摘要：降低廠用電率，降低發(fā)電成本，提高上網(wǎng)電能的競(jìng)爭(zhēng)力，已成為各火電廠努力追求的經(jīng)濟(jì)目標(biāo)。近幾年電網(wǎng)的負(fù)荷峰谷差越來越大，頻繁的調(diào)峰任務(wù)使部分輔機(jī)仍然運(yùn)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(shí)際運(yùn)行情況的詳細(xì)節(jié)能分析，使我們對(duì)其節(jié)能效果以及典型風(fēng)機(jī)水泵節(jié)能計(jì)算有了更進(jìn)一步認(rèn)識(shí)。因此得出結(jié)論高壓變頻調(diào)速技術(shù)的日趨成熟，在電力系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，節(jié)能效果明顯。

關(guān)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(dòng)機(jī)的應(yīng)用極為廣泛，它是工礦企業(yè)中的主要?jiǎng)恿Γ谝苯?、鋼鐵、化工、電力、水處理等行業(yè)的大、中型廠礦中，用于拖動(dòng)風(fēng)機(jī)、泵類、壓縮機(jī)及各種大型機(jī)械。其消耗的能源占電動(dòng)機(jī)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(jī)調(diào)速方法落后，浪費(fèi)大量能源而且機(jī)械壽命降低。上世紀(jì)90年代，由于變頻調(diào)速技術(shù)在低壓電動(dòng)機(jī)應(yīng)用得非常成功，人們開始研究高壓電動(dòng)機(jī)變頻技術(shù)的應(yīng)用，設(shè)計(jì)了高-高電壓源型變頻技術(shù)方案。該方案采用多電平電路型式（CMSL），由若干個(gè)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(shí)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(shù)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(shí)際運(yùn)行狀況兩方面分析河南新鄉(xiāng)豫新發(fā)電廠引風(fēng)機(jī)、凝結(jié)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(jié)構(gòu)：現(xiàn)以6kV五級(jí)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(gè)相同的功率單元模塊構(gòu)成，每五個(gè)模塊為一組，分別對(duì)應(yīng)高壓回路的三相，單元供電由干式移相變壓器進(jìn)行供電，原理如圖1。

　　2．功率單元構(gòu)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(gè)IGBT以PWM方法進(jìn)行控制（如圖2所示），產(chǎn)生設(shè)定的頻率波形。變頻器中所有的功率單元，電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相同，實(shí)行模塊化的設(shè)計(jì)，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(hào)，經(jīng)光/電轉(zhuǎn)換，送到控制信號(hào)處理器，由控制電路處理器接收到相應(yīng)的指令后，發(fā)出相應(yīng)的IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電路接到相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)后，發(fā)出相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電壓送到IGBT控制極，從而操作IGBT關(guān)斷和開通，輸出相應(yīng)波形。
功率單元中的狀態(tài)信息將被收集到應(yīng)答信號(hào)電路中進(jìn)行處理，集中后經(jīng)電/光轉(zhuǎn)換器變換，以光信號(hào)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(jī)學(xué)的基本原理，電機(jī)的轉(zhuǎn)速滿足如下的關(guān)系式：
　　n=(1-s)60f/p=n0×（1-s）（P：電機(jī)極對(duì)數(shù)；f：電機(jī)運(yùn)行頻率；s：滑差）
從式中看出，電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速n0正比于電機(jī)的運(yùn)行頻率(n0=60f/p)，由于滑差s一般情況下比較?。?-0.05），電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速n約等于電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速n0，所以調(diào)節(jié)了電機(jī)的供電頻率f，就能改變電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速。電機(jī)的滑差s和負(fù)載有關(guān)，負(fù)載越大則滑差增加，所以電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速還會(huì)隨負(fù)載的增加而略有下降。

2.變頻器結(jié)構(gòu)原理
　　無諧波高壓變頻器采用若干個(gè)低壓PWM變頻功率單元串聯(lián)的方式實(shí)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(jié)構(gòu)，相鄰功率單元的輸出端串聯(lián)起來，形成Y接結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)變壓變頻的高壓直接輸出，供給高壓電動(dòng)機(jī)。以6kV輸出電壓等級(jí)為例，每相由五個(gè)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(dá)3450V，線電壓達(dá)6kV左右。改變每相功率單元的串聯(lián)個(gè)數(shù)或功率單元的輸出電壓等級(jí)，就可以實(shí)現(xiàn)不同電壓等級(jí)的高壓輸出。每個(gè)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(shí)現(xiàn)多重化，以達(dá)到降低輸入諧波電流的目的。對(duì)于6kV電壓等級(jí)變頻器而言，給15個(gè)功率單元供電的15個(gè)二次繞組每三個(gè)一組，分為5個(gè)不同的相位組，互差12度電角度，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，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(dá)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(yùn)行后，將輸入的工頻的三相高壓交流電轉(zhuǎn)化為可以進(jìn)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(shè)定進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)，保持電機(jī)在不同的頻率下運(yùn)行，而定子磁心中的主磁通常保持在額定水準(zhǔn)，提高電機(jī)的轉(zhuǎn)換效率。因此多重疊加的應(yīng)用，高壓變頻器輸出電壓的諧波含量很低，已達(dá)到常規(guī)供電電壓允許的諧波含量，同時(shí)輸出電壓的dV/dt較小，不會(huì)增加電機(jī)繞組的應(yīng)力，可以向普通標(biāo)準(zhǔn)型交流電動(dòng)機(jī)供電，不需要降容或加輸出濾波電抗器，保證了高壓設(shè)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(duì)300MW機(jī)組引風(fēng)機(jī)系統(tǒng)變頻節(jié)能分析
　　引風(fēng)機(jī)屬于鍋爐輔機(jī)設(shè)備中的高能耗設(shè)備，其輸出功率不能隨機(jī)組負(fù)荷變化而變化，只有通過改變檔板的開度來調(diào)整風(fēng)壓和風(fēng)量，造成很大部分能量消耗在節(jié)流損失中。針對(duì)以上能源浪費(fèi)的現(xiàn)象，采用高壓變頻技術(shù)對(duì)電廠重要用電設(shè)備進(jìn)行技術(shù)改造，是電廠節(jié)能降耗提高競(jìng)價(jià)上網(wǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力的有效途徑。
1．現(xiàn)場(chǎng)情況介紹：
1）#2發(fā)電機(jī)組容量：300MW
2）配置引風(fēng)機(jī)數(shù)量：2臺(tái)
3）年運(yùn)行時(shí)間：7920h
4）上網(wǎng)電價(jià)：0.25元
5）設(shè)備參數(shù)見下表1：

6）發(fā)電機(jī)組不同負(fù)荷下引風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行參數(shù)統(tǒng)計(jì)見下表2：

2．工頻狀態(tài)下的年耗電量計(jì)算：
Pd：電動(dòng)機(jī)總功率；PA：A電動(dòng)機(jī)功率；PB：B電動(dòng)機(jī)功率；IA：A電動(dòng)機(jī)輸入電流；IB：B電動(dòng)機(jī)輸入電流；U：電動(dòng)機(jī)輸入電壓；cosφ：功率因子。
計(jì)算公式：PA=×U×IA×cosφ；PB=×U×IB×cosφ；
則Pd=PA PB=×U×(IA IB)×cosφ…①
電動(dòng)機(jī)在工頻狀態(tài)下，引風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)實(shí)際功耗計(jì)算值見下表3：

Cd：年耗電量值；T：年運(yùn)行時(shí)間；δ：?jiǎn)呜?fù)荷運(yùn)行時(shí)間百分比。
累計(jì)年耗電量公式：Cd=T×∑（Pd×δ）　…②
Cd=17630523kW?h
因此，采用工頻運(yùn)行時(shí)，每年引風(fēng)機(jī)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(jì)算：
　　風(fēng)機(jī)設(shè)備屬平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，其轉(zhuǎn)速n與流量Q，壓力H以及軸功率P具有如下關(guān)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(duì)引風(fēng)機(jī)工頻運(yùn)行數(shù)據(jù)中總功率和擋板平均開度之間關(guān)系的變化趨勢(shì)分析，可以看出擋板開度和總功率之間略呈線性關(guān)系。
　　現(xiàn)取A、B引風(fēng)機(jī)在200、300MW負(fù)荷點(diǎn)的平均開度百分比和電機(jī)總功率數(shù)據(jù)對(duì)100％開度情況下的總耗電功率數(shù)據(jù)特性趨勢(shì)進(jìn)行計(jì)算，并且推測(cè)出100％開度情況下的兩臺(tái)引風(fēng)機(jī)總耗電功率值。
　　在200MW機(jī)組負(fù)荷下，兩臺(tái)引風(fēng)機(jī)的平均靜葉開度為（40.5 42.8）/2=41.65％
　　在300MW機(jī)組負(fù)荷下，兩臺(tái)引風(fēng)機(jī)的平均靜葉開度為（67.3 70.2）/2=68.75％
　　即：100％擋板開度下兩臺(tái)引風(fēng)機(jī)總耗電功率值為3472kW。
　　P＇：電動(dòng)機(jī)實(shí)際總功率；P100：電動(dòng)機(jī)100％擋板開度時(shí)總功率；H＇：風(fēng)機(jī)實(shí)際風(fēng)壓；H0：額定風(fēng)壓。
　　通過風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)，依據(jù)公式可依次求得引風(fēng)機(jī)在采用變頻調(diào)速運(yùn)行時(shí)各負(fù)荷對(duì)應(yīng)的風(fēng)機(jī)總功耗P＇。
　　若考慮到電機(jī)效率和變頻器效率，則網(wǎng)側(cè)功率損耗，
　　電動(dòng)機(jī)效率與電動(dòng)機(jī)負(fù)荷率β之間的關(guān)系如圖6所示。
　　變頻器效率與電動(dòng)機(jī)負(fù)荷率β之間的關(guān)系如圖7所示。

　　電動(dòng)機(jī)在變頻狀態(tài)下，引風(fēng)機(jī)變頻功耗計(jì)算值見下表4：

Cd：年耗電量值；T：年運(yùn)行時(shí)間；δ：?jiǎn)呜?fù)荷運(yùn)行時(shí)間百分比。
累計(jì)年耗電量公式：Cd=T×∑（Pd×δ）　…②
Cd=12355757kW?h
因此，采用變頻運(yùn)行時(shí)，每年引風(fēng)機(jī)系統(tǒng)耗電量約為1235.58萬度電。
4．節(jié)能計(jì)算：
引風(fēng)機(jī)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(jī)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(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析，年運(yùn)行時(shí)間7920小時(shí)，平均負(fù)荷250MW,2＃機(jī)組引風(fēng)機(jī)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(jià)0.25元計(jì)算，折合發(fā)電成本：527.47×0.25=131.87萬元。
四、對(duì)300MW機(jī)組凝結(jié)水泵變頻的節(jié)能分析
　　300MW機(jī)組(燃煤)設(shè)計(jì)配有兩臺(tái)NLT350-400×6立式凝結(jié)水泵，配用額定功率1120kW/6kV的YKSL500-4型電動(dòng)機(jī)，電機(jī)無調(diào)速裝置，靠改變凝結(jié)水母管調(diào)節(jié)門開度來控制流量。
1．凝結(jié)泵現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)：
1）#2發(fā)電機(jī)組容量：300MW
2）配置凝結(jié)水泵數(shù)量：2臺(tái)（1用1備）
3）凝結(jié)泵參數(shù)見下表6：

4）配套電機(jī)參數(shù)見下表7：

5）發(fā)電機(jī)組不同負(fù)荷下凝結(jié)水泵運(yùn)行參數(shù)統(tǒng)計(jì)見下表8：

6）除氧器水位：2.44m
7）凝結(jié)水箱水位：2.21m
8）發(fā)電機(jī)組電價(jià)：
上網(wǎng)電價(jià)：0.25元/kW?h
9）全年工作時(shí)間：7000h
2．工頻狀態(tài)下的年耗電量計(jì)算：
Pd：電動(dòng)機(jī)總功率；I：電動(dòng)機(jī)輸入電流；d：電動(dòng)機(jī)效率；U：電動(dòng)機(jī)輸入電壓；cosφ：功率因子。
計(jì)算公式：Pd=×U×I×cosφ…①
電動(dòng)機(jī)在工頻狀態(tài)下，各負(fù)荷電動(dòng)機(jī)實(shí)際功耗計(jì)算值見下表9：

Cd：年耗電量值；T：年運(yùn)行時(shí)間；δ：?jiǎn)呜?fù)荷運(yùn)行時(shí)間百分比。
累計(jì)年耗電量公式：Cd=T×∑（Pd×δ）　…②
Cd=6245793.29kW?h
因此，采用工頻運(yùn)行時(shí)，每年凝結(jié)泵耗電量約為624.58萬度電。

3．變頻狀態(tài)下的年耗電量計(jì)算：
　　Pd＇：電動(dòng)機(jī)軸功率；P：凝結(jié)泵軸功率；d：電動(dòng)機(jī)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(yáng)程；λ：泵特性系數(shù)。
　　因?yàn)槟Y(jié)水泵與電動(dòng)機(jī)軸直接連接，則傳動(dòng)效率為1；Pd＇=P…③
　　電動(dòng)機(jī)功率：…④凝結(jié)水泵軸功率：P=…⑤
　　將除氧器壓力換算成泵揚(yáng)程值Hst＇，和泵出入口水位高度差求得運(yùn)行平均靜揚(yáng)程：Hst=∑（Hst＇×δ） H0=64.64m。
　　將100閥門開度的預(yù)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(fù)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(jié)泵變頻調(diào)速情況下的功耗計(jì)算：
　　將凝結(jié)泵在100％開度情況下的預(yù)期工況值代入公式⑤可求得：λ＝3.89×10-3。
　　采用凝結(jié)泵變頻調(diào)速時(shí)，不同負(fù)荷下泵的泵功率P由公式⑤計(jì)算得出。若考慮電機(jī)效率和變頻器效率，根據(jù)上述公式③、④求出網(wǎng)側(cè)功率損耗Pb。具體結(jié)果見下表11：

Cb=4725836.47kW?h
因此，采用變頻運(yùn)行時(shí)，每年凝結(jié)泵耗電量約為472.58萬度電。
5．節(jié)能計(jì)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(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析，2＃機(jī)組凝結(jié)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(jié)論
通過對(duì)300MW機(jī)組引風(fēng)機(jī)、凝結(jié)水泵系統(tǒng)的詳細(xì)節(jié)能分析論證：采用高壓變頻器對(duì)兩臺(tái)引風(fēng)機(jī)和凝結(jié)泵進(jìn)行變頻改造，改靜葉開度為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)是切實(shí)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(shè)備維護(hù)量等方面具有良好的收益。

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