高压变频装置在火电厂的应用

(内蒙古能源发电投资有限公司 锡林热电厂，内蒙古 锡林浩特 026000) 
摘 要：文章介绍了SAVER转子调速器在火电厂的应用。 这种方案投资少，可靠性高，维护量小，节能效果显著，近几年通过实际应用表明，解决了 用阀门、档板调节流量造成电能严重浪费的问题，有明显的节能效果；与变频调速相比，有 投资少、设备结构简单、安全稳定、维护量小等优点。
关键词：火电厂风机；水泵；节能；变频调速装置
中图分类号：TM621.7+1  文献标识码：A  文 章编号：1007—6921(2009)18—0076—02

随着电力行业改革的不断深化，厂网分开、竞价上网等政策的逐步实施，降低厂用电 率，降低发电成本提高电价竞争力，已成为各发电厂努力追求的经济目标。因为节电就意味 着降低成本、提高利润，也就意味着企业在激烈竞争的市场经济中先行一步。企业从节电入 手来降低成本，是最可行、周期最短、效益最大、同时又能量化的一种解决方案。
1 发电厂调速节能的意义

目前，我国火电厂中的风机和水泵多数都采用定速驱动，采用风门和出口阀来调节流量，都 存 在严重的节流损耗。尤其在机组变负荷运行时，由于风机和水泵的运行偏离高效点，使运行 效率降低，结果是浪费掉大量的电能，厂用电率较高。降低厂用电直接关系着电厂的经济效 益。而在厂用电负荷中，风机、水泵的用电量约占全部用电的80％，加上有些设备都是长期 连续运行和常常处于低负荷及变负荷运行状态，其节能潜力巨大。
2 节能效益分析
2.1 调速与节能

在风机、泵类电机拖动系统中，传统的做法是电机全速运行，通过调整挡板 （或阀门）的开度来改变负载的流量、扬程等参数，以满足不同工况的需要。这样做虽然简 单，但是电机的输出功率变化不大，而大量的能量却损失在管道和阀门（或挡板）上，不仅 耗电巨大，而且大大增加了管道、阀门等的损耗。若通过调节电机转速来降低电机的输出功 率，则可以在满足工况需要的前提下节省大量电能。

以水泵的扬程流量曲线H－Q为例，H－Q（n1）是泵在额定转速n1时的性能曲线，它与管路系 统阻力曲线HR1的交点A为额定工况点，对应流量Q1，扬程H1。若需要减少流量到Q2，可以用 节流调节和调速调节两种方法来实现。用节流调节法即通过关小出口调节阀门，使系统阻力 曲线由HR1变为HR2，得到新的运行工况点B，对应流量Q2，扬程H2。如用调速调节法，可使 转速由n1降到n2，这时水泵性能曲线变为H－Q（n2），C点即为新的运行工况点，对应流量 为Q2，扬程H3。
水泵轴输出功率P约与扬程H和流量Q的乘积成正比：P ≈ηHQ。

由此可以看出，要得到相同的流量Q2，调速调节法比节流调节法有低得多的扬程H，所以只 需要很低的轴输出功率就可满足运行工况的要求，节省了大量电能ΔP≈ΔH·Q2。

2．2 调速范围与节能率

风机和水泵类负载一般称二次型负载，转矩与转速的二次方成正比，功率与转速的立方成正 比，即存在关系：

T/Te=n2/ne2；P/Pe=n3/ne3

式中：Te：电机额定转矩；T：电机轴输出转矩；Pe：电机额定功率；P：电机轴输出功率； ne：电机额定转速；n：电机实际转速。

举例：若电机只以70％的额定转速运行，即n＝0.7ne，则由上式得：P＝0.73Pe＝0.343Pe。 所消耗的功率只有约34％的额定功率，即理论上可以节约66%的额定功率。因此小的调速范 围就能够节约大量电能。
以上讨论均为忽略次要因素的定性分析，具体情况与实际工况有关。
2.3 节能效率分析

通过以上分析可以看出，使用转子变频调速系统进行调节与使用阀门调节相比，能够明显减 少电机轴输出功率。转子变频调速系统设计时，一般按50%节能率设计，调速下限通常为50% ～60%额定转速。

对于一台750kW的电机来说，如经常需要运行在50%流量时，按调速节能50%计算，其年节电 量为：
W=750(kW)×7 200(年小时数·h) ×50%（节电率）=2 700 000 kW·h

即节电270万度，若每度电费为0.5元，年节约电费约为135万元。节电经济效益非常显著。 

当然，实际系统不可能常年运行在50%额定工况下，但仍能看出，转子变频调速系统 节能效率是很高的，一般一年左右能够收回设备投资，具有非常显著的经济效益。

如果考虑到阀门经常调节引起的阀门及管道的磨损，以及引起的相关维修维护及设备 折旧费用，电机节能调速的经济效益将更加明显。由于我国在电力设计规程上的种种原因， 水泵、风机等以及其配套的大电机都存在着“大马拉小车”的现象。即使是机组在满负荷时 ，风机的挡板也不能全开，所以改造水泵、改造风机为调速运行，即使在满负荷时仍能带来 巨大的经济效益。
3 SAVER系列转子变频调速装置系统构成
3.1 起动与旁路装置

起动与旁路装置（如图2）由频敏变阻器(PF)、接触器1KM、接触器2KM构成。大型电动机， 特别是绕线式电动机，在电机起动时会对电网造成较大的冲击，产生一个较大的起动电流。 为减少起动电流，使电机平稳起动，在转子变频调速装置中，加设了自动切换的起动装置。 在电机起动时，1KM闭合，2KM打开，电机转子串入三相频敏变阻器PF。频敏变阻器的电阻与 流过的电流的频率成正比关系，当电机起动时，电机转速为零，转子电流频率最高，为工频 频率，此时频敏变阻器阻值也较高，从而限制了起动电流。随着电机转速的增加，转子电流 频率逐渐减少，频敏变阻器阻值也逐渐减小。当电机定子电流低于设定的允许值时，装置自 动将2KM闭合，切除频敏变阻器，电机进入全速工作状态，完成起动过程。
3.2 旁路装置

旁路是指在调速装置故障时，去掉调速装置，电机直接接电网恒速运行，这种运行方式对用 户很重要，是确保安全生产的重要手段之一。转子变频调速系统的旁路很简单，只要把转子 侧输出端短路（1KM闭合，2KM闭合），就是一套恒速运行的绕线异步机，且低压操作。

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3.3 整流单元

整流单元为三相全波整流，将转子电流转换为直流电流。采用进口或国产优质整流模块，方 便安装与维护。
3.4 斩波

系统正常工作时，逆变器的直流工作电压基本保持恒定，转子回路附加电势的调节由斩波开 关来完成。斩波开关以恒频调宽方式工作，即工作频率一定，而开关导通时间可调。根据升 压斩波电路原理，通过调节斩波开关导通时间与斩波周期的比率（即占空比或PWM调制脉宽 ），即可改变串入转子回路的等效电势的大小，从而改变转子电流，来达到调节电机转速的 目的。由于采用了可自关断的大功率器件IGBT作为斩波器件，使得斩波频率进一步提高，直 流电流更为平稳，系统体积更小、更为紧凑。 
3.5 逆变

逆变部分采用固定逆变角的可控硅逆变器，显著提高功率因素高，提高系统可靠性。
3.6 控制部分

控制部分由控制箱、电源及自检箱构成。主要功能包括：实现装置所有的自动控制和闭锁逻辑。系统运行有关的操作、显示、报警等信息的处理及指示。所有保护的测量、整定、逻辑、报警及出口。对IGBT、保护用SCR。实现装置与外部系统的通讯管理。装置整定和调试等辅助功能。控制箱可就地操作，包括运行、停止、全速、调速、自检、自动/手动、开环/闭环、远方/就地等与运行有关的操作，同时可对装置基本参数及运行模式进行设置。为满足控制室集中控制的需要，可在远方进行与装置运行有关的操作。
装置可实现与DCS系统、上级计算机网络、PC机等进行通讯。
4 与其他调速方法相比较有如下特点
4．1 具有良好的调速机械特性和节能特性，调速范围宽，无级，平滑

控制设备与内馈电机实现并联，可靠性高。以低压变频技术控制高压电机、控制容量远小于 电机容量、功耗低、效率高。主要功率开关器件采用进口全控IGBT，满足工业日益苛刻的谐 波及功率因数要求。采用双馈内反馈式转子变频调速系统时，反馈绕组加装到电机内部，省 去了逆变变压器及相关的电气设备，系统更为简单可靠。
4．2 SAVER系列转子变频调速系统可根据用户的不同需要构成外反馈式或内反馈式 调速系统

外反馈式调速系统由调速控制装置、绕线式电动机逆变变压器和远方控制单元构成 。内 反馈式调速系统由调速控制装置、内反馈绕线电动机和远方控制单元构成。由于调速装置本 质上是通过改变转子频率达到调速目的，且从系统结构上看也符合交－直－交电压型变频器 的特征，故称为转子变频调速；使用IGBT斩波，开关频率高，大幅度减小电抗器尺寸；又由 于加入了斩波，无论转速高低，逆变电压维持不变，则逆变器的容量也可以大幅减小。
4．3 可以简化结晶，提高系统可靠性

采用内反馈式电机，则可以省略逆变变压器，从而进一步简化了结构，提高了系统 的可靠性。

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4.4 转子变频调速系统可采用不同电机

既可以采用普通的绕线型三相异步电机，也可以采用已列为国家标 准的内反馈式三相异步电动机，简称内馈电机。如有特殊需要也可采用无刷双馈内反馈三相 异步电动机。
4.5 电机转子电压是低压，避免了高压电力电子变换带来的一系列难题

电力电子器件不 再需要串联，可以直接使用大电流器件，线路简单，成本降低，安全性、可靠性却大幅提高 。
5 在电厂中的节能效果

根据统计国内电厂对凝结水泵进行高压变频改造的最多，主要原因为凝结水泵的运行可靠性 要求较低，同时凝结水泵一般为一台运行一台备用，当变频故障需维修不会对机组运行造成 大的影响。从节能角度来讲，因为凝结水随机组负荷变化较大，因而从节流调节改为变频调 节，节能效果明显，从实际使用效果看，节电率达50%。其次引风机的变频改造较多，节电 率达30%～50%。循环水泵的改造也较多，节能效果也很明显。
6 结束语

我国能源紧张单位GDP能耗高，电力生产和使用负荷变化较大，电厂中风机和水泵节能空间 很大，采用变频装置在电厂应用节能降耗大有作为，是今后的技术发展方向，不仅是节能明 显，更主要是调节性能好，同时也改善了风机和电动机的使用寿命。
［参考文献］
［1］ 李遵基,变频控制原理及应用［M］.北京:华北电力大学出版社,2001.
［2］ 冷增祥,中、高压变频器概述［J］.江苏电机工程,2003，22(2).
［3］ SAVER型高压变频器使用说明书［Z］.