（电气工程专业论文）现代火力发电厂变频调速系统工程设计与研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 随着电力短缺现象的日益严重和国家投资体制改革决定的出台，电力 系统迎来“厂网分开、竞价上网”的新形势电厂运行将更加关心节能降 耗。同时，随着电网峰谷差越来越大，频繁的调峰任务使得高压电机的启 停次数增加，恶化了电机运行条件，也使得调节品质不佳。采用变频调速 技术是解决上述问题非常有效的手段。 现代电力电子技术、计算机技术、现代控制理论的发展，也促进了变 频调速技术的进步，使之成为目前最为活跃的调速技术，应用领域越来越 广。在发电厂中，低压变频调速装置早已得到应用，高压变频调速装置也 从单一的设备改造向新建工程、改造工程同时并举的方向发展。 变频调速装置的采用，在改善调节性能、优化设备运行条件、降低能 量消耗的同时，也会带来一定的问题，包括谐波污染、输出d u d t 对电动 机绝缘的损害、电动机温升等，需要采取措施加以解决。 高压变频器主电路拓扑结构形式有多种，主要有电流源型变频器、中 性点钳位三电平p w m 变频器、单元串联多电平变频器、多电平+ 多重化 变频器等。本文对上述几种结构具体特点进行了分析，可以看出单元串联 多电平变频器是目前适合电厂应用的高压变频调遽装置结构形式。 根据高压变频装置在其他电厂中的应用实例及效益分析，论证了高压 变频调速装置在现代火力发电厂中是可行的，节能效果明显。 江阴夏港电厂2 x 3 3 0 m w 机组凝结水泵采用高压变频调速，这是我院 第一次在新设计工程中采用该项技术。变频器采用美国罗宾康完美无谐波 p h 6 6 1 0 0 0 型变频器。该变频器采用多重化p w m 技术，输入功率因数可 达0 9 5 以上，不必设置输入滤波器和功率因数补偿装景。 本文完成了凝结水泵变频调速系统规划设计。并对采用变频调速装置 以后存在的问题进行了论述，包括对电动机保护的整定影响、电动机温升 的影响。 关键字：火力发电厂变频调速设计及研究 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n g l ys e r i o u sp o w e rs h o r t a g ea n dc o m eo u to fn a t i o n a lp o l i c y o nc a p i t a li n v e s t m e n t ，an e wt r e n d ，s e p a r a t i n gt h ep o w e rg e n e r a t i n gs t a t i o n s f r o mt h ep o w e rn e t w o r ka n db i d d i n gf o ri n t e r c o n n e c t ，c o m e si n t ob e i n gi n p o w e rs y s t e m a sar e s u l t ，o w n e r so ft h ep o w e rp l a n tb e c o m em o r ea n d m o r e c o n c e r n e da b o u te n e r g ys a v i n g i na d d i t i o n ，b i g g e rp o w e rp r i c ed i f f e r e n c e b e t w e e nt h ep e a ka n db o t t o mt i m en o to n l ym a k e sh i g hv o l t a g em o t o r ss t a r t a n ds t o pf r e q u e n t l y ，b u ta l s od e t e r i o r a t et h e i ro p e r a t i o nc o n d i t i o n sa n dw o r s e n t h ec o n t r o lq u a l i t y t h eu t i l i z a t i o no fv a r i a b l e f r e q u e n c yd r i v e s ( v f d s ) e f f e c t i v e l ys o l v e st h ea b o v ep r o b l e m s t h ed e v e l o p m e n to fm o d e r np o w e re l e c t r o n i c s ，c o m p u t e ra n dm o d e r nc o n t r o l t h e o r yp r o m o t e st h ep r o g r e s so fv f d st e c h n o l o g ya n dm a k e st h e mt ob eu s e d i nm a n ya r e a s j u s ta sl o wv o l t a g ev f d sw h i c hh a sl o n gb e e nu s e di np o w e r s t a t i o n s ，h i g hv o l t a g ev f d sa r en o wf i n d i n gt h e i rw i d e ra n dw i d e ru s ei nt h e p o w e rp l a n t s d e s p i t eo ft h e i ra d v a n t a g e so fi m p r o v i n gp e r f o r m a n c eo nc o n t r o l ，o p t i m i z i n g e q u i p m e n to p e r a t i o nc o n d i t i o n s ，r e d u c i n gt h ee n e r g yc o n s u m p t i o n ，e t c ，v f d s a l s oh a v es o m ed i s a d v a n t a g e sw h i c hn e e du r g e n ts o l u t i o n s ，a m o n gt h e ma r e h a r m o n i cp o l l u t i o n ，m o t o rt e m p e r a t u r er i s e sa n dd a m a g eo fo u t p u to nm o t o r i n s u l a t i o n ， t h e r ea r em a n yt y p e so fm a i nc i r c u i tf o rh i g hv o l t a g ev f d s ，m a i n l ya r e c u r r e n ts o u r c et y p e ，3 - l e v e lp w mt y p ew i t hc l a m p e dn e u t r a l s ，u n i ts e r i e s m u l t i l e v e lt y p ea n dm u l t i l e v e lt o g e t h e rw i t hm u l t i l a y e rt y p e ，t h i sp a p e r a n a l y z e d t h ec h a r a c t e r i s t i c so fv f d sm e n t i o n e da b o v e ，a n dd r e wt h e c o n c l u s i o nt h a tu n i ts e r i e sm u l t i 1 e v e lv f d sa r et h em o s ts u i t a b l eo n e sf o r p o w e rp l a n t s b a s e do nt h er e a le x a m p l e sa n dp r o f i ta n a l y s i s ，t h ef e a s i b i l i t yo fu s i n gh i g h v o l t a g ev f d si np o w e rp l a n t sa n dt h e i ro b v i o u se f f e c t so ne n e r g ys a v i n ga r e 珏 山东大学硕士学位论文 a l s od i s c u s s e di nt h i sp a p e r c o n d e n s e rp u m p so fj i a n g s ux i a g a n gp o w e rp l a n t2 * 3 3 0 m wu n i t sa r e e q u i p p e dw i t hh i g hv o l t a g ev f d sw h i c hm a r k st h ef i r s tt i m ef o rs h a n d o n g e l e c t r i cp o w e re n g i n e e r i n gc o n s u l t i n gi n s t i t u t e ( s d e p c i ) t ou s et h i s t e c h n o l o g yi np o w e rp r o j e c td e s i g n ，t h ev f d su s e da r ea m e r i c a nr o b b i s o n p h 6610 0 0t y p e t h i st y p ea d o p t st h em u l t i p w m t e c h n o l o g y ，w i t hi n p u t p o w e rf a c t o rm o r et h a n0 9 5 ，w h i c hm a k e si tu n n e c e s s a r yt ou s ei n p u tf i l t e r a n dp o w e rf a c t o rc o m p e n s a t i o nd e v i c e t h i sp a p e rc o m p l e t e dt h el a y o u ta n dd e s i g no fc o n d e n s e rp u m pu s i n gv f d s a l s oo u t l i n e da r ep r o b l e m sc a u s e db y v f d s ，i n c l u d i n ge f f e c t so nm o t o r t e m p e r a t u r er i s e sa n dv a l u es e t t i n gf o rm o t o r p r o t e c t i o n k e y w o r d s ： t h e r m a lp o w e rp l a n t ，v a r i a b l ef r e q u e n c yd r i v e s ，d e s i g na n dr e s e a r c h i i i 山东大学硕士学位论文 i v 主要符号说明 p w m ：脉冲宽度调制 d s r ：直接转矩控制 d s p ：数字信号处理器 g t o ：门极关断晶闸管 a s i c ：专用集成电路 i g b t ：绝缘栅双极晶体管 i g c t ：集成门极换向性晶闸管 s g c t ：对称门极换流晶闸管 i p m ：智能功率模块 t h d ：电压总谐波畸变率 v s i ：电压源逆变器 c s i ：电流源逆变器 d c s ：分散控制系统 v v v f ：变压变频控制 q ：流量 h ：扬程、压力 p ：有功功率 p ：极对数 f 频率 s ：电机转差率 由：磁通 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：盘旺莞茎一 日期：丝业丝竺 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：，蒸咝导师签期：型! ! 山东大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 电力系统发展及现状 自1 7 5 2 年美国人弗兰克林利用风筝将闪电引到地面，电力开始进入人类生 活以来，电能以其清洁、易控、高效而发展成为最方便、与人们生活联系最密 切的二次能源。现代社会对电能的依赖程度已经无法用具体数据来表达。正像 2 0 0 3 年美国加州大停电使得人们的生活一下子陷入无序状态。 近3 0 年来，我国电力工业取得了快速发展，已建成以3 0 0 m w 、6 0 0 m w 亚 临界、超临界机组为主力机型，以2 2 0 k v 、5 0 0 k v 电压等级为骨干网架的几大区 域电网。随着电力新一轮投资的迅猛快速展开，一批容量为1 0 0 0 m w 等级的超 超临界机组建设已启动，全国联网的工作已通过可研评估，不久的将来，将形 成个以三峡水电站为核心，拥有超大功率、长距离直流输电技术，2 2 0 k v 及 以上输变电容量达5 5 亿千伏安的“话电东送、南北互供”的全国互联电网。 1 2 能耗高已成为我国经济发展急需解决的问题 能源是国民经济的基础产业，对经济持续快速健康发展和人民生活的改善发 挥着十分重要的促进与保障作用。我国是能源生产和消费大国，面对新世纪快 速发展的国民经济，如何保持能源、经济和环境的可持续发展是我们面临的一 个重大战略问题。传统工业化过程是一个索取自然、大量消耗自然资源的过程。 2 0 世纪的1 0 0 年，人类创造的物质财富超过了以往历史的总和，同时也加速了 地球资源的消耗。我国工业的发展已进入了工业化中期，即重工业化阶段，社 会经济发展对能源的依赖要比发达国家大得多。2 0 0 3 年，我国人均g d p 超过 1 0 0 0 美元，能源消费进入了新的结构升级阶段，加之城市化水平的不断提高， 使人均耗电量里增长趋势。据有关资料预测，今后二十年，随着经济发展和社 会进步，我国电力需求将有大幅度的增长，平均每年需要新增装机3 0 0 0 万千瓦 左右，到2 0 2 0 年人均装机达到目前世界平均水平。另一方面，不断恶化的环境 污染，也使得环境容量越来越小，要求电源点的建设必须统筹兼顾。 自2 0 0 2 年以来，随着国民经济的快速增长，我国电力不足问题日益突出， 除东北地区外，其余大部分地区电力供需形势总体偏紧，局部地区季节性、时 段性严重缺电。今年夏季，仅国家电网公司经营区域内最大电力缺口达到了2 9 8 3 万千瓦，比去年增加了1 9 0 0 万千瓦，截止2 0 0 4 年8 月3 1 日，系统内共有2 0 山东大学硕士学位论文 个电网发生拉闸限电，累计拉电9 9 9 万条次，损失电量3 1 8 亿千瓦时。电能建 设不足固然是“电荒”的主要原因，然而电能利用效率低下也是重要原因之一。上 个世纪九十年代我国高耗能产品的耗能量比发达国家高1 2 5 5 ，能源综合利用 效率仅为3 2 。综合输变电线损和终端用电设备损失，全国因电能利用效率低 下造成的电力浪费年约2 0 0 0 亿千瓦时。据三峡电力总公司介绍，三峡电站2 6 台7 0 万千瓦水轮发电机组全部运行时，年均发电量约8 5 0 亿千瓦时。也就是说， 我国一年因电能利用效率低下造成的浪费，相当于2 3 个三峡电站的发电量。 国家在制定一系列政策的同时( 如峰谷电价：采取企业轮休工作制；对高耗 能行业提高电价；对优、均、劣势产业分类供电等) ，节能技术愈发显得重要。 2 0 0 4 - - 2 0 2 0 年能源中长期发展规划纲要中颦持把节约能源放在首位，并实 行全面、严格的节约能源制度和措施。“十五”期间，要通过“电机系统节能” 计划的实施，实现年节电1 0 0 0 亿千瓦时。 1 3电机节能是实施节能战略的重要一环 电机是能源消耗大户之一。我国电机总装机容量已达4 亿千瓦，年耗电量达 6 0 0 0 亿千瓦时，占工业耗电量的8 0 ，然而直到目前，我国各类在用电机8 0 以上还是中小型异步电动机，我国有7 0 的电机只相当于国际5 0 年代的技术水 平，电机驱动系统能效比国外设备低2 0 左右，节能潜力巨大。其中，风机、 水泵类负荷在生产中具有面广、量大、耗电多的特点。我国曾在上世纪八十年 代作过不完全统计，全国风机、水泵的年耗电量约占全部用电总量的三分之 占全国工业用电的4 0 5 0 “”。主要行业的调查数据见表1 3 - 1 。 表1 3 一l风机水泵耗电量 工邛呲罚b 门全邵风矶辩| 电量釜邵水最崩e 邑t 珏个邵n 朋甩量风矶水泵彤锄 ( 亿千瓦时)c 亿丰商时) ( 亿千瓦时) 占比例 电力工业 3 6 s8 01 6 0 8 77 2 ，5 化肥i 业 2 9 1i s 52 4 27 6 爆翼工业1 7 03 9 7 e 1 6 9 0 33 3 6 石耀工业栅 4 51 53 3 5 35 8 五疆工业籀田 4 5 e7 2 4 56 3 农业御疆 1 8 31 5 s 3 3 8 9 1 4 电厂节能重大意义 电厂在生产电能的同时，本身也是耗电大户。设备效率低，厂用电率居高不下 是长期以来困扰发电企业的主要问题之一；尤其是2 0 0 3 年以来，因为燃煤价格的 2 山东大学硕士学位论文 个电网发生拉闸限电，累计拉电9 9 9 万条次，损失电量3 1 8 亿干瓦时。电能建 设不足固然是“电荒”的主要原因，然而电能利用效率低下也是重要原因之一。上 个世纪九十年代我国高耗能产品的耗能量比发达国家商1 2 5 5 能源综合利用 效率仅为3 2 。综合输变电线损和终端用电设备损失，全国因电能利用效率低 f 造成的电力浪费年约2 0 0 0 亿千瓦时。据三峡电力总公司介绍，三峡电站2 6 台7 0 万千瓦水轮发电机组全部运行时，年均发电量约8 5 0 亿千瓦时。也就是说， 我国一年因电能利用效率低下造成的浪费，相当于2 3 个三峡电站的发电量。 国家在制定一系列政策的同时( 如峰谷电价；采取企业轮休工作制；对高耗 能行业提高电价：对优、均、劣势产业分类供电等) ，节能技术愈发显得重要。 2 0 0 4 - - - 2 0 2 0 年能源中长期发展规划纲要中坚持把节约能源放在首位，并实 行全面、严格的节约能源制度和措施，“十五”期间，要通过“电机系统节能” 计划的实施，实现年节电1 0 0 0 亿千瓦时。 1 3电机节能是实施节能战略的重要一环 电机是能源消耗丈户之一。我国电机总装机容量己达4 亿千瓦，年耗电最达 6 0 0 0 亿千瓦时，占工业耗电量的8 0 ，然而直到目前，我国各类在用电机8 0 以上还是中小型异步电动机，我国有7 0 的电机只相当于国际5 0 年代的技术水 平，电机驱动系统能效比国外设备低2 0 左右，节能潜力巨大。其中，风机、 水泵类负荷在生产中具有面广、量大、耗电多的特点。我国曾在上世纪八十年 代作过不完全统计，全国风机、水泵的年耗电量约占全部用电总量的三分之一一， 占全国工业用电的4 0 5 0 “。主要行业的调查数据见表1 ，3 1 。 表1 3 一i 风机水泵耗电量 t 农业鄢门芏鄙风虿渊电重芏鄙水汞崩甩量墨个邵rj 用甩曩月矶袭用断 t 亿千瓦时)t 亿千瓦时) c 亿千瓦时) 占比例 电力工业3 6 sb 0 1 6 0 8 77 2 5 化肥工业 2 9 11 5 52 4 2 7 6 塥曩工业1 7 03 9 7 e 1 6 9 0 33 3 6 i ，日工业m辛5 1 53 3 5 35 8 石疆工业棚田 4 5 日 7 2 4 55 3 霹龇两雅 1 e 31 5 5 ，3 3 日9 1 4 电厂节能重大意义 电厂在生产电能的同时，本身也是耗电大户。设各效率低，厂用电率居高不下 是长期以来困扰旋电企业的主要问题之一；尤其是2 0 0 3 年以来，因为燃煤价格的 是长期以来困扰技电企业的主要问题之一；尤其是2 0 0 3 年以来，因为燃煤价格的 2 山东大学硕士学位论文 个电网发生拉闸限电，累计拉电9 9 9 万条次，损失电量3 1 8 亿千瓦时。电能建 设不足固然是“电荒”的主要原因，然而电能利用效率低下也是重要原因之一。上 个世纪九十年代我国高耗能产品的耗能量比发达国家高1 2 5 5 ，能源综合利用 效率仅为3 2 。综合输变电线损和终端用电设备损失，全国因电能利用效率低 下造成的电力浪费年约2 0 0 0 亿千瓦时。据三峡电力总公司介绍，三峡电站2 6 台7 0 万千瓦水轮发电机组全部运行时，年均发电量约8 5 0 亿千瓦时。也就是说， 我国一年因电能利用效率低下造成的浪费，相当于2 3 个三峡电站的发电量。 国家在制定一系列政策的同时( 如峰谷电价：采取企业轮休工作制；对高耗 能行业提高电价；对优、均、劣势产业分类供电等) ，节能技术愈发显得重要。 2 0 0 4 - - 2 0 2 0 年能源中长期发展规划纲要中颦持把节约能源放在首位，并实 行全面、严格的节约能源制度和措施。“十五”期间，要通过“电机系统节能” 计划的实施，实现年节电1 0 0 0 亿千瓦时。 1 3电机节能是实施节能战略的重要一环 电机是能源消耗大户之一。我国电机总装机容量已达4 亿千瓦，年耗电量达 6 0 0 0 亿千瓦时，占工业耗电量的8 0 ，然而直到目前，我国各类在用电机8 0 以上还是中小型异步电动机，我国有7 0 的电机只相当于国际5 0 年代的技术水 平，电机驱动系统能效比国外设备低2 0 左右，节能潜力巨大。其中，风机、 水泵类负荷在生产中具有面广、量大、耗电多的特点。我国曾在上世纪八十年 代作过不完全统计，全国风机、水泵的年耗电量约占全部用电总量的三分之 占全国工业用电的4 0 5 0 “”。主要行业的调查数据见表1 3 - 1 。 表1 3 一l风机水泵耗电量 工邛呲罚b 门全邵风矶辩| 电量釜邵水最崩e 邑t 珏个邵n 朋甩量风矶水泵彤锄 ( 亿千瓦时)c 亿丰商时) ( 亿千瓦时) 占比例 电力工业 3 6 s8 01 6 0 8 77 2 ，5 化肥i 业 2 9 1i s 52 4 27 6 爆翼工业1 7 03 9 7 e 1 6 9 0 33 3 6 石耀工业栅 4 51 53 3 5 35 8 五疆工业籀田 4 5 e7 2 4 56 3 农业御疆 1 8 31 5 s 3 3 8 9 1 4 电厂节能重大意义 电厂在生产电能的同时，本身也是耗电大户。设备效率低，厂用电率居高不下 是长期以来困扰发电企业的主要问题之一；尤其是2 0 0 3 年以来，因为燃煤价格的 2 山东大学硕士学位论文 上扬，发电成本大幅提高，造成发电企业盈利水平下降。表1 4 1 统计资料可明确 看出发电厂厂用电率并没有像其他考核指标( 线损、煤耗) 下降明显。 表1 4 1 电力系统历年主要技术经济指标( 1 9 9 0 - - 2 0 0 1 年) 发电设备平均 发电厂用电率线路损失率发电标准煤耗供电标准煤耗 年份 利用小时 ( )( ) g ( k w h ) g ( k w h ) 1 9 9 05 0 4 16 9 08 0 63 9 24 2 7 1 9 9 15 0 3 069 48 1 53 9 0 4 2 4 1 9 9 25 0 3 970 082 93 8 6 4 2 0 1 9 9 35 0 6 869 685 2 3 8 44 1 7 1 9 9 45 2 3 36 9 087 33 8 14 1 4 9 9 55 2 1 66 7 88 7 73 7 94 1 2 1 9 9 65 0 3 36 8 88 5 33 7 7 4 1 0 1 9 9 74 7 6 56 8 082 0 3 7 54 0 8 1 9 9 84 5 0 16 6 68 1 33 7 34 0 4 1 9 9 94 3 9 365 0 8 1 03 6 93 9 9 2 0 0 04 5 1 762 877 0 3 6 33 9 2 2 0 0 14 5 8 86 2 47 5 5 3 5 73 8 5 今年8 月，国务院关于国家投资体制的改革决定的出台，企业自由资金投资 的电力项目将由审批制改为核准制，国家将在更高层面上实行宏观调控，倡导 科学的生产方式，注重以人为本，重视社会效益，保障公共利益，保护生态环 境，保持整个社会的可持续发展。因此，电力节能，提高运行管理水平，不光 是发电企业本身经济利益的驱使，更是对社会健康可持续发展应尽的义务的体 现。 1 5 变频调速技术是电厂节能、改善调节精度的要求 尽管出现电力短缺现象，但由于电力峰谷负荷差值越来越大，部分时段发电 机负荷降低。很多火电机组担负起调峰的任务，甚至有些3 0 0 m w 机组也参与调 峰，另外随着锅炉制造水平和运行水平的提高，机组的稳燃负荷也越来越低， 一般燃用烟煤机组最低稳燃负荷已可以达到3 0 3 5 。不少机组出现压红线运 行的现象，由于电机恒速运行只能采用挡板、阀门或空放回流的办法进行输 3 山东大学硕士学位论文 出量的调节。导致辅机和驱动电动机长期在低效率状态下运行，造成大量的能 源浪费。变频调速技术可以大幅度降低能耗，提高运行效率，尤其是在低负荷 时节能效果更加明显。 另外。随着机组起停次数增多，辅机、电动机和电网受到的冲击更加频繁， 一些统计资料表明，电机在启动过程中因受冲击而造成过热、绝缘损坏以至烧 坏电机的情况逐年增加。变频调速技术可以实现电机软启动、软停车，大大改 善电动机运行状况，提高调节量精度，有利于机组安全经济运行，延长设备使 用寿命。 1 6 课题的由来 随着国家投资体制改革决定的出台，企业自有资金建设发电企业将变审批制 为核准制，投资商业性质更浓，风险更大了。投资方比以往更加注重节约投资 更加注意基建和生产一体化。这将有利于避免以往工程中基建不能更好地为生 产服务，以致出现基建刚剐完成即开始生产改造的不正常现象。投资和生产脱 节，也是电厂采用高压变频调节技术不积极的原因之一。而现有电厂为提高机 组竞价上网能力，只能走节能改造的路子，其中变频调速设备的采用往往是改 造课题之一，而改造投入资金往往比原始设计投入要多。另外，在实际工程设 计和设备招标中，工艺专业、制造厂往往不恰当的配置变频调速或软启动设备， 造成无谓的投资增加。另方面，由于工艺专业仅仅关心装置的节能或调节效 果，两忽视了变频器本身对电网的危害，对电网质量造成不利影响。因此，作 为发电厂设计人员，很有必要研究变频装置的性能特点、研发水平、使用情况 等，对变频调速装置采用进行技术经济分析，以便对设计提供必要的指导，为 业主决策提供咨询和参谋服务。 1 7 本文的主要工作 随着现代电力电子技术、计算机技术、控制理论的发展，变频调速技术从理 论研究和工程实践上都有了飞速进展。从上个世纪9 0 年代末期开始，高压变频 调速设备开始在电力系统中应用，已取得一定的运行经验。但总体来看，仍然 不如在其他系统像冶金、供水、石化等行业使用业绩多。本文所探讨的课题就 是研究变频调速技术是否适合现代火力发电厂及如何应用。 本文首先从电力紧缺现状论述节能技术对国家可持续发展的重要意义，从设 4 山东大学硕士学位论文 备尤其是电动机制造和运行水平、工艺特点等方面可以看出电厂节能具有很大 的潜力。而变频调速技术正是实现节能降耗目的的切实可行的手段之。 本文在查阅、收集大量资料的基础上，从现代电力电子元件的发展入手，对 国内外变频调速技术的发展现状及存在的主要问题做了细致的研究和分析，对 日莳国内外各种广泛采用的变频调速主电路拓扑结构形式的具体特点进行分 析，结合电力系统的工艺特点，找出适合电厂高压电动机所采用的调速方式。 对采用变频调速以后带来的问题如谐波污染、电动机发热温升、对继电保护的 影响等作了分析。提出解决措施或设备选型中的注意事项。 结合具体事例，通过翔实的数据、表格，研究高压变频调速技术的节能效益。 本文将分析研究的成果直接用于工程实际。完成江苏夏港发电厂凝结水泵系 统高压变频调速技术的工程设计，对采用变频调速造成的电动机启动、保护接 定、联锁设计进行了分析。并对高压变频调速技术在电厂其他设备中的应用进 行了展望，如引风机等。 总体来讲，开展本课题的目的就是通过分析高压变频调速技术的发展、现状、 应用实例及对电网、电动机的影响及应用经济性，研究电厂中采用变频调速的 可能性、必要性。然后，完成具体工程系统设计，并对不同于其他应用场合的 特点作了必要的探讨。应该说明的一点是，本文讨论和完成的是电厂某一工艺 系统设计，没有对变频调速设备本身的设计尤其是工艺设计进行详细的研究。 5 山东大学硕士学位论文 2 变频调速技术发展及特点 2 1 电机的调速原理 电动机需要调速应根据所服务的对象不同而提出不同要求，因为不同 的生产机械要求有不同的运行速度，甚至一台生产机械在不同的生产过程 时需要不同的运行速度。这就要求我们根据生产工艺的要求，对电机拖动 系统的运转速度进行调整；例如，中央空调系统根据制冷或制热量的不同， 要求调节压缩机的运转速度，等等。这些也就是工程上所讲的调速问题。 调速技术属电气传动技术研究范围。多年来，在需要速度调节的驱动 装置中，直流电机以其容易实现平滑、无级、宽范围、低损耗等良好的调 速特性而占据绝大部分份额，但其结构复杂，制造困难，转动惯量大，维 护麻烦，不适宜在恶劣环境中运行，不易实现大容量化、高压化、高速化 且价格昂贵，这必然限制了直流电动机的使用。而异步电动机以其低廉的 价格、简单坚固的结构成为生产中主要动力，这就使扩大异步电动机在调 速系统中的应用成为电力拖动领域竟相研究的课题。 调速技术的基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关 系： n = 6 0f ( 卜s ) p ( 式2 1 1 ) 式2 1 - l 中r l 、f 、s 分别表示转速、输入频率、电机转差率，p 为电机 的极对数； 由上式可以看出，只要调节p 、s 或：三个变量，即可实现调速的目的。 由此，可得到三种基本调速方法： 改变电机的极对数p 。 属于有级调速，应用场合有限。如某些电厂采用的双速循环水泵 即采 用这种调速方式。 改变电机的转差率s 。 这种调速方式系统结构简单，有一定的应用场合。如串极调速、 转子串电阻调速均属这种方式。 6 山东大学硕士学位论文 改变电机的频率f 效率最高，可以构成高动态性能的交流调速系统，是应用场合最多， 最有发展前途的一种调速方法。 而电动机一旦制造完成，则s 、p 一般就确定了，由于转速 与频率 厂之间为线性关系，从理论上分析调速范围在0 1 0 0 内，线性度部很好。 因此改造工程中一般均采用变频调速方法。 2 2 电机调速的基本形式 通常从节能的角度把交流调速分为高效调速和低效调速。高效调速指 基本上不增加转差损耗的调速方式，在调节电动机转速时转差率基本不 变，不增加转差损失，或将转差功率以电能形式回馈电网或以机械能形式 回馈机轴；低效调速则存在附加转差损失，在相同调速工况下其节能效果 低于不存在转差损耗的调速方式。 属于高效调速方式的主要有变极调速、串级调速和变频调速；属于低 效调速方式的主要有滑差调速( 包括电磁离合器调速、液力偶合器调速、 液桔离合器调速) 、转子串电阻调速和定子调压调速。其中，液力偶合器 调速和液粘离合器调速属于机械调速，其他均属于电气调速。变极调速和 滑差调速方式适用于鼠笼型异步电动机，串级调速和转子串电阻调速方式 适用于绕线型异步电动机，定子调压调速和变频调速既适用于鼠笼型电动 机，也适用于绕线型异步电动机。变频调速和机械调速除适用于异步电机 外，还可用于同步电动机。 图示如下： 7 山东大学硕士学位论文 图2 2 - 1 交流调速方式的分类 2 3 变频调速的基本控制方式 交流电机变频调速的出现及应用，不但是电工技术领域出现的最好节 电技术，也是电气传动领域崭新的工艺设备【22 1 。中、高压变频调速与低压 变频调速一样，有如下几种控制方式。 2 3 1v f 协调控制 交流电动机的感应电动势：e = 4 4 4n 邱 忽略定子绕组的阻抗，定予电压u = e = 4 4 4n 椰 ( 式2 3 1 ) ( 式2 3 2 ) 式2 3 1 、2 3 2 中，n 为绕组有效匝数。当改变频率f 调速时，如电 压u 不变，则会影响磁通m 。例如，当电机供电频率降低时，若保持电机 的端电压不变，则电机中的m 将增大。由于电机设计时的磁通选为接近饱 和值，m 的增大将导致电机铁心饱和，造成电机中流过很大的励磁电流， 增加铜耗和铁耗。而当供电频率增加。电机出现欠励磁时，将会引起电机 输出转矩的下降。因此在改变电机的频率时，应对电机的电压或电动势进 行控制，即必须通过变频装置获得电压频率均可调节的供电电源，实现所 谓的变压变频( v v v f ：v a r i a b l ev o l t a g ev a r i a b l ef r e q e n c y ) 。 8 异步电动机变频调速的基本控制方式如图2 3 1 所示 山东大学硕士学位论文 图2 3 1v f 曲线 v f 协调控制可近似保持稳态磁通恒定，方法简单，主要是低速性能较 差。因为低速时，异步电动机定子电阻压降所占比重增加，不能认为u = e ， 这时v f 协调控制已不能保持辔恒定。 由于v f 协调控制是依据稳态关系得出的，因而动态性能较差。如欲 改善v f 协调控制的性能，需对磁通进行闭环控制。 2 3 2 矢量控制 我们知道，直流电动机具有优良的调速和启动性能，这是因为电磁 力矩t e m = k t 毋i a ( 为电机的力矩常数) 。励磁绕组和电枢绕组各自独立，空 间位置互差9 0 。，因而m 和电枢电流i a 产生的磁通正交，如忽略电枢反应， 它们互不影响；两绕组又分别由不同电源供电，在m 恒定时，只要控制电 枢电流或电枢电压便可控制转矩。而异步电动机只有定子绕组与电源相 接，定子电流中包含励磁电流分量和转子电流分量，两者混在一起( 称为 耦合) ，电磁转矩并不与定予电流成比例。矢量控制的思路就是仿照直流 电动机的控制原理，将交流电机的动态数学方程式进行坐标变换，包括三 相至二相的变换( 3 2 ) 和静止坐标与旋转坐标的变换，从而将定子电流 分解成励磁分量和转矩分量( 解耦) ，它们可以根据可测定的电动机定予 电压、电流的实际值经计算求得，然后分别与设定值一起构成闭环控制， 经过调节器的作用，再经过坐标反变换，变成定予电压的设定值，实现对 9 山东大学硕士学位论文 逆变器的脉宽调制( p w m ) 控制。 矢量控制可获得与直流电动机相媲美的优异控制性能，由于交流电动 机的电磁关系比直流电动机复杂得多，如何成功地进行解耦是矢量控制成 功与否的关键。矢量控制应用于对动态性能要求较高的系统设备，如轧钢、 造纸系统设备等。 2 3 3 直接转矩控制( d s r ) 直接转矩控制也是分别控制异步电动机的转矩和磁链，只是它选择定 子磁链作为被控制的磁链，而不像矢量控制那样选择了转子磁链，因此可 直接在定子坐标上计算与控制交流电动机的转矩。即通过实时检测磁通幅 值和转矩值，分别与给定值比较，由磁通和转矩调节器直接输出，共同控 制p w m 逆变器的空间电压矢量。它不需要分开的电压控制和频率控制， 也不追求单相电压的正弦，而是将逆变器和电机视为整体，以三相波形总 体生成为前提，使磁通、转矩跟踪给定值，磁链逼近圆形旋转磁场【l 9 1 。 直接转矩控制不需要坐标变换，也不受转子参数变化的影响，控制器 结构简单，而仍具有良好的静、动态性能。 2 3 4 无速度传感器矢量控制 高性能的 l j j 速系统均采用转速闭环但速度传感器的安装、维护及低 速性能等方面的问题给系统带来麻烦，甚至影响系统的可靠性。因而无速 度传感器控制越来越受到关注和欢迎。问题是从易测得的定子电压、定子 电流中如何计算出与速度有关的量。目前常用的方法有：利用电机的基本 方程式( 稳态j 艾动念) 导出速度的方程式进行计算：根据模型参考自适应的 理论，选择合适的参考模型和可调整模型，利用自适应算法辩识出速度； 利用电机的馋谐波电势计算速度，或计算转差频率进行补偿等。 上述4 种控制方式，v f 协调控制是转速开环控制，无需速度传感器， 控制电路简单，可广泛适用于通用标准异步电动机负载，通用性强，经济 性好，是使用较多的一种控制方式，常用于速度精度要求不十分严格或负 1 0 山东大学硕士学位论文 载变动较小的场合。后三种则用于高性能的通用变频器。通常有三种系统 形式，即有速度传感器的矢量控制、无速度传感器的矢量控制和无速度传 感器的直接转矩控制。其中第一种控制精度高且动态性能好，但变频器系 统复杂，价格较贵；后二种则控制精度和性能稍逊，但变频器系统较简单， 价格较便宜。 此外，还有一些简化或改进的控制方式，如矢量演算的v f 控制、直 接矢量控制( 其磁通由测算而不是估算得出) 等，在此不再详细介绍，可 查阅有关文献 3 ，1 9 】。 2 。4 变频调速技术的发展 目前，交流调速电气传动已经上升为电气调速传动的主流。交流传 动控制技术的飞速发展主要得益于一些关键技术的突破性进展，它们是 电力电子器件的制造技术、基于电力电子电路的电力变换技术、交流电 动机的矢量变换控制技术、直接转矩控制技术、p w m 技术以及微型计算 机和大规模集成电路为基础的全数字化控制技术等。 2 0 世纪是变频调速技术由诞生到发展的时代。交流静止调速起步于上 世纪7 0 年代，8 0 年代低压变频技术逐步推广应用，而高压变频由于功率 大、高电压等特殊要求，9 0 年代以后才开始得到发展并在2 0 世纪末达到 规模推广。g t o ( 集成门极换向性晶闸管) 等新型电力电子器件的发展、 d s p ( 数字信号处理器) 和a s i c ( 专用集成电路) 的快速发展以及新颖控 制理论和技术( 如磁场定向矢量控制、直接转矩控制等) 的完善，使变频 调速系统在调速范围、调速精度、动态响应、功率因数、运行效率和使用 方便等性能指标超过了直流调速系统，电机交流变频调速技术是当今节 电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要 手段3 。 我国电气传动产业起步于1 9 5 4 年，以建立我国第一个电气传动成套 公司( 机械工业部天津电气传动设计研究所前身) 为标志。我国电气传动 与变频调速技术的发展简史见表2 4 1 。 山东大学硕士学位论文 表2 4 1 我国电气传动与变频调速技术的发展简史 技术特征应用年代 2 0 世纪5 0 年代初“7 0 年代 带电机扩大机的发电机一电动机机组传动 中期 汞孤整流器供电的直流调速传动5 0 年代后期6 0 年代后期 磁放大器励磁的发电机一电动机机组传动6 0 年代初“7 0 年代中期 晶闸管变流器励磁的发电机一电动机机组6 0 年代后期7 0 年代后期 晶闸管变流器供电的直流调速传动7 0 年代初 饱和磁放大器供电的交流调速传动6 0 年代初6 0 年代后期 静止串妻 调速交流调速传动7 0 年代中“ 循环变滚器供电的交流变频调速传动8 0 年代后期 电压或m 流型6 脉冲逆变器供电的交流变频 8 0 年代初、 调速传动 b j t ( i g b t ) p w m 逆变器供电的交流变频调速 2 0 世纪9 0 年代初“ 传动 2 5 变频调速技术解决方案 作为供电电源和用电设备之间的接口电路，变频调速装置的核心是变 频器。根据工作电压不同，可分为低压变频器和高压变频器。本文不讨论 低压变频器，包括早期工程改造中采用的y 一变换型，即通过降压变压 器将6 0 0 0 v 降低到一定的电压再利用低压变频器驱动电机，要求电机必须 采用连接，结构复杂，且不便设置旁路，故这种方式在电厂己基本不再 1 2 山东大学硕士学位论文 采用。 而在用于高压供电负荷的变频器种类中，单从变频器输出的电压又分 为高一高型( 般设置隔离变压器与电网隔离) 和高一低一高型：高一低 一高变频调速控制方案是将高压通过降压变压器使变频器的输入电压降 低，然后将变频器的输出电压通过升压变压器使输出电压提高到较高的电 压等级，以满足交流电动机的电压要求。这种高压变频调速方式的实质还 是低压变频，只不过是从电网和电动机两端来看是高压，如图2 5 1 所示： 匿i 一一 霉r 。 。 一4t t e l t ；蜚额# 一 肇i 一 能l 降压变压器 图2 ，5 1 高一低一高型变频器结构示意图 因其存在着中间低压环节，有着电流大、结构复杂、效率低、可靠性 差、占地面积大等缺点，该方式是高压变频技术发展中的一种由低压变频 向高压变频过渡的方式：当然，其也有方案成熟、在改造项目中原有电机 电缆无须改动、可以使用价格较为低廉的低压变频器等优点。但其系统构 成环节较多，为抑制谐波分量而加装的滤波器还带来附加损耗，故其长期 运行费用相对较高。随着高压变频技术的发展，特别是新的大功率可关断 器件的研制成功，高一低高变频调速方式由于其自身的缺点，在今后的 发展中有被淘汰的趋势。因此，本文所要讨论的变频调速装置是指直接高 压变频( 高高型) 。 高压交频调速存在的主要问题是高压变频调速实施方案的技术经济 性，包括方案的可行性、可靠性、节能效益；关键技术是方案中变频元件 的电压的等级的合理应用，如何降低或克服变频器负面的影响包括谐波污 染、对电动机绝缘的影响等。 2 ，5 1 电力电子元件 电力电子技术是目前发展最快、最为活跃的技术之一，在电机拖动、 1 3 山东大学硕