高压大容量变频器在火力发电厂中的应用

1、高压大容量变频器在火力发电厂中的应用摘 要：介绍了訂询高压变频器产品的特点，以及高压变频器在火力发电厂应用时 的三种接线方案，分析了这三种接线方案的优缺点和适用场合，并从设讣的角度提 出了一些需要注意的问题。应用实例的运行情况表明，在火力发电厂中应用高圧大 容量变频器，可降低发电厂的厂用电率，提高机组的运行性能。关键词：火力发电 厂高圧变频器接线随着交流变频调速技术的高速发展，低压变频器以其通用性 广、可靠性高、控制灵活以及通信的网络化、容量的扩大化等特点在各个领域已得 到了广泛应用。同时，由于新型电力电子器件如绝缘栅双极晶体管（IGBT）、集成 门极换向晶闸管（IGCT）等的出现，计算机技术

2、的发展和新型的控制理论（如矢量 控制技术、直接转矩控制技术）的应用，高压变频器（国外称之为中压变频器）也 得到了快速发展。其应用主要是在冶金、纺织、化工等工业领域，近两年才在发电 厂得到少量应用。1高圧变频器的特点同低压变频器相比，高压变频器具有以下特 点：a）低压变频器功率元件多为IGBT。对于某些小容量变频器则釆用了智能功率 模块（IPM）,如日立公司生产的J300系列就釆用了 IPM,该系列最大容量为76 k VAo而高压变频器元件釆用的功率元件种类较多，各种元件的耐压和通流能力不 同，应用的变频器型式也不同。具有代表性的高压变频器和功率元件如表1所示。世界上生产高圧变频器的厂家较多，除

3、表1外还有其它厂家，如俄罗斯莫斯科电力 科学研究院（华能北京热电厂在热网水泵上采用了该公司3TBA系列变频器），法 国CEGELEC公司，日本三菱公司.东芝公司，意大利的ANSALDO公司等。我国口前 也有一些公司生产高压变频器，如成都东方凯奇电气有限责任公司、北京先行新机 电技术有限责任公司等。b）由于低压IGBT在低压变频器中得到了广泛应用，所以 低压变频器已趋于电压源型；而对于高压变频器，仍在千方白计地寻求办法解决功 率元件的耐压问题。H前高压变频器有多种电路结构，如三电平电压源型、多电平 电压源型、电流源型和采用低压单相变频器吊联的高压变频器。不同型式的高圧变 频器各有优缺点。即使同为

4、三电平电压源型，内部电路结构也不完全相同，如ABB 公司的主推产品ACS1000型变频器和西门子公司的主推产品SIMOVERT MV型变频器 均为三电平电圧源型，但是由于分别釆用了 IGCT和IGBT,内部电路结构存在差 异。c）对于相同容量的变频器，低压变频器要比高圧变频器便宜很多。正是山于高 压变频器具有上述特点，使变频器的选型和方案设计难度比较大。2高压电动机选 用变频器的接线方案比较根据当前高压变频器的特点，高压电动机配用变频器也就 出现了多种方案。2.1高一低一高方案高一低一高方案的接线见图1。这种方案是将电源电压经过输入变压器（整流变压器）降压，再经过低圧变频器变 频变压，最后经过

5、输出变圧器升压，供给高圧电动机。该方案的优点是采用了低圧 变频器。山于低圧变频器同高圧变频器相比价格较低，故全套方案的经济性较好。 而且低圧变频器技术成熟，可靠性较高。该方案的缺点是整个系统复杂，占地面积 大，损耗大。特别是在早期的方案中，由于低压变频器单台容量不够，有将2台同 型号的变频器并联使用的情况，使这些缺点更加突出。该方案适用于改造项LK有 空间或中小容量的电动机，对于新建项口、大容量的电动机，各制造商均不推荐该 方案。2.2高一低方案高一低方案接线见图2。这种方案是将电源电圧经过输入变圧器（整流变压器）降圧，再经过低圧变频器变 频变压后，直接供给低压电动机。在爱沙尼亚塔林换热站项L

6、I中，业主就采用这种 方案为一台600 k W电动机配用输出电压为690 V的变频器。我国的发电厂中容量 大于200 k W的电动机多为高压电动机，故在改造项中，需要将旧的高压电动机改 为低压电动机。同高一低一高方案相比，该方案不但具备了高一低一高方案的优 点，而且减少了一台输出变压器，节省了占地面积，降低了初始投资和运行费用。 同釆用高压变频器相比，该方案的缺点是占地面积大，输出电缆数量较多，线路损 耗和电压较大，电动机接线困难。该方案适用于中小容量的电动机，而且输入变压 器和变频器距离电动机不能太远。从这一方案延伸出去，利用变频器可以实现软起 动，起动电流小。那么，是否可以突破文献1的规定

7、，选择380 V低压电动机 呢？笔者认为如果满足以下条件，可以选择380 V低压电动机：a）技术经济比较合 理；b）校验电动机正常起动和成组电动机自起动时，厂用母线电压满足文献1 的要求；C）电动机为标准产品。2.3直接采用拓压变频器如图3所示，12脉冲电 压源型高压变频器的输入变压器二次侧有2个绕组，其中一个为Y形，另一个 形。采用这种变压器的U的第一是产生12脉冲操作需要的相位差；第二是变圧器阻 抗可以抑制对电网所产生的谐波。同时，山于输入变压器的分布电容远大于电动机 绕组对机壳的电容，因此输入变圧器承担了大量的共模电压，降低了对电动机绝缘 的要求。这种方案虽然釆用了高圧变频器，但输入变压

8、器仍不能省去。同前两种方案相比, 这种方案减小了损耗，提高了效率，而且占地面积较小，电缆传输距离长，布置较 灵活，变频器同变压器可分开布置，如变圧器釆用干式变压器也可并列布置。该方 案的缺点是投资比较高。该方案特别适用于高圧大容量电动机。高圧变频器输出电 压主要有2. 3 k V, 3. 3 k V, 4. 16 kV和6 k V等。3. 3 k V变频器同6 k V变频 器价格相差较大，故对于大容量电动机的电压选择，各大公司有不同的看法。有的 公司认为在新建项H中应优先釆用3. 3 k V变频器，因为3.3 k V变频器同6 kV变 频器相比，不但经济而且可幕。因此新建项口尽量选择3 kV电

9、动机：对于改造项 U,可以将电动机中性点引出，将电动机绕组接线由Y形改为形。表2为某公司 提供的两种高圧变频器方案和高一低一高方案的经济比较。3高圧变频器在火力发电厂中的应用3.1应注意的问题发电厂中应用高压变频器时 应注意的问题：a）发电厂中的高压电动机多为风机和水泵，应用高压变频器的主要 H的是节能和实现自动控制。因此，如出于节能的口的使用变频器，则需认真做好 节能讣算，计算时应考虑到高压变频器的使用寿命约为20年。b）大多数变频器均 支持标准的工业通信协议，因此在设计控制回路时尽可能通过通信接口同分散控制系统（DCS）或程控系统交换数据。沙岭子发电厂6号机渣浆泵配用的变频器（法国 施耐德

10、公司生产的ATV66型变频器）同程控系统（ModiconPLC）连接就是通过 Modbus +进行数据交换。它带来如下好处：1）可以很方便地通过一根双绞线传输多 个信号，节省了控制电缆；2）只需1块网卡即可完成多块I/O卡件才能完成的工 作，减少了程控系统的I/O卡件；3）减少了通过电缆传输的谐波量。如果釆用模 拟量输入输出口，应做光电隔离。c）变频器对电压变化比较明显，如输入电压低于 正常电压的30%时，有的变频器会自动停止运行，需要复位后再起动。而文献1 规定成组电动机自起动时，高压厂用母线电压不低于正常电压的65%70%； 类电 动机在电源消失9 s后才跳闸，如9 s内电源恢复应能自起动

11、。这些同变频器的性 能存在矛盾，在设计时应充分考虑。d）对于采用母管制的风机，当一台运行另一台 起动时，由于出口阀不严，此时待起动的风机可能处于反转状态，转速可达100 200 r/s,这对变频器的起动提出了严格的要求。选择变频器时要考虑这一点。e） 高压变频器及其输入变压器的质量可能多达数吨，因此尽量布置在0m层，如布置 在配电间（6 k V配电间楼板的平均设计荷载为800 kg/m2）则尽量使承重点放在 梁上，并提请土建专业人员注意。如笔者为某发电厂容量为1 800 k W的风机增加 高压变频器时，输入变圧器的荷载达2 to f）解决好通风问题。山于变圧器和变频 器的散热量大，应用管道将热

12、风引到室外。g）变频器要求环境温度为040C,当 可能出现0C以下的情况时，应考虑增加加热器。h）高速风机存在共振临界转速。 设定变频器运行频率时应躲开共振频率。3.2谐波问题任何高压变频器均会产生谐 波污染，只是程度不同而已。如6脉冲晶闸管电流源型变频器输入电流的5次谐波 可达20% 7次谐波可达12%,而山于晶闸管的快速换向，会产生更高次谐波，对电 话等通信设备的线路产生干扰。国际上对电网谐波污染控制的标准中，应用较为普 遍的是IEEE519-1992,我国应用较为广泛的是国家标准GB / T145491993电能 质量公用电网谐波。高压变频器产生的谐波次数同整流回路的脉冲数有关，谐 波次

13、数=NXK1.式中N=l, 2, 3；K整流回路脉冲数。高压变频器对电网的谐波污染解决的办法是尽量釆用12脉冲或更高脉冲的变频器。12 脉冲的变频器销掉了 5次和7次谐波，同时增大变频器前的输入变压器阻抗也可减 少谐波含量。高圧变频器对电动机的影响高圧变频器存在的输出谐波会引起 电动机附加发热，导致电动机额外升温，电动机往往要降容使用。同时，曲于输出 波形失真，会影响电动机的绝缘，谐波还会引起电动机转矩脉动，噪声增加。解决 的办法是选用特制电动机，或增加输出滤波器，或选择单元串联多电平变频器。 谐波对通信设备的影响变频器逆变电路的功率元件在快速开闭时，会将高频 电磁波辐射到空中，对变频器附近的

14、无线电接收装置产生干扰。解决的办法主要 有：使用通过EHC标准的设备：采用输入输出谐波低的变频器；采用屏蔽电缆；变 频器柜外壳接地。3.3应用实例从儿个主要的高圧变频器制造商提供的业绩来看， 高压变频器在火力发电厂的应用还比较少，主要应用在引风机、送风机、电动给水 泵、渣浆泵等设备上。下面简要介绍大庆新华发电厂在锅炉引风机上应用高压变频 器的情况。大庆新华发电厂总装机容量500 MW （2台50MW机组、2台100 MW机 组、一台200 W机频器，未更换电动机。1999年1月变频器投入运行。电动机的 主要参数：型号YKK6304-8额定功率1 250 k W额定电压6 kV额定频率50 Hz

15、 绝缘等级F级转速744 r/min功率因数0. 85根据该厂提供的月报表统计结果(机组月平均负荷为180 MW)可知，引风机改用变频器前的月耗电量为1 306. 875 Wh,用变频器后月耗电量为856235 HWh,月节电约3448%。该厂运行人员反 映，山于该机组为燃油炉改燃煤炉，炉膛负压不好控制，增加了变频器后，炉膛负 压基本实现自动控制，起停引风机也比较方便。但是，该机组未釆用DCS,无法验 证高圧变频器对DCS的干扰程度。4结论随着厂网分开和竞价上网的深入开展，降 低厂用电率和提高机组的运行性能是发电厂面临的重要问题。发挥变频调速设备尤 其是高压变频器显著的节能效果，可以降低发电厂的厂用电率；发挥变频调速设备 优异的调速性能，可以提高发电厂设备控制精度，减少电动机和出口阀门的磨损。 变频器在发电厂