新乡豫新发电厂高压变频器节能分析
2007/9/11 9:37:00
摘要：降低厂用电率，降低发电成本，提高上网电能的竞争力，已成为各火电厂努力追求的经济目标。近几年电网的负荷峰谷差越来越大，频繁的调峰任务使部分辅机仍然运行在工频状态下，造成大量电能流失。本文着重介绍了高压变频器的工作原理及实际运行情况的详细节能分析，使我们对其节能效果以及典型风机水泵节能计算有了更进一步认识。因此得出结论高压变频调速技术的日趋成熟，在电力系统中广泛应用，节能效果明显。
关键词：调速 高压变频器 功率单元 IGBT 节电率
一、引言
众所周知，高压电动机的应用极为广泛，它是工矿企业中的主要动力，在冶金、钢铁、化工、电力、水处理等行业的大、中型厂矿中，用于拖动风机、泵类、压缩机及各种大型机械。其消耗的能源占电动机总能耗的70%以上，而且绝大部分都有调速的要求，由于高压电机调速方法落后，浪费大量能源而且机械寿命降低。上世纪90年代，由于变频调速技术在低压电动机应用得非常成功，人们开始研究高压电动机变频技术的应用，设计了高-高电压源型变频技术方案。该方案采用多电平电路型式（CMSL），由若干个低压PWM 变频功率单元，以输出电压串联方式（功率单元为三相输入、单相输出）来实现直接高压输出的方法。经过我厂多方调研、比较，最后选择同北京利德华福电气技术有限公司合作。本文将从HARSVERT-A系列高压变频器的工作原理及实际运行状况两方面分析河南新乡豫新发电厂引风机、凝结水泵的节能情况。
二、高压变频器的工作原理
（一）变频器的结构：现以6kV五级单元串联多电平的高压变频器为例。
1．系统主回路：内部是由十五个相同的功率单元模块构成，每五个模块为一组，分别对应高压回路的三相，单元供电由干式移相变压器进行供电，原理如图1。
图1：变频器的结构
2．功率单元构成：功率单元是一种单相桥式变换器，由输入干式变压器的副边绕组供电。经整流、滤波后由4个IGBT以PWM方法进行控制（如图2所示），产生设定的频率波形。变频器中所有的功率单元，电路的拓扑结构相同，实行模块化的设计，控制通过光纤发送至单元控制板。原理框图如图3所示。
图2：功率模块输出的正弦PWM波形
图3：功率模块电路结构
3．功率单元控制：来自主控制器的控制光信号，经光/电转换，送到控制信号处理器，由控制电路处理器接收到相应的指令后，发出相应的IGBT的驱动信号，驱动电路接到相应的驱动信号后，发出相应的驱动电压送到IGBT控制极，从而操作IGBT关断和开通，输出相应波形。
功率单元中的状态信息将被收集到应答信号电路中进行处理，集中后经电/光转换器变换，以光信号向主控制器发送。
（二）变频器工作原理
1.变频器调速原理
按照电机学的基本原理，电机的转速满足如下的关系式：
n=(1-s)60f/p=n0×（1-s）（P：电机极对数；f：电机运行频率；s：滑差）
从式中看出，电机的同步转速n0正比于电机的运行频率(n0=60f/p)，由于滑差s一般情况下比较小（0-0.05），电机的实际转速n约等于电机的同步转速n0，所以调节了电机的供电频率f，就能改变电机的实际转速。电机的滑差s和负载有关，负载越大则滑差增加，所以电机的实际转速还会随负载的增加而略有下降。
2.变频器结构原理
无谐波高压变频器采用若干个低压PWM变频功率单元串联的方式实现直接高压输出。6kV电网电压经过副边多重化的隔离变压器降压后给功率单元供电，功率单元为三相输入，单相输出的交直流PWM电压源型逆变器结构，相邻功率单元的输出端串联起来，形成Y接结构，实现变压变频的高压直接输出，供给高压电动机。以6kV输出电压等级为例，每相由五个额定电压为690V的功率单元串联而成，输出相电压最高可达3450V，线电压达6kV左右。改变每相功率单元的串联个数或功率单元的输出电压等级，就可以实现不同电压等级的高压输出。每个功率单元分别由输入变压器的一组副边供电，功率单元之间及变压器二次绕组之间相互绝缘。二次绕组采用延边三角形接法，实现多重化，以达到降低输入谐波电流的目的。对于6kV电压等级变频器而言，给15个功率单元供电的15个二次绕组每三个一组，分为5个不同的相位组，互差12度电角度，形成30脉冲的整流电路结构，输入电流波形接近正弦波，这种等值裂相供电方式使总的谐波电流失真低至1%左右，变频器输入的功率因数可达到0.95以上。原理如图4所示。
图4：单元串联输出结构图
3．变频器输出波形叠加原理：
高压变频器在运行后，将输入的工频的三相高压交流电转化为可以进行频率可调节的三相交流电，其电压和频率按照V/F的设定进行相应的调节，保持电机在不同的频率下运行，而定子磁心中的主磁通常保持在额定水准，提高电机的转换效率。因此多重叠加的应用，高压变频器输出电压的谐波含量很低，已达到常规供电电压允许的谐波含量，同时输出电压的dV/dt较小，不会增加电机绕组的应力，可以向普通标准型交流电动机供电，不需要降容或加输出滤波电抗器，保证了高压设备的通用性。多电平单元串联叠加的三相波形如图5所示。
图5：多电平单元串联叠加的三相输出波形
三、对300MW机组引风机系统变频节能分析
引风机属于锅炉辅机设备中的高能耗设备，其输出功率不能随机组负荷变化而变化，只有通过改变档板的开度来调整风压和风量，造成很大部分能量消耗在节流损失中。针对以上能源浪费的现象，采用高压变频技术对电厂重要用电设备进行技术改造，是电厂节能降耗提高竞价上网竞争能力的有效途径。
1．现场情况介绍：
1）#2发电机组容量：300MW
2）配置引风机数量：2台
3）年运行时间：7920h
4）上网电价：0.25元
5）设备参数见下表1：
6）发电机组不同负荷下引风机实际运行参数统计见下表2：
2．工频状态下的年耗电量计算：
Pd：电动机总功率；PA：A电动机功率；PB：B电动机功率；IA：A电动机输入电流；IB：B电动机输入电流；U：电动机输入电压；cosφ：功率因子。
电动机在工频状态下，引风机电动机实际功耗计算值见下表3：
Cd：年耗电量值 ；T：年运行时间 ；δ：单负荷运行时间百分比 。
累计年耗电量公式：Cd= T×∑（Pd×δ） …②
Cd =17630523 kW·h
因此，采用工频运行时，每年引风机系统耗电量约为1763.05万度电。
3．变频状态下的年耗电量计算：
风机设备属平方转矩负载，其转速n与流量Q，压力H以及轴功率P具有如下关系：Q∝n ，H∝n2，P∝n3；即流量与转速成正比，压力与转速的平方成正比，轴功率与转速的立方成正比。
通过对引风机工频运行数据中总功率和挡板平均开度之间关系的变化趋势分析，可以看出挡板开度和总功率之间略呈线性关系。
现取A、B引风机在200、300MW负荷点的平均开度百分比和电机总功率数据对100％开度情况下的总耗电功率数据特性趋势进行计算，并且推测出100％开度情况下的两台引风机总耗电功率值。
在200MW机组负荷下，两台引风机的平均静叶开度为（40.5+42.8）/2=41.65％
在300MW机组负荷下，两台引风机的平均静叶开度为（67.3+70.2）/2=68.75％
即：100％挡板开度下两台引风机总耗电功率值为3472kW。
P＇：电动机实际总功率；P100：电动机100％挡板开度时总功率；H＇：风机实际风压；H0：额定风压。
通过风机数据，依据
若考虑到电机效率和变频器效率，则网侧功率损耗
电动机效率 与电动机负荷率β之间的关系如图6所示。
变频器效率 与电动机负荷率β之间的关系如图7所示。
图6：电动机效率与负荷率关系曲线
图7：变频器效率与负荷率关系曲线
电动机在变频状态下，引风机变频功耗计算值见下表4：
Cd：年耗电量值 ；T：年运行时间 ；δ：
关键词：调速 高压变频器 功率单元 IGBT 节电率
一、引言
众所周知，高压电动机的应用极为广泛，它是工矿企业中的主要动力，在冶金、钢铁、化工、电力、水处理等行业的大、中型厂矿中，用于拖动风机、泵类、压缩机及各种大型机械。其消耗的能源占电动机总能耗的70%以上，而且绝大部分都有调速的要求，由于高压电机调速方法落后，浪费大量能源而且机械寿命降低。上世纪90年代，由于变频调速技术在低压电动机应用得非常成功，人们开始研究高压电动机变频技术的应用，设计了高-高电压源型变频技术方案。该方案采用多电平电路型式（CMSL），由若干个低压PWM 变频功率单元，以输出电压串联方式（功率单元为三相输入、单相输出）来实现直接高压输出的方法。经过我厂多方调研、比较，最后选择同北京利德华福电气技术有限公司合作。本文将从HARSVERT-A系列高压变频器的工作原理及实际运行状况两方面分析河南新乡豫新发电厂引风机、凝结水泵的节能情况。
二、高压变频器的工作原理
（一）变频器的结构：现以6kV五级单元串联多电平的高压变频器为例。
1．系统主回路：内部是由十五个相同的功率单元模块构成，每五个模块为一组，分别对应高压回路的三相，单元供电由干式移相变压器进行供电，原理如图1。
图1：变频器的结构
2．功率单元构成：功率单元是一种单相桥式变换器，由输入干式变压器的副边绕组供电。经整流、滤波后由4个IGBT以PWM方法进行控制（如图2所示），产生设定的频率波形。变频器中所有的功率单元，电路的拓扑结构相同，实行模块化的设计，控制通过光纤发送至单元控制板。原理框图如图3所示。
图2：功率模块输出的正弦PWM波形
图3：功率模块电路结构
3．功率单元控制：来自主控制器的控制光信号，经光/电转换，送到控制信号处理器，由控制电路处理器接收到相应的指令后，发出相应的IGBT的驱动信号，驱动电路接到相应的驱动信号后，发出相应的驱动电压送到IGBT控制极，从而操作IGBT关断和开通，输出相应波形。
功率单元中的状态信息将被收集到应答信号电路中进行处理，集中后经电/光转换器变换，以光信号向主控制器发送。
（二）变频器工作原理
1.变频器调速原理
按照电机学的基本原理，电机的转速满足如下的关系式：
n=(1-s)60f/p=n0×（1-s）（P：电机极对数；f：电机运行频率；s：滑差）
从式中看出，电机的同步转速n0正比于电机的运行频率(n0=60f/p)，由于滑差s一般情况下比较小（0-0.05），电机的实际转速n约等于电机的同步转速n0，所以调节了电机的供电频率f，就能改变电机的实际转速。电机的滑差s和负载有关，负载越大则滑差增加，所以电机的实际转速还会随负载的增加而略有下降。
2.变频器结构原理
无谐波高压变频器采用若干个低压PWM变频功率单元串联的方式实现直接高压输出。6kV电网电压经过副边多重化的隔离变压器降压后给功率单元供电，功率单元为三相输入，单相输出的交直流PWM电压源型逆变器结构，相邻功率单元的输出端串联起来，形成Y接结构，实现变压变频的高压直接输出，供给高压电动机。以6kV输出电压等级为例，每相由五个额定电压为690V的功率单元串联而成，输出相电压最高可达3450V，线电压达6kV左右。改变每相功率单元的串联个数或功率单元的输出电压等级，就可以实现不同电压等级的高压输出。每个功率单元分别由输入变压器的一组副边供电，功率单元之间及变压器二次绕组之间相互绝缘。二次绕组采用延边三角形接法，实现多重化，以达到降低输入谐波电流的目的。对于6kV电压等级变频器而言，给15个功率单元供电的15个二次绕组每三个一组，分为5个不同的相位组，互差12度电角度，形成30脉冲的整流电路结构，输入电流波形接近正弦波，这种等值裂相供电方式使总的谐波电流失真低至1%左右，变频器输入的功率因数可达到0.95以上。原理如图4所示。
图4：单元串联输出结构图
3．变频器输出波形叠加原理：
高压变频器在运行后，将输入的工频的三相高压交流电转化为可以进行频率可调节的三相交流电，其电压和频率按照V/F的设定进行相应的调节，保持电机在不同的频率下运行，而定子磁心中的主磁通常保持在额定水准，提高电机的转换效率。因此多重叠加的应用，高压变频器输出电压的谐波含量很低，已达到常规供电电压允许的谐波含量，同时输出电压的dV/dt较小，不会增加电机绕组的应力，可以向普通标准型交流电动机供电，不需要降容或加输出滤波电抗器，保证了高压设备的通用性。多电平单元串联叠加的三相波形如图5所示。
图5：多电平单元串联叠加的三相输出波形
三、对300MW机组引风机系统变频节能分析
引风机属于锅炉辅机设备中的高能耗设备，其输出功率不能随机组负荷变化而变化，只有通过改变档板的开度来调整风压和风量，造成很大部分能量消耗在节流损失中。针对以上能源浪费的现象，采用高压变频技术对电厂重要用电设备进行技术改造，是电厂节能降耗提高竞价上网竞争能力的有效途径。
1．现场情况介绍：
1）#2发电机组容量：300MW
2）配置引风机数量：2台
3）年运行时间：7920h
4）上网电价：0.25元
5）设备参数见下表1：
6）发电机组不同负荷下引风机实际运行参数统计见下表2：
2．工频状态下的年耗电量计算：
Pd：电动机总功率；PA：A电动机功率；PB：B电动机功率；IA：A电动机输入电流；IB：B电动机输入电流；U：电动机输入电压；cosφ：功率因子。
电动机在工频状态下，引风机电动机实际功耗计算值见下表3：
Cd：年耗电量值 ；T：年运行时间 ；δ：单负荷运行时间百分比 。
累计年耗电量公式：Cd= T×∑（Pd×δ） …②
Cd =17630523 kW·h
因此，采用工频运行时，每年引风机系统耗电量约为1763.05万度电。
3．变频状态下的年耗电量计算：
风机设备属平方转矩负载，其转速n与流量Q，压力H以及轴功率P具有如下关系：Q∝n ，H∝n2，P∝n3；即流量与转速成正比，压力与转速的平方成正比，轴功率与转速的立方成正比。
通过对引风机工频运行数据中总功率和挡板平均开度之间关系的变化趋势分析，可以看出挡板开度和总功率之间略呈线性关系。
现取A、B引风机在200、300MW负荷点的平均开度百分比和电机总功率数据对100％开度情况下的总耗电功率数据特性趋势进行计算，并且推测出100％开度情况下的两台引风机总耗电功率值。
在200MW机组负荷下，两台引风机的平均静叶开度为（40.5+42.8）/2=41.65％
在300MW机组负荷下，两台引风机的平均静叶开度为（67.3+70.2）/2=68.75％
即：100％挡板开度下两台引风机总耗电功率值为3472kW。
P＇：电动机实际总功率；P100：电动机100％挡板开度时总功率；H＇：风机实际风压；H0：额定风压。
通过风机数据，依据
若考虑到电机效率和变频器效率，则网侧功率损耗
电动机效率 与电动机负荷率β之间的关系如图6所示。
变频器效率 与电动机负荷率β之间的关系如图7所示。
图6：电动机效率与负荷率关系曲线
图7：变频器效率与负荷率关系曲线
电动机在变频状态下，引风机变频功耗计算值见下表4：
Cd：年耗电量值 ；T：年运行时间 ；δ：
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