摘要：降低廠用電率，降低發(fā)電成本，提高上網(wǎng)電能的競爭力，已成為各火電廠努力追求的經(jīng)濟目標。近幾年電網(wǎng)的負荷峰谷差越來越大，頻繁的調(diào)峰任務使部分輔機仍然運行在工頻狀態(tài)下，造成大量電能流失。本文著重介紹了高壓變頻器的工作原理及實際運行情況的詳細節(jié)能分析，使我們對其節(jié)能效果以及典型風機水泵節(jié)能計算有了更進一步認識。因此得出結論高壓變頻調(diào)速技術的日趨成熟，在電力系統(tǒng)中廣泛應用，節(jié)能效果明顯。

關鍵詞：調(diào)速高壓變頻器功率單元IGBT節(jié)電率

一、引言
　　眾所周知，高壓電動機的應用極為廣泛，它是工礦企業(yè)中的主要動力，在冶金、鋼鐵、化工、電力、水處理等行業(yè)的大、中型廠礦中，用于拖動風機、泵類、壓縮機及各種大型機械。其消耗的能源占電動機總能耗的70以上，而且絕大部分都有調(diào)速的要求，由于高壓電機調(diào)速方法落后，浪費大量能源而且機械壽命降低。上世紀90年代，由于變頻調(diào)速技術在低壓電動機應用得非常成功，人們開始研究高壓電動機變頻技術的應用，設計了高-高電壓源型變頻技術方案。該方案采用多電平電路型式（CMSL），由若干個低壓PWM變頻功率單元，以輸出電壓串聯(lián)方式（功率單元為三相輸入、單相輸出）來實現(xiàn)直接高壓輸出的方法。經(jīng)過我廠多方調(diào)研、比較，最后選擇同北京利德華福電氣技術有限公司合作。本文將從HARSVERT-A系列高壓變頻器的工作原理及實際運行狀況兩方面分析河南新鄉(xiāng)豫新發(fā)電廠引風機、凝結水泵的節(jié)能情況。

二、高壓變頻器的工作原理

（一）變頻器的結構：現(xiàn)以6kV五級單元串聯(lián)多電平的高壓變頻器為例。
　　1．系統(tǒng)主回路：內(nèi)部是由十五個相同的功率單元模塊構成，每五個模塊為一組，分別對應高壓回路的三相，單元供電由干式移相變壓器進行供電，原理如圖1。

　　2．功率單元構成：功率單元是一種單相橋式變換器，由輸入干式變壓器的副邊繞組供電。經(jīng)整流、濾波后由4個IGBT以PWM方法進行控制（如圖2所示），產(chǎn)生設定的頻率波形。變頻器中所有的功率單元，電路的拓撲結構相同，實行模塊化的設計，控制通過光纖發(fā)送至單元控制板。原理框圖如圖3所示。

　　3．功率單元控制：來自主控制器的控制光信號，經(jīng)光/電轉(zhuǎn)換，送到控制信號處理器，由控制電路處理器接收到相應的指令后，發(fā)出相應的IGBT的驅(qū)動信號，驅(qū)動電路接到相應的驅(qū)動信號后，發(fā)出相應的驅(qū)動電壓送到IGBT控制極，從而操作IGBT關斷和開通，輸出相應波形。
功率單元中的狀態(tài)信息將被收集到應答信號電路中進行處理，集中后經(jīng)電/光轉(zhuǎn)換器變換，以光信號向主控制器發(fā)送。

（二）變頻器工作原理

1.變頻器調(diào)速原理
　　按照電機學的基本原理，電機的轉(zhuǎn)速滿足如下的關系式：
　　n=(1-s)60f/p=n0×（1-s）（P：電機極對數(shù)；f：電機運行頻率；s：滑差）
從式中看出，電機的同步轉(zhuǎn)速n0正比于電機的運行頻率(n0=60f/p)，由于滑差s一般情況下比較小（0-0.05），電機的實際轉(zhuǎn)速n約等于電機的同步轉(zhuǎn)速n0，所以調(diào)節(jié)了電機的供電頻率f，就能改變電機的實際轉(zhuǎn)速。電機的滑差s和負載有關，負載越大則滑差增加，所以電機的實際轉(zhuǎn)速還會隨負載的增加而略有下降。

2.變頻器結構原理
　　無諧波高壓變頻器采用若干個低壓PWM變頻功率單元串聯(lián)的方式實現(xiàn)直接高壓輸出。6kV電網(wǎng)電壓經(jīng)過副邊多重化的隔離變壓器降壓后給功率單元供電，功率單元為三相輸入，單相輸出的交直流PWM電壓源型逆變器結構，相鄰功率單元的輸出端串聯(lián)起來，形成Y接結構，實現(xiàn)變壓變頻的高壓直接輸出，供給高壓電動機。以6kV輸出電壓等級為例，每相由五個額定電壓為690V的功率單元串聯(lián)而成，輸出相電壓最高可達3450V，線電壓達6kV左右。改變每相功率單元的串聯(lián)個數(shù)或功率單元的輸出電壓等級，就可以實現(xiàn)不同電壓等級的高壓輸出。每個功率單元分別由輸入變壓器的一組副邊供電，功率單元之間及變壓器二次繞組之間相互絕緣。二次繞組采用延邊三角形接法，實現(xiàn)多重化，以達到降低輸入諧波電流的目的。對于6kV電壓等級變頻器而言，給15個功率單元供電的15個二次繞組每三個一組，分為5個不同的相位組，互差12度電角度，形成30脈沖的整流電路結構，輸入電流波形接近正弦波，這種等值裂相供電方式使總的諧波電流失真低至1左右，變頻器輸入的功率因數(shù)可達到0.95以上。原理如圖4所示。

3．變頻器輸出波形疊加原理：
　　高壓變頻器在運行后，將輸入的工頻的三相高壓交流電轉(zhuǎn)化為可以進行頻率可調(diào)節(jié)的三相交流電，其電壓和頻率按照V/F的設定進行相應的調(diào)節(jié)，保持電機在不同的頻率下運行，而定子磁心中的主磁通常保持在額定水準，提高電機的轉(zhuǎn)換效率。因此多重疊加的應用，高壓變頻器輸出電壓的諧波含量很低，已達到常規(guī)供電電壓允許的諧波含量，同時輸出電壓的dV/dt較小，不會增加電機繞組的應力，可以向普通標準型交流電動機供電，不需要降容或加輸出濾波電抗器，保證了高壓設備的通用性。多電平單元串聯(lián)疊加的三相波形如圖5所示。

三、對300MW機組引風機系統(tǒng)變頻節(jié)能分析
　　引風機屬于鍋爐輔機設備中的高能耗設備，其輸出功率不能隨機組負荷變化而變化，只有通過改變檔板的開度來調(diào)整風壓和風量，造成很大部分能量消耗在節(jié)流損失中。針對以上能源浪費的現(xiàn)象，采用高壓變頻技術對電廠重要用電設備進行技術改造，是電廠節(jié)能降耗提高競價上網(wǎng)競爭能力的有效途徑。
1．現(xiàn)場情況介紹：
1）#2發(fā)電機組容量：300MW
2）配置引風機數(shù)量：2臺
3）年運行時間：7920h
4）上網(wǎng)電價：0.25元
5）設備參數(shù)見下表1：

6）發(fā)電機組不同負荷下引風機實際運行參數(shù)統(tǒng)計見下表2：

2．工頻狀態(tài)下的年耗電量計算：
Pd：電動機總功率；PA：A電動機功率；PB：B電動機功率；IA：A電動機輸入電流；IB：B電動機輸入電流；U：電動機輸入電壓；cosφ：功率因子。
計算公式：PA=×U×IA×cosφ；PB=×U×IB×cosφ；
則Pd=PA PB=×U×(IA IB)×cosφ…①
電動機在工頻狀態(tài)下，引風機電動機實際功耗計算值見下表3：

Cd：年耗電量值；T：年運行時間；δ：單負荷運行時間百分比。
累計年耗電量公式：Cd=T×∑（Pd×δ）　…②
Cd=17630523kW?h
因此，采用工頻運行時，每年引風機系統(tǒng)耗電量約為1763.05萬度電。

3．變頻狀態(tài)下的年耗電量計算：
　　風機設備屬平方轉(zhuǎn)矩負載，其轉(zhuǎn)速n與流量Q，壓力H以及軸功率P具有如下關系：Q∝n，H∝n2，P∝n3；即流量與轉(zhuǎn)速成正比，壓力與轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比。
　　通過對引風機工頻運行數(shù)據(jù)中總功率和擋板平均開度之間關系的變化趨勢分析，可以看出擋板開度和總功率之間略呈線性關系。
　　現(xiàn)取A、B引風機在200、300MW負荷點的平均開度百分比和電機總功率數(shù)據(jù)對100％開度情況下的總耗電功率數(shù)據(jù)特性趨勢進行計算，并且推測出100％開度情況下的兩臺引風機總耗電功率值。
　　在200MW機組負荷下，兩臺引風機的平均靜葉開度為（40.5 42.8）/2=41.65％
　　在300MW機組負荷下，兩臺引風機的平均靜葉開度為（67.3 70.2）/2=68.75％
　　即：100％擋板開度下兩臺引風機總耗電功率值為3472kW。
　　P＇：電動機實際總功率；P100：電動機100％擋板開度時總功率；H＇：風機實際風壓；H0：額定風壓。
　　通過風機數(shù)據(jù)，依據(jù)公式可依次求得引風機在采用變頻調(diào)速運行時各負荷對應的風機總功耗P＇。
　　若考慮到電機效率和變頻器效率，則網(wǎng)側功率損耗，
　　電動機效率與電動機負荷率β之間的關系如圖6所示。
　　變頻器效率與電動機負荷率β之間的關系如圖7所示。

　　電動機在變頻狀態(tài)下，引風機變頻功耗計算值見下表4：

Cd：年耗電量值；T：年運行時間；δ：單負荷運行時間百分比。
累計年耗電量公式：Cd=T×∑（Pd×δ）　…②
Cd=12355757kW?h
因此，采用變頻運行時，每年引風機系統(tǒng)耗電量約為1235.58萬度電。
4．節(jié)能計算：
引風機變頻改造后得出下表5的數(shù)據(jù)及下圖8的效果圖：

年節(jié)電量：ΔC=Cd－Cb=1763.05－1235.58=527.47萬kW?h
機組平均節(jié)電率：（ΔC/Cd）×100=（527.47/1763.05）×100=29.92
按照2006年至2007年1年的運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計結果分析，年運行時間7920小時，平均負荷250MW,2＃機組引風機系統(tǒng)經(jīng)變頻改造后，每年可節(jié)約527.47萬度，按照上網(wǎng)電價0.25元計算，折合發(fā)電成本：527.47×0.25=131.87萬元。
四、對300MW機組凝結水泵變頻的節(jié)能分析
　　300MW機組(燃煤)設計配有兩臺NLT350-400×6立式凝結水泵，配用額定功率1120kW/6kV的YKSL500-4型電動機，電機無調(diào)速裝置，靠改變凝結水母管調(diào)節(jié)門開度來控制流量。
1．凝結泵現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)：
1）#2發(fā)電機組容量：300MW
2）配置凝結水泵數(shù)量：2臺（1用1備）
3）凝結泵參數(shù)見下表6：

4）配套電機參數(shù)見下表7：

5）發(fā)電機組不同負荷下凝結水泵運行參數(shù)統(tǒng)計見下表8：

6）除氧器水位：2.44m
7）凝結水箱水位：2.21m
8）發(fā)電機組電價：
上網(wǎng)電價：0.25元/kW?h
9）全年工作時間：7000h
2．工頻狀態(tài)下的年耗電量計算：
Pd：電動機總功率；I：電動機輸入電流；d：電動機效率；U：電動機輸入電壓；cosφ：功率因子。
計算公式：Pd=×U×I×cosφ…①
電動機在工頻狀態(tài)下，各負荷電動機實際功耗計算值見下表9：

Cd：年耗電量值；T：年運行時間；δ：單負荷運行時間百分比。
累計年耗電量公式：Cd=T×∑（Pd×δ）　…②
Cd=6245793.29kW?h
因此，采用工頻運行時，每年凝結泵耗電量約為624.58萬度電。

3．變頻狀態(tài)下的年耗電量計算：
　　Pd＇：電動機軸功率；P：凝結泵軸功率；d：電動機效率；b：變頻器效率；f：泵效率；Q：泵出口流量；H：泵出口壓力；Hst：泵靜揚程；λ：泵特性系數(shù)。
　　因為凝結水泵與電動機軸直接連接，則傳動效率為1；Pd＇=P…③
　　電動機功率：…④凝結水泵軸功率：P=…⑤
　　將除氧器壓力換算成泵揚程值Hst＇，和泵出入口水位高度差求得運行平均靜揚程：Hst=∑（Hst＇×δ） H0=64.64m。
　　將100閥門開度的預期工作壓力H=298m、流量Q=830m3/h代入管路特性曲線可由公式：Hc=Hst＋　…⑥，得=3.38×10-4；即管路特性曲線Hc=64.6＋3.38×10-4。
　　將各負荷情況下的流量Q代入公式④、⑤，可求出泵的出口壓力H；具體數(shù)值見下表10：

4．凝結泵變頻調(diào)速情況下的功耗計算：
　　將凝結泵在100％開度情況下的預期工況值代入公式⑤可求得：λ＝3.89×10-3。
　　采用凝結泵變頻調(diào)速時，不同負荷下泵的泵功率P由公式⑤計算得出。若考慮電機效率和變頻器效率，根據(jù)上述公式③、④求出網(wǎng)側功率損耗Pb。具體結果見下表11：

Cb=4725836.47kW?h
因此，采用變頻運行時，每年凝結泵耗電量約為472.58萬度電。
5．節(jié)能計算：
年節(jié)電量：ΔC=Cd－Cb=624.57－472.58=151.99萬kW?h
節(jié)電率：（ΔC/Cd）×100=（151.99/624.58）×100=24.33
按照2006月至2007的1年的運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計結果分析，2＃機組凝結泵經(jīng)變頻改造后，每年可節(jié)約151.99萬度，折合發(fā)電成本：151.99×0.25=38萬元。

五、結論
通過對300MW機組引風機、凝結水泵系統(tǒng)的詳細節(jié)能分析論證：采用高壓變頻器對兩臺引風機和凝結泵進行變頻改造，改靜葉開度為風機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)是切實可行的，能夠起到降低廠用電率的目的。而且，在系統(tǒng)的安全可靠性、設備維護量等方面具有良好的收益。

參考文獻
[1>高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)HARSVERT-A系列技術手冊北京利德華福電氣技術有限公司
[2>高壓變頻器應用資料匯編－電力行業(yè)北京利德華福電氣技術有限公司