摘 要 ：本文介紹了新一代高壓變頻器的原理和技術(shù)特點(diǎn)，以及在國(guó)電雙鴨山電廠灰漿泵變頻改造的技術(shù)方案、應(yīng)用情況和節(jié)能情況。

1  引言

    采用新型高壓大功率電力電子器件、直接“高-高”方式的高壓變頻器，具有體積小、效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠等特點(diǎn)。變頻器裝置采用不可控24脈沖移相整流和全控器件進(jìn)行開(kāi)關(guān)調(diào)制，具有很高的輸入側(cè)功率因數(shù)、優(yōu)良的調(diào)速性能和轉(zhuǎn)矩控制性能。高壓變頻器通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率，在很寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)進(jìn)行高效率的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，可以取得很好的節(jié)電效果，在風(fēng)機(jī)和水泵的節(jié)能改造上已經(jīng)得到廣泛驗(yàn)證。
    國(guó)電雙鴨山發(fā)電廠3、4號(hào)機(jī)為210MW火電機(jī)組，和3、4號(hào)機(jī)組配備有6臺(tái)6kV/570kW灰漿泵電機(jī)，電機(jī)型號(hào)JS512-8，額定電流69A，額定轉(zhuǎn)速730r/min。其中，6#灰漿泵是二級(jí)泵，和5#灰漿泵配合使用。在安裝變頻器之前，6#灰漿泵是根據(jù)前池液面的高度決定啟、停電機(jī)。這樣就存在兩方面問(wèn)題:一方面為了適應(yīng)生產(chǎn)工藝要求，需要每天根據(jù)前池液位和沖灰管的需要不斷切換、啟停電機(jī)，前池液位高度得不到很好控制，而且頻繁工頻啟動(dòng)電機(jī)對(duì)電機(jī)造成很大沖擊; 另一方面存在節(jié)流損失，造成電能的浪費(fèi)。為了進(jìn)一步優(yōu)化灰漿泵運(yùn)行工況，節(jié)省電能，所以對(duì)6#灰漿泵電機(jī)進(jìn)行高壓變頻改造。
    6#灰漿泵電機(jī)在高壓變頻器改造之后，通過(guò)調(diào)整6#灰漿泵變頻器的運(yùn)行頻率（電機(jī)轉(zhuǎn)速）來(lái)調(diào)整前池液面的高度，這樣5#灰漿泵可以一直在最佳效率下工頻運(yùn)行，從而減少了操作6#灰漿泵開(kāi)關(guān)的分合次數(shù)，減小了電機(jī)工頻啟動(dòng)造成的沖擊，進(jìn)一步優(yōu)化了生產(chǎn)工藝，并且節(jié)省了電能。

2  灰漿泵運(yùn)行工藝和變頻改造技術(shù)方案

2.1 6#灰漿泵運(yùn)行情況及變頻改造技術(shù)方案
（1） 在灰漿泵運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)，變頻器到電機(jī)之間的高壓電纜經(jīng)常發(fā)生單相對(duì)地放電或單相直接接地的情況。在這種情況下，要保證不能損壞變頻器，并且變頻器要能發(fā)出報(bào)警停機(jī)信號(hào)以便現(xiàn)場(chǎng)人員及時(shí)處理。因此，要求變頻器輸出能承受單相接地的能力，相應(yīng)變頻器的輸出濾波器電容中性點(diǎn)不能直接接地，而是需要通過(guò)電容接地。
（2） 由于6#灰漿泵屬于二級(jí)泵，所以在啟動(dòng)6#灰漿泵變頻器運(yùn)行之前，5#一級(jí)灰漿泵通常已經(jīng)在運(yùn)行，將會(huì)推動(dòng)6#灰漿泵電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，變頻器相當(dāng)于飛車(chē)啟動(dòng)。所以變頻器啟動(dòng)時(shí)需實(shí)時(shí)檢測(cè)電機(jī)運(yùn)行頻率，根據(jù)該運(yùn)行頻率帶動(dòng)電機(jī)啟動(dòng)。
（3） 6#灰漿泵變頻運(yùn)行要求能對(duì)前池液位高度閉環(huán)控制，自動(dòng)調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

（4） 由于灰漿泵運(yùn)行時(shí)，在前池液位很低的時(shí)候有可能造成負(fù)荷過(guò)大甚至堵轉(zhuǎn)的情況，因此要求變頻器有過(guò)載能力以及過(guò)流保護(hù)措施。
    綜合上述因素，從目前國(guó)內(nèi)、外主要的兩種高壓變頻器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，選擇基于IGCT的三電平中性點(diǎn)箝位的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn):開(kāi)關(guān)功率器件數(shù)少、IGCT開(kāi)關(guān)電流大、過(guò)流能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、適合負(fù)載沖擊較大的應(yīng)用場(chǎng)合。
    在控制方面，灰漿泵前池液位設(shè)置壓力式水位傳感器，將測(cè)量得到水位高度信號(hào)，變換為4～20mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，由電流環(huán)接口送給變頻器; 變頻器計(jì)算出當(dāng)前水位與控制水位之間的偏差，通過(guò)變頻器內(nèi)置的數(shù)字PID調(diào)節(jié)器改變變頻器的輸出頻率，調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制灰漿泵前池液位的高度。
2.2 三電平中點(diǎn)箝位電路原理結(jié)構(gòu)圖
    基于IGCT的三電平中性點(diǎn)箝位的高壓變頻器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，主體由整流器、逆變器和濾波器組成。如圖1所示，整流器采用24脈沖不控整流，由移相15°的24脈波移相整流變壓器和四重三相整流橋構(gòu)成，這樣可以滿(mǎn)足對(duì)輸入端的電流諧波要求。直流環(huán)節(jié)由共模電抗、IGCT保護(hù)及充電限流電阻和直流電容（C1、C2）構(gòu)成。

 

    三電平逆變器由di/dt吸收電路（由陽(yáng)極電抗及嵌位電路組成）和12個(gè)IGCT組件構(gòu)成的三電平逆變橋組成。
    三電平結(jié)構(gòu)的變頻器需要拖動(dòng)6kV電機(jī)，所以變頻器直流母線電壓需要10kV。實(shí)際運(yùn)行時(shí)，兩個(gè)處于關(guān)斷狀態(tài)的功率組件需要承受10kV的電壓，這樣每個(gè)組件要承受5kV。在主開(kāi)關(guān)功率器件IGCT工作耐壓只有4.5kV的條件下，需要采用兩只串聯(lián)的方式組成一個(gè)功率組件。

變頻器內(nèi)置輸出濾波器由三相濾波電抗（La、Lb、Lc）和三相濾波電容（Ca、Cb、Cc、Cn）構(gòu)成。濾波器使變頻器輸出到電機(jī)的電壓和電流波形更加接近正弦波，而不需要電動(dòng)機(jī)降容使用。
高壓變頻器內(nèi)部采用無(wú)熔斷器結(jié)構(gòu)，電路的主保護(hù)主要由保護(hù)IGCT來(lái)實(shí)現(xiàn)，其動(dòng)作時(shí)間在μs級(jí)。

2.3 新一代高壓變頻器控制系統(tǒng)的改進(jìn)
    我公司第一代變頻器采用工控機(jī)進(jìn)行信號(hào)處理，控制的實(shí)時(shí)性得不到保證。由于變頻器要采用優(yōu)化的PWM控制算法控制電機(jī)，需要主控系統(tǒng)控制器具有更高的運(yùn)行速度和處理能力、更大的存儲(chǔ)器和外部信號(hào)處理端口、具備浮點(diǎn)運(yùn)算的能力。因此，新一代的變頻器控制器選用浮點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器DSP和大規(guī)模集成電路的FPGA相結(jié)合的方案，DSP主要負(fù)責(zé)采集的信息和運(yùn)算處理，F(xiàn)PGA根據(jù)處理結(jié)果轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的控制脈沖，控制實(shí)時(shí)性大大提高。圖2是新一代高壓變頻器主控板的硬件框圖，它與第一代控制器相比，更能適應(yīng)高性能的矢量控制算法的要求。

 

3  II期6#灰漿泵高壓變頻器現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試運(yùn)行和節(jié)能分析

3.1 變頻器系統(tǒng)的控制調(diào)試
    灰漿泵的流量是根據(jù)機(jī)組的負(fù)荷大小和沖灰工藝需求控制的，水流量的變化較大，有時(shí)呈階梯狀特性，水位波動(dòng)比較大。水位壓力式傳感器需要選擇合適的測(cè)量點(diǎn)，否則會(huì)因?yàn)樗貎?nèi)水流因素和水面波動(dòng)引起測(cè)量的不穩(wěn)定性。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，選擇了水流變化不大的靠池壁位置。經(jīng)過(guò)調(diào)試，建立了一個(gè)合適的模型和PID控制參數(shù)，通過(guò)閉環(huán)跟蹤水位變化，穩(wěn)定控制前池液面的高度，優(yōu)化了生產(chǎn)工藝。
    另外，變頻器還可以選擇運(yùn)行在開(kāi)環(huán)狀態(tài)，通過(guò)電廠DCS信號(hào)控制變頻器的輸出頻率。

3.2 變頻器節(jié)能分析

    II期6#灰漿泵進(jìn)行變頻改造的一個(gè)重要原因是節(jié)約電能。電機(jī)變頻運(yùn)行節(jié)能的原理在許多資料均有論述，這里不做討論。表1～2是通過(guò)II期6#灰漿泵的工頻旁路運(yùn)行和變頻運(yùn)行的實(shí)際數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)明變頻的節(jié)能效果。

 

    根據(jù)以上數(shù)據(jù)，采用變頻運(yùn)行后，24h可節(jié)約電量9380-6360=3020kWh。采用變頻器后節(jié)能32%。由以上實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)可以看出:電機(jī)變頻運(yùn)行不僅滿(mǎn)足了工藝要求，同時(shí)能節(jié)約大量電能。經(jīng)過(guò)幾個(gè)月的連續(xù)運(yùn)行，II期6#灰漿泵的變頻改造后，節(jié)能效果顯著?；覞{泵屬于火電機(jī)組的公用設(shè)備，年運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，可以為電廠節(jié)約15～30%左右的能源。

4  結(jié)束語(yǔ)

    雙鴨山電廠II期灰漿泵經(jīng)過(guò)變頻改造后，優(yōu)化了灰漿泵的運(yùn)行狀況和生產(chǎn)工藝，更好地穩(wěn)定了前池液位的高度，實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)自動(dòng)控制，同時(shí)節(jié)約了大量電能，節(jié)能效果明顯。高壓變頻器的控制系統(tǒng)和控制技術(shù)發(fā)展很快，對(duì)電機(jī)更好性能的控制需要性能更高的主控系統(tǒng)平臺(tái)。雖然新一代控制系統(tǒng)的高壓變頻器首先運(yùn)用到風(fēng)機(jī)、水泵的變頻驅(qū)動(dòng)上，但它比以前更可靠、更能提高高壓變頻器的控制性能。