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高壓變頻調(diào)速與電廠節(jié)能化改造

1、引言

    根據(jù)我國的電壓等級標(biāo)準(zhǔn)，高壓變頻主要指3kV、6kV、10kV這幾個(gè)電壓等級的變頻器，國內(nèi)電廠的廠用電電壓一般為6kV、10kV，功率較大（一般指超過200kW）的電動(dòng)機(jī)基本上都采用高壓電動(dòng)機(jī)，這些電動(dòng)機(jī)的能耗是電廠用電的主要部分，高壓變頻指的就是這些電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速。 

2、電力生產(chǎn)的特殊性

    電力作為一種產(chǎn)品，與其它產(chǎn)品相比較具有它自身的特殊性。一般來說普通產(chǎn)品的生產(chǎn)與銷售使用是相對獨(dú)立的，產(chǎn)品可以在倉庫中存儲(chǔ)、周轉(zhuǎn)，可以預(yù)先生產(chǎn)好備用。電力這種產(chǎn)品的生產(chǎn)與消費(fèi)是同時(shí)完成的，電力幾乎不能存儲(chǔ)，因此電力生產(chǎn)必須是連續(xù)的；電力生產(chǎn)的多少是根據(jù)用戶的使用情況決定的，因此電力生產(chǎn)的負(fù)荷是變化的。電力產(chǎn)品的這種特點(diǎn)決定了電力生產(chǎn)系統(tǒng)中各種設(shè)備的配置就需要根據(jù)最大生產(chǎn)能力來進(jìn)行配置，而不能根據(jù)平均的電力需求配置系統(tǒng)。在電廠中，電力生產(chǎn)的最大生產(chǎn)能力是根據(jù)主機(jī)（鍋爐、汽機(jī)和發(fā)電機(jī)）的出力決定的，輔機(jī)（各種風(fēng)機(jī)、泵及其驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)、電氣控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)等）的配置是根據(jù)主機(jī)的情況配置的，一般情況下，在設(shè)計(jì)過程中均考慮一定的余量，因此造成在實(shí)際的運(yùn)行過程中，多數(shù)風(fēng)機(jī)和泵的流量需要的調(diào)節(jié)。傳統(tǒng)的流量調(diào)節(jié)方式是節(jié)流調(diào)節(jié)（擋板、閥門等），存在反應(yīng)慢、調(diào)節(jié)精度低、能耗大等問題，而高壓變頻因其調(diào)節(jié)性能優(yōu)良、節(jié)能效果好等因素，正逐漸被廣泛應(yīng)用在電廠中風(fēng)機(jī)、水泵等的流量調(diào)節(jié)中。 

3、變頻節(jié)能在電力生產(chǎn)中的綜合效果

    根據(jù)流體力學(xué)原理，風(fēng)機(jī)或泵類設(shè)備的輸出流量與其轉(zhuǎn)速成正比，輸出壓力與其轉(zhuǎn)速的平方成正比，其消耗的功率與其轉(zhuǎn)速的三次方成正比。采用變頻調(diào)速改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而改變風(fēng)機(jī)或泵的轉(zhuǎn)速，以此來調(diào)節(jié)流量。在這種調(diào)節(jié)方式下，可以將節(jié)流調(diào)節(jié)的閥門或檔板等開度調(diào)至最大，減小管道系統(tǒng)的阻力，節(jié)約因克服調(diào)節(jié)阻力而引起的能耗。同時(shí)，采用變頻調(diào)節(jié)后，管道系統(tǒng)的阻力能保持在使風(fēng)機(jī)或泵工作的高效率點(diǎn)，減少因風(fēng)機(jī)或泵的效率降低而造成的能耗損失。 

    從節(jié)能的效果來看，對節(jié)流調(diào)節(jié)的變頻改造，產(chǎn)生的節(jié)能效果并非僅僅是當(dāng)前所改造的電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的節(jié)能效果，而是并行工作的多臺(tái)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的節(jié)能效果。如果兩臺(tái)風(fēng)機(jī)并聯(lián)運(yùn)行，一臺(tái)運(yùn)行風(fēng)量不足，兩臺(tái)運(yùn)行時(shí)則需要進(jìn)行節(jié)流調(diào)節(jié)，往往是兩臺(tái)風(fēng)機(jī)同時(shí)都進(jìn)行風(fēng)門調(diào)節(jié)，對其中一臺(tái)進(jìn)行變頻改造后，則兩臺(tái)風(fēng)機(jī)都可以運(yùn)行在風(fēng)門全開的狀態(tài)下，這樣產(chǎn)生的節(jié)能效果即為節(jié)流調(diào)節(jié)時(shí)兩臺(tái)風(fēng)門的能耗。 

    電廠的節(jié)能，更重要的是體現(xiàn)在系統(tǒng)效率的提高。在沒有進(jìn)行變頻調(diào)節(jié)時(shí)，電廠的循環(huán)水泵一般采用多極電機(jī),根據(jù)季節(jié)調(diào)整電機(jī)接線，改變電機(jī)的極對數(shù)來改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速從而調(diào)節(jié)循環(huán)水流量，或者是根據(jù)季節(jié)調(diào)整并聯(lián)運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)和泵的運(yùn)行臺(tái)數(shù)來調(diào)節(jié)循環(huán)水流量，這種調(diào)節(jié)操作簡單，但調(diào)節(jié)精度低。采用變頻調(diào)節(jié)時(shí)，如果根據(jù)循環(huán)水的實(shí)時(shí)出水溫度調(diào)節(jié)循環(huán)水流量，將凝汽器的過冷度調(diào)節(jié)在一個(gè)最優(yōu)的范圍內(nèi)，提高鍋爐運(yùn)行的整體效率，這樣節(jié)能效果更加突出。要利用變頻調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)精度高，操作方便的特點(diǎn)，優(yōu)化控制系統(tǒng)，提高系統(tǒng)效率。 

4、電力生產(chǎn)對高壓變頻的要求

由于電力生產(chǎn)的特殊性，電力生產(chǎn)對應(yīng)用高壓變頻有很高的要求。 

首先要求高壓變頻具有很高的可靠性，主要包含幾方面的內(nèi)容：

（1）對電網(wǎng)電壓波動(dòng)的適應(yīng)能力，即能夠在較大的電網(wǎng)電壓波動(dòng)范圍內(nèi)正常工作，這個(gè)范圍一般是-20％～+10％； 

（2）電網(wǎng)重合閘后繼續(xù)運(yùn)行的能力，即在電網(wǎng)瞬時(shí)失電，恢復(fù)供電后變頻器不能停止運(yùn)行，要能夠記憶并快速恢復(fù)至失電前的運(yùn)行狀態(tài)； 

（3）具備冗余設(shè)計(jì)，即允許變頻裝置局部故障，不影響其它部分的運(yùn)行，能夠在局部故障的狀態(tài)下繼續(xù)運(yùn)行； 

（4）能夠在線維護(hù)，即在變頻裝置連續(xù)運(yùn)行的情況下排除局部故障； 

（5）諧波小，這包括變頻器對電網(wǎng)的影響即輸入電流諧波和變頻器對電動(dòng)機(jī)的影響即輸出的電壓、電流諧波; 

（6）其次要求高壓變頻使用方便: 

尺寸較小，可靠墻安裝，對安裝場地的要求低； 

高壓電纜安裝方便，控制接口齊全，易于實(shí)現(xiàn)集散控制； 

維護(hù)簡單，使用壽命長。 

（7）在滿足上述要求的前提下，還要求高壓變頻裝置具有高的性能價(jià)格比。 

5、電力生產(chǎn)中變頻節(jié)能的各個(gè)環(huán)節(jié)及節(jié)能效果

    電力生產(chǎn)的設(shè)備中可以進(jìn)行變頻改造的設(shè)備是很多的，例如1臺(tái)300MW火力發(fā)電機(jī)組一般配置引風(fēng)機(jī)2臺(tái)，單臺(tái)功率2500kW；送風(fēng)機(jī)2臺(tái)，單臺(tái)功率1600kW；排粉風(fēng)機(jī)4臺(tái)，單臺(tái)功率850kW；再循環(huán)風(fēng)機(jī)2臺(tái)，單臺(tái)功率475kW；鍋爐給水泵2臺(tái)，單臺(tái)功率5600kW；循環(huán)水泵3臺(tái)，單臺(tái)功率1100kW；凝結(jié)水泵2臺(tái)，單臺(tái)功率1000kW等。這些風(fēng)機(jī)水泵都需要根據(jù)運(yùn)行的負(fù)荷情況進(jìn)行流量調(diào)節(jié)，因此都有節(jié)能的空間，只是不同的情況下節(jié)能的效果有差異而已。 

    一般來說，對節(jié)流調(diào)節(jié)方式進(jìn)行變頻改造，風(fēng)機(jī)的節(jié)能效果比泵的節(jié)能效果好，這主要是因?yàn)轱L(fēng)機(jī)基本上是無靜壓系統(tǒng)，流量基本上和轉(zhuǎn)速成比例，因此功率就是和流量的三次方成比例這種關(guān)系；泵類系統(tǒng)靜壓較高，不適用流量和轉(zhuǎn)速成比例的原則，在低轉(zhuǎn)速的情況下，流量為零，功率的計(jì)算應(yīng)為流量乘以壓力，而不能使用功率和流量的三次方成比例的關(guān)系。 

    根據(jù)高壓變頻再國內(nèi)的使用情況來看，進(jìn)行凝結(jié)水泵高壓變頻改造的情況最多，這主要是因?yàn)槟Y(jié)水泵的運(yùn)行可靠性要求較低，短時(shí)停止運(yùn)行不會(huì)影響整個(gè)機(jī)組的正常運(yùn)行，同時(shí)凝結(jié)水泵一般為一開一備，即使變頻故障需要停機(jī)維修也不會(huì)對機(jī)組運(yùn)行造成大的影響。從節(jié)能的角度講，因?yàn)槟Y(jié)水隨機(jī)組負(fù)荷變化而變化較大，因此從節(jié)流調(diào)節(jié)改為變頻調(diào)節(jié)，節(jié)能效果比較明顯，從實(shí)際使用的效果來看，節(jié)電率甚至可達(dá)50％。其次引風(fēng)機(jī)的變頻改造較多，節(jié)能效果也很明顯，一般節(jié)電率為30～50％。送風(fēng)機(jī)、循環(huán)水泵、灰漿泵的變頻改造也較多，給水泵的高壓變頻改造很少，幾乎沒有，這可能是因?yàn)榻o水泵功率大、可靠性要求極高，節(jié)能效果不太明顯幾方面的原因。 

6、高壓變頻應(yīng)用時(shí)應(yīng)注意的問題 

    高壓變頻器選用一般可以根據(jù)電動(dòng)機(jī)的額定功率或額定電流來配置相應(yīng)的變頻裝置。在選用變頻器時(shí)根據(jù)估算的使用功率來選配變頻器是不合適的。這是因?yàn)椴捎米冾l器以后所消耗的電功率是在轉(zhuǎn)速降低的情況下得出的，根據(jù)變頻器設(shè)計(jì)的原則，為了維持氣隙磁通量基本不變，應(yīng)使定子端電壓和頻率成比例地調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)速（即頻率）降低的情況下，變頻器地輸出電壓也相應(yīng)地降低，定子電流變化較小。按照使用功率選用的變頻器額定電流是在50Hz、額定電壓時(shí)的功率，其額定電流較小。這樣選用的變頻器在實(shí)際使用過程中容易出現(xiàn)過電流故障，因此不建議這種選配方法。 

    高壓變頻器選用的功率元器件都是半導(dǎo)體器件，使用時(shí)的溫度限制很嚴(yán)格，過溫的情況下很容易損壞元器件，因此使用環(huán)境要求充分考慮通風(fēng)和降溫措施，采用室外循環(huán)通風(fēng)時(shí)尤其要考慮進(jìn)風(fēng)通道的設(shè)計(jì)。在使用過程中，維護(hù)好通風(fēng)和降溫設(shè)備是保證變頻器正常工作的一項(xiàng)重要工作。 

7、高壓變頻技術(shù)現(xiàn)狀 

    高壓變頻技術(shù)的主要方式有直接元器件串聯(lián)方式、三點(diǎn)平方式和單元串聯(lián)多電平方式等電路拓?fù)湫褪?。單元串?lián)多電平方式的高壓變頻技術(shù)因其諸多特點(diǎn)而在國內(nèi)得到快速發(fā)展并得到用戶的普遍認(rèn)可。當(dāng)前國內(nèi)的單元串聯(lián)多電平高壓變頻技術(shù)從控制方式的實(shí)現(xiàn)形式上來說主要有兩種：采用智能化單元的多處理器方式和集中控制的單處理器方式。 

（1）多處理器方式的變頻器 

    每個(gè)功率單元均為智能化單元，單元擁有自己的處理器，實(shí)現(xiàn)單元中的逆變控制、單元中各種狀態(tài)量的檢測和保護(hù)、接收外部指令和輸出狀態(tài)等任務(wù)。主控制器中的處理器主要完成和用戶的人機(jī)接口以及協(xié)調(diào)所有功率單元的一致工作。整套裝置為多處理器共同工作，功能模塊化，容錯(cuò)能力強(qiáng)，技術(shù)先進(jìn)，可靠性高。 

（2）單處理器方式的變頻器 

    此種變頻器中主控制器實(shí)現(xiàn)并協(xié)調(diào)所有單元的逆變工作，完成與其它系統(tǒng)的接口，工作量大，對單元來說僅僅作為主控制器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，容錯(cuò)能力差，單元的測量和保護(hù)動(dòng)作較慢。 

    這兩種方式的高壓變頻技術(shù)在國內(nèi)均有廠家推出產(chǎn)品，應(yīng)用的情況也不錯(cuò)。采用智能化單元的廠家實(shí)現(xiàn)了單元的主動(dòng)投切和單元在線更換功能，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)連續(xù)可靠運(yùn)行的能力。 

8、結(jié)束語 

    高壓變頻經(jīng)過十多年的發(fā)展，技術(shù)已經(jīng)成熟，尤其是單元串聯(lián)多電平方式的高壓變頻裝置，具備冗余功能，單元模塊化設(shè)計(jì)，單元內(nèi)變頻技術(shù)和功率元件成熟，輸入輸出諧波小等優(yōu)點(diǎn)，在國內(nèi)迅速發(fā)展，有些供應(yīng)商甚至可以供應(yīng)具備單元在線更換功能的產(chǎn)品，可靠性有了很大地提高。我國能源緊張，單位GDP能耗高，電力生產(chǎn)和使用負(fù)荷變化較大，電廠中風(fēng)機(jī)和水泵地節(jié)能空間很大，采用高壓變頻調(diào)節(jié)取代傳統(tǒng)地節(jié)流調(diào)節(jié)，節(jié)能降耗大有可為。