harsvert-a变频器对电厂应用技术进步的促进

    harsvert-a变频器在电厂的应用，促进变频器在许多方面进行了改进和完善，这些改进和完善，不仅体现在我们应用在电厂的变频器之中，同时也体现在我们用于其他行业的变频器产品中，促进了我们整个产品的发展和技术进步。

一、概述     在我国的电力工业中，火电占绝对优势地位（火电装机容量占74，发电量占80）。每个火电机组都有大量辅机设备，如给水泵、凝结泵、吸风机、送风机、一次风机、二次风机、循环水泵等等，这些辅机大多用高压大容量的异步电动机拖动，容量大，耗电也多（大约占厂用电的80）。由于这些辅机的容量在设计上就有一定量的安全冗余，加上机组经常进行负荷调节，导致它们经常在截流状态下运行，造成许多不必要的能源浪费。为了实现节能降耗，高压大功率变频器作为一种新近发展起来的高效节能的调速技术，在电厂的辅机调速中得到了广泛应用。同时，电厂辅机调速工艺的一些特殊要求，反过来又促进了变频调速技术自身的发展和进步。 二、电厂对变频器的特殊要求     对电厂而言，设备的可靠运行是最为重要的因素之一。任何一种辅机调速设备，不管性能多么好，节能多么显著，如果可靠性没有保证，一切就都无从谈起。因为一旦这些关键的辅机设备因为调速装置故障而非正常停机，往往导致主机负荷大幅度下降，严重时将引起主机停机，锅炉熄火停运，从而造成发电事故，其引起的损失，远远不是节能效益可以比拟的。所以高压变频器在电厂的应用，对其可靠性就有相当高的要求。     衡量变频器的可靠性，应主要从以下几个方面考虑：     1、设备本身的平均无故障运行时间     如何保证变频器本身的无故障运行时间，需要从设计、原材料采购、生产、检验等多个环节进行质量控制。设计上考虑不周全，生产工艺不规范、检验手段的不完善和不到位，都将直接导致设备质量的下降，这也是正规企业和小作坊的根本区别。那些连加工场地也没有、检验手段也没有、仅靠几个人购买一点器件攒出来的变频器，也许在试验室能勉强运转，但这种设备在工业现场可能根本无法运行，或者根本无法长期运行，可靠性无从谈起。     正因为如此，一些企业在选择变频器的时候，对变频器生产厂家进行考察，了解厂家的管理水平、生产规模、工艺流程、硬件设施的配套等情况，实在是十分必要的。     2、设备对外界环境的适应能力     一个设备，如果像温室里的花朵，再艳丽，也是没用的。真正能够在用户现有环境下稳定运行的设备，才能说是可靠的。比如仅仅能承受5（欧洲标准）的电压波动、超过就立即停机的变频器，哪怕它能在5电压波动范围内长期稳定工作几十万小时，用在电压波动较大的地方，也不能说它是一种可靠性高的产品。     变频器对现场的适应能力，有赖于对现场实际情况的了解，并在此基础上，对变频器的设计进行改进。一家变频器生产企业，其业绩越多，解决的现场问题就越多，产品就越成熟。这也是许多变频器用户看重生产厂家业绩的根本原因。另一方面，如果产品是定型的，无法从设计上针对具体情况进行具体改进，其现场适应能力就要大打折扣。     3、设备对自身小故障的承受能力 一个变频器，如果自身出点小问题问题还能正常运行，电厂设备就可以继续运转不停机，从这个角度而言，变频器就具有更高的可靠性。不容许任何故障的变频器，自身稍有不适就停机保护，就不是一个可靠性高的产品。     4、设备的故障恢复时间     假设一台变频器轻易不出问题，而一旦出了问题，几个月内无法修复，导致设备停机停产，其可靠性实际上也成问题。相反，一台设备出了问题，但可维护性好，短时间内能恢复，可以立即重新投运，也就是高可靠性的一个体现。 三、harsvert-a变频器的可靠性     1、harsvert-a高压变频调速系统可靠性的设计保证： 在主电路器件选择上，尽可能选择mtbf时间长的元器件，同时大批量直接进口。在这点上，harsvert-a变频器和进口变频器没有任何区别。主电路结构上采用多级模块串联，使用技术成熟的低压器件，同时不进行器件串联，可靠性得到保障；     功率模块和控制电路之间采用光纤通讯技术，使得低压和高压部分完全可靠隔离，同时可以避免高压器件的频繁换流对控制电路的电磁干扰。控制系统所有i/o通道都采用了隔离措施，电源系统采用了脉冲群抑制，可有效抑制雷击等因素对控制系统的不良影响；     控制电路大量使用cpld和fpga大规模集成电路，少用分立器件，减少元器件的数量。各种控制功能都通过编程在芯片内部得以实现，逻辑的正确性受非软件因素影响的可能性极小。控制系统由主控制器、工控机、plc三方共同组成，既协同工作，又功能相对独立，保证一方故障时，不对他方构成致命影响。     2、-a高压变频调速系统可靠性的制造保证： harsvert-a变频器已形成规模化生产，大批量的生产保证了生产所用的元器件可以从外国厂家或大的贸易代理商直接定货而不是到小商贩那里去零星采购，在器件采购管理上以及进口渠道上，保证器件的质量。     由于生产的批量化，变频器所有的板级产品可以采用先进的机器焊接技术来生产，克服人工焊接可能存在的虚焊。各控制单元板采用fpga、cpld等大规模集成电路和表面焊接技术，同时进行防潮、防尘、防盐雾处理，并进行72小时老化和高低温循环试验，增强了印刷板对各种恶劣环境的适应能力。各个功率单元在组装整机前，要分别进行老化和满载测试。每套变频调速系统出厂前，都要经过几十项严格的生产测试，利德华福公司严格按照iso9001质量管理体系对变频器的生产制造过程进行了全面的质量控制。 四、harsvert-a针对电厂应用的改进     北京利德华福技术有限公司从2000年推出第一台harsvert-a变频器样机到现在，业绩已经达到一百多台，其中大部分应用在电力行业。针对电力行业的特殊工况，产品进行了不断地改进和完善，主要体现在以下一些方面：     1、对电网波动的适应能力的改进 一些按欧美电网波动标准生产的进口变频器，对电网电压波动的承受能力为±5（早期产品），最大到±10（晚期产品），超过则瞬间保护停机。harsvert-a变频器按照我国自己的电网情况进行设计，承受电压波动的能力可以到±15。但实践证明，即使满足±15电压波动的适应能力，在电厂应用过程中，特殊情况下，仍然满足不了要求，变频器需要进行改进。     一座火力发电厂往往装备多台机组，每台机组又有多台辅机，这些辅机都挂在相同或不同的电源母线上。每当有大容量辅机（如磨煤机、锅炉给水泵等）启动时，电源母线电压都有较大的降落（超过-15），会影响同一母线上其他设备的正常运行。更有甚者，当发生同一母线下多台辅机群启时，电源母线电压可能下降更多（超过-30），持续时间更长（20秒以上）。     针对电厂的这种工况，harsvert-a变频器进行了设计改进，大幅度提高了其抗电网波动的能力，做到电压波动在±15以内时，变频器可以维持满额输出；电网电压降落在-15~-35以内时，只要持续时间不超过30秒，变频器都短时降额运行，不进行欠压保护，等电网电压恢复正常后，变频器自动恢复到原来的工作状态，大大减少了电压跌落造成的停机现象。     在有些情况下，电厂辅机设备有进行供电母线切换的需要，在母线切换过程中，被切换的辅机设备往往产生短暂的主电源完全失电现象。大部分进口变频器在发生主电源失电时只能停机，少量进口变频器虽然不会立即停机，但也只能坚持5个周波（仅20ms），实际上许多母线切换过程并不能在20ms的时间内完成。harsvert-a系列变频器经过设计改进，可以坚持3秒内不停机，则完全可以满足母线切换的需要。     2、控制电源丢失不停机     harsvert-a系列变频器为电压源型变频器，决定了对其主电路的控制和主电源的相位无关，所以不需要提供触发用的同步控制电源。换句话说，harsvert-a系列变频器的控制电源不存在和主电源的相位关系要求，在现场提供的控制电源失电时，变频器利用自身配备的ups为控制系统供电，变频器可以继续运行，做到控制电源丢失时（比如维修人员误拉低压电、开关跳闸、熔丝熔断等），仍然保持辅机设备的运行。 为了进一步提高控制电源的可靠性，某些harsvert-a变频器经过改进，还配备双路控制电源切换功能，能够接受电厂的直流操作电源。相对交流电源而言，电厂的直流操作电源由于有蓄电池供电，具有更高的可靠性。harsvert-a变频器在交流控制电源正常时，采用交流控制电源。交流控制电源异常后，变频器在发出报警的同时，可以无扰动切换为直流操作电源供电，正常运行不会受到影响。交流和直流控制电源都出现问题时，变频器还可以无扰动切换为ups供电，从而最大程度上保证了控制电源的连续性，进而保证变频器和辅机设备的运行安全。     3、合理设定变频器的故障保护功能     不管什么类型的变频器，出于设备自身安全考虑，都会具有各种各样的保护功能。但在电厂应用中，如何保障发电机组的安全运行才是最最主要的，这就要求变频器对自身的保护功能应按照现场的实际情况作合理设定。对于一些问题，从变频器生产厂家的角度看，也许是很严重的问题，但从电厂的应用角度看，可能降为次要问题。比如变频器运行过程中柜门被非法打开，厂家认为可能导致人员触电酿成事故，应做停机处理，但电厂认为只作报警即可，不要导致电厂主机设备停机。任何一种变频器，都应该对用户的需求具有亲和力，以满足现场的使用需要为前提。基于现场的这种需要，harsvert-a变频器对许多故障增加了"报警"或"停机"选项，对一些必须做停机处理的故障，则实行分级检测，在事态还不十分严重时事先提供报警。比如变压器严重过热必须停机，但在其温升达到跳闸停机值之前的某个门坎时，变频器就事先提供超温报警信息。如果产品定型，报警保护功能固化，不能根据现场应用更改，则难以满足现场的使用需求。     4、针对特殊工况进行特殊设计     根据我们接触到的一些电厂实际情况，各厂对辅机设备的调速要求千差万别。以机组凝结泵为例，某电厂的1#机组配置两台凝结泵，1台运行，1台备用。正常情况下，母管压力0.9mpa。当母管水压低于0.75mpa或运行的水泵发生故障时，备用水泵必须在5秒内启动到全速运转，提升母管压力到0.9mpa，否则系统连锁保护动作，造成停炉停机。     对凝结水泵变频调速改造前，两台凝结泵倒换时，先将备用泵启动到全速，然后关闭原运行泵，保证母管水压不低于0.9mpa。工作泵故障时，联启另外一台工频备用泵，由于凝结水泵工频启动，母管压力可以在短时间内恢复到正常值。调速改造后，凝结泵正常切换时，可以先启动调速泵，水压足够后再关停工频泵。但如果工频泵运行，变频泵处于备用状态时，一旦工频泵故障，变频泵应在5秒内由0启动到全速运行，快速提升母管压力，然后过渡到维持母管压力0.9mpa的情况下闭环调速运行。     在大部分情况下，变频器都不具备在几秒时间内将水泵由0速提升到全速运行的能力，采用国外标准产品，要实现这个功能，只能远远加大变频器容量，采用大马拉小车的方式，但投资上用户不能认可。harsvert-a变频器可以按照用户的特殊工况要求进行特殊设计，使变频器具有较大的短时过流能力（变压器容量、散热器容量都不变，选用电流较大的igbt，在短时启动过程中采用较高的过流保护设定值），来满足5秒内将水泵由0启动到全速的要求。由于水泵低速时负载转矩较小，变频器还采用了非线性加速方式，低速时加速快一些，使得在一定的电流负载下，获得总体较快的加速效果。     5、接口方式灵活，满足电厂多变的接口需要     在很多电厂，发电机组均采用dcs系统控制，所有辅机设备都在dcs系统监控下运行。用户为了维护方便，dcs系统现在还惯于采用硬接线方式和辅机调速系统（变频器）建立通讯联系，变频器的一些开关量状态通过节点送给dcs，dcs对变频器的控制命令通过节点送给变频器，一些模拟量如频率给定、电机电流等信息则采用4~20ma电流源信号相互传送。     传统变频器在接口设计上，仅具有"运行"、"待机"、"故障"、"报警"等几个简单的开关量输出端口，无法满足现场的接口需要。harsvert-a变频器在现场的应用过程中，充分考虑到现场的接口需要，内置了plc，具有相当丰富的现场接口，可以满足各种各样的现场接口需求。另外，变频器内置plc还可以将辅机的周边设备（如阀门等）进行有效管理，使其实现和辅机设备启停的联动，提高自动化水平。     harsvert-a变频器不仅具有丰富的i/o及模拟量输入输出接口，同时也配置了和现场的数据通讯接口，可以和现场自动化控制系统通过数据通讯交换信息。     6、针对电厂应用增添了许多附加功能     harsvert-a变频器在电厂应用过程中，还应现场的使用需求增添了许多附加功能，比如在dcs的频率给定信号掉线时，变频器可以进行有效识别，给出报警信息并维持原输出频率不变；在电厂的风机调速应用中，增加了非线性减速功能，使得既可缩短总的减速时间，同时又保证风机减速时变频器不过压；完善了故障诊断和报警功能等等。 五、harsvert-a变频器适用于电厂的一些其他优势     正如前面所述，电厂对高压变频器的可靠性有严格的要求，而harsvert-a变频器在这方面具有自己独有的优势。     1、完美无谐波，不会对现场其他设备产生谐波污染 许多人都知道，早期的一些变流设备，尤其是可控硅整流和逆变设备，在实现其调频或调速功能的同时，同时还对电网产生严重的谐波污染，成为电网的一大公害。谐波对电厂造成的危害至少体现在以下方面：     引起公用电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，使危害加剧，甚至引起严重事故。     导致继电保护和自动装置的误动作，并会使电器测量仪表计量不准确。      干扰dcs系统的正常工作。     使电机产生机械振动、噪声和过电压，引起附加损耗。还会使变压器局部严重过热。     使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短，以至损坏。     harsvert-a变频器采用30~48脉冲的移相整流技术，将变频器对电网的谐波影响控制在4以内，满足ieee519-1992国际标准对谐波的严格要求，国外采用同种拓扑结构的变频器号称完美无谐波变频器。 harsvert-a变频器不仅对电网的谐波影响可以忽略，输出侧的谐波更小，电流的总谐波含量在2以下，不会对电机产生任何不良影响。     2、便于实现单元冗余，满足更高的可靠性要求     上面已经说到，在电厂运行的所有设备，可靠性永远是第一位的。harsvert-a变频器由于采用了单元串联的特殊结构，很方便的就可以实现冗余设计，做到变频器发生局部小故障时，可以不影响整体设备的继续运行。我们在电厂投运的变频器，从保证电厂安全生产的角度出发，基本上都配置了单元旁路功能，可以实现小问题不停机。     3、便于实现系统旁路，维持变频器停机维护时生产的连续性     作为一种万全措施，harsvert-a变频器在电厂应用中，还能配备系统旁路，一旦变频器出现严重故障或正常情况下需要例行检修维护时，通过旁路开关，电机就可以直接挂在电网上直接运行，不影响机组的正常发电。这个功能看似简单，但也不是所有变频器可以轻松实现的。由于harsvert-a变频器采用"高-高"形式，输入和输出电压等级相等，并且能直接做到6kv或10kv，所以电机电压和电网电压相等，实现工频旁路轻而易举，一些3.3kv或4.16kv的变频器要实现这一功能，实际上比较困难。进口变频器如何适用于我国电压等级，是现场应用对这些产品提出的课题。