高壓變頻器在國(guó)電電力邯鄲熱電廠的應(yīng)用
2007/4/12 8:59:00
1 引言 隨著能源問(wèn)題日益的突出,節(jié)能問(wèn)題愈來(lái)愈受到重視。據(jù)統(tǒng)計(jì),目前全國(guó)各類(lèi)電機(jī)年耗電量約占全國(guó)總發(fā)電量的65%,而其中大功率風(fēng)機(jī)、泵類(lèi)是年耗電量約占工業(yè)總耗電量的50%,最大限度地降低風(fēng)機(jī)、泵類(lèi)等設(shè)備的耗電量對(duì)于節(jié)能具有重要意義。國(guó)家發(fā)改委已正式將“電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能”列為“十一五”的十大節(jié)能工程之一。 發(fā)電廠既是電能的生產(chǎn)者,又是電能的消費(fèi)者,由于電力體制改革中廠網(wǎng)分開(kāi)、競(jìng)價(jià)上網(wǎng)的出現(xiàn),廠用電率已成為發(fā)電廠考核的重要指標(biāo),直接關(guān)系到電廠的經(jīng)濟(jì)效益和競(jìng)爭(zhēng)力。風(fēng)機(jī)是火力發(fā)電廠重要的輔助設(shè)備之一,提高風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率對(duì)降低廠用電率具有重要的作用。傳統(tǒng)的風(fēng)機(jī)風(fēng)量控制大多是通過(guò)調(diào)節(jié)擋板的開(kāi)度來(lái)實(shí)現(xiàn),風(fēng)機(jī)及電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在低效率工作區(qū),能源浪費(fèi)嚴(yán)重,同時(shí)工頻直接啟動(dòng)對(duì)電動(dòng)機(jī)和電網(wǎng)的電流沖擊很大,并容易造成電機(jī)籠條松動(dòng)、有開(kāi)焊斷條的危險(xiǎn)。 基于以上原因,國(guó)電電力邯鄲熱電廠先對(duì)#11引風(fēng)機(jī)進(jìn)行了變頻改造,通過(guò)考察,最后選擇了在質(zhì)量、價(jià)格及服務(wù)上有一定綜合優(yōu)勢(shì)的廣東明陽(yáng)龍?jiān)措娏﹄娮佑邢薰?,我公司變頻器在廠內(nèi)一次投運(yùn)成功后,運(yùn)行可靠,節(jié)能效果顯著。電廠隨后又對(duì)#11送風(fēng)機(jī),#12送、引風(fēng)機(jī)進(jìn)行了變頻改造,共引進(jìn)8臺(tái)高壓變頻器。 2 高壓變頻器的組成和原理 MLVERT-D系列高壓變頻器是廣東明陽(yáng)龍?jiān)措娏﹄娮佑邢薰旧a(chǎn)的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán),無(wú)電網(wǎng)污染的調(diào)速系統(tǒng),采用的結(jié)構(gòu)為多單元串聯(lián),輸出為多電平移相式PWM方式。特別適合于風(fēng)機(jī)、泵類(lèi)工業(yè)應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng),已經(jīng)被廣大工業(yè)用戶接受和充分認(rèn)可。下面以6kV系列為例說(shuō)明其原理,變頻器主電路結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。 圖1 高壓變頻器主電路原理圖 該高壓變頻器具有運(yùn)行穩(wěn)定、調(diào)速范圍廣、輸出波形正弦好、輸入電流功率因數(shù)高、效率高等特點(diǎn),對(duì)電網(wǎng)諧波污染小,總體諧波畸變THD小于4%,直接滿足IEEE519-1992的諧波抑制標(biāo)準(zhǔn),功率因數(shù)高,不必采用功率因數(shù)補(bǔ)償裝置,輸出波形好,不存在諧波引起的電機(jī)附加發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問(wèn)題,不必加輸出濾波器,就可以使用普通的異步電機(jī)。 2.1 輸入變壓器 MLVERT-D系列高壓變頻器的輸入側(cè)隔離變壓器采用移相式變壓器,變壓器原邊繞組為6kV,副邊共18個(gè)繞組分為三相。每個(gè)繞組為延邊三角形接法,分成6個(gè)不同的相位組,分別有±5o、±15o、±25o移相角度,形成36脈波的二極管整流電路結(jié)構(gòu)。每個(gè)副邊繞組接一個(gè)功率單元,這種移相接法可以有效地消除35次以下的諧波。對(duì)電網(wǎng)諧波污染小,直接滿足IEEE519-1992的諧波抑制標(biāo)準(zhǔn)。 2.2 功率單元 如圖1,電網(wǎng)送來(lái)的三相6KV/50HZ交流電經(jīng)輸入變壓器降壓后給功率單元供電,功率單元為三相輸入,單相輸出的交直交PWM電壓源型逆變器結(jié)構(gòu),相鄰功率單元的輸出端串接起來(lái),形成Y接結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)變壓變頻的直接輸出,6kV輸出電壓每相由6個(gè)額定電壓為580V的功率單元串聯(lián)得到,輸出相電壓3480V,線電壓可達(dá)6kV。 每個(gè)功率單元采用電壓源型結(jié)構(gòu),直流環(huán)節(jié)為濾波電容,電機(jī)所需的無(wú)功功率由電容提供,而不需要和電網(wǎng)交換,變頻器輸入功率因數(shù)高,可保持在0.96以上,且在整個(gè)速度范圍段內(nèi)基本保持不變,不需采用功率因數(shù)補(bǔ)償裝置。 每個(gè)功率單元通過(guò)光纖通訊接收主控系統(tǒng)發(fā)送的調(diào)制信息以產(chǎn)生負(fù)載電機(jī)需要的電壓和頻率,而功率單元的狀態(tài)信息也通過(guò)光纖反饋給主控系統(tǒng),由主控系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一控制。該光纖是模塊與主控系統(tǒng)之間的唯一連接,因而每個(gè)功率單元與主控系統(tǒng)是完全電氣隔離的。 2.3 高壓變頻器PWM技術(shù) 高壓變頻器的PWM技術(shù)是變頻器研究中一個(gè)關(guān)鍵技術(shù),它不僅決定功率變換的實(shí)現(xiàn)與否,而且對(duì)變頻器輸出電壓波形的質(zhì)量,電路中有源和無(wú)源器件的應(yīng)力,系統(tǒng)損耗的減少與效率的提高等方面都有直接的影響。 MLVERT-D系列高壓變頻器采用了移相式多電平PWM技術(shù),它是傳統(tǒng)的兩電平PWM技術(shù)的擴(kuò)展,它的本質(zhì)是PWM技術(shù)與多重化技術(shù)的有機(jī)結(jié)合。這里以2單元串聯(lián)的高壓變頻器為例說(shuō)明其基本原理,圖2給出了2單元串聯(lián)高壓變頻器其中一相的串聯(lián)示意圖。 圖2 兩個(gè)功率單元串聯(lián)示意圖 圖3給出了移相式多電平PWM調(diào)制的波形圖。圖中2個(gè)載波調(diào)制同一信號(hào)波,調(diào)制方法是,當(dāng)信號(hào)波大于三角載波時(shí),給出導(dǎo)通控制信號(hào);相反則給出關(guān)斷控制信號(hào)。 圖3中每個(gè)功率單元兩個(gè)半橋上下橋臂開(kāi)關(guān)管互補(bǔ)導(dǎo)通和關(guān)斷,驅(qū)動(dòng) 、 、 、 開(kāi)關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)、由此產(chǎn)生的兩個(gè)功率單元輸出電壓波形以及合成電壓波形如圖所示。圖中,兩個(gè)功率單元的載波互差180度相位角。對(duì)于n個(gè)功率單元串聯(lián),載波應(yīng)互差φ=360/n度相位角。 圖3載波移相多電平PWM調(diào)制 由圖3得出,移相多電平PWM調(diào)制的實(shí)質(zhì)是各單元采用共同的調(diào)制波信號(hào),各載波的相位相互錯(cuò)開(kāi)載波周期的1/n,對(duì)每個(gè)功率單元進(jìn)行SPWM控制,通過(guò)載波的移相,使得每個(gè)功率單元輸出的PWM脈沖相互錯(cuò)開(kāi),這樣在疊加后,使輸出波形為多電平(相電壓 種電平,線電壓4n+1種電平輸出),同時(shí)輸出波形的等效開(kāi)關(guān)頻率達(dá)到單元開(kāi)關(guān)頻率的n倍,大大改善輸出波形,減少輸出諧波,使輸出電壓非常接近正弦波。同時(shí)輸出電壓的每個(gè)電平臺(tái)階只有單元直流母線電壓大小,dv/dt很小,對(duì)電機(jī)沒(méi)有危害,不必設(shè)置輸出濾波器,就可以使用原有的電機(jī)。其輸出波形如圖4所示。 圖4 高壓變頻器的輸出電壓和電流波形 3 引風(fēng)機(jī)變頻改造方案 3.1 變頻器選型 這里以#11爐引風(fēng)機(jī)改造為例進(jìn)行說(shuō)明,它是兩臺(tái)雙側(cè)布置,甲乙兩臺(tái)引風(fēng)機(jī)均采用調(diào)節(jié)風(fēng)板開(kāi)度的方式控制風(fēng)量,由于電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)冗余較大,加上風(fēng)量控制采用檔風(fēng)板引起的阻力損耗,電能的浪費(fèi)特別嚴(yán)重,影響機(jī)組的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。 一般情況下,變頻器容量應(yīng)不小于電動(dòng)機(jī)容量,這樣能滿足電機(jī)在額定出力內(nèi)進(jìn)行不同轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。但在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)工作中,根據(jù)實(shí)際運(yùn)行工況來(lái)選擇合適的變頻器容量,既能滿足生產(chǎn)需要,又能節(jié)省變頻器投資及減少配套設(shè)施。國(guó)電電力邯鄲電廠#11引風(fēng)機(jī)電機(jī)為6KV/1000KW電機(jī),設(shè)計(jì)時(shí)有很大的裕量。為了滿足50Hz時(shí)滿負(fù)荷運(yùn)行要求,為其配備了容量為1250kVA的變頻器以滿足各種工況下不同轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的要求。 3.2 系統(tǒng)方案 對(duì)電廠引風(fēng)機(jī)變頻的改造遵循了“最小改動(dòng),最大可靠性,最優(yōu)經(jīng)濟(jì)性”原則,為兩臺(tái)引風(fēng)機(jī)電機(jī)配備了各自的變頻器調(diào)速裝置,同時(shí)為了充分保證系統(tǒng)的可靠性,為每臺(tái)變頻器加裝工頻旁路裝置,當(dāng)變頻器異常時(shí),將電機(jī)直接手動(dòng)切換到工頻下運(yùn)行,確保系統(tǒng)正常工作。每臺(tái)電機(jī)的變頻方案示意圖如下圖所示。 圖5 引風(fēng)機(jī)變頻方案示意圖 圖5工頻旁路由3個(gè)高壓隔離開(kāi)關(guān)組成,為了確保不向變頻器輸出端反送電,K1與K3采用一個(gè)雙投隔離開(kāi)關(guān),實(shí)現(xiàn)自然機(jī)械互鎖,并采用S7-200PLC控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電氣連鎖,避免系統(tǒng)誤操作。當(dāng)K2、K3閉合,K1斷開(kāi)時(shí),電機(jī)運(yùn)行在變頻狀態(tài);當(dāng)K2、K3斷開(kāi),K1閉合時(shí),電機(jī)工頻運(yùn)行,此時(shí)高壓變頻器從高壓中隔離出來(lái),便于檢修、維護(hù)和調(diào)試。 進(jìn)行變頻改造后,引風(fēng)機(jī)的風(fēng)板開(kāi)度保持全開(kāi),基本不需要改變。根據(jù)實(shí)際所需的風(fēng)量,由DCS系統(tǒng)通過(guò)PID調(diào)節(jié),輸出4~20mA模擬電流信號(hào)送給變頻器,變頻器通過(guò)調(diào)節(jié)輸出頻率改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速,達(dá)到調(diào)節(jié)風(fēng)量的目的,滿足運(yùn)行工況的要求。 同時(shí),變頻改造后電機(jī)在啟動(dòng)和調(diào)節(jié)過(guò)程中,轉(zhuǎn)速平穩(wěn)變化,沒(méi)有出現(xiàn)任何沖擊電流,解決了電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的大電流沖擊問(wèn)題,消除了大啟動(dòng)電流對(duì)電機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)和主機(jī)的沖擊應(yīng)力,大大降低維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用。 4 節(jié)能分析 4.1 節(jié)能原理 與傳統(tǒng)的采用調(diào)節(jié)風(fēng)門(mén)的方式調(diào)節(jié)風(fēng)量相比,調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速來(lái)控制風(fēng)量的方法有著明顯的節(jié)能效果,其原理可由下圖來(lái)說(shuō)明。 圖5 風(fēng)機(jī)調(diào)速節(jié)能原理圖 圖中,曲線1為風(fēng)機(jī)在恒速n1下的風(fēng)壓-風(fēng)量(H-Q)特性曲線,曲線3為管網(wǎng)的風(fēng)阻特性(風(fēng)門(mén)全開(kāi))。 假設(shè)風(fēng)機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)工作在A點(diǎn),此時(shí)輸出風(fēng)量Q為100%,效率最高,軸功率為Ps1,與Q1和H1的乘積成正比,即Ps1與A-H1-0-Q1-A所包圍的面積成正比。 當(dāng)需要調(diào)節(jié)風(fēng)量時(shí),例如所需風(fēng)量從100%減小到50%,即從Q1減少到Q2時(shí),如果采用調(diào)節(jié)風(fēng)門(mén)的方法來(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)量,管網(wǎng)的風(fēng)阻曲線由曲線3變?yōu)榍€4。即減少風(fēng)門(mén)開(kāi)度增加了管網(wǎng)阻力,此時(shí)系統(tǒng)的工作點(diǎn)由原來(lái)的A點(diǎn)移至B點(diǎn),可以看出,風(fēng)量雖然降低了,但風(fēng)壓增加了,軸功率Ps2與B-H2-0-Q2-B成正比,它與Ps1相比,減少不多。 如果采用調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)量的方法,風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速由原來(lái)的n1降到n2,根據(jù)風(fēng)機(jī)參數(shù)的比例定律,可以畫(huà)出在恒速n2下的風(fēng)壓-風(fēng)量(H-Q)特性曲線5,風(fēng)機(jī)工作在C點(diǎn)。由圖可見(jiàn),在滿足同樣風(fēng)量Q2的情況下,風(fēng)壓將大幅度降低到H3,軸功率Ps2也明顯降低。所節(jié)約的功率與面積A-H1-0-Q1-A和C-H3-0-Q2-C之差成正比。由此可見(jiàn),用調(diào)速的方法來(lái)減少風(fēng)量的經(jīng)濟(jì)效益是十分顯著的。 由流體力學(xué)可知風(fēng)量Q與轉(zhuǎn)速n的一次方成正比,風(fēng)壓H與轉(zhuǎn)速n的平方成正比,軸功率Ps與轉(zhuǎn)速n的立方成正比,即Q ∞ n,H ∞ n²,Ps ∞ n³。 當(dāng)所需要的風(fēng)量減少,風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低時(shí),其軸功率按轉(zhuǎn)速的三次方下降。如所需風(fēng)量為額定風(fēng)量的80%,則轉(zhuǎn)速也下降為額定轉(zhuǎn)速的80%,那么風(fēng)機(jī)的軸功率將下降為額定功率的51.2%;當(dāng)所需要風(fēng)量為額定風(fēng)量的50%時(shí),風(fēng)機(jī)的軸功率將下降為其額定功率的12.5%。當(dāng)
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