新鄉(xiāng)豫新發(fā)電廠高壓變頻器節(jié)能分析
摘要：降低廠用電率，降低發(fā)電成本，提高上網(wǎng)電能的競(jìng)爭(zhēng)力，已成為各火電廠努力追求的經(jīng)濟(jì)目標(biāo)。近幾年電網(wǎng)的負(fù)荷峰谷差越來(lái)越大，頻繁的調(diào)峰任務(wù)使部分輔機(jī)仍然運(yùn)行在工頻狀態(tài)下，造成大量電能流失。本文著重介紹了高壓變頻器的工作原理及實(shí)際運(yùn)行情況的詳細(xì)節(jié)能分析，使我們對(duì)其節(jié)能效果以及典型風(fēng)機(jī)水泵節(jié)能計(jì)算有了更進(jìn)一步認(rèn)識(shí)。因此得出結(jié)論高壓變頻調(diào)速技術(shù)的日趨成熟，在電力系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，節(jié)能效果明顯。
關(guān)鍵詞：調(diào)速 高壓變頻器 功率單元 IGBT 節(jié)電率
一、引言
眾所周知，高壓電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用極為廣泛，它是工礦企業(yè)中的主要?jiǎng)恿Γ谝苯稹撹F、化工、電力、水處理等行業(yè)的大、中型廠礦中，用于拖動(dòng)風(fēng)機(jī)、泵類、壓縮機(jī)及各種大型機(jī)械。其消耗的能源占電動(dòng)機(jī)總能耗的70%以上，而且絕大部分都有調(diào)速的要求，由于高壓電機(jī)調(diào)速方法落后，浪費(fèi)大量能源而且機(jī)械壽命降低。上世紀(jì)90年代，由于變頻調(diào)速技術(shù)在低壓電動(dòng)機(jī)應(yīng)用得非常成功，人們開始研究高壓電動(dòng)機(jī)變頻技術(shù)的應(yīng)用，設(shè)計(jì)了高-高電壓源型變頻技術(shù)方案。該方案采用多電平電路型式（CMSL），由若干個(gè)低壓PWM 變頻功率單元，以輸出電壓串聯(lián)方式（功率單元為三相輸入、單相輸出）來(lái)實(shí)現(xiàn)直接高壓輸出的方法。經(jīng)過(guò)我廠多方調(diào)研、比較，最后選擇同北京利德華福電氣技術(shù)有限公司合作。本文將從HARSVERT-A系列高壓變頻器的工作原理及實(shí)際運(yùn)行狀況兩方面分析河南新鄉(xiāng)豫新發(fā)電廠引風(fēng)機(jī)、凝結(jié)水泵的節(jié)能情況。
二、高壓變頻器的工作原理
（一） 變頻器的結(jié)構(gòu)：現(xiàn)以6kV五級(jí)單元串聯(lián)多電平的高壓變頻器為例。
1．系統(tǒng)主回路：內(nèi)部是由十五個(gè)相同的功率單元模塊構(gòu)成，每五個(gè)模塊為一組，分別對(duì)應(yīng)高壓回路的三相，單元供電由干式移相變壓器進(jìn)行供電，原理如圖1。
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| 圖1：變頻器的結(jié)構(gòu) |
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| 圖2：功率模塊輸出的正弦PWM波形 | 圖3：功率模塊電路結(jié)構(gòu) |
功率單元中的狀態(tài)信息將被收集到應(yīng)答信號(hào)電路中進(jìn)行處理，集中后經(jīng)電/光轉(zhuǎn)換器變換，以光信號(hào)向主控制器發(fā)送。
（二） 變頻器工作原理
1.變頻器調(diào)速原理
按照電機(jī)學(xué)的基本原理，電機(jī)的轉(zhuǎn)速滿足如下的關(guān)系式：
n=(1-s)60f/p=n0×（1-s）（P：電機(jī)極對(duì)數(shù)；f：電機(jī)運(yùn)行頻率；s：滑差）
從式中看出，電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速n0正比于電機(jī)的運(yùn)行頻率(n0=60f/p)，由于滑差s一般情況下比較小（0-0.05），電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速n約等于電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速n0，所以調(diào)節(jié)了電機(jī)的供電頻率f，就能改變電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速。電機(jī)的滑差s和負(fù)載有關(guān)，負(fù)載越大則滑差增加，所以電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速還會(huì)隨負(fù)載的增加而略有下降。
2.變頻器結(jié)構(gòu)原理
無(wú)諧波高壓變頻器采用若干個(gè)低壓PWM變頻功率單元串聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)直接高壓輸出。6kV電網(wǎng)電壓經(jīng)過(guò)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(jié)構(gòu)，相鄰功率單元的輸出端串聯(lián)起來(lái)，形成Y接結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)變壓變頻的高壓直接輸出，供給高壓電動(dòng)機(jī)。以6kV輸出電壓等級(jí)為例，每相由五個(gè)額定電壓為690V的功率單元串聯(lián)而成，輸出相電壓最高可達(dá)3450V，線電壓達(dá)6kV左右。改變每相功率單元的串聯(lián)個(gè)數(shù)或功率單元的輸出電壓等級(jí)，就可以實(shí)現(xiàn)不同電壓等級(jí)的高壓輸出。每個(gè)功率單元分別由輸入變壓器的一組副邊供電，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(shí)現(xiàn)多重化，以達(dá)到降低輸入諧波電流的目的。對(duì)于6kV電壓等級(jí)變頻器而言，給15個(gè)功率單元供電的15個(gè)二次繞組每三個(gè)一組，分為5個(gè)不同的相位組，互差12度電角度，形成30脈沖的整流電路結(jié)構(gòu)，輸入電流波形接近正弦波，這種等值裂相供電方式使總的諧波電流失真低至1%左右，變頻器輸入的功率因數(shù)可達(dá)到0.95以上。原理如圖4所示。
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| 圖4：?jiǎn)卧?lián)輸出結(jié)構(gòu)圖 |
高壓變頻器在運(yùn)行后，將輸入的工頻的三相高壓交流電轉(zhuǎn)化為可以進(jìn)行頻率可調(diào)節(jié)的三相交流電，其電壓和頻率按照V/F的設(shè)定進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)，保持電機(jī)在不同的頻率下運(yùn)行，而定子磁心中的主磁通常保持在額定水準(zhǔn)，提高電機(jī)的轉(zhuǎn)換效率。因此多重疊加的應(yīng)用，高壓變頻器輸出電壓的諧波含量很低，已達(dá)到常規(guī)供電電壓允許的諧波含量，同時(shí)輸出電壓的dV/dt較小，不會(huì)增加電機(jī)繞組的應(yīng)力，可以向普通標(biāo)準(zhǔn)型交流電動(dòng)機(jī)供電，不需要降容或加輸出濾波電抗器，保證了高壓設(shè)備的通用性。多電平單元串聯(lián)疊加的三相波形如圖5所示。
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| 圖5：多電平單元串聯(lián)疊加的三相輸出波形 |
三、對(duì)300MW機(jī)組引風(fēng)機(jī)系統(tǒng)變頻節(jié)能分析
引風(fēng)機(jī)屬于鍋爐輔機(jī)設(shè)備中的高能耗設(shè)備，其輸出功率不能隨機(jī)組負(fù)荷變化而變化，只有通過(guò)改變檔板的開度來(lái)調(diào)整風(fēng)壓和風(fēng)量，造成很大部分能量消耗在節(jié)流損失中。針對(duì)以上能源浪費(fèi)的現(xiàn)象，采用高壓變頻技術(shù)對(duì)電廠重要用電設(shè)備進(jìn)行技術(shù)改造，是電廠節(jié)能降耗提高競(jìng)價(jià)上網(wǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力的有效途徑。
1．現(xiàn)場(chǎng)情況介紹：
1）#2發(fā)電機(jī)組容量：300MW
2）配置引風(fēng)機(jī)數(shù)量：2臺(tái)
3）年運(yùn)行時(shí)間：7920h
4）上網(wǎng)電價(jià)：0.25元
5）設(shè)備參數(shù)見(jiàn)下表1：
| 電動(dòng)機(jī) | 引風(fēng)機(jī) | ||
| 型號(hào) | YKK800-3-8 | 型號(hào) | AN28e6靜葉可調(diào)軸流引風(fēng)機(jī) |
| 電動(dòng)機(jī)功率Pdn（kW） | 2000 | 額定流量（m3/S） | 258 |
| 電動(dòng)機(jī)電壓U0（KV） | 6 | 全壓（Pa） | 4315 |
| 電動(dòng)機(jī)電流I0（A） | 254 | ||
| 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n0（r/min） | 746 | ||
| 功率因數(shù) | 0.89 | ||
| 機(jī)組負(fù)荷（MW） | 平均運(yùn)行時(shí)間(%) | 靜葉開度(%) | 全壓（Pa） | 電機(jī)電流(A) | |||
| A引風(fēng)機(jī) | B引風(fēng)機(jī) | A引風(fēng)機(jī) | B引風(fēng)機(jī) | A引風(fēng)機(jī) | B引風(fēng)機(jī) | ||
| 180 | 6 | 36.4 | 37.1 | 1419.34 | 1473.24 | 99.01 | 117.03 |
| 190 | 4 | 38.9 | 40.4 | 1558.41 | 1575.91 | 100.46 | 118.14 |
| 200 | 7 | 40.5 | 42.8 | 1701.89 | 1680.37 | 102.31 | 120.61 |
| 210 | 7 | 42.3 | 44.3 | 1804.92 | 1790.02 | 104.29 | 123.07 |
| 220 | 9 | 45.8 | 46.1 | 1889.11 | 1893.98 | 106.77 | 125.47 |
| 230 | 10 | 48.2 | 47.6 | 1987.83 | 1989.29 | 109.43 | 128.25 |
| 240 | 2 | 50.5 | 49.8 | 2085.38 | 2096.32 | 112.23 | 130.45 |
| 250 | 7 | 52.5 | 53.4 | 2146.67 | 2169.91 | 114.04 | 132.21 |
| 260 | 6 | 55.4 | 56.1 | 2301.87 | 2313.34 | 117.37 | 135.16 |
| 270 | 7 | 57.9 | 60.4 | 2491.81 | 2538.13 | 122.81 | 138.02 |
| 280 | 8 | 61.8 | 64.7 | 2682.38 | 2792.18 | 125.63 | 142.81 |
| 290 | 6 | 64.1 | 67.3 | 2844.12 | 3009.46 | 132.11 | 148.14 |
| 300 | 21 | 67.3 | 70.2 | 3056.13 | 3265.79 | 140.06 | 154.39 |
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| 機(jī)組負(fù)荷（MW） | 平均運(yùn)行時(shí)間(%) | A引風(fēng)機(jī)電流(A) | B引風(fēng)機(jī)電流(A) | 功率因數(shù) | 兩臺(tái)引風(fēng)機(jī) 工頻總功率（kW） |
| 180 | 6 | 99.01 | 117.03 | 0.78 | 1751.17 |
| 190 | 4 | 100.46 | 118.14 | 0.79 | 1794.64 |
| 200 | 7 | 102.31 | 120.61 | 0.8 | 1853.27 |
| 210 | 7 | 104.29 | 123.07 | 0.81 | 1913.81 |
| 220 | 9 | 106.77 | 125.47 | 0.82 | 1979.02 |
| 230 | 10 | 109.43 | 128.25 | 0.83 | 2050.08 |
| 240 | 2 | 112.23 | 130.45 | 0.83 | 2093.20 |
| 250 | 7 | 114.04 | 132.21 | 0.83 | 2124.00 |
| 260 | 6 | 117.37 | 135.16 | 0.85 | 2230.65 |
| 270 | 7 | 122.81 | 138.02 | 0.86 | 2331.07 |
| 280 | 8 | 125.63 | 142.81 | 0.87 | 2426.98 |
| 290 | 6 | 131.11 | 147.14 | 0.88 | 2544.59 |
| 300 | 21 | 139.06 | 153.39 | 0.89 | 2704.84 |
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| 圖6：電動(dòng)機(jī)效率與負(fù)荷率關(guān)系曲線 | 圖7：變頻器效率與負(fù)荷率關(guān)系曲線 |
| 機(jī)組負(fù)荷 （MW） |
平均運(yùn)行時(shí)間 (%) |
A引風(fēng)機(jī)全壓（Pa） | B引風(fēng)機(jī)全壓（Pa） | 電機(jī)效率  |
變頻器效率  |
兩臺(tái)引風(fēng)機(jī)網(wǎng)側(cè)總功率（kW） |
| 180 | 6 | 1419.34 | 1473.24 | 0.92 | 0.94 | 779.17 |
| 190 | 4 | 1558.41 | 1575.91 | 0.92 | 0.94 | 878.755 |
| 200 | 7 | 1701.89 | 1680.37 | 0.93 | 0.95 | 964.215 |
| 210 | 7 | 1804.92 | 1790.02 | 0.93 | 0.95 | 1056.57 |
| 220 | 9 | 1889.11 | 1893.98 | 0.93 | 0.95 | 1140.58 |
| 230 | 10 | 1987.83 | 1989.29 | 0.94 | 0.95 | 1216.37 |
| 240 | 2 | 2085.38 | 2096.32 | 0.94 | 0.95 | 1311.42 |
| 250 | 7 | 2146.67 | 2169.91 | 0.94 | 0.96 | 1361.06 |
| 260 | 6 | 2301.87 | 2313.34 | 0.95 | 0.96 | 1488.87 |
| 270 | 7 | 2491.81 | 2538.13 | 0.95 | 0.96 | 1694.05 |
| 280 | 8 | 2682.38 | 2792.18 | 0.95 | 0.96 | 1923.79 |
| 290 | 6 | 2844.12 | 3009.46 | 0.95 | 0.96 | 2127.31 |
| 300 | 21 | 3056.13 | 3265.79 | 0.95 | 0.96 | 2387.93 |
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| 機(jī)組負(fù)荷 | 工頻總功率（kW） | 變頻總功率（kW） | 節(jié)電率（%） |
| 180 | 1751.17 | 779.17 | 55.51 |
| 190 | 1794.64 | 878.755 | 51.03 |
| 200 | 1853.27 | 964.215 | 47.97 |
| 210 | 1913.81 | 1056.57 | 44.79 |
| 220 | 1979.02 | 1140.58 | 42.37 |
| 230 | 2050.08 | 1216.37 | 40.67 |
| 240 | 2093.20 | 1311.42 | 37.35 |
| 250 | 2124.00 | 1361.06 | 35.92 |
| 260 | 2230.65 | 1488.87 | 33.25 |
| 270 | 2331.07 | 1694.05 | 27.33 |
| 280 | 2426.98 | 1923.79 | 20.73 |
| 290 | 2544.59 | 2127.31 | 16.40 |
| 300 | 2704.84 | 2387.93 | 11.72 |
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| 圖8：引風(fēng)機(jī)系統(tǒng)節(jié)能效果圖 |
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| 水泵型號(hào) | NLT350-400×6 | 功??? 率（Pb） | 1120kW |
| 額定流量（qv,max） | 745m3/h | 效??? 率（η） | 0.78 |
| 額定揚(yáng)程（H） | 321 m | 水位高度差（H0） | 0.23 m |
| 電動(dòng)機(jī)型號(hào) | YKSL500-4 | 額定電壓（U0） | 6kV |
| 額定功率（Pdn） | 1120kW | 效??? 率（η） | 0.94 |
| 額定電流（I0） | 125.5A | 功率因數(shù)（cosφ） | 0.9 |
| 轉(zhuǎn)??? 速（n0） | ?1486r/min |
| 機(jī)組負(fù)荷（MW） | 200 | 220 | 250 | 280 | 300 |
| 平均運(yùn)行時(shí)間(%) | 8.0 | 8.1 | 20.7 | 17.5 | 45.7 |
| 調(diào)節(jié)門開度（%） | 62.5 | 67.7 | 73.2 | 82.6 | 88.3 |
| 凝結(jié)水流量（t/h） | 557.0 | 595.5 | 637.1 | 702.1 | 749.6 |
| 電機(jī)電流（A） | 88.6 | 90.7 | 92.6 | 95.9 | 98.5 |
| 除氧器壓力（MPa） | 0.43 | 0.51 | 0.59 | 0.67 | 0.72 |
| 母管壓力（MPa） | 3.28 | 3.26 | 3.19 | 3.11 | 3.07 |
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| 機(jī)組負(fù)荷（MW） | 200 | 220 | 250 | 280 | 300 |
| 平均運(yùn)行時(shí)間(%) | 8.0 | 8.1 | 20.7 | 17.5 | 45.7 |
| 電機(jī)電流(A) | 88.6 | 90.7 | 92.6 | 95.9 | 98.5 |
| 工頻功耗(kW) | 828.6 | 848.3 | 866.1 | 896.9 | 921.2 |
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| 機(jī)組負(fù)荷（MW） | 200 | 220 | 250 | 280 | 300 |
| 平均運(yùn)行時(shí)間(%) | 8.0 | 8.1 | 20.7 | 17.5 | 45.7 |
| 凝結(jié)水流量（t/h） | 557.0 | 595.5 | 637.1 | 702.1 | 749.6 |
| 泵出口壓力（m） | 169.73 | 184.76 | 202.13 | 231.62 | 254.98 |
將凝結(jié)泵在100％開度情況下的預(yù)期工況值代入公式⑤可求得：λ＝3.89×10-3。
采用凝結(jié)泵變頻調(diào)速時(shí)，不同負(fù)荷下泵的泵功率P由公式⑤計(jì)算得出。若考慮電機(jī)效率和變頻器效率，根據(jù)上述公式③、④求出網(wǎng)側(cè)功率損耗Pb。具體結(jié)果見(jiàn)下表11：
| 機(jī)組負(fù)荷（MW） | 200 | 220 | 250 | 280 | 300 |
| 平均運(yùn)行時(shí)間(%) | 8.0 | 8.1 | 20.7 | 17.5 | 45.7 |
| 凝結(jié)水流量（t/h） | 557.0 | 595.5 | 637.1 | 702.1 | 749.6 |
| 泵功率（kW） | 361.96 | 421.25 | 493.05 | 622.61 | 731.77 |
| 電機(jī)效率 | 0.92 | 0.92 | 0.93 | 0.94 | 0.95 |
| 變頻器效率 | 0.95 | 0.95 | 0.95 | 0.96 | 0.96 |
| 網(wǎng)側(cè)功率（kW） | 414.1419 | 481.9794 | 558.0645 | 689.949 | 802.3794 |
因此，采用變頻運(yùn)行時(shí)，每年凝結(jié)泵耗電量約為472.58萬(wàn)度電。
5．節(jié)能計(jì)算：
年節(jié)電量：ΔC= Cd－Cb = 624.57－472.58= 151.99萬(wàn)kW?h
節(jié)電率：（ΔC/Cd）×100% =（151.99 / 624.58）×100% =24.33 %
按照2006月至2007的1年的運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析，2＃機(jī)組凝結(jié)泵經(jīng)變頻改造后，每年可節(jié)約151.99萬(wàn)度，折合發(fā)電成本：151.99×0.25=38萬(wàn)元。
五、結(jié)論
通過(guò)對(duì)300MW機(jī)組引風(fēng)機(jī)、凝結(jié)水泵系統(tǒng)的詳細(xì)節(jié)能分析論證：采用高壓變頻器對(duì)兩臺(tái)引風(fēng)機(jī)和凝結(jié)泵進(jìn)行變頻改造，改靜葉開度為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)是切實(shí)可行的，能夠起到降低廠用電率的目的。而且，在系統(tǒng)的安全可靠性、設(shè)備維護(hù)量等方面具有良好的收益。
參考文獻(xiàn)
[1] 高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)HARSVERT-A系列技術(shù)手冊(cè) 北京利德華福電氣技術(shù)有限公司
[2] 高壓變頻器應(yīng)用資料匯編－電力行業(yè) 北京利德華福電氣技術(shù)有限公司
作者簡(jiǎn)介
新鄉(xiāng)豫新發(fā)電有限責(zé)任公司 設(shè)備管理部電氣工程師 張清
北京利德華福電氣技術(shù)有限公司 技術(shù)工程部 晏鹍