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新鄉(xiāng)豫新發(fā)電廠高壓變頻器節(jié)能分析

摘要：降低廠用電率，降低發(fā)電成本，提高上網(wǎng)電能的競(jìng)爭(zhēng)力，已成為各火電廠努力追求的經(jīng)濟(jì)目標(biāo)。近幾年電網(wǎng)的負(fù)荷峰谷差越來(lái)越大，頻繁的調(diào)峰任務(wù)使部分輔機(jī)仍然運(yùn)行在工頻狀態(tài)下，造成大量電能流失。本文著重介紹了高壓變頻器的工作原理及實(shí)際運(yùn)行情況的詳細(xì)節(jié)能分析，使我們對(duì)其節(jié)能效果以及典型風(fēng)機(jī)水泵節(jié)能計(jì)算有了更進(jìn)一步認(rèn)識(shí)。因此得出結(jié)論高壓變頻調(diào)速技術(shù)的日趨成熟，在電力系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，節(jié)能效果明顯。
關(guān)鍵詞：調(diào)速高壓變頻器功率單元 IGBT 節(jié)電率
一、引言
　　眾所周知，高壓電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用極為廣泛，它是工礦企業(yè)中的主要?jiǎng)恿�，在冶金、鋼鐵、化工、電力、水處理等行業(yè)的大、中型廠礦中，用于拖動(dòng)風(fēng)機(jī)、泵類、壓縮機(jī)及各種大型機(jī)械。其消耗的能源占電動(dòng)機(jī)總能耗的70%以上，而且絕大部分都有調(diào)速的要求，由于高壓電機(jī)調(diào)速方法落后，浪費(fèi)大量能源而且機(jī)械壽命降低。上世紀(jì)90年代，由于變頻調(diào)速技術(shù)在低壓電動(dòng)機(jī)應(yīng)用得非常成功，人們開始研究高壓電動(dòng)機(jī)變頻技術(shù)的應(yīng)用，設(shè)計(jì)了高-高電壓源型變頻技術(shù)方案。該方案采用多電平電路型式（CMSL），由若干個(gè)低壓PWM 變頻功率單元，以輸出電壓串聯(lián)方式（功率單元為三相輸入、單相輸出）來(lái)實(shí)現(xiàn)直接高壓輸出的方法。經(jīng)過我廠多方調(diào)研、比較，最后選擇同北京利德華福電氣技術(shù)有限公司合作。本文將從HARSVERT-A系列高壓變頻器的工作原理及實(shí)際運(yùn)行狀況兩方面分析河南新鄉(xiāng)豫新發(fā)電廠引風(fēng)機(jī)、凝結(jié)水泵的節(jié)能情況。
二、高壓變頻器的工作原理
（一）變頻器的結(jié)構(gòu)：現(xiàn)以6kV五級(jí)單元串聯(lián)多電平的高壓變頻器為例。
　　1．系統(tǒng)主回路：內(nèi)部是由十五個(gè)相同的功率單元模塊構(gòu)成，每五個(gè)模塊為一組，分別對(duì)應(yīng)高壓回路的三相，單元供電由干式移相變壓器進(jìn)行供電，原理如圖1。

圖1：變頻器的結(jié)構(gòu)

　　2．功率單元構(gòu)成：功率單元是一種單相橋式變換器，由輸入干式變壓器的副邊繞組供電。經(jīng)整流、濾波后由4個(gè)IGBT以PWM方法進(jìn)行控制（如圖2所示），產(chǎn)生設(shè)定的頻率波形。變頻器中所有的功率單元，電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相同，實(shí)行模塊化的設(shè)計(jì)，控制通過光纖發(fā)送至單元控制板。原理框圖如圖3所示。


圖2：功率模塊輸出的正弦PWM波形	圖3：功率模塊電路結(jié)構(gòu)

　　3．功率單元控制：來(lái)自主控制器的控制光信號(hào)，經(jīng)光/電轉(zhuǎn)換，送到控制信號(hào)處理器，由控制電路處理器接收到相應(yīng)的指令后，發(fā)出相應(yīng)的IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電路接到相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)后，發(fā)出相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電壓送到IGBT控制極，從而操作IGBT關(guān)斷和開通，輸出相應(yīng)波形。
　　功率單元中的狀態(tài)信息將被收集到應(yīng)答信號(hào)電路中進(jìn)行處理，集中后經(jīng)電/光轉(zhuǎn)換器變換，以光信號(hào)向主控制器發(fā)送。
（二）變頻器工作原理
1.變頻器調(diào)速原理
　　按照電機(jī)學(xué)的基本原理，電機(jī)的轉(zhuǎn)速滿足如下的關(guān)系式：
　　n=(1-s)60f/p=n0×（1-s）（P：電機(jī)極對(duì)數(shù)；f：電機(jī)運(yùn)行頻率；s：滑差）
　　從式中看出，電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速n0正比于電機(jī)的運(yùn)行頻率(n0=60f/p)，由于滑差s一般情況下比較�。�0-0.05），電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速n約等于電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速n0，所以調(diào)節(jié)了電機(jī)的供電頻率f，就能改變電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速。電機(jī)的滑差s和負(fù)載有關(guān)，負(fù)載越大則滑差增加，所以電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速還會(huì)隨負(fù)載的增加而略有下降。
2.變頻器結(jié)構(gòu)原理
　　無(wú)諧波高壓變頻器采用若干個(gè)低壓PWM變頻功率單元串聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)直接高壓輸出。6kV電網(wǎng)電壓經(jīng)過副邊多重化的隔離變壓器降壓后給功率單元供電，功率單元為三相輸入，單相輸出的交直流PWM電壓源型逆變器結(jié)構(gòu)，相鄰功率單元的輸出端串聯(lián)起來(lái)，形成Y接結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)變壓變頻的高壓直接輸出，供給高壓電動(dòng)機(jī)。以6kV輸出電壓等級(jí)為例，每相由五個(gè)額定電壓為690V的功率單元串聯(lián)而成，輸出相電壓最高可達(dá)3450V，線電壓達(dá)6kV左右。改變每相功率單元的串聯(lián)個(gè)數(shù)或功率單元的輸出電壓等級(jí)，就可以實(shí)現(xiàn)不同電壓等級(jí)的高壓輸出。每個(gè)功率單元分別由輸入變壓器的一組副邊供電，功率單元之間及變壓器二次繞組之間相互絕緣。二次繞組采用延邊三角形接法，實(shí)現(xiàn)多重化，以達(dá)到降低輸入諧波電流的目的。對(duì)于6kV電壓等級(jí)變頻器而言，給15個(gè)功率單元供電的15個(gè)二次繞組每三個(gè)一組，分為5個(gè)不同的相位組，互差12度電角度，形成30脈沖的整流電路結(jié)構(gòu)，輸入電流波形接近正弦波，這種等值裂相供電方式使總的諧波電流失真低至1%左右，變頻器輸入的功率因數(shù)可達(dá)到0.95以上。原理如圖4所示。

圖4：?jiǎn)卧?lián)輸出結(jié)構(gòu)圖

3．變頻器輸出波形疊加原理：
　　高壓變頻器在運(yùn)行后，將輸入的工頻的三相高壓交流電轉(zhuǎn)化為可以進(jìn)行頻率可調(diào)節(jié)的三相交流電，其電壓和頻率按照V/F的設(shè)定進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)，保持電機(jī)在不同的頻率下運(yùn)行，而定子磁心中的主磁通常保持在額定水準(zhǔn)，提高電機(jī)的轉(zhuǎn)換效率。因此多重疊加的應(yīng)用，高壓變頻器輸出電壓的諧波含量很低，已達(dá)到常規(guī)供電電壓允許的諧波含量，同時(shí)輸出電壓的dV/dt較小，不會(huì)增加電機(jī)繞組的應(yīng)力，可以向普通標(biāo)準(zhǔn)型交流電動(dòng)機(jī)供電，不需要降容或加輸出濾波電抗器，保證了高壓設(shè)備的通用性。多電平單元串聯(lián)疊加的三相波形如圖5所示。

圖5：多電平單元串聯(lián)疊加的三相輸出波形

三、對(duì)300MW機(jī)組引風(fēng)機(jī)系統(tǒng)變頻節(jié)能分析
　　引風(fēng)機(jī)屬于鍋爐輔機(jī)設(shè)備中的高能耗設(shè)備，其輸出功率不能隨機(jī)組負(fù)荷變化而變化，只有通過改變檔板的開度來(lái)調(diào)整風(fēng)壓和風(fēng)量，造成很大部分能量消耗在節(jié)流損失中。針對(duì)以上能源浪費(fèi)的現(xiàn)象，采用高壓變頻技術(shù)對(duì)電廠重要用電設(shè)備進(jìn)行技術(shù)改造，是電廠節(jié)能降耗提高競(jìng)價(jià)上網(wǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力的有效途徑。
1．現(xiàn)場(chǎng)情況介紹：
　　1）#2發(fā)電機(jī)組容量：300MW
　　2）配置引風(fēng)機(jī)數(shù)量：2臺(tái)
　　3）年運(yùn)行時(shí)間：7920h
　　4）上網(wǎng)電價(jià)：0.25元
　　5）設(shè)備參數(shù)見下表1：

電動(dòng)機(jī)		引風(fēng)機(jī)
型號(hào)	YKK800-3-8	型號(hào)	AN28e6靜葉可調(diào)軸流引風(fēng)機(jī)
電動(dòng)機(jī)功率Pdn（kW）	2000	額定流量（m3/S）	258
電動(dòng)機(jī)電壓U0（KV）	6	全壓（Pa）	4315
電動(dòng)機(jī)電流I0（A）	254
電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n0（r/min）	746
功率因數(shù)	0.89

6）發(fā)電機(jī)組不同負(fù)荷下引風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行參數(shù)統(tǒng)計(jì)見下表2：

機(jī)組負(fù)荷（MW）	平均運(yùn)行時(shí)間(%)	靜葉開度(%)		全壓（Pa）		電機(jī)電流(A)
機(jī)組負(fù)荷（MW）	平均運(yùn)行時(shí)間(%)	A引風(fēng)機(jī)	B引風(fēng)機(jī)	A引風(fēng)機(jī)	B引風(fēng)機(jī)	A引風(fēng)機(jī)	B引風(fēng)機(jī)
180	6	36.4	37.1	1419.34	1473.24	99.01	117.03
190	4	38.9	40.4	1558.41	1575.91	100.46	118.14
200	7	40.5	42.8	1701.89	1680.37	102.31	120.61
210	7	42.3	44.3	1804.92	1790.02	104.29	123.07
220	9	45.8	46.1	1889.11	1893.98	106.77	125.47
230	10	48.2	47.6	1987.83	1989.29	109.43	128.25
240	2	50.5	49.8	2085.38	2096.32	112.23	130.45
250	7	52.5	53.4	2146.67	2169.91	114.04	132.21
260	6	55.4	56.1	2301.87	2313.34	117.37	135.16
270	7	57.9	60.4	2491.81	2538.13	122.81	138.02
280	8	61.8	64.7	2682.38	2792.18	125.63	142.81
290	6	64.1	67.3	2844.12	3009.46	132.11	148.14
300	21	67.3	70.2	3056.13	3265.79	140.06	154.39

機(jī)組負(fù)荷（MW）	平均運(yùn)行時(shí)間(%)	A引風(fēng)機(jī)電流(A)	B引風(fēng)機(jī)電流(A)	功率因數(shù)	兩臺(tái)引風(fēng)機(jī) 工頻總功率（kW）
180	6	99.01	117.03	0.78	1751.17
190	4	100.46	118.14	0.79	1794.64
200	7	102.31	120.61	0.8	1853.27
210	7	104.29	123.07	0.81	1913.81
220	9	106.77	125.47	0.82	1979.02
230	10	109.43	128.25	0.83	2050.08
240	2	112.23	130.45	0.83	2093.20
250	7	114.04	132.21	0.83	2124.00
260	6	117.37	135.16	0.85	2230.65
270	7	122.81	138.02	0.86	2331.07
280	8	125.63	142.81	0.87	2426.98
290	6	131.11	147.14	0.88	2544.59
300	21	139.06	153.39	0.89	2704.84


圖6：電動(dòng)機(jī)效率與負(fù)荷率關(guān)系曲線	圖7：變頻器效率與負(fù)荷率關(guān)系曲線

電動(dòng)機(jī)在變頻狀態(tài)下，引風(fēng)機(jī)變頻功耗計(jì)算值見下表4：

機(jī)組負(fù)荷（MW）	平均運(yùn)行時(shí)間 (%)	A引風(fēng)機(jī)全壓（Pa）	B引風(fēng)機(jī)全壓（Pa）	電機(jī)效率	變頻器效率	兩臺(tái)引風(fēng)機(jī)網(wǎng)側(cè)總功率（kW）
180	6	1419.34	1473.24	0.92	0.94	779.17
190	4	1558.41	1575.91	0.92	0.94	878.755
200	7	1701.89	1680.37	0.93	0.95	964.215
210	7	1804.92	1790.02	0.93	0.95	1056.57
220	9	1889.11	1893.98	0.93	0.95	1140.58
230	10	1987.83	1989.29	0.94	0.95	1216.37
240	2	2085.38	2096.32	0.94	0.95	1311.42
250	7	2146.67	2169.91	0.94	0.96	1361.06
260	6	2301.87	2313.34	0.95	0.96	1488.87
270	7	2491.81	2538.13	0.95	0.96	1694.05
280	8	2682.38	2792.18	0.95	0.96	1923.79
290	6	2844.12	3009.46	0.95	0.96	2127.31
300	21	3056.13	3265.79	0.95	0.96	2387.93

機(jī)組負(fù)荷	工頻總功率（kW）	變頻總功率（kW）	節(jié)電率（%）
180	1751.17	779.17	55.51
190	1794.64	878.755	51.03
200	1853.27	964.215	47.97
210	1913.81	1056.57	44.79
220	1979.02	1140.58	42.37
230	2050.08	1216.37	40.67
240	2093.20	1311.42	37.35
250	2124.00	1361.06	35.92
260	2230.65	1488.87	33.25
270	2331.07	1694.05	27.33
280	2426.98	1923.79	20.73
290	2544.59	2127.31	16.40
300	2704.84	2387.93	11.72

圖8：引風(fēng)機(jī)系統(tǒng)節(jié)能效果圖

水泵型號(hào)	NLT350-400×6	功??? 率（Pb）	1120kW
額定流量（qv,max）	745m3/h	效??? 率（η）	0.78
額定揚(yáng)程（H）	321 m	水位高度差（H0）	0.23 m

4）配套電機(jī)參數(shù)見下表7：

電動(dòng)機(jī)型號(hào)	YKSL500-4	額定電壓（U0）	6kV
額定功率（Pdn）	1120kW	效??? 率（η）	0.94
額定電流（I0）	125.5A	功率因數(shù)（cosφ）	0.9
轉(zhuǎn)??? 速（n0）	?1486r/min

5）發(fā)電機(jī)組不同負(fù)荷下凝結(jié)水泵運(yùn)行參數(shù)統(tǒng)計(jì)見下表8：

機(jī)組負(fù)荷（MW）	200	220	250	280	300
平均運(yùn)行時(shí)間(%)	8.0	8.1	20.7	17.5	45.7
調(diào)節(jié)門開度（%）	62.5	67.7	73.2	82.6	88.3
凝結(jié)水流量（t/h）	557.0	595.5	637.1	702.1	749.6
電機(jī)電流（A）	88.6	90.7	92.6	95.9	98.5
除氧器壓力（MPa）	0.43	0.51	0.59	0.67	0.72
母管壓力（MPa）	3.28	3.26	3.19	3.11	3.07

電動(dòng)機(jī)在工頻狀態(tài)下，各負(fù)荷電動(dòng)機(jī)實(shí)際功耗計(jì)算值見下表9：

機(jī)組負(fù)荷（MW）	200	220	250	280	300
平均運(yùn)行時(shí)間(%)	8.0	8.1	20.7	17.5	45.7
電機(jī)電流(A)	88.6	90.7	92.6	95.9	98.5
工頻功耗(kW)	828.6	848.3	866.1	896.9	921.2

將各負(fù)荷情況下的流量Q代入公式④、⑤，可求出泵的出口壓力H；具體數(shù)值見下表10：

機(jī)組負(fù)荷（MW）	200	220	250	280	300
平均運(yùn)行時(shí)間(%)	8.0	8.1	20.7	17.5	45.7
凝結(jié)水流量（t/h）	557.0	595.5	637.1	702.1	749.6
泵出口壓力（m）	169.73	184.76	202.13	231.62	254.98

4．凝結(jié)泵變頻調(diào)速情況下的功耗計(jì)算：
　　將凝結(jié)泵在100％開度情況下的預(yù)期工況值代入公式⑤可求得：λ＝3.89×10-3。
　　采用凝結(jié)泵變頻調(diào)速時(shí)，不同負(fù)荷下泵的泵功率P由公式⑤計(jì)算得出。若考慮電機(jī)效率和變頻器效率，根據(jù)上述公式③、④求出網(wǎng)側(cè)功率損耗Pb。具體結(jié)果見下表11：

機(jī)組負(fù)荷（MW）	200	220	250	280	300
平均運(yùn)行時(shí)間(%)	8.0	8.1	20.7	17.5	45.7
凝結(jié)水流量（t/h）	557.0	595.5	637.1	702.1	749.6
泵功率（kW）	361.96	421.25	493.05	622.61	731.77
電機(jī)效率	0.92	0.92	0.93	0.94	0.95
變頻器效率	0.95	0.95	0.95	0.96	0.96
網(wǎng)側(cè)功率（kW）	414.1419	481.9794	558.0645	689.949	802.3794

Cb= 4725836.47 kW?h
　　因此，采用變頻運(yùn)行時(shí)，每年凝結(jié)泵耗電量約為472.58萬(wàn)度電。
5．節(jié)能計(jì)算：
　　年節(jié)電量：ΔC= Cd－Cb = 624.57－472.58= 151.99萬(wàn)kW?h
　　節(jié)電率：（ΔC/Cd）×100% =（151.99 / 624.58）×100% =24.33 %
　　按照2006月至2007的1年的運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析，2＃機(jī)組凝結(jié)泵經(jīng)變頻改造后，每年可節(jié)約151.99萬(wàn)度，折合發(fā)電成本：151.99×0.25=38萬(wàn)元。
五、結(jié)論
　　通過對(duì)300MW機(jī)組引風(fēng)機(jī)、凝結(jié)水泵系統(tǒng)的詳細(xì)節(jié)能分析論證：采用高壓變頻器對(duì)兩臺(tái)引風(fēng)機(jī)和凝結(jié)泵進(jìn)行變頻改造，改靜葉開度為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)是切實(shí)可行的，能夠起到降低廠用電率的目的。而且，在系統(tǒng)的安全可靠性、設(shè)備維護(hù)量等方面具有良好的收益。

參考文獻(xiàn)
　　[1] 高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)HARSVERT-A系列技術(shù)手冊(cè) 北京利德華福電氣技術(shù)有限公司
　　[2] 高壓變頻器應(yīng)用資料匯編－電力行業(yè) 北京利德華福電氣技術(shù)有限公司

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公司簡(jiǎn)介
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 供應(yīng)信息

公司名稱：	北京利德華福電氣技術(shù)有限公司
聯(lián) 系人：	總機(jī)轉(zhuǎn)
電　　話：	010-010-89776666
傳　　真：	010-69764853
地　　址：	北京市昌平區(qū)陽(yáng)坊鎮(zhèn)陽(yáng)坊工業(yè)南區(qū)
郵　　編：	102205
主　　頁(yè)：	http://www.ld-harvest.com

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