一、 概述 長期以來，我國政府對節(jié)能工作十分重視，我國能源節(jié)約與資源綜合利用“十五”規(guī)劃提出高壓大功率變頻調(diào)速作為重點發(fā)展的節(jié)電技術(shù)之一，要求大力推動高壓大功率變頻調(diào)速示范工程。 在工業(yè)領(lǐng)域，火力發(fā)電廠的節(jié)能是非常重要的一部分。目前，在我國的能源結(jié)構(gòu)中，火電約占74%（發(fā)電量占80%）。因此，如何提高和改進(jìn)火電機(jī)組及其輔助設(shè)備的節(jié)能工作十分重要。我國的電力設(shè)備中，大容量，高參數(shù)的火電機(jī)組所占的比重小，整個火電發(fā)電能耗高。據(jù)統(tǒng)計，我國火電廠供電煤耗在400-420 克/千瓦時，比國外先進(jìn)國家高80-90克/千瓦時?；痣姀S的水耗也比較高，一般二次循環(huán)水的電廠，每百萬千瓦耗水為1 立方米/秒，而國外先進(jìn)水平只有0.6-0.7 立方米/秒。此外，火電廠的送風(fēng)機(jī)，引風(fēng)機(jī)，給水泵，循環(huán)水泵，凝升泵，灰漿泵等設(shè)備由于種種原因造成大馬拉小車現(xiàn)象嚴(yán)重。而且發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)必須跟隨電網(wǎng)負(fù)荷需求的變化而不斷調(diào)節(jié)。因此，需要相應(yīng)地調(diào)節(jié)上述輔助設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，比如利用變頻調(diào)速技術(shù)改變設(shè)備的運(yùn)行速度，以調(diào)節(jié)給水量，給風(fēng)量的大小，可以既滿足生產(chǎn)要求，又達(dá)到節(jié)約電能，同時減少因調(diào)節(jié)擋板閥門而造成擋板閥門和管道的磨損及經(jīng)常停機(jī)檢修所造成的經(jīng)濟(jì)損失。因此，在火電廠的主要輔助設(shè)備上推廣采用變頻調(diào)速技術(shù)，能提高火電廠運(yùn)行和供電的可靠性，節(jié)約大量能源，為火電廠帶來較大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。 火電廠廠用電設(shè)備主要包括：鍋爐送引風(fēng)機(jī)、鍋爐給水泵、循環(huán)水泵、磨煤機(jī)等四大輔機(jī)和其它的廠用電設(shè)備。發(fā)電能源、系統(tǒng)構(gòu)成和機(jī)組配置不同，造成廠用電率的差異。一般機(jī)組容量大，機(jī)組參數(shù)高則廠用電率低。風(fēng)機(jī)和水泵是發(fā)電廠中耗電量最多的設(shè)備，在火電廠中，風(fēng)機(jī)和水泵的耗電量約占廠用電量的65%左右。對廠用風(fēng)機(jī)、水泵等設(shè)備進(jìn)行變頻調(diào)速，可以顯著降低廠用電率。根據(jù)具體情況，風(fēng)機(jī)、水泵采用變頻調(diào)速后，節(jié)電率在30%-50%范圍內(nèi)，通常1 年半到2 年左右內(nèi)可收回變頻器的設(shè)備投資。 二、 傳統(tǒng)擋板閥門調(diào)節(jié)存在的問題 風(fēng)機(jī)水泵傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)方式是調(diào)節(jié)入口或出口的擋板閥門開度，以此來調(diào)節(jié)流量和壓力，是一種經(jīng)濟(jì)效益差、能耗大、設(shè)備損壞嚴(yán)重、維修難度大、運(yùn)行費(fèi)用高的落后辦法。 主要存在以下問題： 1.采用擋板閥門調(diào)節(jié)時，大量的能量損耗在擋板閥門的截流過程中。對風(fēng)機(jī)，水泵而言，最有效的節(jié)能措施是采用調(diào)速來調(diào)節(jié)流量。由于風(fēng)機(jī)水泵大都為平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，軸功率則與轉(zhuǎn)速大致成立方關(guān)系，所以當(dāng)風(fēng)機(jī)水泵轉(zhuǎn)速下降時，消耗的功率大大下降。圖1 表示了風(fēng)機(jī)采用各種調(diào)節(jié)方法時消耗功率與風(fēng)量關(guān)系曲線。其中曲線1 為輸出端風(fēng)門控制時電機(jī)消耗的功率，2 為輸入端風(fēng)門控制時電機(jī)消耗的功率，3 為轉(zhuǎn)差調(diào)速控制（采用滑差電機(jī)，液力耦合器）時電動機(jī)消耗的功率，4 為變頻調(diào)速控制時電動機(jī)消耗的功率，最下面一條曲線為調(diào)速控制時風(fēng)機(jī)實際所需軸功率（即電機(jī)軸輸出功率）?？梢姡诒姸嗟恼{(diào)節(jié)方式中，節(jié)能效果最好的是變頻調(diào)速。 2.介質(zhì)對擋板閥門和管道沖擊較大，設(shè)備損壞嚴(yán)重。 3.擋板閥門動作遲緩，手動時人員不易操作，而且操作不當(dāng)會造成風(fēng)機(jī)震動。擋板閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)一般為大力矩的電動執(zhí)行器，故障較多，不能適應(yīng)長期頻繁調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)線性度差，構(gòu)成閉環(huán)自動控制較難，且動態(tài)性能不理想。 4.異步電動機(jī)在直接起動時起動電流一般達(dá)到電機(jī)額定電流的6-8 倍，對電網(wǎng)沖擊較大，也會引起電機(jī)發(fā)熱，強(qiáng)大的沖擊轉(zhuǎn)矩對電機(jī)和風(fēng)機(jī)的機(jī)械壽命存在很多不利的影響。 過去也有電廠采用液力耦合器進(jìn)行調(diào)速。液力耦合裝置缺點是體積大、噪聲大、調(diào)速范圍窄、效率低、油系統(tǒng)維護(hù)復(fù)雜。 三、采用變頻調(diào)速的優(yōu)點 1.變頻調(diào)速能節(jié)約原來損耗在擋板閥門截流過程中的大量能量，大大提高了經(jīng)濟(jì)效益。 2.采用變頻調(diào)速后，可實現(xiàn)軟起動，對電網(wǎng)的沖擊和機(jī)械負(fù)載的沖擊都不存在了，同時延長了電機(jī)和風(fēng)機(jī)水泵的壽命。同時，采用變頻調(diào)速后，電機(jī)的無功功率通過變頻器直流環(huán)節(jié)的濾波電容進(jìn)行了瞬時補(bǔ)償，變頻器的輸入功率因數(shù)可大0.95 以上。相對電機(jī)直接工頻運(yùn)行而言，功率因數(shù)大大改善，對低速電機(jī)效果尤為明顯。實現(xiàn)變頻調(diào)速后，風(fēng)機(jī)和水泵經(jīng)常在額定轉(zhuǎn)速以下運(yùn)行，介質(zhì)對水泵葉輪，風(fēng)機(jī)風(fēng)扇的磨損，軸承的磨損，密封的損壞都大大降低。同時，煙氣對煙道擋板的沖擊磨損大大降低，延長了煙道擋板的檢 修周期，減少了維護(hù)工作量。電機(jī)運(yùn)行的振動和噪聲也明顯降低。 3.采用變頻調(diào)速后，可以很方便地構(gòu)成閉環(huán)控制，進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)器輸出的4-20mA 信號輸?shù)阶冾l器（或通過通信接口進(jìn)行控制），通過變頻器調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，可以平穩(wěn)地調(diào)節(jié)風(fēng)量，流量，且線形度較好，動態(tài)響應(yīng)快，使機(jī)組在更經(jīng)濟(jì)的狀態(tài)下安全穩(wěn)定運(yùn)行。 三、 艾帕高壓變頻器原理及特點 上海艾帕電力電子有限公司的Innovert 系列高壓變頻器（單元串聯(lián)多電平PWM 電壓源型變頻器）是一種直接高壓輸出電壓源型變頻器。它采用若干個低壓PWM 變頻功率單元串聯(lián)的方式實現(xiàn)直接高壓輸出。該變頻器具有對電網(wǎng)諧波污染小，輸入功率因數(shù)高，不必采用輸入諧波濾波器和功率因數(shù)補(bǔ)償裝置。輸出波形質(zhì)量好，不存在諧波引起的電機(jī)附加發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動，噪音，輸出du/dt，共模電壓等問題，不必設(shè)置輸出濾波器，就可以使用普通的異步電機(jī)。 Innovert 系列采用無速度傳感器矢量控制技術(shù)（國內(nèi)首創(chuàng)），全數(shù)字控制，具有起動力矩大，轉(zhuǎn)速精度高，抗電網(wǎng)波動和負(fù)載擾動能力強(qiáng)的特點。其原理如圖2 所示（以3KV 高壓變頻器為例）。 [align=center] b）功率單元結(jié)構(gòu) 圖2 單元串聯(lián)多電平變頻器原理[/align] 電網(wǎng)電壓（如6KV）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，單相輸出的交直交PWM 電壓源型逆變器結(jié)構(gòu)，相鄰功率單元的輸出端串接起來，中心點相聯(lián)，形成Y 接結(jié)構(gòu)，另外三端實現(xiàn)變壓變頻的高壓輸出，供給電動機(jī)。3KV輸出電壓等級變頻器每相由3 個額定電壓為690V 的功率單元串聯(lián)而成。改變每相功率單元的串聯(lián)個數(shù)，就可實現(xiàn)不同電壓等級的高壓輸出。6KV 變頻器每相由5 個功率單元串聯(lián)而成，10KV 變頻器每相由8 個功率單元串聯(lián)而成。 每個功率單元分別由輸入變壓器的一組副邊繞組供電，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(dá)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3 個一組，分為5 個不同的相位組，互差12º 電角度，形成30 脈沖的整流電路結(jié)構(gòu)，輸入電流波形接近正弦波，總的諧波電流失真可達(dá)到1%左右，由于輸入電流諧波失真很低，而且采用二極管整流方式，變頻器輸入的綜合功率因數(shù)可達(dá)到0.95 以上。圖3 為該變頻器的輸入電壓電流波形。 逆變器輸出采用多電平移相式PWM 技術(shù)，同一相的功率單元輸出相同幅值和相位的基波電壓，但串聯(lián)各單元的載波之間互相錯開一定電角度，實現(xiàn)多電平PWM，輸出電壓非常接近正弦波。輸出電壓每個電平臺階只有單元直流母線電壓大小，所以du/dt 很小。功率單元采用相對較低的開關(guān)頻率，以降低開關(guān)損耗，提高效率，變頻器額定效率可大98.5%,考慮輸入變壓器后的總體效率仍在97%以上。由于采用移相式PWM，電機(jī)電壓的等效開關(guān)頻率大大提高，且輸出電平數(shù)增加，以6KV 輸出變頻器為例，輸出相電壓為11 電平，線電壓為21 電平，輸出等效開關(guān)頻率為6KHZ，電平數(shù)和等效開關(guān)頻率的增加有利于改善輸出波形，降低輸出諧波，由諧波引起的電機(jī)發(fā)熱，噪音和轉(zhuǎn)矩脈動都大大降低，所以這種變頻器對電機(jī)沒有特殊要求，可直接用于普通異步電機(jī)。圖4 為此類變頻器的輸出電壓，電流波形。 與普通采用高壓器件直接串聯(lián)的電流源型變頻器及三電平電壓源型變頻器相比，由于采用功率單元串聯(lián)，器件承受的最高電壓為單元內(nèi)直流母線的電壓，器件不必串聯(lián)，不存在器件串聯(lián)引起的均壓問題。功率單元中采用常規(guī)IGBT 功率模塊，驅(qū)動電路簡單，技術(shù)成熟可靠。 功率單元采用模塊化結(jié)構(gòu)，同一變頻器內(nèi)的所有功率單元可以互換，維修也非常方便。由于采用功率單元串聯(lián)結(jié)構(gòu)，所以可以采取功率單元旁路選件，當(dāng)功率單元故障時，控制系統(tǒng)可以將故障單元自動旁路，變頻器仍可降額繼續(xù)運(yùn)行，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。 五、應(yīng)用實例 北方某電廠于2005 年10 月在200MW 機(jī)組鍋爐二臺1250KW/6KV 引風(fēng)機(jī)電機(jī)上采用上海艾帕電力電子有限公司生產(chǎn)的Innovert 系列高壓變頻調(diào)速裝置。到目前為止運(yùn)行良好，節(jié)能顯著。 鍋爐引風(fēng)機(jī)銘牌參數(shù)：型號Y4-2X73-2 冷卻方式：水冷 風(fēng)量：723780 立米/小時風(fēng)壓：53779 Pa 葉輪直徑：2650mm 配用功率：1250KW引風(fēng)機(jī)電動機(jī)參數(shù)：型號：YKK6304-8 額定功率：1250KW 頻率：50HZ 額定電壓：6000V 接線：Y 接法 額定電流：154A 轉(zhuǎn)速：743rpm 功率因數(shù)：0.86 絕緣等級：F防護(hù)等級：IP44變頻器型號：Innovert 6/6-140,額定電壓6KV,額定電流140A。用戶考慮到實際運(yùn)行負(fù)載電流不可能超過140A，為了降低投資，選擇變頻器額定電流140A。有關(guān)部門對節(jié)能效果進(jìn)行了測試考核。試驗用雙功率表法測量有功功率，試驗中每個工況穩(wěn)定運(yùn)行3 個小時，試驗數(shù)據(jù)見表1。電廠在變頻器經(jīng)過一個月運(yùn)行后，將變頻改造前后的月耗電量進(jìn)行比較，見表2。月平均節(jié)電率達(dá)到35.93%，按照每年運(yùn)行5500 小時，電價0.36 元/KWh 計算，年節(jié)電費(fèi)為47.3379/720＊5500＊0.36=130.2 萬元。 安裝變頻器后，電動機(jī)實現(xiàn)了軟起動，電機(jī)轉(zhuǎn)速從零按照設(shè)定的加速時間緩慢升速至運(yùn)行轉(zhuǎn)速，減少了沖擊力矩對電機(jī)和風(fēng)機(jī)的損害。安裝變頻器后，由于正常工作時風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速比額定轉(zhuǎn)速低，當(dāng)機(jī)組負(fù)荷在200MW 時，采用變頻器調(diào)速后，電機(jī)轉(zhuǎn)速比額定轉(zhuǎn)速低150rpm，大大減少了風(fēng)機(jī)葉輪的磨損。 六、采用變頻調(diào)速應(yīng)該注意的問題 1.可靠性方面的考慮。電廠的性質(zhì)決定了用于電廠用的高壓變頻器需要有很高的可靠性，保證電廠的安全生產(chǎn)。Innovert 系列采用主流的功率單元串聯(lián)技術(shù)方案，而不是功率器件直接串聯(lián)，避免了器件直接串聯(lián)帶來的均壓問題，本質(zhì)上保證了系統(tǒng)的可靠性。同時，產(chǎn)品特有的無速度傳感器矢量控制技術(shù)在提高起動力矩和轉(zhuǎn)速精度的同時，提高了抗電網(wǎng)波動和負(fù)載擾動能力，大大提高了可靠性。 2.變頻器輸入諧波對電力系統(tǒng)的影響。如果變頻器輸入電流諧波較大（比如傳統(tǒng)的電流源型變頻器），對火電廠的電力系統(tǒng)會產(chǎn)生如下危害：供電系統(tǒng)的繼電保護(hù)裝置誤動作，可能導(dǎo)致大面積停電。測量儀器儀表誤差增大，影響計量精度和控制性能。影響其它電力電子裝置，電子計算機(jī)系統(tǒng)及通信設(shè)備的正常工作。諧波使電機(jī)，變壓器和電容器等用電設(shè)備損耗增大，嚴(yán)重時會過熱或燒損。Innovert 系列高壓變頻器輸入電流諧波失真極小，對電網(wǎng)基本不產(chǎn)生諧波污染，滿足IEEE 滿足IEEE519-1992 和GB/T14549-93 標(biāo)準(zhǔn)，中型火電廠自動化水平高，大多數(shù)采用自動化儀表和計算機(jī)控制系統(tǒng)，對用電系統(tǒng)的諧波要求很高，Innovert 變頻器在方面有很大的優(yōu)勢。 3.變頻器輸出波形對電機(jī)的影響。由于火電廠應(yīng)用變頻調(diào)速很大部分是舊有設(shè)備的改造，原有的普通電機(jī)是設(shè)計成為電網(wǎng)直接運(yùn)行的，而電網(wǎng)電壓波形基本為正弦波。如果變頻器輸出波形質(zhì)量不好的話，會對電機(jī)產(chǎn)生不良影響。變頻器輸出諧波會引起的電機(jī)附加 發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動，噪音增加，輸出dv/dt 和共模電壓會影響電機(jī)的絕緣。Innovert 系列高壓變頻器由于輸出波形質(zhì)量好，不必設(shè)置輸出濾波器，就可以使用原有的普通異步電機(jī)。 七、結(jié)論 我國火電廠大多數(shù)為中、小型機(jī)組，數(shù)量多 ，單機(jī)容量小。不僅發(fā)電機(jī)組陳舊，其所屬的主要輔助設(shè)備也較落后，效率低，設(shè)備選型不當(dāng)，大馬拉小車。風(fēng)機(jī)水泵的流量壓力調(diào)節(jié)方式基本為進(jìn)出口閘門的調(diào)節(jié)，耗能大，經(jīng)濟(jì)效益差，設(shè)備損壞嚴(yán)重，急需采用先 進(jìn)的高壓變頻調(diào)速進(jìn)行技術(shù)改造，以降低火電廠的廠用電率，節(jié)約電能，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。 火電廠輔機(jī)采用高壓變頻調(diào)速技術(shù)，通過上海艾帕電力電子有限公司高壓變頻器的應(yīng)用實踐證明是必要的、可能的，且經(jīng)濟(jì)效益顯著。 Innovert 系列高壓變頻器可靠性高，輸入輸出波形質(zhì)量好，適合于火電廠輔機(jī)的變頻調(diào)速，能提高火電廠運(yùn)行和供電的可靠性，節(jié)約大量能源，為火電廠帶來較大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。