1 引言
發電廠的冷卻系統是電力生產過程的一個重要環節，從技術上來看，冷卻技術分水冷和空冷。水冷發電廠是把濕冷冷卻塔(涼水塔)內的循環水以“淋雨”方式與空氣直接接觸進行熱交換的，其整個過程處于“濕”的狀態，其冷卻過程又稱為濕冷系統。空冷發電廠是用空冷島軸流風機吹冷、或者利用分布換熱系統來冷卻汽輪機排汽，達到省水、回水再利用的目的。整個過程處于“干”的狀態，所以空冷塔又成為干式冷卻塔或干冷塔。
隨著我國西部大開發、西電東送北通道的開通，我國北部地區的晉、陜、寧、蒙四省區的電力工業得到迅猛發展，而建設大型火力發電廠需要充足的冷卻水源。這些地區的優勢是煤炭資源豐富，而劣勢是水資源匱乏，利用豐富的煤炭資源和有限的水資源發展火電工業，就需要采用新的冷卻方式來排除廢熱，直接空冷系統因其技術逐漸成熟，節水效果顯著，可調效果好，因此在我國山西、內蒙古等產煤區所新建單機容量為300mw以上機組的電廠均采用空冷技術。
2 直接空冷系統介紹
2.1 直接空冷系統的流程介紹 [1]
直接空冷系統的流程圖如圖1所示。汽輪機排汽通過粗大的排汽管道送到室外的空冷凝汽器內，軸流冷卻風機使空氣流過散熱器外表面，將排汽冷凝成水，凝結水再經泵送回汽輪機的回熱系統。
圖1 直接空冷系統的流程圖
如圖2空冷島外觀圖所示，空冷系統建筑規模龐大，一般稱為空冷島，包括凝結水系統(凝結水箱)、真空疏水系統(包括疏水泵)、排氣/抽氣系統(水環泵單元)、空冷凝汽器(acc)等四套系統。通過dcs集散控制系統，實現對這四套系統的自動檢測、自動調節、順序控制、自動保護等自動控制功能。
圖2 空冷島外觀圖
2.2 直接空冷系統變頻風機系統的組成
空冷凝汽器系統(簡稱acc)是由若干臺空冷凝汽器構成，每臺空冷凝汽器配置一臺軸流風機，建筑在高聳的空冷平臺上，對空冷凝汽器進行直接冷卻。例如1臺300mw國產空冷機組工程空冷系統需要配置30臺空冷風機（其中6臺為可逆轉風機），功率為90kw。軸流冷卻風機在一個水平平面內布置，形成了龐大的軸流冷卻風機群。
風機電機均采用變頻控制，除節能原因外，變頻調速控制還可以實現電動機“軟啟動”，即電動機在很低地頻率 (3～5hz)和相應的電壓下啟動，逐漸提高電源的頻率和電壓，控制電動機在小于1.1倍額定電流下無沖擊啟動，以這種方式經常啟動是風機所允許的。另外風機的轉速可以在(30%～110%)額定轉速運行，調節方便，滿足在各種氣象條件下機組運行工況的要求。風機經常在需要的低轉速下運行，噪聲和磨損都比額定轉速低，有利于環境保護，降低維修費用并延長了空冷器的壽命。
變頻控制柜通過硬接線和通訊與主dcs或空冷系統dcs相連接，dcs能根據不同的蒸汽負荷和環境溫度控制風機啟停及轉速，使汽輪機的排汽壓力保持恒定。
3 abb變頻器在空冷島變頻系統的應用
以山西柳林發電廠二期（2×600mw）工程空冷島變頻調速器選型和應用為例,介紹abb變頻器在空冷島方面的應用。
每臺機組由40臺冷凝器風機和16臺分凝器風機組成。所以總共需要56 × 2 = 112臺變頻器。
3.1 空冷島對變頻器高可靠性的要求
空冷風機變頻控制系統中變頻器能否長期穩定運行關系到電廠能否正常發電。
abb公司acs800系列變頻器是abb公司原裝進口的工業級產品，是目前流行的脈寬調制電壓型變頻器，控制方式采用當今最先進的直接轉矩（dtc）控制技術,能夠精確控制任何標準鼠籠電機的速度和轉矩，它還具有電機辨識運行功能，此功能在變頻器初次驅動電機時，控制電機的運行，創建電機模型，從而達到辨識電機特性，優化控制的目的。因此acs800變頻器更適用于風機、水泵和恒轉矩等各種變速驅動應用場合。完全滿足空冷系統常年不間斷運行的要求。
3.2 acs800變頻器操作簡單
acs800變頻器具有啟動向導功能，使acs800的調試變得非常簡便。當用戶第一次給傳動上電時，啟動向導會引導用戶完成所有的調試步驟，用戶不必再擔心會忘記設置某組參數。
acs800控制盤有四種不同的鍵盤模式：實際信號和故障紀錄顯示模式、參數模式、功能模式和傳動選擇模式。在實際信號顯示模式中可以同時監視三個實際信號，諸如頻率、轉速、電流、流量等信號。
3.3 acs800的優越性能
(1) 電源斷電時的運行。acs800將利用正在旋轉著的電機的動能繼續運行，只要電機旋轉并產生能量，acs800將繼續運行。
(2) 零速滿轉矩。由acs800帶動的電機能夠獲得在零速時電機的額定轉矩，并且不需要光碼盤或測速電機的反饋。而矢量控制變頻器只能在接近零速時實現滿力矩輸出。
(3) 起動轉矩。dtc提供的精確的轉矩控制使得acs800能夠提供可控且平穩的最大起動轉矩。最大起動轉矩能達到200%的電機額定轉矩。
(4) 自動起動。acs800的自動起動特性超過一般變頻器的飛升起動和積分起動的性能。因為acs800能在幾毫秒內測出電機的狀態，任何的條件下在0.48s內迅速起動。而矢量控制變頻器則需大于是2.2s。
(5) 磁通優化。在優化模式下，電機磁通被自動地適應于負載以提高效率，同時降低電機的噪音。得益于磁通優化，基于不同的負載，變頻器和電機的總效率可提高1%-10%。
(6) 磁通制動。acs800能通過提高電機的磁場來提供足夠快的減速。acs800持續監視電機的狀態，在磁通制動時也不停止監視。磁通制動也能用于停止電機和從一個轉速變換到另一個轉速。而其他品牌的變頻器所使用的直流制動是不可能實現此功能的。
(7) 精確速度控制。acs800的動態轉速誤差在開環應用時為0.3%，在閉環應用時為0.1%。而矢量控制變頻器在開環時大于0.8%，閉環時為0.3%。acs800變頻器的靜態精度為0.01%。
(8) 精確轉矩控制。動態轉矩階躍響應時間，在開環應用時能達到1-5ms，而矢量控制變頻器在閉環時需10-20ms，開環時為100-200ms。
(9) 危險速度段設置。可使電機避免在某一速度或某一速度范圍上運行的功能，例如避開機械共振點（帶）。acs800可以設置5個不同的速度點和速度范圍，電機通過危險速度范圍時按照加速或減速積分曲線加速或減速。
(10) acs800變頻器保護功能。變頻裝置能提供電動機所需的過載、過流、接地、過壓、欠壓、過熱、缺相等護，保護應為微機型，且不與控制共用cpu及電源。保護動作能發出硬接線信號。
變頻器自身配備完善的電氣保護，當變頻器裝置發生故障時，發出信號。acs800的標準軟件提供了對傳動，電機和過程的保護，包括預編程保護功能和可編程保護功能。預編程保護功能包括 環境溫度，dc過壓，dc欠壓，傳動溫度，輸入缺相，過流，功率限幅和輸出短路等。可編程保護功能包括可調整功率限幅，控制信號監視，危險頻率鎖定，電流轉矩限幅，接地故障保護，外部故障，電機缺相，電機堵轉保護，電機過溫保護，電機欠載保護，控制盤丟失等。
4 關于電機可逆運轉
每臺空冷機組56臺驅動裝置中的16臺（逆流管束）必須是雙向旋轉。
acs800變頻器不需要制動電阻。dtc的優越功能，從給定的工藝條件，完全可以靠內部磁通制動等功能在30s內從30%反轉狀態下停下來，并正常投運。
5 變頻器與dcs系統的接口
表1所示，以acs800為例，表示與dcs系統的接口。
控制可逆轉風機的變頻器必須接受反向指令，并送出方向狀態信號，因此在控制此風機的變頻器上加裝擴展繼電器輸出模塊orel，以滿足控制和指示功能。
6 變頻系統抑制諧波的措施
acs800變頻器內置交流電抗器有效地抑制高次諧波對電網的影響，交流電抗器用于衰減主供電回路中的諧波成分，改善進線電流波形。它將減小電容器的脈動電流，并提高電容器的壽命。電抗器位于整流橋的交流側，保護整流橋的二極管免受進線電壓的沖擊。電抗器也可減少變頻器的電磁輻射。變頻裝置內部通訊采用光纖連接，以提高通訊速率和抗干擾能力. 變頻器本體在輸入側內置rfi濾波器，使其電磁輻射符合en61800-3 第二環境標準。
由于空冷島使用變頻器數量較多，需根據實際負荷及變壓器容量和供電系統參數計算得出，常規推薦方式如下：采用變壓器不同繞組方式形成系統12脈沖形式（如圖3所示），則可以滿足如表2所示的標準。
圖3 12脈沖整流方案
7 變頻器電機的噪音
由變頻器運行產生的額外噪音與電機直接操作方式相比少3 db。包括所有余量在內的電機最大噪音級為84db(a)。在變頻器出口到電機之間應該有一個專門的過濾器及相應技術使噪音限制在能容忍水平內。這應在整個操作頻率范圍（30～110%等于 5～ 55hz）上和滿負荷條件下達到。
(1) acs800變頻器dtc獨特的開關控制技術與傳統的pwm控制技術完全不同，可大幅減少諧波。
(2) 輸出側的輸出電抗器減少電機噪音。
8 變頻柜方案
根據空冷系統低壓變頻器設備技術要求，將1臺acs800變頻器安裝于一個1000mm寬的柜內，每臺變頻器分別獨立供電；變頻裝置控制柜內包括控制裝置連接的用戶接線端子、空氣斷路器、變頻器模塊、原裝進口的emc濾波器、輸入電抗器、輸出電抗器及所有提供必要功能的設備，如圖4所示。
圖4 變頻器分別獨立供電方式
變頻器柜采用ggd式結構,柜架為高強度的九褶型材; 面板噴塑均勻平滑外觀美，結構合理勻稱，平直度高。柜體外殼防護等級：ip21。柜的外形尺寸為1000mm×650mm×2200mm（寬×深×高）。進、出線方式為柜底電纜進出線。
柜體內配置如圖5所示。柜體內配置了熔斷開關，選用abb公司生產的具有隔離和短路保護雙重功能的熔斷開關os400d03p,額定電流400a；同時還配置進出線電抗器，控制邏輯回路等所需的設備，以利于系統更安全、可靠的運行。
圖5 柜體內配置圖
每臺變頻器柜內設有斷路器、接觸器等動力和控制設備，分別給以下兩個回路(風機電機加熱器、齒輪箱加熱器)供電：
控制方式采用程序控制和就地手動控制，變頻器自身控制系統采用靈活的參數配置方式，具有就地操作及顯示功能。安裝于柜門上的操作控制盤提供交流電機調試的修改鍵。
9 變頻車間散熱方案
電廠設有空冷器變頻間，龐大的變頻控制柜(以下稱變頻控制裝置)矩陣布置在空冷器變頻間中。
因為變頻器主要發熱元件為功率器件（igbt），散熱良好將有利于系統安全長效運行，如圖6所示。可采用如下散熱方式：
(1) 采用風道系統，在保證進風量的同時將產生熱量排除控制室。
(2) 采用適配工業空調系統
圖6 空冷變頻車間變頻器散熱方式示意圖
10 結束語
本文以abb公司acs800變頻器為例，介紹了變頻器在空冷島上的使用方案。在實際工程中有一定的借鑒價值。
作者簡介
趙金亮 高級工程師 山西省自動化研究所所長。
參考文獻
[1] 中國電力. 變頻器在大型電廠直接空冷系統中的應用
[2] abb公司. acs800變頻器用戶手冊