一、 概述 長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)政府對(duì)節(jié)能工作十分重視，我國(guó)能源節(jié)約與資源綜合利用“十五”規(guī)劃提出高壓大功率變頻調(diào)速作為重點(diǎn)發(fā)展的節(jié)電技術(shù)之一，要求大力推動(dòng)高壓大功率變頻調(diào)速示范工程。 在工業(yè)領(lǐng)域，火力發(fā)電廠的節(jié)能是非常重要的一部分。目前，在我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)中，火電約占74%（發(fā)電量占80%）。因此，如何提高和改進(jìn)火電機(jī)組及其輔助設(shè)備的節(jié)能工作十分重要。我國(guó)的電力設(shè)備中，大容量，高參數(shù)的火電機(jī)組所占的比重小，整個(gè)火電發(fā)電能耗高。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)火電廠供電煤耗在400-420 克/千瓦時(shí)，比國(guó)外先進(jìn)國(guó)家高80-90克/千瓦時(shí)。火電廠的水耗也比較高，一般二次循環(huán)水的電廠，每百萬(wàn)千瓦耗水為1 立方米/秒，而國(guó)外先進(jìn)水平只有0.6-0.7 立方米/秒。此外，火電廠的送風(fēng)機(jī)，引風(fēng)機(jī)，給水泵，循環(huán)水泵，凝升泵，灰漿泵等設(shè)備由于種種原因造成大馬拉小車現(xiàn)象嚴(yán)重。而且發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)必須跟隨電網(wǎng)負(fù)荷需求的變化而不斷調(diào)節(jié)。因此，需要相應(yīng)地調(diào)節(jié)上述輔助設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，比如利用變頻調(diào)速技術(shù)改變?cè)O(shè)備的運(yùn)行速度，以調(diào)節(jié)給水量，給風(fēng)量的大小，可以既滿足生產(chǎn)要求，又達(dá)到節(jié)約電能，同時(shí)減少因調(diào)節(jié)擋板閥門(mén)而造成擋板閥門(mén)和管道的磨損及經(jīng)常停機(jī)檢修所造成的經(jīng)濟(jì)損失。因此，在火電廠的主要輔助設(shè)備上推廣采用變頻調(diào)速技術(shù)，能提高火電廠運(yùn)行和供電的可靠性，節(jié)約大量能源，為火電廠帶來(lái)較大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。 火電廠廠用電設(shè)備主要包括：鍋爐送引風(fēng)機(jī)、鍋爐給水泵、循環(huán)水泵、磨煤機(jī)等四大輔機(jī)和其它的廠用電設(shè)備。發(fā)電能源、系統(tǒng)構(gòu)成和機(jī)組配置不同，造成廠用電率的差異。一般機(jī)組容量大，機(jī)組參數(shù)高則廠用電率低。風(fēng)機(jī)和水泵是發(fā)電廠中耗電量最多的設(shè)備，在火電廠中，風(fēng)機(jī)和水泵的耗電量約占廠用電量的65%左右。對(duì)廠用風(fēng)機(jī)、水泵等設(shè)備進(jìn)行變頻調(diào)速，可以顯著降低廠用電率。根據(jù)具體情況，風(fēng)機(jī)、水泵采用變頻調(diào)速后，節(jié)電率在30%-50%范圍內(nèi)，通常1 年半到2 年左右內(nèi)可收回變頻器的設(shè)備投資。 二、 傳統(tǒng)擋板閥門(mén)調(diào)節(jié)存在的問(wèn)題 風(fēng)機(jī)水泵傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)方式是調(diào)節(jié)入口或出口的擋板閥門(mén)開(kāi)度，以此來(lái)調(diào)節(jié)流量和壓力，是一種經(jīng)濟(jì)效益差、能耗大、設(shè)備損壞嚴(yán)重、維修難度大、運(yùn)行費(fèi)用高的落后辦法。 主要存在以下問(wèn)題： 1.采用擋板閥門(mén)調(diào)節(jié)時(shí)，大量的能量損耗在擋板閥門(mén)的截流過(guò)程中。對(duì)風(fēng)機(jī)，水泵而言，最有效的節(jié)能措施是采用調(diào)速來(lái)調(diào)節(jié)流量。由于風(fēng)機(jī)水泵大都為平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，軸功率則與轉(zhuǎn)速大致成立方關(guān)系，所以當(dāng)風(fēng)機(jī)水泵轉(zhuǎn)速下降時(shí)，消耗的功率大大下降。圖1 表示了風(fēng)機(jī)采用各種調(diào)節(jié)方法時(shí)消耗功率與風(fēng)量關(guān)系曲線。其中曲線1 為輸出端風(fēng)門(mén)控制時(shí)電機(jī)消耗的功率，2 為輸入端風(fēng)門(mén)控制時(shí)電機(jī)消耗的功率，3 為轉(zhuǎn)差調(diào)速控制（采用滑差電機(jī)，液力耦合器）時(shí)電動(dòng)機(jī)消耗的功率，4 為變頻調(diào)速控制時(shí)電動(dòng)機(jī)消耗的功率，最下面一條曲線為調(diào)速控制時(shí)風(fēng)機(jī)實(shí)際所需軸功率（即電機(jī)軸輸出功率）?？梢?jiàn)，在眾多的調(diào)節(jié)方式中，節(jié)能效果最好的是變頻調(diào)速。 2.介質(zhì)對(duì)擋板閥門(mén)和管道沖擊較大，設(shè)備損壞嚴(yán)重。 3.擋板閥門(mén)動(dòng)作遲緩，手動(dòng)時(shí)人員不易操作，而且操作不當(dāng)會(huì)造成風(fēng)機(jī)震動(dòng)。擋板閥門(mén)執(zhí)行機(jī)構(gòu)一般為大力矩的電動(dòng)執(zhí)行器，故障較多，不能適應(yīng)長(zhǎng)期頻繁調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)線性度差，構(gòu)成閉環(huán)自動(dòng)控制較難，且動(dòng)態(tài)性能不理想。 4.異步電動(dòng)機(jī)在直接起動(dòng)時(shí)起動(dòng)電流一般達(dá)到電機(jī)額定電流的6-8 倍，對(duì)電網(wǎng)沖擊較大，也會(huì)引起電機(jī)發(fā)熱，強(qiáng)大的沖擊轉(zhuǎn)矩對(duì)電機(jī)和風(fēng)機(jī)的機(jī)械壽命存在很多不利的影響。 過(guò)去也有電廠采用液力耦合器進(jìn)行調(diào)速。液力耦合裝置缺點(diǎn)是體積大、噪聲大、調(diào)速范圍窄、效率低、油系統(tǒng)維護(hù)復(fù)雜。 三、采用變頻調(diào)速的優(yōu)點(diǎn) 1.變頻調(diào)速能節(jié)約原來(lái)?yè)p耗在擋板閥門(mén)截流過(guò)程中的大量能量，大大提高了經(jīng)濟(jì)效益。 2.采用變頻調(diào)速后，可實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)，對(duì)電網(wǎng)的沖擊和機(jī)械負(fù)載的沖擊都不存在了，同時(shí)延長(zhǎng)了電機(jī)和風(fēng)機(jī)水泵的壽命。同時(shí)，采用變頻調(diào)速后，電機(jī)的無(wú)功功率通過(guò)變頻器直流環(huán)節(jié)的濾波電容進(jìn)行了瞬時(shí)補(bǔ)償，變頻器的輸入功率因數(shù)可大0.95 以上。相對(duì)電機(jī)直接工頻運(yùn)行而言，功率因數(shù)大大改善，對(duì)低速電機(jī)效果尤為明顯。實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速后，風(fēng)機(jī)和水泵經(jīng)常在額定轉(zhuǎn)速以下運(yùn)行，介質(zhì)對(duì)水泵葉輪，風(fēng)機(jī)風(fēng)扇的磨損，軸承的磨損，密封的損壞都大大降低。同時(shí)，煙氣對(duì)煙道擋板的沖擊磨損大大降低，延長(zhǎng)了煙道擋板的檢 修周期，減少了維護(hù)工作量。電機(jī)運(yùn)行的振動(dòng)和噪聲也明顯降低。 3.采用變頻調(diào)速后，可以很方便地構(gòu)成閉環(huán)控制，進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)器輸出的4-20mA 信號(hào)輸?shù)阶冾l器（或通過(guò)通信接口進(jìn)行控制），通過(guò)變頻器調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，可以平穩(wěn)地調(diào)節(jié)風(fēng)量，流量，且線形度較好，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，使機(jī)組在更經(jīng)濟(jì)的狀態(tài)下安全穩(wěn)定運(yùn)行。 三、 艾帕高壓變頻器原理及特點(diǎn) 上海艾帕電力電子有限公司的Innovert 系列高壓變頻器（單元串聯(lián)多電平PWM 電壓源型變頻器）是一種直接高壓輸出電壓源型變頻器。它采用若干個(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。該變頻器具有對(duì)電網(wǎng)諧波污染小，輸入功率因數(shù)高，不必采用輸入諧波濾波器和功率因數(shù)補(bǔ)償裝置。輸出波形質(zhì)量好，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du/dt，共模電壓等問(wèn)題，不必設(shè)置輸出濾波器，就可以使用普通的異步電機(jī)。 Innovert 系列采用無(wú)速度傳感器矢量控制技術(shù)（國(guó)內(nèi)首創(chuàng)），全數(shù)字控制，具有起動(dòng)力矩大，轉(zhuǎn)速精度高，抗電網(wǎng)波動(dòng)和負(fù)載擾動(dòng)能力強(qiáng)的特點(diǎn)。其原理如圖2 所示（以3KV 高壓變頻器為例）。 [align=center] b）功率單元結(jié)構(gòu) 圖2 單元串聯(lián)多電平變頻器原理[/align] 電網(wǎng)電壓（如6KV）經(jīng)過(guò)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)，中心點(diǎn)相聯(lián)，形成Y 接結(jié)構(gòu)，另外三端實(shí)現(xiàn)變壓變頻的高壓輸出，供給電動(dòng)機(jī)。3KV輸出電壓等級(jí)變頻器每相由3 個(gè)額定電壓為690V 的功率單元串聯(lián)而成。改變每相功率單元的串聯(lián)個(gè)數(shù)，就可實(shí)現(xiàn)不同電壓等級(jí)的高壓輸出。6KV 變頻器每相由5 個(gè)功率單元串聯(lián)而成，10KV 變頻器每相由8 個(gè)功率單元串聯(lián)而成。 每個(gè)功率單元分別由輸入變壓器的一組副邊繞組供電，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3 個(gè)一組，分為5 個(gè)不同的相位組，互差12º 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，總的諧波電流失真可達(dá)到1%左右，由于輸入電流諧波失真很低，而且采用二極管整流方式，變頻器輸入的綜合功率因數(shù)可達(dá)到0.95 以上。圖3 為該變頻器的輸入電壓電流波形。 逆變器輸出采用多電平移相式PWM 技術(shù)，同一相的功率單元輸出相同幅值和相位的基波電壓，但串聯(lián)各單元的載波之間互相錯(cuò)開(kāi)一定電角度，實(shí)現(xiàn)多電平PWM，輸出電壓非常接近正弦波。輸出電壓每個(gè)電平臺(tái)階只有單元直流母線電壓大小，所以du/dt 很小。功率單元采用相對(duì)較低的開(kāi)關(guān)頻率，以降低開(kāi)關(guān)損耗，提高效率，變頻器額定效率可大98.5%,考慮輸入變壓器后的總體效率仍在97%以上。由于采用移相式PWM，電機(jī)電壓的等效開(kāi)關(guān)頻率大大提高，且輸出電平數(shù)增加，以6KV 輸出變頻器為例，輸出相電壓為11 電平，線電壓為21 電平，輸出等效開(kāi)關(guān)頻率為6KHZ，電平數(shù)和等效開(kāi)關(guān)頻率的增加有利于改善輸出波形，降低輸出諧波，由諧波引起的電機(jī)發(fā)熱，噪音和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)都大大降低，所以這種變頻器對(duì)電機(jī)沒(méi)有特殊要求，可直接用于普通異步電機(jī)。圖4 為此類變頻器的輸出電壓，電流波形。 與普通采用高壓器件直接串聯(lián)的電流源型變頻器及三電平電壓源型變頻器相比，由于采用功率單元串聯(lián)，器件承受的最高電壓為單元內(nèi)直流母線的電壓，器件不必串聯(lián)，不存在器件串聯(lián)引起的均壓?jiǎn)栴}。功率單元中采用常規(guī)IGBT 功率模塊，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，技術(shù)成熟可靠。 功率單元采用模塊化結(jié)構(gòu)，同一變頻器內(nèi)的所有功率單元可以互換，維修也非常方便。由于采用功率單元串聯(lián)結(jié)構(gòu)，所以可以采取功率單元旁路選件，當(dāng)功率單元故障時(shí)，控制系統(tǒng)可以將故障單元自動(dòng)旁路，變頻器仍可降額繼續(xù)運(yùn)行，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。 五、應(yīng)用實(shí)例 北方某電廠于2005 年10 月在200MW 機(jī)組鍋爐二臺(tái)1250KW/6KV 引風(fēng)機(jī)電機(jī)上采用上海艾帕電力電子有限公司生產(chǎn)的Innovert 系列高壓變頻調(diào)速裝置。到目前為止運(yùn)行良好，節(jié)能顯著。 鍋爐引風(fēng)機(jī)銘牌參數(shù)：型號(hào)Y4-2X73-2 冷卻方式：水冷 風(fēng)量：723780 立米/小時(shí)風(fēng)壓：53779 Pa 葉輪直徑：2650mm 配用功率：1250KW引風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)參數(shù)：型號(hào)：YKK6304-8 額定功率：1250KW 頻率：50HZ 額定電壓：6000V 接線：Y 接法 額定電流：154A 轉(zhuǎn)速：743rpm 功率因數(shù)：0.86 絕緣等級(jí)：F防護(hù)等級(jí)：IP44變頻器型號(hào)：Innovert 6/6-140,額定電壓6KV,額定電流140A。用戶考慮到實(shí)際運(yùn)行負(fù)載電流不可能超過(guò)140A，為了降低投資，選擇變頻器額定電流140A。有關(guān)部門(mén)對(duì)節(jié)能效果進(jìn)行了測(cè)試考核。試驗(yàn)用雙功率表法測(cè)量有功功率，試驗(yàn)中每個(gè)工況穩(wěn)定運(yùn)行3 個(gè)小時(shí)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。電廠在變頻器經(jīng)過(guò)一個(gè)月運(yùn)行后，將變頻改造前后的月耗電量進(jìn)行比較，見(jiàn)表2。月平均節(jié)電率達(dá)到35.93%，按照每年運(yùn)行5500 小時(shí)，電價(jià)0.36 元/KWh 計(jì)算，年節(jié)電費(fèi)為47.3379/720＊5500＊0.36=130.2 萬(wàn)元。 安裝變頻器后，電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)了軟起動(dòng)，電機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)牧惆凑赵O(shè)定的加速時(shí)間緩慢升速至運(yùn)行轉(zhuǎn)速，減少了沖擊力矩對(duì)電機(jī)和風(fēng)機(jī)的損害。安裝變頻器后，由于正常工作時(shí)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速比額定轉(zhuǎn)速低，當(dāng)機(jī)組負(fù)荷在200MW 時(shí)，采用變頻器調(diào)速后，電機(jī)轉(zhuǎn)速比額定轉(zhuǎn)速低150rpm，大大減少了風(fēng)機(jī)葉輪的磨損。 六、采用變頻調(diào)速應(yīng)該注意的問(wèn)題 1.可靠性方面的考慮。電廠的性質(zhì)決定了用于電廠用的高壓變頻器需要有很高的可靠性，保證電廠的安全生產(chǎn)。Innovert 系列采用主流的功率單元串聯(lián)技術(shù)方案，而不是功率器件直接串聯(lián)，避免了器件直接串聯(lián)帶來(lái)的均壓?jiǎn)栴}，本質(zhì)上保證了系統(tǒng)的可靠性。同時(shí)，產(chǎn)品特有的無(wú)速度傳感器矢量控制技術(shù)在提高起動(dòng)力矩和轉(zhuǎn)速精度的同時(shí)，提高了抗電網(wǎng)波動(dòng)和負(fù)載擾動(dòng)能力，大大提高了可靠性。 2.變頻器輸入諧波對(duì)電力系統(tǒng)的影響。如果變頻器輸入電流諧波較大（比如傳統(tǒng)的電流源型變頻器），對(duì)火電廠的電力系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生如下危害：供電系統(tǒng)的繼電保護(hù)裝置誤動(dòng)作，可能導(dǎo)致大面積停電。測(cè)量?jī)x器儀表誤差增大，影響計(jì)量精度和控制性能。影響其它電力電子裝置，電子計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及通信設(shè)備的正常工作。諧波使電機(jī)，變壓器和電容器等用電設(shè)備損耗增大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)過(guò)熱或燒損。Innovert 系列高壓變頻器輸入電流諧波失真極小，對(duì)電網(wǎng)基本不產(chǎn)生諧波污染，滿足IEEE 滿足IEEE519-1992 和GB/T14549-93 標(biāo)準(zhǔn)，中型火電廠自動(dòng)化水平高，大多數(shù)采用自動(dòng)化儀表和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，對(duì)用電系統(tǒng)的諧波要求很高，Innovert 變頻器在方面有很大的優(yōu)勢(shì)。 3.變頻器輸出波形對(duì)電機(jī)的影響。由于火電廠應(yīng)用變頻調(diào)速很大部分是舊有設(shè)備的改造，原有的普通電機(jī)是設(shè)計(jì)成為電網(wǎng)直接運(yùn)行的，而電網(wǎng)電壓波形基本為正弦波。如果變頻器輸出波形質(zhì)量不好的話，會(huì)對(duì)電機(jī)產(chǎn)生不良影響。變頻器輸出諧波會(huì)引起的電機(jī)附加 發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，噪音增加，輸出dv/dt 和共模電壓會(huì)影響電機(jī)的絕緣。Innovert 系列高壓變頻器由于輸出波形質(zhì)量好，不必設(shè)置輸出濾波器，就可以使用原有的普通異步電機(jī)。 七、結(jié)論 我國(guó)火電廠大多數(shù)為中、小型機(jī)組，數(shù)量多 ，單機(jī)容量小。不僅發(fā)電機(jī)組陳舊，其所屬的主要輔助設(shè)備也較落后，效率低，設(shè)備選型不當(dāng)，大馬拉小車。風(fēng)機(jī)水泵的流量壓力調(diào)節(jié)方式基本為進(jìn)出口閘門(mén)的調(diào)節(jié)，耗能大，經(jīng)濟(jì)效益差，設(shè)備損壞嚴(yán)重，急需采用先 進(jìn)的高壓變頻調(diào)速進(jìn)行技術(shù)改造，以降低火電廠的廠用電率，節(jié)約電能，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。 火電廠輔機(jī)采用高壓變頻調(diào)速技術(shù)，通過(guò)上海艾帕電力電子有限公司高壓變頻器的應(yīng)用實(shí)踐證明是必要的、可能的，且經(jīng)濟(jì)效益顯著。 Innovert 系列高壓變頻器可靠性高，輸入輸出波形質(zhì)量好，適合于火電廠輔機(jī)的變頻調(diào)速，能提高火電廠運(yùn)行和供電的可靠性，節(jié)約大量能源，為火電廠帶來(lái)較大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。