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高压大功率变频器在电厂锅炉风机上的应用

2005/4/26 9:56:00

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荣获“2005年度工控及自动化领域优秀案例”有奖评选  二等奖
专家点评:
目前节能成为国民经济可持续发展的重要课题.该案例中,国产高压大功率变频器在电厂锅炉风机上的应用,在节能降耗以及高压大功率变频器国产化方面均有良好的经济效益.


摘要:本文介绍了朝阳发电厂引风机应用高压变频调速的技术和经济分析。

随着电力行业的改革不断深化,厂网分家,竞价上网政策的逐步实施,降低厂用电率,降低发电成本,提高上网的竞争力,已成为各火电厂努力追求的经济目标,要求越来越迫切。在火电厂各类辅机设备的能源消耗中,风机水泵类设备占了绝大部分,蕴藏着巨大的节能潜力。
一、概述
国电电力朝阳发电厂位于辽宁省朝阳市龙城区马山北麓,运行着我国自行设计、制造安装的第一台和第三台200MW双水内冷汽轮机发电机组,两台机组分别于1972年12月和1975年5月并网发电。2号炉两台引风机功率均为1250kW,电压等级6kV,双机并联运行,采用入口挡板方式进行风量调节,挡板在60%-100%之间变化,电流在125A左右变化。挡板节流损失大,运行效率低,浪费大量的电能,使厂用电率升高,供电煤耗高,发电成本高。为了适应改革的潮流,提高公司在市场上的竞争能力,2002年公司开始研究对其实施节能改造的可行性。在进行改造前,通过现场的实际测试,掌握了大量的一手资料,有充分的证据显示改造后将会有非常好的效益。通过认真考察、分析、研究,从产品质量、性能、售后服务、改造成本等综合考虑,最后决定选用成都东方凯奇电气有限责任公司生产的DFCVERT-MV系列变频器来实施引风机的变频改造。
二、变频器的节能原理
我国现行的火电设计规程SDJ-79规定,燃煤锅炉的送、引风机的风量裕度分别为5%和5%~10%,风压裕度分别为10%和10%~15%。这是因为在设计过程中,很难准确地计算出管网的阻力,并考虑到长期运行过程中可能发生的各种问题,通常总是把系统的最大风量和风压富裕量作为选择风机型号的设计值。但风机的型号和系列是有限的,往往在选用不到合适的风机型号时,只好往大机号上靠。这样,电站锅炉送、引风机的风量和风压富裕度达20%~30%是比较常见的。锅炉送、引风机的用电量中,很大一部分是因风机的型号与管网系统的参数不匹配及调节方式不当而被调节门消耗掉的。同时,发电厂的负荷必须要跟随用户的使用状况而改变,发电机的负荷调节必然要求锅炉跟随而动,相应的送引风机等也必须进行调节,在调节的过程中又有大量的能量被浪费了。因此,改进离心风机的调节方式是提高风机效率,降低风机耗电量的最有效途径。
风机和水泵都是流体机械,由流体动力学可知,流量Q∝n,压力H∝n²,电机功耗N∝n³。
当流量由额定值Q0降至Q1时,与额定功耗N0相比较,采用转速调节的电机的功耗为:
Nt=(n1/n0)³N0
如流量有100%下降到50%,则转速相应降到50%,压力降到25%,而电机功耗降到12.5%,也就是节约电能87.5 %。扣除节门调节时的功耗与额定功耗的差、转速下降可能会引起电机的效率下降等因素,节电效果也是非常显著的。
三、单元串联多重化电压源型变频器的基本原理
成都东方凯奇电气有限责任公司利用单元串联多重化技术,生产出功率为110kVA~7100kVA的无电网污染(DFCVERT-MV)高压变频器,无须输出变压器实现了直接3kV、6kV或10kV高压输出;国内首家在高压变频器中采用了先进的IGBT功率开关器件,达到了完美无谐波的输出波形,无须外加滤波器即可满足供电部门对谐波的严格要求;输入功率因数可达0.95以上,THD<1%,总体效率(包括输入隔离变压器在内)高达97%;对电机无附加硬力,将大大延长电机的使用寿命。
所谓多重化技术就是每相由几个低压PWM功率单元串联组成,各功率单元由一个多绕组的隔离变压器供电,用高速微处理器实现控制和以光导纤维隔离驱动。多重化技术从根本上解决了一般6脉冲和12脉冲变频器所产生的谐波问题,可实现完美无谐波变频。




图1为6kV变频器的主电路拓扑图,每组由8个额定电压为433V的功率单元串联,因此相电压为433V×8=3464V,所对应的线电压为6000V。每个功率单元由输入隔离变压器的24个二次绕组分别供电,24个二次绕组分成8组,每组之间存在一个7.5°的相位差。所需相差角度可通过变压器的不同联接组别来实现。
图2中的每个功率单元都是由低压绝缘栅双极型晶体管(IGBT)构成的三相输入,单相输出的低压PWM电压型逆变器。功率单元电路见图3。每个功率单元输出电压为1、0、-1三种状态电平,每相8个单元叠加,就可产生17种不同的电平等级,分别为±8、±7、±6、±5、±4、±3、±2、±1和0。图4为一相合成的正波输出电压波形。用这种多重化技术构成的高压变频器,也称为单元串联多电平PWM电压型变频器,采用功率单元串联,而不是用传统的器件串联来实现高压输出,所以不存在器件均压的问题。每个功率单元承受全部的输出电流,但仅承受1/8的输出相电压和1/24的输出功率。变频器由于采用多重化PWM技术,由8对依次相移7.5°的三角载波对基波电压进行调制。对A相基波调制所得的8个信号,分别控制A1~A8八个功率单元,经叠加可得图4所示的线电压波形,线电压波型具有33阶梯电平,它相当于48脉波变频,理论上47次以下的谐波都可以抵消,总的电压和电流失真率可分别低于1.2%和0.8%,堪称无谐波污染变频器。它的输入功率因数可达0.95以上,不必设置输入滤波器和功率因数补偿装置。变频器同一相的功率单元输出相同的基波电压,串联各单元之间的载波错开一定的相位,每个功率单元的IGBT开关频率若为600Hz,则当8个功率单元串联时,等效的输出相电压开关频率为9.6kHz。功率单元采用低的开关频率可以降低开关损耗,而高的等效输出开关频率和多电平可以大大改善输出波形。波形的改善除减小输出谐波外,还可以降低噪声、dv/dt值和电机的转矩脉动。所以这种变频器对电机无特殊要求,可用于普遍笼 型电机,且不必降额使用,对输出电缆长度也无特殊限制。




由于功率单元有足够的滤波电容,变频器可承受-30%电源电压下降和3秒的电源丧失。这种主电路拓扑结构虽然使器件数量增加,但由于IGBT驱动功率很低,且不必采用均压电路、吸收电路和输出滤波器,可使变频器的效率高达96%以上。







DFCVERT-MV系列变频器单元串联多重化的优点是:
1)由于采用功率单元串联,可采用技术成熟、可靠的低压IGBT组成逆变单元,通过串联单元的个数适应不同的输出电压要求;
2)完美的输入输出波形,使其能适应任何场合及电机使用;
3)厂家在设计单元的串联时充分考虑到用户系统运行的可靠性,放弃了六级单元的结构,采用8级单元进行串联。由于多功率单元具有相同的结构及参数,便于将功率单元做成模块化,实现冗余设计,即使在个别单元故障时也可通过单元旁路功能将该单元短路,系统仍能正常或降额运行。8级功率单元串联的变频器在旁路掉两级功率单元后,变频器仍然能够正常运行。




4)采用纯中文人机界面(触摸屏),操作方便,故障记录准确可靠。
5)整套变频器配置手动旁路柜,变频器需要检修时可切入工频旁路运行,从而保证系统的连续运行。系统图见图5。
四、实际运用
高压变频技术目前在国内还处于发展阶段,但是通过众多厂家实际的使用来看,技术应该还是比较成熟可靠的。我们通过考察分析得出结论:高压变频器能否成功运用跟现场的用户正确使用也很关键。因为变频器内部有大量的微电子,半导体,集成电路以及电阻,电容组成的复杂的电力电子设备,尽管寿命长,可靠性高,但是由于存在离散性,故障偶发性及使用条件不当,变频器运行一段时间后发生故障也是可能的。因此这就要求变频器必须运行在清洁、通风良好、干燥的室内。
我公司2号炉两台引风机进行变频改造选择在机组大修期间进行。2004年3月20日安装完毕,4月24日开始调试,在调试过程中,各种连锁可靠,故障声报警准确,和DCS系统连接方便、控制精度高,调试顺利。随着电厂大修进行完毕,5月18日变频器开始正式投入试运行。试运行期间,曾出现了一次变频器过热停机。考虑到机组的稳定运行,我们反复的分析调查,通过厂家查找技术参数,最后得出结论:根据厂家提供的变频器的发热量,如果要靠自然冷却方式的话,根本无法保证变频器的正常运行。但是如果要采取传统的方式,将变频器室全密封,通过装空调来保证变频器的散热的话,投资成本又较大。于是我们公司技术人员深思熟虑,反复讨论,在厂家的大力配合下,决定给变频器加装风道(将变频器柜顶风机排出的风通过风道直接排向室外),同时又为了保证变频器室的风量,将原来的两个窗户改成进风口,加装滤网。
整个改造工作完成后,低压送电,模拟启动变频器,

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