《硕士论文600MW机组循环水泵高压变频调速系统的工程应用及效果分析》.doc

上海交通大学工程硕士学位论文600MW机组循环水泵高压变频调速系统的工程应用及效果分析系 别：电气工程系学科专业：电气工程作者姓名：瞿伟明指导教师：张焰答辩日期：2012年 1月 10日上海交通大学电气工程系2011年12月 上海交通大学学位论文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，独立进行研究工作所取得的成果。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作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：瞿伟明 日期： 2012年 1月 10日 上海交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并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。本人授权上海交通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、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密，在 年解密后适用本授权书。本学位论文属于 不保密。（请在以上方框内打“”）学位论文作者签名：瞿伟明日期：2012年 1月10 日指导教师签名：张焰日期：2012 年1 月 10日 摘 要电力系统的节能减排对于推进我国整体的节能减排战略具有重要意义。循环水系统作为火力发电厂的重要组成部分，其优化运行对整个机组的安全和经济运行至关重要。本文结合上海吴泾第二发电有限责任公司实际，根据高压变频调速原理并借鉴国内外高压变频调速系统运行经验，对公司的循环水泵进行了高压变频调速改造，改进了机组循环水系统运行方式，提高了自动化水平。对相应的循环水系统进行优化，改善循环水泵的启动特性，提高了运行的可靠性。通过节能量综合分析，对循环水泵变频改造后的效果进行评估，证实了高压变频调速技术的优越性。论文成果对高压变频调速技术在发电企业中的推广应用具有很强的借鉴作用。关键词：循环水泵，高压变频调速系统，循环水系统，优化运行，效果分析ABSTRACTThe energy-saving and pollutant emission reduction strategy of the power system, which has important significance to the Chinas overall energy-saving and emission reducing task. The optimal control of the circulating water system has important significance to the safety and economy operation of the power plant. In this paper, a new scheme is brought forward to improve the performance of the power plant system, which apply high voltage large power inverter system in circulating pump, the operation of circulating water system is modified meanwhile. The analysis of the working effect prove the project correctness. The conclusion can be made that, applying high voltage large power inverter system in fire power plants large power assistant motor system can effectively reduce wastage. This scheme can improve the whole sets control performance and be recommended to other similar systems.KEY WORDS: Circulating pump, high voltage large power inverter system, circulating water system, optimal operation, effectiveness analysis69目 录摘 要VIABSTRACTVII目 录XI第一章 绪论11.1 课题研究的背景和意义11.2 国内外高压变频调速的发展与应用现状21.2.1 国内高压大功率变频器的发展现状31.2.2 国内发电厂应用变频调速的现状41.2.3 国外高压大功率变频器的发展现状51.2.4 国外发电厂应用变频调速的现状51.3 本文主要研究内容6第二章 高压变频调速系统的基本理论72.1 高压变频调速的原理和控制方式72.1.1 高压变频调速的原理72.1.2 变频调速的控制方式72.2 高压变频器的基本组成82.2.1 高压变频器硬件系统组成92.2.2 高压变频器软件系统组成102.3 常见的两种高压变频器102.3.1 电流源型变频器102.3.2 功率单元串联多电平PWM电压源型变频器112.4 高压变频调速在发电厂应用中必须关注的问题13第三章600MW机组循环水泵高压变频调速系统工程应用153.1循环水泵的运行现状分析153.2变频调速技术应用于循环水泵的具体论证163.2.1循环水泵变频改造选择论证163.2.2 循环水泵变频应用的经济性论证163.3循环水泵高压变频调速系统工程应用设计.183.3.1 循环水泵高压变频系统方案设计183.3.2 高压变频器的选型193.3.3 循环水泵变频器技术性能193.3.3.1 循环水泵变频器技术参数193.3.3.2 循环水泵变频器技术规范203.3.4 循环水泵高压变频调速系统接口设计223.3.4.1 PLC系统与变频器的接口方案233.3.4.2 上位机PLC画面增加内容243.3.5 循环水泵变频调速控制方案253.4 变频器的安装位置和环境要求283.5 循环水泵高压变频器产品结构293.5.1 移相整流输入变压器303.5.2 内藏式主控制器303.5.3 功率单元插拔结构303.5.4 人机界面303.5.5 通风设计313.6电气性能调试323.6.1静态调试323.6.2 动态调试33第四章 循环水系统的优化运行344.1机组循环水系统中主要子系统介绍344.1.1汽轮机特性的确定344.1.2凝汽器特性的确定344.2循环水流量变频调速控制的节能原理354.2.1循环水流量变频调速控制的节能原理354.2.2 变频调速泵的运行工况及高效工作区364.3 循环水系统优化运行方式374.3.1循环水温度和机组负荷374.3.2 循环水系统优化前运行方式384.3.3循环水系统优化后运行方式394.3.4 变频调速循环水泵1、4运行方式40第五章600MW机组循环水泵高压变频调速系统的工程应用效果分析435.1循环水泵高压变频调速系统的工程应用效果435.1.1 循环水泵高压变频调速系统的工程应用考核试验435.1.1.1 试验情况介绍435.1.1.2 试验参照的标准及有关说明445.1.2循环水泵高压变频调速系统的工程应用的可靠性效果445.1.3循环水泵高压变频技术应用的经济效果465.1.3.1 冬季工况循环水泵高压变频技术应用的经济效果475.1.3.2 春秋季工况循环水泵高压变频技术应用的经济效果505.1.3.3 夏季工况试验结果545.1.3.4 循环水总流量与循环水泵功耗关系575.1.3.5 各季节下最优循泵频率时凝汽器端差的变化对经济性的影响575.2 循环水泵高压变频调速系统的工程应用附加效果分析595.2.1降低电动机启动时的电流冲击595.2.2延长设备寿命595.2.3降低噪音595.2.4有效地降低启动时的输入谐波和电网干扰605.2.5启动工况改善605.3后记60第六章 总结与展望616.1 本文创新点616.2 结论626.3 展望62参考文献63致 谢66攻读学位期间发表的学术论文67below第一章 绪论1.1 课题研究的背景和意义近二十年来，随着电力电子技术和自动控制技术的发展，带动了现代电气传动技术日新月异的进步。交流变频调速取代直流调速已成为发展趋势。电机交流变频调速技术是当今节能、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动技术发展的一种主要手段。交流变频调速以其卓越的调速、启动制动性能、高功率因数、高效率和节能效果，广泛的适用性等诸多优点而被公认为最有发展前途的调速方式。当前我国电力仍然是以火力发电为主的格局，截止到2010年1月，我国火力发电机组装机容量已达8.75亿千瓦。据统计我国火电厂平均供电煤耗396g/(kWh)，比发达国家高出60-80g/kWh，其中一个主要原因就是国内火电厂的厂用电率明显偏高，主要大型辅机运行效率低下，使厂用电率长期徘徊在7%左右。随着电力市场竞价上网方针的贯彻实施，火力发电企业改善工艺流程、节能降耗势在必行。尤其是在2000年以前投运的老机组，如何进行设备改造、提高机组的运行效率、降低厂用电率和提高竞价上网能力是火力发电企业可持续发展的关键。目前，火力发电企业大型辅机能耗高，而且日益扩大的电网对火力发电机组参与调峰的能力要求越来越高，更使大型辅机能耗居高不下，严重制约了发电企业经济效益的提高。对发电企业大型辅机中的水泵、风机进行变频改造节能效果非常明显（一般可节电10%40%），降低了供电成本，提高了企业的综合效益。多年来的电力体制改革也已迫使火力发电企业越来越成为独立的市场经营者，主观上火力发电企业要不断地追求经济效益的提高，与此同时，由于我国电网的迅速发展，客观上又要求火力发电企业要不断地降低供电成本，适应竞价上网的需要。因此，采用变频调速技术，以其卓越的调速性能、显著的节能效果和容易与DCS控制系统接口实现自动调节等特点，必将在火力发电企业的一次风机、送引风机、凝泵、循泵、给泵等高压大型辅机(大约占厂用电的80% )的改造中得到广泛的应用。高压大功率变频调速系统作为一种最新发展起来的高效节能的调速技术，能够很好的实现辅机的节能降耗。因此，在火力发电企业大型辅机上采用变频技术进行节能改造，是降低厂用电率和供电煤耗的最有效措施之一。此外，由于近五年我国电网的负荷峰谷差越来越大，频繁的调峰任务使火力发电机组的负荷率降低，增加了高压大型辅机的启停次数，同时伴随着对辅机、电动机及电网的冲击更加频繁。从华东地区发电厂高压电机的故障统计来看，高压电机在启动过程中因受冲击而造成过热、绝缘损坏以至烧毁的情况时有发生。而采用变频调速技术，可实现高压电机的软启动和软停车，即电机从零转数缓慢升至运行转数或从运行转速缓慢降至零转速，从而大大改善高压电机的运行环境，能延长大型辅机使用寿命1-6。前面论述了变频调速技术的诸多优点，但我国高压大功率变频器的工程设计应用还有很多问题需要完善，特别是火力发电厂中大型辅机的电动机大都采用6kV电压等级，要在高压大型辅机中运用变频调速技术，取得更大的节能降耗的效果，必须要解决高压变频调速技术应用中的许多工程实际问题(如高压电机变频运行较工频运行时发热增加、变频时的高次谐波、共振、噪音增大以及对继电保护装置的影响等)，因此本课题研究变频技术在600MW机组上的应用和推广是非常迫切和有现实意义的7-15。上海吴泾第二发电有限责任公司的两台600MW机组配置四台循泵，电动机容量3500kW，电压等级为6kV，循环水的供水方式采用扩大单元制（两台机组的循泵出口有联络电动蝶阀相互连通）。目前四台循泵电动机均为工频运行，夏季高温期间采用两台机组四台循泵运行(简称“二机四泵”),春秋两季基本采用“二机三泵”运行，冬季采用“二机二泵”的运行方式。这种调节方式存在以下问题:一是运行过程中调节响应慢，联络电动蝶阀频繁动作，易损坏，对可靠性有较大影响；二是机组低负荷时电动机仍然保持满负荷运行，循泵水流量偏大，造成部分能源损耗，当负荷进一步降低，循环水流量无法进一步调整，这时造成的浪费将更大。为了节能增效，提高调节灵敏度,同时结合已经进行的凝泵变频改造经验，我公司决定在2010年机组进行C级检修过程中对机组两台循泵加装高压变频器，这也为本课题的开展提供了更为具体的研究方向。1.2 国内外高压变频调速的发展与应用现状几十年来，电力电子器件也从最初的晶闸管 (SCR)、门极可关断晶闸管 (GTO)，经过双极型功率晶体管 (BJT)、金属氧化物场效应管 (MOSFET)、静电感应晶体管 (SIT)、静电感应晶闸管 (SITH)、MOS控制晶体管 (MGT)、MOS控制晶闸管 (MCT)，发展到今天的双极性晶体管(GTR)、绝缘栅双极型晶体管 (IGBT)、对称门极换流晶闸管(SGCT)、集成门极换流晶闸管(IGCT)、智能功率集成电路(IPM )，器件的更新促使高压变频器的应用领域更为广泛，市场规模随之迅速扩大。高压变频调速技术是弱强电混合，机电一体化的综合技术，既要处理巨大电能的转换，又要处理大量信息的收集、转换和传输，因此它可分为主电路拓扑结构和控制两大部分。主电路拓扑结构要解决与高压大电流相关的技术问题，控制要解决软硬件控制问题。主电路拓扑结构主要有两种：一种是二电平结构；一种是级联多电平结构。二电平结构由于其控制电路的复杂，在6KV及以上电压等级较难实现对逆变器的精确控制，因此高压变频调速多采用级联多电平主电路的结构形式。多电平因其采用功率单元模块化的形式，所以在使用中很容易进行维修，能实现在线更换功率单元，从而大大提高了高压变频器的可靠性。对逆变器的控制现阶段多采用是V/F方式，多电平时采用PWM单元移相叠加进行高压的输出，能得到比较好的正弦电压输出波形，但在低频时，由于采用了V/F方式进行控制，其谐波的含量较大。而谐波的大量存在，容易使电机产生额外的发热，进而会缩短电机的使用寿命。所以为了进一步减少谐波的影响，可采用空间矢量调制来对逆变器进行控制，其控制同理采用PWM技术进行。因此，未来高压变频调速技术也主要在主电路拓扑结构和控制两方面得到发展。同时，高压变频器也正在向模块化、低成本、大容量、高功率因数、高性能、绿色化的方向发展3-6。1.2.1 国内高压大功率变频器的发展现状 我国高压大功率变频技术的研究和产业化也紧跟国际潮流，在产业化方面与美国、日本等发达国家相比各有优劣，总体处于比较先进的水平。国内的电力、冶金、石化等行业对高压大功率变频器的需求量很大，而每年数量迅速增长，给我国的高压大功率变频器的产业化创造了非常好的市场条件。目前，我国高压大功率变频产品主要集中于功率单元级联型多电平结构。1996年，北京先行技术有限公司研制成功了功率单元串联多电平的高压变频器产品，并在1997年成功运用于石化行业；2000年，北京利德华福电气技术有限公司研制成了完全拥有自主知识产权的功率单元串联多电平结构的HARSVERT-A高压变频调速系统，并成功投入运行。很快，HARSVERT-A高压变频调速系统凭借先进的技术、优良的可靠性，和国外同类产品形成了相抗衡的阵势。2003年，上海发电设备成套设计研究院和上海科达机电控制有限公司也推出了具有多项创新技术的功率单元串联多电平高压变频产品，尤其是其开发的无极性电力电容，使用寿命达20年，大大降低了高压变频器后续维护使用的费用；功率单元串联多电平高压变频器得到了国内广大用户的高度认可，已成为我国高压大功率变频领域占有绝对优势的一种技术，被国内后起的大多数高压变频器生产厂家所采用，例如哈尔滨九洲、东方日立等。当然，随着国内高压变频器生产厂商的不断增多，也有许多新型的高压变频技术正在逐步被开发应用。例如:2003年，成都佳灵公司试制出了IGBT直接串联形高压变频器，该方案完全舍弃了输入输出变压器，使得其成为当前世界上体积与占地面积最小的产品，其效率高达98%；2004年，中山明阳龙源电力电子有限公司研制成功了国内第一台三电平高压变频器；2005年末，国电南京自动化股份有限公司与清华大学合作成功推出了基于IGCT 的三电平高压变频器。目前这几家公司已成功推出了拥有自主知识产权的高压变频产品。国产厂家制造变频器历史尽管相对较短，技术积累相对较少，但是国内产品价格较低，服务有优势。未来高压大功率变频器的发展趋势除了走国产化的道路，还会注重给客户提供整体节能方案及服务2-3。1.2.2 国内发电厂应用变频调速的现状发电煤耗、厂用电率已成为对发电厂考核的首要指标。此外，由于电网的迅速发展，对发电厂机组的调峰能力要求也越来越高，调节辅机以适应电力生产的安全、经济运行，直接影响到发电厂的发电成本。国内许多发电厂已采用变频调速技术对已建和新建机组高压大功率辅机（主要包括吸送风机、一次风机、凝泵、循泵等）进行改造，并取得了非常好的经济效益。1999年，大庆新华发电厂引进两套德国SIMENS生产的SIMOVERT-A6SC24系列变频器，安装在400kw的灰浆泵系统中，开创了全国发电厂高压大功率辅机变频改造的先河，也为发电厂高压变频调速技术的推广应用奠定了基础。而后该电厂采用美国ROBINCON（现被SIMENS下属公司合并）的HARM0NY（完美无谐波）变频装置对2300kW给水泵进行了变频改造；2000年，山东龙口发电厂在一台1000kW的吸风机上也安装了SIMENS公司生产的高压变频器。2001年，河南新乡火电厂为两台1250kW的送风机安装了美国ROBINCON的HARM0NY高压变频装置，年节电492万kWh，可节约156万元，三年能收回全部投资460万元。2002年，山东黄岛发电厂#1、#2炉的两台800kW吸风机引进美国罗克韦尔PowerFlex700变频装置，年节电560万kWh，可节约224万元，两年半左右即可收回全部投资460万元；同年，四川华蓥山发电厂4#炉的送引风机采用了4台北京利德华福的HARSVERT800kW6kV高压大功率变频器，河北陡河发电厂#3发电机组两台1000kW吸风机也采用HARSVERT高压变频调速系统，年节电600万kWh，投资回收期为两年半，这也掀开了国产高压大功率变频器在国内发电厂应用的新篇章。2003年，江苏徐塘发电有限责任公司在5 号机组的1000 kW凝结水泵安装了北京利德华福的HARSVERT-A型高压大功率变频器，两年内可收回全部投资200万元。2004年，云南宣威发电厂在一台1250kW凝泵安装了北京合康亿盛公司的HIVERT 系列高压变频器。2005年，黑龙江牡丹江第二发电厂# 6 给水泵安装了罗克韦尔A-B公司的变频器，额定功率为2300kW。2006年，安徽淮北国安电力有限公司2号引进 300 MW机组1000kW凝泵进行了高压变频改造，变频器选用东方日立(成都)电控设备有限公司生产的DHVECTOLDI系列产品，全年节电量约为226万kWh。2007年，上海吴泾第二发电有限责任公司对两台机组的2000kW的凝泵进行了变频改造，变频器选用上海发电设备成套设计研究院和上海科达机电控制有限公司生产的MAXF250060002800高压变频装置，年节电量可达740多万kWh，可节约260多万元，不到两年时间内可收回改造投资费用470万元。2008年山东潍坊发电有限公司在#3、#4号机组2240kW凝泵上安装了北京利德华福电气技术有限公司生产的HARSVERT-A06/260 型高压变频器7-11, 13-17。综上所述，在2002年以前发电厂采用的变频器多为国外品牌，其价格相对较高，这也使得项目投资回收期较长。虽然国外高压变频技术总体而言优势是明显的，但在发电厂应用情况来看，也存在很多问题，具体表现为：维护成本高；备品备件方面不能满足发电设备运行需要；人机界面不能很好满足发电厂使用和维护上的需要；电压波动适应性上不能完全满足发电厂设备运行需要；在设计制造上也存在一些设计和质量方面问题，给发电厂用户造成了一定的经济损失。而在2003年后，随着国产变频器品牌的崛起，尤其是国产高压变频器弥补了上述国外高压变频技术在国内发电厂使用中碰到的问题，使得变频器投资呈逐年下降趋势，这就扩大了变频器应用的范围，发电厂也越来越愿意在大功率辅机的变频改造上进行投资。1.2.3 国外高压大功率变频器的发展现状国外第一台高压变频器-交一交变频调速系统，由日本东芝公司在1980年研制成功，电动机容量为1800KW。其良好的使用效果得到了高压变频行业的广泛关注。此后，国外许多处于世界领先地位的大公司都对高压大功率变频器的开发研究极其重视，尤其对泵、风机类负载电机的高压变频调速装置的开发更是如此。经过多年的发展，国外高压大功率变频器调速技术取得了巨大的进步，并向交一直一交变频和直接高压型方式发展。国外最具代表性的产品有：美国洛克韦尔自动化公司(AB)的高压变频器PowerFlex700系列，最大功率可达1.1万kW，其结构为交一直一交电流源型，采用功率器件SGCT串联的两电平逆变器；美国罗宾康(ROBICON)公司利用功率单元串联多电平化技术，生产出功率最大可达1万KW的完美无谐波高压变频器；SIEMENS公司变频器SIMOVERT MV系列采用3300V或更高的MV-IGBT元件，其逆变器采用的是二电平PWM逆变技术。ABB公司采用IGCT直接串联二电平方式，能提供单机容量6万kW的设备用于抽水蓄能电站；除此之外，通用电气、阿尔斯通、三菱、富士和日立等公司也有类似产品推出12, 18-26。1.2.4 国外发电厂应用变频调速的现状国外发电厂把锅炉给水泵作为推广应用变频调速节能改造的主要对象之一，其原因有:(1) 节能潜力大；(2)功率大。例如美国一火电厂的140MW机组的锅炉给水泵采用了高压变频调速系统后, 年节电效益达160万美元。此外，美国发电厂开始大量应用GTO型高压变频器。截止到1989年已有65台以上GTO电流源变频器在发电厂大型电机上使用，功率最高可达5400KW；美国300MW燃气机组在两台3000KW辅机上安装GTO型两台高压变频调速装置，全年可节省费用100万美元，两年可收回投资。2003年，日本竹原火电厂在一台7000kW的吸风机安装了日立公司生产的高压直接变频器，节电最高可达70%。日本已经用变频器调速技术改造了几百台火电厂的大功率辅机, 现在已开始大量在60OMW以上容量的机组上采用。国外发电厂已经将高压变频调速技术广泛地应用于大功率辅机电机中，通过长期运行实践可见，高压大功率变频调速系统的经济效益良好，其可靠性也是可以得到保证的18,26。1.3 本文主要研究内容本次课题研究的目标是解决功率单元串联多电平式变频调速系统在600MW机组循环水泵上的工程应用，并对其应用效果及产生的节能量进行综合分析。主要研究内容及需要解决的问题如下：第一，研究功率单元串联多电平式变频调速系统在循环水泵上的应用，解决调速系统运行的连续可靠性。第二，在完成变频改造的基础上，通过在不同循环水温度不同机组负荷不同凝汽器背压下进行变频循泵的频率调整试验及变频循泵和工频循泵的切换试验，解决联络电动蝶阀的频繁动作和机组低负荷阶段的循环水过量问题，并最终确定最优的循泵优化运行方案。第三，在最优运行方案的基础上，通过对大量数据的分析，完成循泵变频改造的效果评估。具体研究分为以下几个方面进行:1、从变频器的基本原理入手，对不同类型的高压变频技术形态进行对比分析，重点研究分析功率单元串联变频调速的原理，为循环水泵应用变频技术打下理论基础。2、分析国内外高压变频技术在火力发电厂的应用现状，结合上海吴泾第二发电有限责任公司凝结水泵变频改造的成果，对循环水泵采用变频技术的可行性进行论证，并在此基础上，确定采用国产功率单元串联多电平式变频器调速系统对循环水泵进行变频改造。3、通过散热系统的改进、功率单元的选型、启动方式的选择以及分部和整体调试，解决循泵变频改造前后的问题和故障，从而保证循泵变频调速系统的连续可靠性。4、在循环水泵变频改造完成后，通过现场变频器特性试验，变频工频并列运行试验和循泵系统优化运行试验等一系列试验，制定出循环水系统优化运行方案。5、对循环水泵变频改造前后运行数据进行比较分析，做出循泵变频改造的效果评估。 第二章 高压变频调速系统的基本理论2.1 高压变频调速的原理和控制方式 2.1.1 高压变频调速的原理异步电机的同步转速遵从电机学的一个基本公式式中电机定子绕组的磁极对数（）一定，改变电源频率（），即可改变电机同步转速。异步电机的实际转速总低于同步转速，而且随着同步转速变化而变化。电源频率增加，同步转速增加，实际转速也增加；电源频率下降，异步电机转速也下降，这种通过改变电源频率实现速度调节的过程称为变频调速。 在工程中，鼠笼式电机在电机总数量中占大部分。因此，对高压鼠笼式电机的调速控制成为电力行业中电机调速的主要部分。在变频调速技术中，向高压电机提供频率可变的电源并控制电机转速是由高压变频器完成的。高压变频器是变频调速系统的核心部分。变频器与电动机完美的控制配合构成了性能优良的变频调速系统3, 23-31。2.1.2 变频调速的控制方式 三相异步电机定子每相电动势的有效值是： 式中气隙磁通在定子每相中感应电势有效值，单位为V； 定子频率，单位为HZ； 定子每相绕组串联匝数；基波绕组系数；每极气极隙磁通量，单位为Wb。因此，只要控制和，便可达到控制磁通的目的。变频调速的控制方式可分为以下2种 (一)基频以下的恒磁通变频调速 要保持不变，当频率从额定值向下调节时，必须降低，使为常数，即采用但定电势频率比的控制方式。这种控制又称为恒磁通变频率调速，属于恒转矩调速方式。绕组中的感应电动势是难以直接检测和控制的，当电势较高时，可以认为定子相电压，则有为常数。这就是恒压频比的控制方式，是近似的恒磁通控制。低频时，和都比较小，定子阻抗压降就比较大一点，不能再忽略了。这时，可人为地把抬高一些，以便近似地补偿定子压降，使气隙磁通基本保持不变，如图2-1所示。图2-1 恒压频比控制特性Fig. 2-1 Constant-frequency characteristics than the control (二)基频以上的弱磁变频调速在基频以上调速时，频率可以从往上增高，但是电压却不能增加得比额定电压还要大，这是由于受到电源电压的制约，最多只能保持=不变。这样，必然会使主磁通随着的上升而减小，相当于直流电机弱磁调速的情况。属于近似的恒功率调速方式。 综上所述两种情况，异步电动机变频调速的控制方式如图2-2所示。图2-2 异步电动机变压变频调速控制特性Fig. 2-2 Induction motor VVVF speed control characteristics2.2 高压变频器的基本组成常用高压变频器基本组成主要包括硬件和软件系统两部分，分别阐述如下：2.2.1 高压变频器硬件系统组成高压变频器硬件系统主要由主回路(包括整流器、逆变器、中间直流环节)和控制回路构成。分别阐述如下:一、 主回路1整流器称电源侧的变流器为整流器，其作用是把工频交流电整流变成直流电。2逆变器 称负载侧的变流器为逆变器。最普通的结构是用六个半导体主开关器件组成的桥式逆变电路。按要求控制逆变器中主开关的断与通的状态，可以得到频率连续变化的交流电输出。3中间直流环节 由于逆变器的负载为高压异步电机，属感性负载。无论电机处于电动状态还是发电制动状态，其功率因数总小于1。因此，在电机与中间直流环节之间一直会有无功功率的交换。这种无功能量要靠中间直流环节的储能元件(电抗器或者电容器)来缓冲。所以把中间直流环节习惯性称为直流储能环节。二、 控制回路控制回路由下列回路构成：对电压、频率协调控制的运算回路；主回路的电压/电流检测回路；电机的驱动回路；速度检测回路；逆变器和电机的保护回路。控制回路没有接收异步电机转速检测信号而根据设定参数工作时，为开环状态；若将电机运行的速度信号也作为控制信号，则控制回路处于闭环状态。闭环控制可进行精确的控制。1、运算回路将检测回路中的电压、电流信号同反馈的转矩信号、速度信号进行比较并运算，决定了逆变器的输出电压与频率。2、电压/电流检测回路检测出主回路的一些主要电压、电流量，这种检测可通过霍尔元件等这一类的传感器来实现。3、驱动电路将运算回路给出的控制信号放大，控制主回路主开关元件按规律关断与导通。4、速度检测回路速度检测器测出的转速信号，送入运算回路，经比较运算后，再由运算回路给出转速指令。5.保护回路对主电路进行安全监测，进行过流、过载、过压的保护，保证逆变器和异步电机安全运行。目前的控制电路已基本实现数字化控制。2.2.2 高压变频器软件系统组成高压变频器系统具有很多功能，而且不同产品的具体功能也不同，但从系统控制软件的角度出发，可归纳为以下六个功能： 电机运行：这是高压变频器系统功能的最基础和主要部分，包含所有与电机运行相关的功能，如转向控制、调速、启动、制动等。 状态监测：指监测变频调速系统的关键参数，如电流、电压，电压一般检测直流母线上的电压，而电流有直流母线电流和电机线电流的不同选择，或两者都监测。软件通过监测上述关键参数可以判别高压变频调速系统的运行状况。 故障处理：如果监测到高压变频调速系统发生故障，则需要判断和调节处理。一般而言，需要区分和处理的故障至少包含过电压、过电流、过热、缺相等。而对这些不同种类的故障的不同处理，取决于现场经验积累和理论分析。 人工控制：提供一套人机界面系统，运行人员可通过其监测和控制系统的运行，包括设定运行参数等，目前这种界面大多采用触摸液晶屏作为输入、显示设备。 自动控制：提供一些必要的电子接口，通过这些接口可实现其它设备例如PLC来监测和控制系统的运行，但不提倡通过接口来设置变频调速系统内部的参数。 主控：对上述五个功能的调度、相互间信息的传递及控制。在这个基础上，功能较齐全的高压变频器可能会加入一些较复杂且具有自行判断和命令记忆的功能，但这些都是基于上述基本功能分类之后在特殊情况和特殊参数下的组合设计。因此，在选用设计高电压变频器控制软件时，需要考虑上述六项基本功能并加以实现。2.3 常见的两种高压变频器高压变频器，按其主电路结构可分为交交方式和交直交方式两大类。交直交变频方式按中间直流滤波环节的不同可分为：电流源型、三电平PWM 电压源型、功率单元串联多电平PWM 电压源型、直接高高型、电压浮动箝位式多电平电压源型、高低高电压源型等。本节重点讨论常见的两种高压变频器，分别是电流型变频器和功率单元串联多电平PWM电压源型变频器32-40。2.3.1 电流源型变频器 图2-3是电流源型变频器主电路的典型结构。其特点是中间直流环节采用大电感作为储能元件，无功功率通过该电感来缓冲。由于电感的作用，直流电流趋于平稳，电机的电流波形为阶梯波或方波，电压波形接近于正弦波。由于直流电源的内阻较大，近似于电流源，故称其为电流源型变频器。 电流源型变频器的一个突出优点是，当电机处于再生发电状态时，回馈到直流侧的再生电能可方便地回馈到电网，不需要在主电路内附加任何设备。电流源型变频器可用于频繁减速、急加的大容量电机的传动，以及大容量风机与泵的节能调速。图2-3 电流源型变频器的主电路框图Fig. 2-3 Current source inverter main circuit diagram电流源型高压变频器由于中间直流环节大电感的电流不能突变，所以当出现负载短路、晶闸管击穿等问题时有充分的时间进行电流保护，可靠性较高。但电流源型变频器输入侧的功率因数较低，电抗器的发热量较大，其效率比电压源型变频器低，且由于采用电流控制，输出滤波器的设计也较麻烦；此外，其输出侧电压电流波形不如功率单元串联多电平PWM电压源型变频器好，对网侧谐波的影响也较功率单元串联多电平PWM电压源型变频器大。所以电流源型变频器在高压大功率异步电机应用上的竞争优势不明显。2.3.2 功率单元串联多电平PWM电压源型变频器功率单元串联多电平PWM电压源型变频器采用多个独立的功率单元串联的方式实现直接高压输出。该变频器具有输入功率因数高、可实现冗余、对电网谐波污染小、不需要采用输入谐波滤波器和功率因数补偿装置，且输出波形质量好、dv/dt低、不存在谐波引起的电机转矩脉动和等附加发热特点，不用加装输出滤波器就可以应用于普通高压异步电机。其主电路结构如下图2-4所示：电压经过二次侧多重化的移相隔离变压器降压后给各功率单元供电，功率单元为三相输入，单相输出的交直交PWM电压源型逆变器结构，将相邻功率单元的输出端串联起来，形成Y联结结构，实现变压变频的高压直接输出，供给高压异步电机。以额定6kV输出电压等级15个功率单元为例，每相由5个额定电压为690V的功率单元串联而成，输出相电压3460V，线电压6kV，每个功率单元承受全部的电机线电流，但只提供1/5的相电压和1/15的输出功率。每个功率单元分别由移相隔离变压器的一组副边供电，各功率单元之间及变压器二次绕组之间相互绝缘。二次绕组采用移相接法，可实现多重化，以达到降低输入电流谐波的目的，同时，变频器输入的综合功率因数可保持在0.95以上。逆变器输出采用多电平移相式PWM技术，输出电压非常接近正弦波。输出电压每个电平台阶只有单元直流母线电压大小，所以dv/dt 很小，从输出电压电平数上看，相电压为6电平，线电压为11电平，这有利于改善输出波形，降低输出谐波，以及由谐波引起的转矩脉动和电机发热、噪音也都大大降低，所以这种变频器对电机没有特殊要求，可直接用于普通高压异步电机。图2-4 功率单元串联多电平PWM电压源型变频器的主电路框图Fig. 2-4 Power unit in series multi-level PWM voltage source inverter main circuit diagram此外，功率单元串联多电平结构的另一个重要优点是可实现冗余功能，如某一相的某个功率单元因故障退出运行，则此功率单元将自动旁路，变频器仍可继续运行，此时该相的输出由其他4个功率单元承担，采取自动平衡技术后，输出线电压可维持在94%以上，仍可满足额定运行工况。与采用高压器件直接串联的变频器相比，由于不是采用传统的器件串联的方式来实现高压输出，而是采用整个功率单元串联，器件承受的最高电压为单元内直流母线的电压，可直接使用低压功率器件，器件不必串联，不存在器件串联引起的均压问题。当然，采用这种主电路拓扑结构会使器件的数量增加，但功率单元采用低压IGBT功率模块，驱动电路简单，技术成熟可靠。另外，功率单元采用模块化结构，同一变频器内的所有功率单元可以互换，维修也非常方便。采用单元串联结构后，整个装置的等效开关频率是单个单元的5倍，而单元的开关频率可以做得更高，从这个角度出发，输出电压的高次谐波含量也相当低。但由于单元输入采用二极管整流电路，能量不能回馈电网，变频器不能四象限运行20-35, 39。2.4 高压变频调速在发电厂应用中必须关注的问题目前上海市内发电企业已有多台大功率辅机采用了高压变频调速节能改造，最长运行时间已近6年，今后将会有更多的大功率辅机加入到高压变频节能改造这个行列中。对火电厂来说，设备的可靠运行是最重要的要求之一。任何一台高压辅机变频调速设备，不管其性能多么优越，节能多么显著，如果可靠性没有保证，这一切都将无从谈起。因为一旦大功率辅机因变频调速系统故障而非正常停运，往往会导致机组减出力运行，严重时更会引起非计划停运，从而造成“两非”事故，而这带来的损失，远远超过节能收益。因此，高压变频调速系统在发电厂的应用，对其可靠性有非常高的要求。本文在总结高压变频调速系统在火力发电厂应用的同时，将特别关注以下几个问题41-44：1、控制电源断电不停机当发电厂生产现场提供的交流和直流控制电源都断电时，高压变频器能自行无扰切换到自带的UPS电源供电，做到控制电源断电时，仍然能保证高压变频调速系统的安全连续运行。2、厂用电切换时变频器不跳闸 机组在启停或者事故状态下，6kV母线需要进行厂用电切换，在切换过程中，辅机往往产生较大的电压波动,且持续时间有时可能较长。针对发电厂的这种运行工况，高压变频器应具备抗电压大幅度波动的能力，做到电压波动在士15%以内时，变频器仍然可以保持额定输出；电压波动在15%35%以内时，变频器能瞬间降出力运行，待电压恢复正常后，能自动恢复到原来的工作状态，以减少电压波动造成的设备跳闸事故。3、功率单元冗余技术 发电厂运行的所有设备，可靠性永远排在第一。功率单元是高压变频调速系统最易出现故障的部件，通过设置旁路功能，能对故障功率单元实现在线更换，这样既不影响设备的连续运行，又能大大提高调速系统运行可靠性。此外，功率单元柜的冷却风扇也需要冗余设计，确保在其中一个冷却风扇故障后变频调速系统仍然能保持额定出力。4、PLC或DCS接口技术高压变频调速系统设计不仅要有丰富的模拟量输入输出与I/0接口，同时也应具备和现场数据通讯的接口，以便和现场控制系统进行数据通讯交换信息。在PLC或DCS的频率给定信号丢失时，变频器能进行有效识别，发出报警信息的同时，维持原输出频率不变；对采用模拟量输入输出接口，需做光电隔离。在变频器组成的控制系统设计过程中，尽量不采用模拟输入输出接口，特别是在控制距离大于lm的情况下。5、针对特殊运行工况进行特殊设计(1)发电厂的大功率辅机多为水泵与风机，应用高压变频调速的目的是节能。因此需认真做好节能计算，尤其在计算时应考虑到高压变频调速系统的使用寿命20年。(2)根据发电厂的实际运行情况，各电厂对高压辅机的调速系统要求千差万别。实际应用中，应根据变频改造后的实际要求进行改造并在DCS或PLC上实施有效的控制策略，以满足调速系统安全可靠运行的要求。(3)采用变频调速控制后，电机转速下降，如变频器长时间工作在额定频率一半以下，则发热有可能成为比较突出的问题，一方面是由于自冷却风扇因转速低而效率降低，另一方面则是谐波引起的损耗发热。如果出现这种情况，还须采取其他的强迫风冷或对电机进行冷却系统改造等措施。(4)性能测试和节能效益评估。高压变频调速系统性能测试应按照国家相关标准中的有关要求进行。重点关注以下三个方面: 实际运行效率和功率测试； 变频调速系统对电机的振动和轴电压的影响；与热工控制系统以及电气开关的传动和联锁试验。第三章600MW机组循环水泵高压变频调速系统工程应用 3.1循环水泵的运行现状分析上海吴泾第二发电有限责任公司安装有两台亚临界600MW汽轮发电机组，其中汽轮机是由上海汽轮机有限公司制造。每台机组配两台循环水泵（循环水泵技术参数见表3-1），一座冷却面积为9000m2的自然通风冷却塔。从凝汽器来的循环水通过自然通风冷却塔冷却。四台循环水泵安装在循环水泵房内，循环水的供水方式采用扩大单元制，两台机组的循环水泵出口有联络电动蝶阀（共2个）相互连通。循环水泵控制权放在集控室，可以遥控对两台机组的四台循环水泵任意组合运行和启、停，也可在循环水泵房内就地进行启、停操作和运行监测。表3-1 循环水泵技术参数Table 3-1 Circulating pump technology parameters电动机循环水泵型号：DKAJJ，1034-16WE额定功率：3500kW额定电压：6kV额定电流：443A额定转速：372r/min电气控制方式： PLC程控型号：SEZA20-130泵出力：37080/44496 m3/H泵水头：27.0/20.1 m泵转速: 370 r/min夏季高温期间四台循环水泵全部运行，春秋两季基本采用三台循环水泵运行，冬季每台机组各一台循环水泵运行（具体见表3-2所示）。四台循环水泵电机均为工频运行，按照目前的运行方式，电动机保持满负荷运行时厂用电率上的损耗要大于热力循环提升后得到的收益而少开一台循泵时厂用电率上的收益又要小于热力循环降低后造成的损失。为了节能增效，提高调节灵敏度，我公司决定在2010年机组进行C级检修过程中对2台机组循环水泵加装高压变频器。为了使这项工作积极有效的推进，对循环水泵应用高压变频技术方案进行了全面论证。表3-2 近年循环水泵运行方式比较表Table 3-2 In recent years, circulating pump operation mode comparison table年份机组出力系数一机二泵二机二泵二机三泵二机四泵2006年74.92%13384212148017302007年80.91%20463067 1698 1949 2008年78.01%24152631 1881 1858 2009年69.66%26692858