作 者 ：國(guó)電電力大同發(fā)電有限責(zé)任公司 張廣強(qiáng) 廣東明陽(yáng)龍?jiān)措娏﹄娮佑邢薰? 馬學(xué)亮 盛迎新 摘 要 ：本文介紹了級(jí)聯(lián)多單元高壓變頻調(diào)速裝置在600MW空冷發(fā)電機(jī)組凝結(jié)水泵節(jié)能改造中的應(yīng)用，簡(jiǎn)述了裝置的工作原理和“一拖二”連接方法，并進(jìn)行了節(jié)能經(jīng)濟(jì)分析。 英文摘要 ：This paper introduces application of Medium Voltage AC Drive in the Energy-saving alteration of a Coagulate pump of a 600MW Air-cool power generator. It analyses the principle of the inverter system and the connection of two motor with one drive, at last it presents economic analysis. 關(guān)鍵詞： 高壓變頻驅(qū)動(dòng) 凝結(jié)水泵 節(jié)能 1 引言 國(guó)電電力大同發(fā)電有限責(zé)任公司位于山西省大同市,裝備有兩臺(tái)600MW新型空冷式發(fā)電機(jī)組,單臺(tái)機(jī)組的凝結(jié)水泵電機(jī)按照10kV、2240kW“一用一備”配置。實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn),在滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí),電機(jī)電流最大在100A左右,具有較大的功率裕度,設(shè)備運(yùn)行時(shí),特別在低負(fù)荷率時(shí),電機(jī)的電能浪費(fèi)比較嚴(yán)重,進(jìn)行節(jié)能改造勢(shì)在必行。 水泵用大功率電機(jī)的節(jié)能改造，目前主流的方法是調(diào)節(jié)水泵的運(yùn)行速度，或者采用葉片可調(diào)的先進(jìn)水泵。調(diào)節(jié)水泵的速度可以按照平方律調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩需求，達(dá)到立方律的功率降低，基本公式如下： 調(diào)節(jié)水泵葉輪的速度，對(duì)于大功率電動(dòng)機(jī)，過(guò)去多采用液力耦合器進(jìn)行有轉(zhuǎn)差損耗的調(diào)速，存在著維護(hù)費(fèi)用大，有泄漏的弊端。而且在大范圍調(diào)速時(shí)，由于轉(zhuǎn)差損失的存在，導(dǎo)致效率較低。 當(dāng)前的方法是使用變頻調(diào)速技術(shù)，將定頻的50Hz交流電通過(guò)電力電子器件進(jìn)行變換，得到頻率和電壓變化的交流電供應(yīng)給驅(qū)動(dòng)水泵的異步電動(dòng)機(jī)，調(diào)節(jié)異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，改變水泵的運(yùn)行狀態(tài)。異步電動(dòng)機(jī)的速度與轉(zhuǎn)差率s、頻率f和極對(duì)數(shù)p關(guān)系由下式確定： 大型電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性比較硬，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的轉(zhuǎn)差率很小，改變頻率可以線性改變電機(jī)轉(zhuǎn)速。 高壓電機(jī)的變頻驅(qū)動(dòng)有“電壓源”和“電流源”型，“電壓源”型還有“直接高—高”和“高—低—高”型，“直接高—高”方式還分為器件串聯(lián)和功率單元串聯(lián)多種。經(jīng)過(guò)技術(shù)論證，結(jié)合現(xiàn)在的電力電子產(chǎn)品技術(shù)水平、價(jià)格等因素，本次600MW發(fā)電機(jī)的10kV凝結(jié)水泵采用了廣東明陽(yáng)龍?jiān)措娏﹄娮佑邢薰镜腗LVERT-D10/2500.A型級(jí)聯(lián)多單元串聯(lián)多電平變頻調(diào)速裝置。 2 系統(tǒng)組成和變頻器原理 600MW發(fā)電機(jī)使用的兩臺(tái)凝結(jié)水泵的電動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)如下： 額定電壓：10kV±5%； 額定電流：147.9A； 額定轉(zhuǎn)速：1489r/min； 額定頻率：50Hz； 額定功率：2240kW； cosφ=0.90。 考慮到凝結(jié)水泵在發(fā)電機(jī)不同負(fù)荷下的實(shí)際運(yùn)行工況,最大電流在100A左右,從節(jié)約投資的角度出發(fā),將電機(jī)考慮成: 最大運(yùn)行功率：1750kW，電流120A。 選擇的變頻器參數(shù)如下： 型號(hào)：MLVERT-D10/2500.A； 額定電流：140A，設(shè)計(jì)容量2425kVA。 配套的變頻器用變壓器參數(shù)為： 型號(hào)：ZSTG-2575/10； 輸入電壓：10kV±5%； 輸入電流：149A； 額定容量：2580kVA ； 頻率：50Hz； 輸出電壓：610V； 移相組數(shù)：10大組對(duì)稱(chēng)移相，共30小組。 本系統(tǒng)使用高壓變頻器“一拖二”結(jié)構(gòu)，即采用一臺(tái)變頻器，輪流拖動(dòng)兩臺(tái)凝結(jié)水泵電機(jī)，完成凝結(jié)水系統(tǒng)的變頻控制運(yùn)行。通過(guò)取消節(jié)流閥的開(kāi)度控制，減輕管道水阻,降低電動(dòng)機(jī)的能量消耗,系統(tǒng)連接如圖1所示。 切換開(kāi)關(guān)QS1～QS6的不同狀態(tài)可以實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)電機(jī)A和B的“變頻”、“旁路”多種組合，滿足系統(tǒng)的運(yùn)行、檢修和備用等不同工作需要。 系統(tǒng)中的變頻器采用級(jí)聯(lián)多單元多電平電壓源逆變器為主的裝置，它由輸入變壓器、串聯(lián)的逆變單元和控制回路三個(gè)環(huán)節(jié)構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。 逆變器的每相由10個(gè)單元串聯(lián)而成，構(gòu)成星形接法無(wú)中點(diǎn)結(jié)構(gòu)送給電動(dòng)機(jī)。每個(gè)單元采用低壓的電力電子器件IGBT構(gòu)成一個(gè)浮動(dòng)電源低壓輸出的“H”橋結(jié)構(gòu)，如圖3所示： 它由輸入熔斷器、整流器、軟啟動(dòng)器、支撐電容器、H橋和旁通回路等構(gòu)成。其中軟啟動(dòng)器和旁通回路采用了晶閘管固體快速電路,取代了一般采用的直流繼電器結(jié)構(gòu)。單元內(nèi)的IGBT使用1700V耐壓的型號(hào),電容器采用進(jìn)口400V型號(hào)。軟啟動(dòng)電路可以有效保護(hù)合閘時(shí)的沖擊電流對(duì)支撐電解電容器的損害,并可在故障狀態(tài)下保護(hù)后續(xù)電路的安全;輸出旁路系統(tǒng)可以在單元發(fā)生部分故障時(shí),將輸出端短路,保持系統(tǒng)不斷電,提高運(yùn)行安全性。 “H”橋單元在4個(gè)開(kāi)關(guān)器件的不同狀態(tài)可以在輸出P+和P-之間得到不同的電壓如附表所示： [ALIGN=CENTER]附表 “H橋”輸出狀態(tài)表 [/ALIGN] 除上述9個(gè)有效開(kāi)關(guān)位置外，還有另外7種導(dǎo)致直流母線短路的無(wú)效組合，在對(duì)開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制時(shí)，需要回避這些狀態(tài)。單元輸出波形與控制波形如圖4所示。 [ALIGN=CENTER] 圖4 “H”橋輸出的PWM波與給定電壓波形[/ALIGN] 產(chǎn)生上述PWM波是通過(guò)給定波形與兩個(gè)三角形載波進(jìn)行比較后得到的，比較的波形如圖5所示。 [ALIGN=CENTER] 圖5 信號(hào)與載波[/ALIGN] 當(dāng)調(diào)制信號(hào)同時(shí)大于正、負(fù)載波信號(hào)（圖中與正載波相鄰的信號(hào)即負(fù)載波，文字未示出）時(shí)，輸出+V，同時(shí)小于正、負(fù)載波信號(hào)時(shí)，輸出-V，反之輸出0，或者稱(chēng)輸出短路。 每相串聯(lián)的10個(gè)單元使用的載波不同，依次進(jìn)行水平移相，得到的輸出PWM波會(huì)因?yàn)檩d波的原因有一些相位差異，變頻器系統(tǒng)在N單元級(jí)聯(lián)時(shí)，載波的相移反映到時(shí)間的滯后上可從下述公式得出： ΔT=（TC/2）/N （3） TC為載波周期，N為單元數(shù)。水平移相波形如圖6所示，單元輸出的PWM波形通過(guò)調(diào)制載波的相移調(diào)整。如圖7方法星形串聯(lián)連接，在串聯(lián)以后，單元PWM波中含有的諧波成分相互抵消，輸出線電壓的頻譜如圖8所示。如果只考慮50次以內(nèi)的諧波，諧波總失真度為0.037%，諧波第一大簇在4×N×FC=12kHz附近，這樣的諧波在電機(jī)的繞組漏感作用下，基本形不成電流，也就不存在諧波引起的轉(zhuǎn)矩和發(fā)熱。其對(duì)應(yīng)的器件開(kāi)關(guān)頻率并不高，僅600Hz，如果需要更低的開(kāi)關(guān)損耗，還可以使用更低的開(kāi)關(guān)頻率。 [ALIGN=CENTER] 圖6 信號(hào)與水平移相載波[/ALIGN] [ALIGN=CENTER] 圖7 單元電壓級(jí)聯(lián)[/ALIGN] [ALIGN=CENTER] 圖8 線電壓頻譜[/ALIGN] 3 變頻改造后的運(yùn)行效果 本次工程先后對(duì)8#、7#機(jī)組進(jìn)行了變頻改造，改造后的電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，啟動(dòng)電流大大減小，無(wú)合閘沖擊電流，電機(jī)運(yùn)行無(wú)異常振動(dòng)，程序界面使用方便，滿足了技術(shù)協(xié)議的有關(guān)要求。經(jīng)過(guò)半年多的運(yùn)行，取得了很好的節(jié)能效果。圖9、10表示了DCS記錄下的凝結(jié)水泵系統(tǒng)變頻、定頻輸入電流曲線。 [ALIGN=CENTER] 圖9 凝結(jié)水泵（8#A）72小時(shí)變頻運(yùn)行電流曲線[/ALIGN] [ALIGN=CENTER] 圖10 凝結(jié)水泵（7#A）72小時(shí)定頻運(yùn)行電流曲線[/ALIGN] 從記錄的圖中可見(jiàn)，使用定頻運(yùn)行的凝結(jié)水泵電機(jī)，在負(fù)荷同樣變化時(shí)，電流的變化僅從98A降低到82.5A，而變頻運(yùn)行，其輸入電流（工頻側(cè)）從58A降低到15A左右，對(duì)應(yīng)的功率分別為： 節(jié)能計(jì)算時(shí),考慮了定頻運(yùn)行的功率因數(shù)約為0.9，而變頻的功率因數(shù)近似為1，（實(shí)際考慮輸入變壓器因素后約0.96），從而每套系統(tǒng)節(jié)電,按保守計(jì)算約729kW，按年運(yùn)行6000h考核，年節(jié)電量： 6000×729=437萬(wàn)kW·h 折算電費(fèi)為： 437×0.32=140萬(wàn)元 一年左右即可收回設(shè)備投資。 按廠用電率計(jì)算，降低的百分?jǐn)?shù)為： 729/（600000×0.6+300000×0.4）×100%=0.152% 雖然比例不大,但是就具體設(shè)備而言經(jīng)濟(jì)效益明顯。 4 結(jié)束語(yǔ) 本次工程的變頻設(shè)備在600MW發(fā)電機(jī)組10kV凝結(jié)水泵系統(tǒng)的使用實(shí)踐表明,國(guó)產(chǎn)大功率高壓變頻器的技術(shù)水平和品質(zhì)已經(jīng)可以信賴(lài);使用國(guó)產(chǎn)化的變頻設(shè)備,可以滿足大功率發(fā)電機(jī)組的輔機(jī)控制。凝結(jié)水泵的變頻運(yùn)行可以大幅度節(jié)約耗電量,取得了顯著節(jié)能效果,降低了廠用電率。