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高压大容量变频器在电厂节能改造中的应用

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高压大容量变频器在电厂节能改造中的应用

姓 专

名:王宏伟 业:电气工程

2007 年 5 月 12 新乡豫新发电有限责任公司





在火力发电企业中目前存在着大功率辅机电动机耗电高和时有烧毁电动机的 问题,采用变频技术,即可实现节能降耗,又可实现高压电机的软启动,达到改善 电动机运行环境的目的。本文从阐述高压变频器的原理出发,在分析研究国内外高 压变频技术在火力发电行业应用现状的技术上,结合 豫新发电有限责任公司的实 际,确定了豫新发电有限责任公司 #6 炉 A、 B 引风机变频技术的实现方式,并对变 频器的性能和节能效果进行了全面分析研究,证明了高压变频技术在火力发电企业 的大功率辅机电动机应用上,可以有效的降低能耗,在发电企业中有实际应用推广 价值。


中文摘要 第一章



绪论 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 1

1.1 课题的来源及研究的目的和意义???????????????? 3 1.2 变频调速技术的优越性???????????? ??????? 3 1.3 与本课题有关的国内研究状况??????????????? ? 4 1.3.1 火力发电厂电动机的节能方式????????? ??? ??? 4 1.3.2 变频器中电力电子元器件的发展???????? ??? ??? 6 1.3.3 变流电路与控制技术的发展???????????????? 6 1.3.4 变频技术在电动机中的应用情况?????????????? 7 1.4 本文的主要工作??????? ??????????????? ? 8

第二章火力发电厂高压电动机变频方案选择? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 9
2.1 变频调速的基本理论?????????????????????? 9 2.2 变频器的基本组成?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 10 2.2.1 变频器系统硬件组成? ? ?? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ?? ? ? 10 2.2.2 变 频 器 系 统 软件 组 成 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 1 1 2 . 2 .3 实 施 变 频 调 速 存 在 的 主 要 问 题 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 1 2 2.3 目前比较流行的几种变频调速方式? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 12 2.3.1 Y/Δ 变换 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 12 2.3.2 高 - 低 - 高 变 频 调 速 系 统 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 1 2 2.3.3 直 接 高 压 变 频 调 速 控 制 系 统 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 1 3 2 .4 豫 新发电有限 责任公司 变频调速方式的选择 ? ? ? ? ? ? ? ? ? 14 2.4.1 改造前状况? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 14 2.4. 2 高 - 高 变 频 配 置 方 案 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 1 5

第 三 章 火 力 发 电厂 变 频 器 的 技 术类 型 论 证 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 16
3.1 高次谐波产生的原因极其影响??????????????????16 3.1.1 高次谐波的产生??????????????????????16 3.1.2 高次谐波对电气设备的影响???????????? ????16 3.2 几种常见的高压变频类型 ??????????????????? 17 3.2.1 电流源型变频器????????????????????? 17 3.2.2 三电平PWM电压源型变频器????????????????18
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3.2.3

单元串联多电平PWM电压源型变频器???????????19

3.3 新乡豫新发电有限责任公司 #6 炉送风机变频技术类型论??????20

第 四 章 豫 新 发 电 有 限 责 任 公 司 高 压 变 频 器 简 述 ?????24
4.1 豫新发电有 限责任公司 完美无谐波高压变频器的原 理?????? 24 4.2 豫新发电有限责任公司 完美无谐波高压变频器的参数 ?????? 26 4.3 豫新发电有限责任公司 完美无谐波高压变频器的特点 ?????? 26

第五章 变 频 器 节 能 分 析 ?????????????????????? 28
5.1 变频器节能分析????????????????????????28 5.1.1 理论计算????????????????????????? 28 5.1.2 实测数据分析???????????????????????31

第六章结论 ? ????????????????????????????32

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第一章 绪论

1.1 课题的来源及研究的目的和意义
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,提高上网电能的竞争力,已成为各火电厂努力追求的经济 目标,而且要求越来越迫切,因此发电厂较以前更加重视以经济效益为中心、追求 经济效益最大化的经营方针,加强节能管理,加大节能力度,挖掘节能潜力,改造 落后高耗能设备、降低煤耗,提高经济效益将是今后相当长时间内的重点工作,特 别是某些老机组,只能走节能降耗的路子,加大设备技术改造,才能提高机组竟价 上网的能力。 新乡豫新发电有限责任 2× 300MW 机组原设计中大部分泵与风机是由工 频定速电机拖动,在运行中通过改变阀门 (挡板 )开度的方法进行调节。这些重要的 辅机都是根据机组的额定容量而设计制造的,辅机只有在额定工况下才能在高效区 运行,然而在实际运行中我厂的负荷率只有 60%~ 80%,在这样的情况下辅机的工作 区域往往都偏离其高效工作区,设备的使用效率较低,增加了厂用耗电量。 另一方面,近几年电网的负荷峰谷差越来越大,频繁的调峰任务使高压电机的 启停次数增加,一般高压电机启动时的启动电流为额定电流的 6-8 倍,电动机受到 的冲击转矩很大,严重影响电动机的机械寿命,在启动过程中烧毁高压电机的现象 时有发生,而采用了变频调速技术,可实现高压电机的软启动,即电机从零转数慢 慢升至启动转数,从而达到改善电动机运行环境的目的。

1.2变频调速技术的优越性
自从三相交流电动机问世以来,由于其转子回路内的电流不必从外部输入,转子的 结构极为坚固,易于维护,长期以来在工业中的占有率始终处于领先地位,然而,工业 中转动机械常常需要不同的转速要求,在调速方面,三相交流电机远逊于直流电机,直 流电动机调速统治了30年。从1970年以后,直流调速在单机容量上逐渐满足不了要求, 又有换向火花、维修困难又不节能等缺点,使其应用受到一定制约。实现三相异步电动 机的调速,成为工程技术人员追求的目标。变频调速技术的出现和不断发展,使电机调 速领域发生了革命性的变化,在不到二十年的时间里,已被国内外公认为是最理想、最 有发展前途的一种调速方式。 变频技术在我国推广应用虽短短十几年, 发展也十分迅速。 这主要归功于变频调速技术的优越性。
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1.节约能源 这是变频调速最突出的特点之一,也是变频调速技术虽然发展时间很短,但推 广普及十分迅速的主要原因之一,在各种调速系统中,变频调速效率最高,可比直 流电动机效率提高 2%-3%,尤其对转速经常变化的泵和风机类负载,其节电率很高, 采用变频调节流量可以节省电能消耗 10%-30%,因此随着变频技术的不断发展,成 本的不断下降,变频调速的普及将更加迅速。 2.可靠性高 交流电机变频调速的故障率很低,与直流调速相比,电机无换向器等易损坏环 节, ,其优势十分明显,且保护功能比较完善,可靠性远高于其他的调速方法,这 是变频调速发展十分迅速的根本原因。 3.调速范围广 变频器的最低工作频率可以从零赫兹到 400 赫兹以上,调速范围很广,可满足 不同的调速场合,应用十分广泛。 4.调速平滑性好 两档之间的调速最小可达零点零几转 / 分钟,可以大大提高生产设备的加工精 度,工艺水平以及工作效率,从而提高产品质量和数量;对于一些控制系统来说, 还可减小对系统的冲击,各项被控参数更加稳定,提高了可靠性及经济性,延长了 设备的使用寿命。 5.工作特性好 在工作特性方面,无论是静态特性,还是动态特性,变频调速都做到了与直流 调速系统不相上下的程度。

1.3 与本课题有关的国内研究状况 1.3.1 火力发电厂电动机的节能方式
火力发电厂的动力设备较多,节能方式也多种多样。归纳起来有: 1.变极调整 改变定子绕组的接线方式来改变电动机定子极对数达到调速目的,这种调速方 法由于从一个速度调到另一个速度时,会产生较大的冲击电流,不仅会影响电动机 的使用寿命,而且对厂用电的正常运行可能造成影响。因而只适用于需要两、三种 转速的鼠笼电动机。在电厂,变极调速的主要应用形式为双速电机。我厂的锅炉送 风机、引风机均采用了此调速方式。 2.串极调速 指绕线式电机转子回路中串入可调的附加电势来改变电机的转差率,达到调速
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的目的。适用于中、大功率的绕线式电动机,节电率可达 30%左右。此方法在绕线 式电动机中得到广泛的应用。由于其节能效果明显,近年来,火力发电厂中,也有 将鼠笼电动机改为绕线式电动机,再利用此方法,达到节能的效果。我厂的锅炉磨 煤机电机采用了此调速方式后,节能效果相当明显。 3.转子串电阻调速 在绕线式电动机转子串入附加电阻,改变电阻使电动机的转差率改变,达到调 速的目的。此方法使电动机转子铜损增加,电动机效率降低,只适合于频繁启动、 负载变化不大、短时低速运行的场合。目前这种调速方法在电厂已被淘汰。 4.变压调速 当改变电动机的定子电压时,可以得到一组不同的机械特性曲线,从而获得不 同的转速。由于变压过程中转差功率以发热的形式消耗在绕组电阻中,效率低,调 速功率范围≤ 220KW。在电厂的大型辅机中无应用的事例。 5.滑差调速 又称电磁调速,主要由三相鼠笼电动机和电磁转差耦合器、测速发电机三部分 组成。利用可控硅整流装置调节耦合器中的励磁电流,达到调速的目的。由于在低 速运转时,转差损耗很大,效率极低,仅适用于恒转矩负载、短时低速工作制的场 合。只有当风机运行的风量与最大风量之比 Q/Qmax 小于 0.6 时,方能显示出经济 效益,而且噪音较大,不宜在电厂推广。 6.液力偶合器调速 利用改变偶合器工作腔中的液体充满程度来改变转速。此方法属于机械调速, 可实现无级调速,无电联接,机械结构可靠性高。我厂的 #4、 5 机# 1、 2 给水泵都 采用了此方法,节能效果也非常明显。 7.变频调速 改变电动机电源频率, 就能改变电动机的同步转速, 电动机的转速也随之改变, 所以改变电源频率就可以平滑地调节异步电动机的转速。 其特点是: 没有附加损耗, 效率高,调速范围大,调速比可达 20: 1;调节精度高:技术复杂,造价高。适用 于流量不稳定,变化范围较大且需要经常改变的场合,如:风机和水泵等。 变频调速技术在高压电动机中的应用国内正在探索之中,2000 年 2 月,大庆华 能新华发电有限公司引进两套德国西门子生产的 SIMOVERT-A 6SC24 系列变频器, 安装在灰浆泵系统中,开创了全国电力系统高压电机变频改造的先河,也为电力系 统大容量高压变频调速技术的推广应用奠定了基础。 8. 无刷双馈变频调速电机 无刷双馈电机是一种新型的很有发展前途的交流调速方案,它但没有成熟的系 列产品,没有大规模使用。
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1.3.2 变频器中电力电子元器件的发展
二十世纪八十年代, 各种高速、 全控型的器件先后问世, 如可关断晶闸管 ( GTO ) 、 电力晶体管( GTR) 、功率场晶体管(功率 MOS-FET) 、绝缘栅双极晶体管( IGBT ) 、 静电感应晶体管( SIT) 、静电感应晶闸管( SITH ) 、MOS 晶闸管( MCT)等 [5-6]。原交 流装置中的普通晶闸管逐渐被这些新型器件取代,新的结构紧凑的变流电路随之出 现,许多早期的变流方式再次焕发青春,过去难以实现的控制方式也得以实现。这 一切使电力电子技术具有了全新的面貌,这些现代器件具有全控化、集成化、高频 化、多功能化、大功率化的特点。 现代电力电子器件的出现,实现了弱电对强电的控制,使电子技术步入功率领 域,其全控特性使得不仅能控制其开通,而且能控制其关断,在工业上引起了一场 技术革命,变流装置也由旋转方式变为静止方式。全控型又可分为三大类:双极型、 单极型和混合型。 在电力系统中应用较多的为混合型器件,它是由双极型器件和单极型器件混合 集成而成。它利用耐压高、电流密度大、导通压降低的双极型器件(如 SCR、 GTR 、 GTO 等)作为输出级,因而兼并了两者的优点。这类器件的典型有: IGBT、 MCT 和 功率集成电路。 IGBT 自上世纪八十年代以来发展十分迅速,最大容量已达 3000A, 最高电压等级已达 10000V,工作频率已超过 40KHZ。功率集成电路也称 PIC,也是 混合型器件,它是指功率器件与驱动电路、控制电路、保护电路等的总体集成,是 更高层次的电力电子器件。功率集成电路又分为高压集成电路( HVIC)和智能功率 集成电路( SPIC ) ,这种器件实现了功率器件与电路的总体集成,使强电与弱电达 到了完美的结合,完成了信息与动力的统一。 高压变频器中使用的整流、变流器件均为低压器件串联而成的,根据电动机的 额定电压,确定串联的 HV-IGBTS 数量。它的传动变频器的电路包括一个 2.3KV 基本 变频器和 IHV 滤波器。 IHV 滤波器从脉冲 2.3KV 反向变流器输出电压中产生一个正弦 6.3KV输出电压,直接作用在高压电动机上。当将 2件 HV-IGBTS串联接入时,中心点 二极管被 HV-IGBTS模块所取代。这就要要求在部件之间均匀的分布电压,因而它采 用并联电路配置,在线路供电侧,使用 2 台单独的 123 脉冲变压器。为了保证 2 个子 系统间的均匀的电流分配,设计了 2个电气绝缘绕组系统,增加了可靠性。

1.3.3 变流电路与控制技术的发展
以电力半导体器件为核心,通过不同的电路拓扑和控制方式来实现对电能的转 换和控制,这就是变流电路,随着器件特性的不同,其控制方式与应用范围也不相 同。
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全控型电力半导体的问世,使得变流电路与控制技术发生了巨大的变化,由于 它能由外信号控制其关断,所以还可以实现 DC-DC 变换,即构成斩波器。利用斩波 器可以把固定或变化的直流电压换成可调或恒定的直流电压,实现直流变压器的作 用。 由全控型器件组成的变流电路中,不再采用相控技术,而改为脉宽调制( PWM ) 技术,由于 PWM 技术可以极其有效地进行谐波抑制,动态响应好,使得变流电路的 性能大大提高。由电力半导体器件构成的变流电路,伴随着电力半导体器件的优点 而呈现出许多优势,例如: 1.体积小、质量轻与交流调速相比,没有机械旋转部分的磨损,没有噪声,维修方 便。 2.功率增益高,控制灵活。 3.控制动态特性好。 4.效率高,节省能源。 采用数字 -模拟混合式的 IGBT-SPWM 变频调速系统的主回路为电压源型 SPWM 变 频器的标准拓扑电路;控制回路为压频比协调控制的频率开环控制系统,由给定积 分电路,SPWM 生成电路及驱动电路等组成,压频比协调控制信号由 V/f 函数发生器 产生。这种变频器目前还有不少在运行中,但新安装的都为微机控制的全数字化变 频调速系统。 微机控制的全数字化变频调速系统的主电路亦为典型的三相桥式逆变电路,具 有过电流和过电压保护,选用专用集成驱动器驱动 IGBT。其主控部分同由微处理器 和可编程全数字化的 SPWM 波集成控制器组成。与硬件连接配套的还有相应的软件 程序,主要是利用程序查表得到脉宽数据等。这部分各厂家都有不同,且对外公开。

1.3.4 变频技术在电动机中的应用情况
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、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,最早的应用形式是 Y-Δ 变换形,这种方法是通过降压变压器将 6KV 的电压降低到一定的电压等级,再利用低压变频器驱动改进后的电动机,此方法要 求电机的外形尺寸特殊,原有电机基础不能使用,需重新施工浇注,安装时间也较 长,投资比较大,因而现在已基本不再使用。 随着低压变频技术的不断完善,为了充分利用低压变频器的优点,而且能继续
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使用原来的电动机,人们设计了高 -低 -高变频方案,该调速方案是将高压 6000V 通 过降压变压器变为 600V 或 400V,使变频器的输入电压降低,可以用一般的交流变 频器实现变频调速,变频器后的输出电压再通过升压变压器变为 6000V,以满足高 压电动机的要求,这种方案可以使用技术较为成熟、价格较低的低压变频器,成本 较低,但缺点是需要两台变压器,占地面积大,整个变频调速系统的效率低,只适 合 1000KW 以下的电机调速。 随着电力电子技术的发展,人们研制出了高压 6000V 变频器,为高压电动机的 直接变频调速带来了新的希望,近几年出现的新的高 - 高形变频调速方式,成功地 解决了其他变频方案的存在的缺点。

1.4 本文的主要工作
本文的主要工作包括以下几个方面: 1.在认真阅读大量参考文献的基础上,综述了高压变频技术在高压电动机上的应用 情况以及在应用过程中存在的主要问题。对已有的 Y-Δ 变换型、高 -低 -高型、高 高型三种实现方式进行了详细技术经济比较分析。确定了新乡豫新发电有限责任公 司 #6 锅炉 A、 B 引风机变频调速技术的实现方式,即采用高 -高型的变频调速方式。 2. 针对高压电动机采用高 - 高型变频调速后,分析了将来变频器投运后对电网及其 他设备的影响,包括电动机的影响,通过与其它类型的高压大容量变频器比较,最 后确定新乡豫新发电有限责任公司 #6 锅炉 A、 B 引风机选用完美无谐波系列变频器。 3.对引风机变频改造后的效益进行了分析,对在引风机变频器运行中出现的一些问 题成功进行了解决,积累了变频器在现场运行的实际经验。

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第二章

火力发电厂高压电动机变频方案选择

2.1 变频调速的基本理论
从 交 流 异 步 电 动 机 的 转 速 公 式 可 以 分 析 如 何 改 变 异 步 电 动 机 的 转 速 [9-11] : n=(1-s)n1 =(1-s)60f1/p 式中: n—电动机运行时实际转速 n 1—电动机的同步转速 f 1—电动机电源频率 p —电动机极对数 s—电动机转差率 当改变电源频率 f1 时,同步转速 n1=60f1 /p 与频率成正比变化,于是异步电动 机的转速 n 也随之改变 ,所以改变电源频率就可以平滑地调节异步电动机的转速。 异步电动机正常运行时,从 U1=4.44f1ω 1 kω 1 ?m 可知, U1 不变,磁通 ?m 随频 率 f1 的改变而改变,频率升高, ?m 会下降,电机允许的输出力矩将降低,电机不 能充分利用,所以,为了维持电动机磁通恒定,在调频的同时还要调压,使 U1 与 f1 成比例改变。 在过载能力不变的情况下,由电机学可知,电压 U、频率 f1 与最大力矩 Tmax 之间的关系如下 [11]: Tmax=± m1pU?/4 ? f1C[±r1 +(x1+cx2′ )] 式中: Tmax—电动机的最大转矩 m 1—电动机绕组的相数 p —电动机极对数 U —电动机电源电压 f 1—电动机电源频率 r 1—电动机线圈直流电阻 x 1—电动机的定子漏抗 x 2′—电动机的激磁电抗 C —比例系数 C=1+ x1 / x2′ 可以看出,改变频率的调速属于转差率基本不变、同步转速和电动机理想转速 同步变化条件下的调速。所以,变频调速的调速精度、功率因数和效率都较高,容 易实现闭环自动控制。 已知风机和泵类负载的功率及其运行转速 n 的关系为 P=Kn?,即对于风机和泵 类等一类的负载。电动机的输出功率正比于电机转速的三次方。其中 K 为负载功率
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(2-1)

(2-2)

计算系数,风机约为 3,泵类约为 2。无论采取何种方式均可使用 P=Kn ?来计算负载 功率。当电动机降低转速时,风机所消耗的电功率按三次方比例关系下降;在机组 低负荷情况下,对风机的需求相对较少;例如 ,采用变频控制时,当风量与转速均 下降到 80%时 ,功率将降低到额定功率的 51%,而采用挡板调节风量时,电机消耗的 功率约为 90%,能量损失严重。当风量与转速均下降到 60%时 ,功率将降低到额定功 率的 21%。由此可见,采用变频调节后,入口挡板全开,几乎消除了节流阻力,节 能效果明显。 实现变频控制原理如图 2-1 所示。

厂用电交流电母线 变频调速器 6300v 图 2-1

交流异步电动机

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锅炉调节控制量 4-20mA 变频调速控制原理图

2.2 变频器的基本组成
变频器按变换环节分为交—交变频器和交—直—交变频器,由于交—交变频器 连续可调的频率范围小,一般为额定频率的 1/2 以下。目前,变频器基本上采用交 —直—交电流型或电压型变频器,变频器的基本构成如图 2-2 所示,主回路由整流 器、滤波环节和逆变器构成,各部分功能简要说明如下:

网侧整流器

负载侧逆变器 中间直 流环节

电动机

~
6300V

控制回路 图 2-2 变频器基本构成图

~

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2.2.1 变频器系统硬件组成
1.整流器:作用是把三相交流电压整流成直流,常采用桥式整流电路。
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2.逆变器:采用大功率可控模块组成桥式逆变电路,控制电路有规律地控制逆变器 中开关管的通与断,得到任意频率的三相交流输出。 3.中间直流环节:由于逆变器的负载为异步电动机,属于感性负载,其功率因数不 会为 1,因此在变频器和电动机之间会有无功功率交换,这种无功能量要靠中间直 流环节的储能元件(电容或电感)来缓冲。 4.控制回路:控制回路有频率、电压的运算回路,主回路的电压、电流检测回路、 电动机的速度检测回路,将运算回路的控制信号进行放大的驱动回路,以及逆变器 和电动机的保护回路,控制方式常采用的是 PWM 脉宽控制。 PWM 的控制型变频器一 般采用电压型和电流型逆变器,并采用恒脉宽调制,逆变器的输入为直流电压,通 过调节逆变器的脉冲宽度和输出交流电压的频率,既实现了调压,又实现了调频。

2.2.2 变频器系统软件组成
作为产品的变频器系统具有很多功能,不同的产品的具体功能也不尽相同,但 是从系统控制软件的角度,总体上可以分为以下几个功能: 1.电机运行:这是变频器系统功能的最基本和主要部分,包括所有和电机运行有关 的功能,包括启动、制动、调速、转向控制。 2.状态监测:对于实用化的产品而言不仅是必不可少的,而且对于产品的最终可用 度有至关重要的影响,所监测的状态至少包括变频器——电机系统里几个关键的参 数,如电流、电压,具体而言电压一般检测直流母线上的直流参数,电流就有直流 母线电流、电机线电流(交流量)的不同选择,也可以都加以监测。软件通过监测 的数据可以判断系统的运行状况。 3.故障处理:如果监测到系统发生故障,就需要加以判断和相应的处理。一般而言, 需要区分和响应的故障至少包括过电流、过电压,在成熟的产品中一般还会包括过 负载、过热、缺相等。而对这些不同的故障的不同响应,取决于理论分析和经人工 控制:提供一套人机界面系统,操作者可以通过其监测和控制系统的运行包括设置 一些运行参数,目前这种界面一般采用键盘作为输入设备而采用小面积的数码管或 液晶屏幕作为显示设备。 4. 自动控制:提供一些电子接口,通过这些接口可以由其他设备例如 PLC 来监测 和控制系统的运行,但是一般不提供通过接口来设置系统内部的参数。 主控:对上述各项功能的控制、调度和互相之间信息的传递。 在这个基础上,功能比较复杂的变频器可能会加入一些比较复杂的、具有少量自动 判断和命令记忆的功能,但是无不是基于以上的基本划分之后在特殊情况和特殊参 数下的组合设计。因此,在设计变频器控制软件时,需要把握住以上诸项基本功能 加以实现。
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2.2.3 实施变频调速存在的主要问题
高压变频调速存在的主要问题是高压变频调速方案的经济性、节能性的比较和 选择,关键技术是方案中变频器件的电压等级的合理应用以及如何减少加装变频器 后对电网及电机的影响。

2.3 目前比较流行的几种变频调速方式
目前国内高压电动机采用的变频调速方案主要有以下几种:

2.3.1 Y/Δ变换
采用 Y/Δ 变换的办法是通过降压变压器将 6000V 的电压降低到一定的电压等 级,如韩国 ABB 公司的 ACS 系列变频器的电压等级有 2.3KV、3.3KV 和 4.0KV,它的 基本构成如图 2-3。
6300v 降压变压器 专用电动机 3637V 中压变频器

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2-3 星—三角 变换图

这种联接方式要求异步电动机必须采用三角形接法,采用 3.3KV 或 4.16KV 的 变频器即能满足电压和电流的要求,也能满足变频器对电机的绝缘等级提高一级的 要。但它对 dv/dt 和共模电压承受能力较差。由于电厂一般风机电机的接线方式为 Y 型,选用此方案的变频器,电机的定子线圈要由 Y 型改接为 Δ 型,或使用与此电 压等级配套的高压电机,再者还需新增加一个变压器, ;该方案要求换装电机的外 型尺寸特殊,原有电机基础不能使用,需重新施工浇注,安装周期也较长;电机进 行 Y/Δ 改接后, 电机与电网电压不一致, 无法实现旁路功能, 当变频器出现故障后, 无法保证生产的正常进行。

2.3.2 高 -低 -高变频调速系统
此中调速控制方案是将高压通过降压变压器,使变频器的输入电压降低,这样 可以采用一般的交流变频器,然后,将变频器的输出电压通过升压变压器将输出电 压再提高到 6000V,以满足高压交流电动机的电压要求。这种方案可以采用较为低 廉的变频器,高 -低 -高变频调速系统的结构如 2-4 图所示。
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6300v

降压变压器 低压变频器 图 2-4

升压变压器

电动机

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高-低-高变频调速系统的结构图

高 -低 -高变频调速系统普遍采用可控硅整流电路逆变电路,从 70 年代问世以 来,逐步走向成熟,也有很多应用成功的例子,但此种系统存在者较多的问题: 1.高 -低 -高变频调速系统需要用升压和降压两个变压器,以实现 6000V 电压直接输 出, 从而降低了效率, 会增加 0.3%的损耗, 并且降压变压器和升压变压器不能互换, 升压变压器需要特制,以减弱高次谐波的影响。 2.高 -低 -高变频调速系统中的变频器整流部分采用可控桥式整流电路,相应变频器 的功率因数比较低,范围从 0.2 到 0.9 之间。由于送风机经常工作在低转速状态, 可控硅的导通角较小,使系统的功率因数很小,系统需要消耗大量的无功功率,导 致 6000V 母线电压下降,影响 6000V 母线电压质量;同时可控硅整流在送风机低速 范围运行时,导通角很小,波形畸变大,逆变部分大多采用 6 脉冲或 12 脉冲,输 出波形失真,有大量高次谐波存在,使输出波形不是正弦波,为解决谐波的影响, 需要加装滤波器,增加投资。 3.高 -低 -高变频调速系统中的变频器工作在低电压状态,为满足功率输出的要求, 工作电流很大,往往需要变频器元件并联运行,为此必须进行元件配对,加均流措 施,检修技术水平要求比较高。 4.高 -低 -高变频控制系统需要两台变压器,变压器需要装设相应的保护,成本也会 有所上升,另外,使用高 -低 -高变频系统占地面积较大。

2.3.3 直接高压变频调速控制系统
直接高压变频调速控制系统用额定电压为 6000V 的高压变频器直接驱动 6000V 的电动机,实现变频调速,高 -高变频调速系统的结构示意图如 2-5。

6300v 高压变频器

电动机

M

图 2-5 图

直接高压变频系统的结构示意
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直接高压变频系统,简称高 - 高变频调速系统,它是九十年代末针对高 - 低 - 高 变频调速系统缺陷研制成功的新一代变频调速系统。该系统从根本解决了高 -低 -高 变频调速系统存在的问题 ,是一种性能优越的变频调速设备。 该调速系统一般使用一台变压器与电网隔离,变频器输出直接到电机,由于采 用了桥式整流电路,在整个调速系统中功率因数较高, cosφ =0.85,不需要装设无 功补偿装置,又因为高 - 高变频调速系统采用多重化脉宽控制,通过模块输出串联 叠加消除高次谐波的影响。 高 - 高变频调速系统简化了主电路和控制电路的结构,变频器在中间处理器材 调节器控制下,调整整流即逆变部分的控制量,通过调节逆变器的脉冲宽度和输出 电压频率,既实现调压,又实现调频,调节器进行无偏差的前馈控制,使控制误差 降到了最小,从而使装置的体积小,重量轻,造价低,可靠性高。 高 - 高变频调速系统改善了系统的动态特性,变频器中逆变器的输出频率和电 压,都在逆变器内控制和调节,因此调节速度快,调节过程中频率和电压的配合好, 系统的动态性能好。 高 - 高变频调速系统有很好的对负载供电的波形。变频器的逆变器输出电压和 电流波形接近正弦波,从而解决了由于以矩形波供电引起的转矩降低问题,改善了 电动机的运行性能,高 - 高变频调速系统适用于常规电机和电缆的绝缘要求,现有 的送风机电机和电缆可以继续使用。

2.4 新乡豫新发电有限责任公司 变频调速方式的选择 2.4.1 改造前状况
新乡豫新发电有限责任公司 #6、7 机组建于 2006 年,均为燃煤机组,配武汉锅 炉厂生产的 1025T/H 煤粉炉;由于豫北地区负荷盈余,负荷常常带到 180MW-250MW; 两台机组均配置两台 FAF19-10-1 轴流式送风机(配置电机 630KW )和两台 AN28E6 轴流式引风机(配置电机 2000kW ) 。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其负荷变化运行,相应的送、引风机等也 必须随之进行调节,以适应机组负荷变化。在调节的过程中又有大量的能量被浪费 了。机组在额定负荷下运行,风机效率较为理想,但机组带低负荷运行时,一部分 功率被消耗在挡板上,且机组负荷越低,消耗在挡板上的功率越大,使风机效率随 机组负荷而迅速降低。同时还存在以下问题: 1.挡板动作迟缓,手动时运行人员操作不灵活,而且操作不当会造成风机振动,投 入自动运行时,很难足最佳调节品质。 2.风机挡板执行机构故障较多,不能适应长期频繁调节,使风机调节系统一直不能
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正常投入自动运行。 3.风机在启动时,采用直接启动方式,启动电流为额定电流的 5-8 倍,电动机受到 的机械、电气冲击较大,经常发生转子鼠笼条断裂事故;大的启动电流还会在绕组 端部产生很大的电磁力,使绕组端部变形和振动,造成定子绕组绝缘的机械损伤和 磨损,而导致定子绕组和绝缘击穿。大的启动电流还会造成铁芯振动,使铁芯松弛, 引起电动机的发热。以往高压电机事故频繁与直接启动有相当大的关系,给主设备 的安全经济运行带来了极大的威胁。 4.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 被调节阀门消耗掉的。 5.挡板受冲击较严重,容易损坏,维护工作量较大。

2.4.2 高 -高变频配置方案
对于新乡豫新发电有限责任公司 #6 炉 #1、 2 引风机节能的实现方法,如果选用 “高 -低 -高”方式工作的变频器,需要增加两台变压器、无功补偿器、谐波滤波器, 变频实现复杂,可靠性较低,高 -低 -高变频调速系统技术上不具有先进性,但这种 系统最大特点是价格比较低廉,相对于高 -高变频系统,每套系统节约不少投资, 产品的挑选余地比较大。 如果选用高 - 高变频调速系统,从能量转换上看效率高于高 - 低 - 高变频调速系 统,高 -高变频调速系统在整个调速范围内效率稳定在 95%-97%之间,而高 -低 -高变 频调速系统在整个调速范围内从 81%-93%之间变化, 高 -高变频系统可经采用不使用 变压器的方案,则满负荷运行时,又可节约 0.3%左右的能量。 综合各调速系统的优缺点, 高 -高变频调速系统是高 -低 -高变频调速系统的更 新换代产品,具有较高的科技含量,是变频调速发展的方向,因此,选用高 - 高变 频调速系统较为合适。

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第三章

火力发电厂变频器的技术类型论证

变频器是数字化电力电子设备,其控制电路中的计算机芯片、集成电路等,较 易受外界的一些电磁干扰。因此,变频器投入电网运行时,需要考虑电网电压是否 对称、平衡,变压器容量的大小及配电母线上是否有非线性设备等。同时,变频器 本身的输入侧是一个非线性整流电路,特别是高压变频器容量大,又直接接在高压 电网,其对电源的波形将有影响,造成对电网的谐波污染。还有,变频器输出侧电 压、电流的非正弦或非完全正弦波含有丰富的谐波,对高压电动机发热、振动、转 矩脉动影响很大。此外在变频器内还有元器件、振荡电路、数字电路、触点、开关 等,也都将产生连续的干扰频谱。

3.1 高次谐波产生的原因及其影响 3.1.1 高次谐波的产生
电源侧变频器的输入部分是变流器回路,变流器回路工作时,回路内的开关元 件有规律地开通与关断而产生高次谐波。小容量的变频器产生的高次谐波问题不甚 严重, 因而可直接使用, 但对于较大容量的变频器或同时使用多台小容量变频器时, 就不能不考虑高次谐波电流和高次谐波干扰问题,并采用适当的对策。在晶闸管供 电的场合和使用无换向电动机的场合,变频器使用时,输入侧都有变流回路,都将 由于开关元件的通断自然地产生高次谐波。 用一个 200KVA 的晶体管变频器传动 132KW 鼠笼式电动机, 并且鼠笼式电动机带动的负载为泵类风机类的平方转矩性质, 其实测值基波 50Hz 的电流幅为 119A, 5 次谐波电流的幅值达 26.4A, 7 次谐波电流 值为 12.6A,可见变频器电源侧高次谐波电流的影响是不能忽略的。

3.1.2 高次谐波对电气设备的影响
1. 开关设备 开关设备在起动瞬间产生很高的电流变化率 di/dt ,由于谐波电流的存在,致 使增加暂态恢复电压的峰值,以致破坏绝缘。开关设备出问题,则消弧线圈将无法 正常的使电弧引入消弧室内,而使开关设备无法接通与分断电路。所以当谐波过大 时,常会引起一些无熔丝开关跳脱、产生误动作,也很容易使一些开关里的电力熔 线(熔丝)熔断。 2.电能表等计量仪表 电能表等计量仪表, 因谐波而会造成感应转盘产生额外的电磁转矩, 引起误差,
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降低度。经实验得知,若有 20%的 5 次谐波成份,将产生 10%- 15%的误差。过 大的谐波电流,也很容易将仪器里的线圈损坏。 3.电力电子设备 在多种场合, 电力电子设备常会产生谐波, 但也很容易感受谐波失真而误动作。 这种设备常靠着准确的电压零交叉点的位置或电压波形的形态来控制或操作,在电 路中有谐波成份时,零交叉点移动或波形改变,会造成许多误动作,例如不断电系 统的同步装置,将因取不到正确的零交叉点,而影响到整个系统的操作。 4.照明设备 谐波对白炽灯而言,会影响其寿命,当谐波增加时,将使灯光寿命缩短。至于 荧光屏或水银灯具起辉器,有时装有电容,此电容器与起辉器及线路的电抗,可能 对某一频率的谐波形成共振电路,这将产生额外的热损,甚至会损坏该灯具。 5.变压器 电流谐波将增加铜损,电压谐波将增加铁损,综合结果是使变压器温度上升, 影响其绝缘能力,并造成容量裕度减小。损失随谐波频率的增大而增加,所以谐波 的高频成分对于增加变压器的温升,是一个比较重要的因素。谐波也可引起变压器 绕组及线间电容之间的共振,及引起铁心磁通饱和或特性曲线歪斜,而产生噪声。

3.2 几种常见的高压变频类型 3.2.1 电流源型变频器
电流源型变频器的优点是能量可以回馈电网,系统可以实现四象限运行。由于 存在大的平波电抗器和快速电流调节器,所以过电流保护比较容易。电源侧常采用 三相桥式晶闸管整流电路,输入电流的谐波较大,为了降低谐波成分,可采取多重 化,有时还必须加输入滤波装置。输入功率因数一般较低,且随转速的下降而降低, 通常要附加功率因数补偿装置。另外,电流源型变频器还会产生较大的共模电压, 当没有输入变压器时,共模电压会影响电机的绝缘。此类变频器的输出电流谐波较 高,会引起电机的额外发热和转矩脉动,必要时也可采取输出 12 脉冲方案和设置 输出滤波器。系统对电网电压波动较为敏感。由于驱动功率、均压电路等固定损耗 较大,系统效率会随着负载的降低而下降。 电流源型变频器种类较多,主要有串联二极管式、输出滤波器换向式、负载换 向式和 GTO PWM 式等。其中前三种电流源型变频器的逆变功率器件都用晶闸管, 输入电压高时需采用晶闸管串联,对器件开关时间的一致性及不一致时所需的保护 要求较高,同时还存在静态和动态的均压问题。串联二极管式电流源型变频器利用 换向电容和电机电感之间的谐振实现晶闸管的换流,用二极管隔离电机反电动势,
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使它不影响换向电容的放电过程。变频器运行与电机参数关系较大,换向电容的容 量要与电机电感和负感电流相匹配。输出滤波器换向式电流源型变频器利用输出滤 波器对晶闸管进行换向,电机和滤波器一起具有超前的功率因数,所以逆变器的晶 闸管可以实现自然换流,滤波器的容量基本上和变频器容量相当。负载换向式电流 源型变频器 (LCI),负载为同步电动机,可以提供逆变器晶闸管关断的超前电流, 在起动和低速时,一般采取断续换流的办法, LCI 在一些超大容量的系统中应用 较为成功。 GTO PWM 电流源型变频器 (图 3-1)采用 GTO 作为逆变部分功率器件, 可以通过门极进行关断。电机电流质量的提高可通过 GTO 采用谐波消除的电流 PWM 开关模式来实现, 但受到 GTO 开关频率上限的限制, 一般控制在几百Hz左右。 在电流源型逆变器结构中要求 GTO 具有对称的反向阻断电压。高压时, GTO 的串 联一样存在均压问题。若整流电路也采用 GTO 作电流 PWM 控制,可以得到较低的 输入电流谐波和较高的输入功率因数,当然系统的成本也会相应增加。

整流器

电感

逆变器

隔离开关 输入接触器
SCRS GTOS

M

熔断器

SCRS

GTOS

三绕组变压器

图 3-1 GTO PWM电流源型变频器

3.2.2 三电平PWM电压源型变频器
当输出电压高于普通的 PWM 电压源型变频器时,为了避免器件串联的动态均 压问题,同时降低输出谐波和 dV/dt,可采用三电平 PWM 方式,拓扑结构如图 3-2 所示。整流电路采用二极管,逆变部分功率器件采用 GTO、 IGBT 或 IGCT。每个桥 臂虽由 4 个功率器件串联,但是不存在同时导通或关断以及由此引起的动态均压 问题。当器件耐压为 6KV 时,输出电压最高可达交流 4160V。与普通的二电平PW
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M变频器相比,由于输出相电压电平数增加到 3 个 ,每个电平幅值下降,且提高了 谐波消除算法的自由度,可使输出波形比二电平 PWM 变频器有较大的提高,输出 dV/dt 也有所减少。若输入也采用对称的 PWM 结构,可以做到系统功率因数可调, 输入谐波也很低,且可四象限运行。为减少输出谐波和转矩脉动,希望有较高的开 关频率,但这样会导致变频器损耗增加,效率下降,开关频率一般不超过 2KHz 。 这种三电平的概念还可扩展到更多电平,输出波形会更好,当然器件的数量和控制 的复杂性也相应地增加了。三电平变频器的输出若不设置滤波器,一般需要特殊电 机,或使普通电机降额使用。
整流器 滤波电容 逆变器

输入滤波器

输入变压器

图 3-2 三电平PWM电压源型变频器

3.2.3 单元串联多电平PWM电压源型变频器
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,如图 3-3 所示。电网电压经过二次绕组多重化的隔离变压器降压后给功率单元供电,单相变 频功率单元的输出端串联起来,实现变压变频的高压输出,直接供给高压电动机, 单元串联的数量决定输出电压的等级。由于不是采用传统的器件串联来实现高压输 出,所以不存在器件均压问题。 图 3-3 所示为 6000V 单元串联多电平变频器的典型电路拓扑图,采用 700V 单元。电机的每相由五个功率单元串联进行驱动,串联方式采用星型接法,中性线 浮空。每个单元由一个隔离变压器的隔离次级绕组供电。十五个次级绕组各自的额 定电压均为 700V AC,功率为总功率的十五分之一。功率单元与其对应的变压器次 级绕组以及对地绝缘等级为 6 kV 以上。每相五个 700V AC 功率单元串联的变频 器可产生 3500V AC 相电压,线电压为 6000V AC 。所有的功率单元都接收来自同 一个中央控制器的指令。这些指令通过光纤电缆传输以保证绝缘等级达到 6kV 以
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上。为功率单元提供电源的变压器次级绕组在绕制时相互之间有一定的相位差,这 样消除了大部分由独立功率单元引起的谐波电流,所以初级电流近似为正弦波,因 而功率因数能保持较高,满载时典型为 95%。

用户侧
=DG14

(1) (2 )

高压变频调速系统

=DG2

(9) (4)
(10)

=DG4

(8)

(3 ) 6KV

=DG3

(11)

(5)

量 模
(6 )

(7)

D1/D0 (DCS/RS485/ PROFIBUS/以太网等)



工 业 现 场

3-3 单元串联多电平 PWM 电压源型变频器

RS485

3.3

新乡豫新发电有限责任公司 #6 炉 A、 B 引风机变频技术类型论证
目前也界上的高压变频器不象低压变频器一样具有成熟的一致性的拓扑结构,

而是限于采用目前电压耐量的功率器件,如何面对高压使用条件的要求,国内外各 变频器生产厂商各有高招,因此其主电路结构不尽一致,但都较为成功地解决了高 电压大容量这一难题。当然在性能指标及价格上也各有差异。如美国罗宾康 (ROBICON)公司生产的无谐波变频器 ;罗克韦尔 (A-B)公司生产的 Bulletin 1557 和 Power Flex 7000 系列变频器,德国西门子公司生产的 SIMOVERT MV 中压变频器 ; 瑞典 ABB 公司生产的 ACS1000 系列变频器 ;意大利 ANSALDO 公司生产的 SILCOVERT-TH 变频器以及日本三菱、富士公司生产的无谐波变频器和国内北京利德华福技术有限 公司生产的高压变频器等。 美国罗克韦尔 (A-B)公司的中压变频器 Bulletin1557 和 Power Flex 7000 系 列,其电路结构为交一直一交电流源型,采用功率器件 GTO 和对称门极换流晶闸 管 SGCT 串联的两电平逆变器。其控制方式采用无速度传感器直接矢量控制,电机 转矩可快速变化而不影响磁通,综合了脉宽调制和电流源结构的优点,其运行效果
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近似直流传动装置。 AB 公司可提供几种方案以满足谐波抑制的要求,如标准的 12 脉冲和 18 脉冲及 PWM 整流器,标准的谐波滤波器及功率因数补偿器,以使其谐波 符合 IEEE519-1992 标准的规定。电流源变频器的优点是易于控制电流,便于实现 能量回馈和四象限运行 ; 缺点是变频器的性能与电机的参数有关,不易实现多电机 联动,通用性差,电流的谐波成分大,污染和损耗较大,且共模电压高,对电机的 绝缘有影响,电网侧功率因数低,而且随着工况的变化而变,不好补偿,增大了电 网的无功损耗。 AB 公司的变频器采用功率器件串联的二电平逆变方案,结构简单, 使用的功率器件少,但器件串联带来均压问题,且二电平输出的 dv/dt 会对电机 的绝缘造成危害,要求提高电机的绝缘等级 ; 且谐波成分大,需要专门设计输出滤 波器,才能供电机使用,即使如此其总谐波畸变 THD 也仅能达到 <4%,输入端采用 可控器件实现 PWM 整流, 便于实现能量回馈和四象限运行, 但同时使网侧谐波增大, 需加进线电抗器滤波才能满足电网的要求,这也增加了体积和成本。 美国罗宾康 (ROBICON) 公司和国内北京利德华福技术有限公司利用单元串联多 重化技术,生产出功率为 315kW-10000kW 的完美无谐波 (PERFECT HARMONY) 高压变 频器,无须输出变压器实现了直接 3.3kV 或 6kV 高压输出 ; 首家在高压变频器中 采用了先进的 IGBT 功率开关器件,达到了无谐波的输出波形,无须外加滤波器即 可满足各国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%。达到这么高指标的原因是采用了三 项新的高压变频技术 : 一是在输出逆变部分采用了具有独立电源的单相桥式 SPWM 逆变器的直接串联叠加 ; 二是在输入整流部分采用了多相多重叠加整流技术 ; 三是 在结构上采用了功率单元模块化技术。 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,可实现无谐波变频。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。变频器由于采用 多 重 化 PWM 技术总的电 压和电流失真率可分别低于 1.2% 和 0.8% ,堪称无谐波 (Perfect Harmony) 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。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 5 个周期的电 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。
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单元串联多重化变频器的优点是 : ①由于采用功率单元串联,可采用技术成熟,价 格低廉的低压 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。 其缺点是 : ①使用的功率单元及功率器件数量太多,装置的体积太大,重量大,安装位置成问 题 ;②无法实现能量回馈及四象限运行,且无法实现制动 ;③当电网电压和电机电压 不同时无法实现旁路切换控制。 在 PWM 电压源型变频器中,当输出电压较高时,为了避免器件串联引起的静态 和动态均压问题,同时降低输出谐波及 dv/dt 的影响,逆变器部分可以采用中性 点钳位的三电平方式 (Neutral point clamped:NPC) 。逆变器的功率器件可采用高 压 IGBT 或 IGCT。 ABB 公司生产的 ACS1000 系列变频器为采用新型功率器件 --集 成 门 极 换 流 晶 闸 管 IGCT 的 三 电 平 变 频 器 , 输 出 电 压 等 级 有 2.2kV 、 3.3kV 和 4.16kV。西门子公司采用高压 IGBT 器件,生产了与此类似的变频器 SIMOVERT MV 。 整流部分采用 12 脉冲二极管整流器,逆变部分采用三电平 PWM 逆变器。该系列变 频器采用传统的电压型变频器结构,通过采用高耐压的 IGCT 功率器件,使得器件 总数减少为 12 个。随着器件数量的减少,成本降低,电路结构简洁,从而使体积 缩小,可靠性更高。由于变频器的整流部分是非线性的,产生的高次谐波将对电网 造成污染。为此,将两组三相桥式整流电路用整流变压器联系起来,其初级绕组接 成三角形,其次级绕组则一组接成三角形,另一组接成星形,整流变压器两个次级 绕组的线电压相同,但相位则相差 30°角,这样 5 次、 7 次谐波在变压器的初级 将会有 180°的相移,因而能够互相抵消,同样的 17、 19 次谐波也会互相抵消。 这样经过 2 个整流桥的串联叠加后,即可得到 12 波头的整流输出波形,比 6 个 波头更平滑,并且每个整流桥的二级管耐压可降低一半。采用 12 相整流电路减少 了特征谐波含量,由于 N=kP ±1(P 为整流相数、k 为自然数、N 为特征谐波次数 )。 所以网侧特征谐波只有 11、 13、 23、25 次等。如果采用 24 脉波整流电路,网侧 谐波将更进一步被抑制。两种方案均可使输入功率因数在全功率范围内保证在 0.95 以上,不需要功率因数补偿电容器。 变频器的逆变部分采用传统的三电平方 式,所以输出波型中会不可避免地产生比较大的谐波分量 (THD 达 12.8%),这是三 电平逆变方式所固有的,因此在变频器的输出侧必须配置输出 LC 滤波器才能用于 普通的笼型电机。经过 LC 滤波器后,可使其 THD<1% 。同样由于谐波的原因,电 动机的功率因数和效率都会受到一定的影响,只有在额定工况点才能达到最佳的工 作状态,随着转速的下降,功率因数和效率都会相应降低。三电平逆变器的结构简 单,体积小,成本低,使用功率器件数量最少,避免了器件的串联,提高了装置的 可靠性指标。根据目前 IGCT 及高压 IGBT 的耐压水平,三电平逆变器的最高输出
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电压等级为 4.16kV,当输出电压要求 6kV 时,采用 12 个功率器件已不能满足要 求,必须采用器件串联,除了增加成本外,必然会带来均压问题,失去了三电平结 构的优势,并且会大大影响系统的可靠性。若将来采用 9kV 耐压的 IGCT,则三电 平变频器可直接输出 6kV,但是谐波及 dv/dt 也相应增加,必须加强滤波功能以 满足 THD 指标。 上述三种高压变频器是市场上应用最多的类型,电流源型和三电平由于存在的 谐波、 dv/dt 、共模电压、效率和电压等级等诸多问题,应用受到了很大的限制, 而单元串联多重化技术由于性能指标先进、可靠性高,在应用上受到广泛欢迎,据 不完全统计全国火力发电厂应用的高压变频器中,采用单元串联多电平方式的占 61.71% ,采用电流源方式的占 17.12% ,采用三电平高低高或者普通高低高方式占 21.17%。单元串联多重化技术应为首选方案。

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第四章

新乡豫新发电有限责任公司高压变频器简述

4.1 新乡豫新发电有限责任公司完美无谐波高压变频器的原理
完美无谐波高压变频器(单元串联多电平 PWM 电压源型变频器)是一种新型的 直接输出高电压的变频器 [21,26]。它采用若干个低压 PWM 变频功率单元串联的方式实 现直接高压输出。该变频器具有谐波分量小、功率因数高、输出波形质量好的特点, 不存在谐波引起的电机附加发热和转矩脉动、噪音。其原理如图 4-1( A ) 、 ( B) 、 ( C) 所示。 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。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, 变频器输入的综合功 率因数可达到 0.95 以上。

U
690 690 3450 相电压 690 690 690 6000 线电压

690

690

690

690

690

N

690

690

690

690 690

V

(A)

W

24

VT1

VT2

VT3

VT4

(B )

超前 24?

功率单元 A1
超前 24?

功率单元 B1

超前 24?

功率单元 C1

超前 12?

功率单元 A2
超前 12?

功率单元 B2

超前 12?

功率单元 C2 功率单元 A3

无相移

无相移

功率单元 B3

无相移 滞后 12?

功率单元 B3

功率单元 A4

滞后 12?

功率单元 B4

滞后 12?

功率单元 C4

超前 24?

功率单元 A5

超前 24?

功率单元 B5

超前 24?

功率单元 C5

M

6000V 电动机

图 4-1 单元串联多电平变频器原理
(A)电压叠加原理(B)主电路拓扑结构(C)功率单元结构
25

4.2 新乡豫新发电有限责任公司完美无谐波高压变频器的参数
型号: 6.3kV 50HZ ,输入电压: 6.3kV ,输出电流: 140A 。 此高压变频器包括: 1400kVA 干式隔离变压器柜和变频器功率单元柜 ,每台变频 器参数如下: 额定功率 :1500kVA 输出频率 :0~ 50HZ 额定输出电流 :140A 额定输入电压 :6300VAC , 50HZ 输出电压 :0~ 6000VAC

4.3 新乡豫新发电有限责任公司完美无谐波高压变频器的特点
( 1)能够节约大量的电能。 (详见节能分析 ) ( 2)能延长电机的使用寿命。电机可在 0 转速下软启动。 ( 3)减少了机械的磨损。 (不同负荷下风机的转速比额定转速低) ( 4)能最大限度的不间断无跳闸运行。 ( 5)具有旋转负载启动功能。 ( 6)功率单元带旁路系统。 ( 7)控制信号传输的精度高、速度快 ,低压控制与高压电源部分隔离好。 ( 8)具有可靠的保护功能( 10 余种) 。 ( 9)变频器具有高功率因数( 0.95 以上) ,高效率( 96%以上).高质量输出,输出 波形在满速时近似正弦波,谐波失真度电流为 0.8%,电 压为 1.2%,过载能 力 110%,瞬时达 150%。 ( 10)具有控制信号掉电保持功能, (设定在 80%额定值) 。 ( 11) 变频器调速范围: 0 —100%连续可调, 频率输出 0— 120Hz, 加 /减速时间 0.1~3200 秒(根据负载情况可设定) ,频率精度 ± 0.5% 。 ( 12)变频器可在输出不带电的情况下进行空载调试,也可在没有 6.3kV 高压情况 下,用低压电进行空载调试。 ( 13)距离变频器 1 米处任何方向测试,噪音指标低于 75Db。 ( 14)变频装置对输出电缆长度无任何要求。 ( 15)变频装置输出波形不会引起电机的谐振,转矩脉冲小于 0.1%。 ( 16)变频器输出的满载时电流谐波分量小于 2%,对电机没有特殊的要求,可以延 用以往的普通异步电机,电机不必降额使用。 ( 17) 36 脉冲输入可符合供电部门对电压失真和电流失真最严格的要求。
26

( 18)开关量输入:起动 .停止 .急停 .远方 /就地转换。 ( 19)开关量输出: 1)变频器一切就绪; 2)变频器运行; 3)变频停止; 4)变频 器故障; 5) .变频器远方 /就地。 ( 20)变频器有 4~ 20mA 输入用于频率调节,允许多到 3 路 4~ 20mA 输入变频器有 4~ 20mA,输出用于电机功率 .电流 .频率指示信号。 ( 21)门上有键盘显示,可直接进行设定,控制器有各种故障诊断,调节及逻辑功
能组态,键盘操作及显示等功能。

(22)变频器的可靠性极高,模块化结构即使出现问题也可及时更换。

27

第五章
5.1 变频器节能分析

变频器节能分析

5.1.1 理论计算
以豫新发电有限责任公司 #6 锅炉引风机为例, A、 B 引风机的参数如下: 1.型号 : YKK800-8 2.电流 : 238 安 3.电机效率: 95% 4.cos?=0.864 5.绝缘等级 : F 级 6.重量 : 17714KG 7.电压 : 6000 伏 8.转速 : 743r/min 9.接线 : Y 10.制造厂 : 沈阳电机厂 变频系统效率不低于 96.5%,在满负荷运行时,变频系统功率因数≥ 0.95。根 据 300MW 等级火电机组在河南电网的实际运行情况, 其年平均利用小时数约为 7000 小时计算,电价按 0.3 元 /KWh 计算。 下面对风门开度分别为 70%、 50%的情况下进行效益分析: (1)静叶控制风量时,根据运行经验: ①机组负荷为 300MW 时,静叶开度为 70%,电动机电流为 160A ②机组负荷为 210MW 时,静叶开度为 50%,电动机电流为 110A ③机组负荷为 150MW 时,静叶开度为 30%,电动机电流为 90A 根据功率计算公式: P= 3UIcos?/η 式中 P=电动机功率 U=电动机共电电压 I =电动机电流 η =电动机效率 计算各种运行工况下的电动机功率为: P70= 3UIcos?/η =1.732×6 ×110 ×0.865/0.95=1040.6KW P50= 3UIcos?/η =1.732×6 ×90× 0.865/0.95=851.59KW
28

( 5-1)

( 5-2) ( 5-3)

(2)前面论证,当电动机降低转速时,风机所消耗的电功率按 3 次方比例关系

下降,因而变频调速控制放量时,电动机的功率如下: Pb=Pn( Q%)?/η m 式中 Pb=变频调速后的电动机功率 Pn=电动机额定功率 Q%=机组固定负荷时风机运行功率与额定功率的比值 η m= 变频系统效率 计算各种运行工况下的电动机功率为: P70= Pn( Q%)?/η m =2000× 0.7? /0.95=722.1 P50= Pn( Q%)?/η m =2000× 0.5? /0.95= 263 (3)加装变频调节装置后,每年节省费用计算: D70=( 1040.6-722.1)×7000× 0.32=713440(元) D50=( 851.59-263)×7000 ×0.32=1318441.6 (元) 据统计, 若按 #6 机组每年运行小时数为 5800~ 7800 小时, 机组每年 60%带 210MW 负荷, 10%时间带 150MW 负荷, 。 #6 炉两台引风机变频改造后以年运行 7000 小时计 算,全年预计可节约电量为: D 全年 =0.6× 713440+0.1 ×1318441.6=559908.16(万元) ( 5-5) ( 5-6) ( 5-4)

5.1.2 实测数据分析
2007 年 2 月 27 日 22 时 43 分,#6 机组 D 级检修结束,并网运行,A、B 引风机同 时投入运行。 为了便于对比,将 2007 年#6、7 炉引风机电量、电耗、负荷率、发电量以周为单位, 统计如下: #6 机引 风机电 #6 机发电 时 间 01 月 05 日— 1 月 12 日 01 月 12 日— 1 月 19 日 3154.54 62.59 66.02 26.42 27.60 3959.90 78.57 34.55 #6 机负 量(万 度) #6 机 引风机 电耗 (%) 0.87 #7 机发电 #7 机负荷 #7 引风 机电量 #7 炉引风

量(万度) 荷率 (%)

量(万度) 率(%)

(万度) 机电耗 (%)

4526.53

89.81

31.95

0.71

0.84 0.83
29

3940.42 3583.45

78.18 71.10

28.12 25.86

0.71 0.72

01 月 19 日— 3327.50

1 月 26 日 01 月 26 日— 2月2日 02 月 02 日— 2月9日 02 月 09 日— 2 月 16 日 02 月 16 日— 2 月 23 日 02 月 23 日— 3月2日 03 月 02 日— 3 月 09 日 03 月 09 日— 3 月 16 日 03 月 16 日— 3 月 23 日 03 月 23 日— 3 月 30 日 03 月 31 日— 4月6日 04 月 06 日— 4 月 13 日 3191.48 63.32 15.80 3509.68 69.64 16.56 3777.05 74.94 21.76 4004.77 79.46 22.12 4332.37 85.96 26.09 3650.62 72.43 19.07 1538.57 54.14 10.28 0.67 3626.39 71.95 27.78 0.77 4100.55 81.36 31.71 0.77 3374.80 66.96 29.72 3007.94 59.68 25.01

0.83

3614.23

73.48

27.23

0.75

0.88

3987.48

79.12

30.92

0.78

4224.68

83.82

31.57

0.75

0.52

3731.66

74.26

28.85

0.77

0.60

1923.79

76.05

15.50

0.81

0.55

1896.47

73.51

14.31

0.75

0.58

3241.25

64.31

22.53

0.70

0.47

3295.08

65.38

22.25

0.68

0.50

3450.43

68.46

23.70

0.69

2007 年#6、7 炉引风机电耗(周)对比曲线如下:

30

#6炉引风机变频节能分析 1.00 0.80 0.60 0.40 0.20 0.00 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 周 #7炉引风电耗 #6炉引风机电耗

注:变频从第 8 周起投入运行 对#6 炉引风机电耗以每周为单位进行分析可得出,负荷率 80%左右时,采用变频 后,引风机电耗由 0.87%降为 0.55%,引风机电量由 34.55 万度降为 22.12 万度,节电率 在 36%左右。负荷率 63%左右时,采用变频后,引风机电耗由 0.84%降为 0.50%,引风 机电量由 26.42 万度降为 15.8 万度,节电率在 40%左右。节能效果很明显,对降低厂用 电率起到了一定作用。 #6 炉负荷率(%) #6 炉引风机用电量 (万度) #6 炉引风机电耗(%) 节 电 率 变频前 78.57 62.59 变频后 79.46 63.32 变频前 34.55 26.42 变频后 22.12 15.80 变频前 0.87 0.84 变频后 0.55 0.50 (%) 35.98 40.17

小结:由以上数据可以得出:80%负荷率左右,引风机变频投入后,使厂用电率下 降了 0.45%左右;60%负荷率左右,引风机变频投入后,使厂用电率下降了 0.57%左右。

31

第六章

结 论

随着电力市场的发展,发电企业对经济效益和社会效益的重视程度越来越高, 发电企业的一切经营活动都应围绕这两个内容, 降低发电成本, 提高竟价上网能力, 已成为各发电企业共同的追求目标。 本论文通过对高压变频技术目前的发展和应用现状和豫新发电有限责任公司的 实际分析,对高压变频方式和技术类型的选择、高压变频器运行后的性能、节能情 况以及使用过程中遇到的问题进行了深入的研究,主要结论如下: 1.本文通过对 Y/△变换型、高 -低 -高型、高 -高型三种方式进行了详细的经济 技术比较后,提出了高 - 高型变频调速方式适用于新乡豫新发电有限责任公司锅炉 送风电动机的变频改造。 2.通过对电流源型变频器、三电平 PWM 电压源型变频器、单元串联多电平电压 源型变频器三种变频技术类型的比较,确认了单元多电平电压源型变频器是新乡豫 新发电有限责任公司实施变频改造的首选。 3.本文通过理论分析、实测数据、电耗统计对变频器的节能进行了详细计算, 送风机变频器的成功应用取得了良好的经济效益,降低了能耗,是提高发电企业竞 争能力的有效途径。 4.通过成功解决变频器在电厂风机应用中出现的问题,为高压变频器的安全运 行积累了宝贵经验。

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