山西華陽集團新能股份有限公司發(fā)供電分公司第二熱電廠 李小平

電作為生產(chǎn)生活中不可或缺的一部分，與人們的生活有千絲萬縷的聯(lián)系。近十年來，火電發(fā)電占到70%～75%，是目前我國最主要的發(fā)電方式之一，據(jù)國家統(tǒng)計局公開信息顯示，我國2022年發(fā)電總量達到了83886億kWh，與2021年相比實現(xiàn)了2.2%的增長，其中火力發(fā)電量為58531.3億kWh?；鹆Πl(fā)電裝機容量占比只有52%，但提供的電力占比卻接近70%，火力發(fā)電仍是維持我國電力供應穩(wěn)定的支柱，尤其在可再生能源難以滿足需要時。

1 高壓變頻調(diào)速技術

1.1 高壓變頻技術的概況

高壓變頻調(diào)速技術采用單元串聯(lián)多電平技術，或者IGBT元件直接串聯(lián)高壓變頻器等技術，實現(xiàn)變頻調(diào)速系統(tǒng)的高輸出功率（功率因數(shù)＞0.9），同時消除對電網(wǎng)諧波的污染。對高壓節(jié)電降耗作用明顯，平均節(jié)電率在30%以上。單元串聯(lián)多電平技術采用功率單元串聯(lián)電壓相加回路，采取變壓器多繞組別分組分壓整流單元均壓，單元電平疊加，通過IGBT逆變橋進行正弦（PWM）控制，可得到單項交流輸出，每個功率模塊結(jié)構及電氣性能上完全一致，可以互換[1]。

高壓變頻調(diào)速技術在許多發(fā)電廠中得到廣泛應用，其中比較典型的有北京大唐發(fā)電公司陡河發(fā)電廠，包括125MW調(diào)峰機組風機變頻調(diào)節(jié)，主要設備為1000kW/6kV風機變頻器，大冶特鋼第四煉鋼廠70t交流電弧爐除塵風機變頻調(diào)節(jié)，主要設備為1600kW/6kV除塵風機變頻器等。

1.2 高壓變頻調(diào)速技術應用要求

1.2.1 高-高變頻器及單元串聯(lián)結(jié)構應用技術要點

在實際應用中，高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)主要以“高-高”變換，“高-高”式變頻器是一種采用高壓且容量較大的gto或igbt功率元件組成的串聯(lián)結(jié)構形式，無輸出變壓器，直接將高壓電源轉(zhuǎn)成直流，再逆變輸出高壓的過程。單元串聯(lián)多電平拓撲為主的結(jié)構形式，其主體結(jié)構由許多功率模塊按照一定的規(guī)則串聯(lián)構成，高壓輸出主要由各組低壓經(jīng)過疊加產(chǎn)生的，由于其對電網(wǎng)諧波的污染性較小，輸入電流諧波的畸變控制在4%以下，電網(wǎng)輸入電壓諧波畸變在2%以下，滿足了諧波抑制的要求，由于輸入功率因數(shù)高，輸入諧波濾波器及功率因數(shù)補償裝置可不再使用。當輸出波形質(zhì)量滿足要求，輸出電流諧波畸變小于2%，避免了電機附加發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動、噪聲、輸出DV、共模電壓等問題，3250kW/6kV高壓變頻系統(tǒng)由15個功率單元組合而成，其中每5個功率單元串聯(lián)組成一相。

1.2.2 功率單元技術要點

高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)中每個功率單元分別由輸入變壓器的一組副邊進行供電，功率單元之間及變壓器二次繞組之間必須處于絕緣狀態(tài)，二次繞組通過延邊三角形接法，達到多重化的效果，有利于輸入諧波電流的降低。每個功率單元結(jié)構形式上是一致的，在使用過程中，可根據(jù)需要進行互換，系統(tǒng)為基本的單相逆變電路，整流側(cè)為二極管三相全橋，IGBT逆變橋采用PWM控制方式，并有自動單元旁路功能。當功率單元內(nèi)器件為單元直流母線電壓時，此時，其承受的電壓為高電壓，在實際應用中，可以將低壓功率器件直接進行使用，器件可不進行串聯(lián)連接，因此均壓問題在器件串聯(lián)時不存在的。功率單元采用的低壓IGBT功率模塊，具有驅(qū)動電路簡單，技術安全性、可靠性強，低壓狀態(tài)下使用，故障發(fā)生率低。

1.2.3 單元旁路技術要點

當單元旁路功能某個功率模塊出現(xiàn)故障，自動旁路收到信號運行，變頻裝置無需停機，但應確保降低額定功率使用。并聯(lián)旁路電路應在每個功率單元輸出端之間，一旦出現(xiàn)功率故障，應立即封鎖該功率單元的觸發(fā)信號，并確保旁路SCR導通，保證電機電流正常運行，在一定程度上提高了系統(tǒng)運行的安全性。

2 高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的技術要點

高壓變頻調(diào)速的高頻器為高-高結(jié)構，不需輸出升壓變壓器，輸出為單元串聯(lián)移相式PWM方式。高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)為一體化設計，包括輸入干式隔離變壓器，變頻器等所有部件及內(nèi)部連線，用戶只需連接高壓輸入、高壓輸出、低壓控制電源和控制信號線即可[2]。

在20%～100%的負載變化情況內(nèi)達到或超過0.95的功率因數(shù)，并且電流諧波少，無須功率因數(shù)補償/諧波抑制裝置。無需濾波器變頻器就可輸出正弦輸出電流和電壓波形，對電機沒有特殊的要求，可以使用普通異步電機，電機不必降額使用。具有軟起動功能，沒有電機啟動沖擊引起的電網(wǎng)電壓下跌，可確保電機安全、長期運行。變頻裝置輸出波形不會引起電機的諧振，轉(zhuǎn)矩脈動小于0.1%?？杀苊怙L機喘振現(xiàn)象。變頻器有共振點頻率跳躍功能；變頻裝置對輸出電纜無特殊要求，電機不會受到共模電壓和dv/dt的影響；變頻器可在輸出不帶電機的情況下進行空載調(diào)試，也可在沒有6kV高壓情況下用低壓電進行空載調(diào)試。

控制系統(tǒng)采用全數(shù)字微機控制，有較強的自診斷功能，能對所發(fā)生的故障類型及故障位置提供中文指示，能在就地顯示并遠方報警，便于運行人員和檢修人員能辨別和解決所出現(xiàn)的問題；在就地監(jiān)控方式下，通過變頻器上的觸摸屏顯示，可進行就地人工啟動、停止變頻器，可以調(diào)整轉(zhuǎn)速、頻率；就地控制窗口采用中文操作界面，功能設定、參數(shù)設定等均采用中文。賣方提供的變頻裝置支撐軟件為漢化的比較新的正版軟件。

變頻器高壓主回路與控制器之間為光纖連接，具有較高的通信速率和抗干擾能力，安全性好，轉(zhuǎn)矩特性：0～50Hz恒轉(zhuǎn)矩特性，額定轉(zhuǎn)矩輸出，轉(zhuǎn)矩階躍響應＜200ms。50Hz以上恒功率特性，比較大轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成反比下降。輸出頻率0～60Hz（根據(jù)電機情況可設定），變頻器抗地震能力為7級，振動0.5G，臨界速度可跳過（共2組，可任意設定）。

完整的故障監(jiān)測電路、精確的故障報警保護，自帶冷卻風機，風機電源與控制電源分開取電，電源取自輸入側(cè)變壓器，內(nèi)置PLC，易于改變控制邏輯關系，適應多變的現(xiàn)場需要，可靈活選擇現(xiàn)場控制/遠程控制，可接收和輸出0～10V/4～20mA工業(yè)標準信號，可根據(jù)用戶需要內(nèi)置PID調(diào)節(jié)器，完整的通用變頻器參數(shù)設定功能，自備UPS，可維持30min，旋轉(zhuǎn)再啟動功能，單個功率單元故障時，輸出電壓仍可達到93%以上，在大多數(shù)情況下不影響負載的運行。

3 相關應用

3.1 輸入、輸出側(cè)結(jié)構在實際中的應用

輸入側(cè)結(jié)構的應用。輸入側(cè)主要由移相變壓器（H級絕緣）輸送到每個單元供電，每個功率單元都承受全部的電機電流，1/5（1/8）的相電壓，1/15（1/24）的輸出功率。15（24）個單元在變壓器上都有自己獨立的三相輸入繞組，二次繞組在實際中具有多重化的特點，并降低了輸入電流的諧波成分。根據(jù)功率、電壓等級的不同功率單元數(shù)也會隨著變化，功率越大，電壓等級越高單元數(shù)就越多。移相變壓器的副邊繞組分為三組構成30（48）脈沖整流方式，這種多級移相疊加的整流方式在一定程度上改善了網(wǎng)側(cè)的電流波形，使其負載下的網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)接近1，輸入電流諧波成分比較低，實測輸入電流總諧波成分控制在5%內(nèi)。

輸出側(cè)結(jié)構的應用。輸出側(cè)根據(jù)每個單元的U、V輸出端子相相互串接而成的星形接法為電機提供電源，通過對每個單元的PWM波形進行重新組合后正弦度好，DV/DT小，減少對電纜和電機的絕緣損壞，無須輸出濾波器輸出電纜長度可達1000m，電機不需降額使用，在舊設備改造上應用較多，同時電機的諧波損耗減少，消除了由此引起的機械振動，減小了軸承和葉片的機械應力。

3.2 無速度傳感器矢量控制技術應用

高性能異步電機調(diào)速系統(tǒng)在火電廠上得到廣泛應用，速度傳感器由于受到外界和自身因素的影響，在安裝及維護、低速運行等環(huán)節(jié)上存在問題，對異步電機調(diào)速系統(tǒng)的安全性、可靠性等方面產(chǎn)生較大影響，無速度傳感器異步電機的應用，克服了速度傳感器存在一些弊端，在火電廠中得到有效利用。無速度傳感器矢量控制變頻器的矢量控制具有許多優(yōu)點，例如高性能特點、傳速快等。在實際應用中，通過獲得有效運行速度信號是無速度傳感器矢量控制的最重要環(huán)節(jié)。無速度傳感器控制系統(tǒng)通過計算、參數(shù)識別，狀態(tài)評估、間接測量等手段收集信號，根據(jù)電機定子進行電壓、電流值的計算，結(jié)合收集信號速度，計算得到轉(zhuǎn)子的運行速度，智能系統(tǒng)通過反饋的速度進行判斷是否符合要求。

3.3 在節(jié)能上的應用

高壓變頻調(diào)速裝置投入運行后，節(jié)流閥全部打開，采用遠方自動恒水壓控制方式，平時操作值班人員只需改變壓力設定值，多數(shù)情況下，變頻器運行在40Hz，功率270kW，高壓輸入電流不到30A，而50Hz定速運行時功率約530kW，高壓輸入電流60A。高壓變頻器是利用半導體器件的通斷作用將工頻變換為另一頻率的電能控制裝置。其是按一定規(guī)律改變脈沖列的脈沖寬度或幅度，以調(diào)節(jié)輸出量和波形的，從而實現(xiàn)電壓和頻率的平滑變化。

根據(jù)電機學原理，交流轉(zhuǎn)速由下式確定：n=（60/np）f（1-s），式中：n、f分別表示發(fā)電機轉(zhuǎn)速、供電頻率，Np、s分別為電動機極對數(shù)轉(zhuǎn)差率。根據(jù)流體力學的基本定律可知，風機（或水泵）類設備均屬平方轉(zhuǎn)矩負載，其轉(zhuǎn)速n與流量q、壓力（揚程）h以及軸功率p具有如下關系：Q∞n、H∞T∞n2、P∞T×n×n3，式中：Q、H分別為風量、風壓；N、T分別為轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)矩；P為軸功率。由以上公式可知，風機（或水泵）的流量與其轉(zhuǎn)速成正比，壓力（或揚程）與其轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸功率與其轉(zhuǎn)速的立方成正比。當風機轉(zhuǎn)速降低后，其軸功率隨轉(zhuǎn)速的三次方降低，驅(qū)動風機的電機所需的電功率亦可相應降低。因此，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速是風機節(jié)能的重要途徑[3]。

4 3250kW/6kV高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)化設計

3250kW/6kV高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)主要由控制柜、功率柜、變壓器柜三大部分組成，其各個部分不僅繼承了以前產(chǎn)品的優(yōu)點，而且在產(chǎn)品外觀、可靠性、模塊設計、散熱設計等各方面都做了一些改進，具有一些新的特點。

3250kW/6kV與2500kW/6kV高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的功率柜部分尺寸完全相同，這樣就相當于把2500kW/6kV高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)整流逆變部分的功率密度提高了30%。通過在設計上采用新的散熱器（與2500kW/6kV使用的散熱器外形尺寸相同，散熱面積增大一倍），新型號的電解電容，IGBT等，成功地解決了電解電容的容量和功率模塊的發(fā)熱等一系列的問題，大大提高了系統(tǒng)的功率密度，減小了設備的體積，為變頻器的現(xiàn)場應用提供了方便。

系統(tǒng)全部使用新的拼裝機柜。拼裝機柜不僅外觀上更加美觀，而且提高了機柜的強度，門與柜體間安裝了新的壓條式密封條，增強了門的密封性能，提高了系統(tǒng)的防護等級。通過將變壓器柜底座密封，在變壓器柜柜門上加裝通風濾網(wǎng)，設計標準的散熱風道等，使系統(tǒng)的防護等級從IP20提高到IP31，通過特殊設計，還可以達到IP42。

系統(tǒng)安裝了更加友好的人機界面，并采用了低功耗、可靠性高的嵌入式人機界面。新的人機界面集成了變頻器產(chǎn)品在各個行業(yè)的應用經(jīng)驗，針對各個不同的用戶，只需根據(jù)現(xiàn)場的實際情況在界面中進行設置即可，不需要對程序進行改動，這樣就避免了因為頻繁改動程序而造成失誤的可能，提高了軟件的可靠性；新的嵌入式人機界面取消了老式工控機中的一些易損部件，例如CPU風扇與電源風扇等，并用閃存代替了硬盤存儲器，使操作界面的可靠性更高，真正實現(xiàn)了免維護；系統(tǒng)采用微軟公司的Windows CE操作系統(tǒng)代替了Windows 2000操作系統(tǒng)，使之更加適合變頻器產(chǎn)品，進一步提高變頻器產(chǎn)品的可靠性。

系統(tǒng)優(yōu)化了電量的檢測電路。高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)需要檢測輸入、輸出側(cè)的電量參與控制和顯示，在3250kW/6kV系統(tǒng)中，改變了原來的檢測電路體積大、結(jié)構笨重的不足，提高了變頻器低頻運行時的檢測精度，不僅提高了系統(tǒng)的性能，更為下一步高性能的變頻器——矢量控制型高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的應用奠定了良好的基礎。

綜上所述，高壓變頻調(diào)速技術專業(yè)性較強，對操作人員技術要求高，在實際應用中嚴格按照相關操作規(guī)范作業(yè)，在實踐中不斷總結(jié)高壓變頻調(diào)速技術在火電廠應用的經(jīng)驗，優(yōu)化設計，達到節(jié)能、降耗、減排、安全、安穩(wěn)運行的效果。