的，从节能观点出发，应充分采用变频器技术。