一、前言 能源是國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)，關(guān)系到經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展的主要能源是動(dòng)力來源。世界上所有的國家都在致力于大規(guī)模的開發(fā)和利用能源，并在提高能源利用率方面做了大量的工作。據(jù)有關(guān)部門提供的能耗統(tǒng)計(jì)資料表明，目前我國能源利用率還是非常低，只有32%，而美國則為51%，日本為57%,我國每萬元國民生產(chǎn)總值能耗比發(fā)達(dá)國家高出4倍多，主要能耗產(chǎn)品的單位能耗比發(fā)達(dá)國家高出30%～90%；我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展成本是國外發(fā)達(dá)國家的1.5倍。同時(shí)隨著我國加入WTO，國內(nèi)市場的開放程度將越來越大，市場競爭也將越來越殘酷，因此企業(yè)大力提高能源節(jié)約和資源綜合利用技術(shù)水平，將成為企業(yè)將低成本、提高競爭力的內(nèi)在要求和必由之路。 二、油田企業(yè)的節(jié)能潛力分析 油田企業(yè)在我國是公認(rèn)的產(chǎn)能大戶，同時(shí)又是耗能大戶。能源消耗在油田企業(yè)生產(chǎn)成本中占有相當(dāng)比重，如：油氣生產(chǎn)能源消耗費(fèi)用占油氣生產(chǎn)成本的20%左右，原油加工能源消耗費(fèi)用占加工成本的30%左右。因此節(jié)能降耗是油田企業(yè)一項(xiàng)長期戰(zhàn)略任務(wù)。 油田的注水系統(tǒng)、輸油系統(tǒng)、機(jī)械采油系統(tǒng)、鍋爐供熱系統(tǒng)和供配電系統(tǒng)等五大系統(tǒng)為油田的耗能大戶，他們的耗能量占油田總耗能量的75%以上，提高這五大系統(tǒng)效率是搞好油田企業(yè)節(jié)能降耗的關(guān)鍵。在這些能耗中，電力耗能占了相當(dāng)大的比重。油田企業(yè)的用電負(fù)荷和耗電量都是其他企業(yè)不可攀比的。注油泵、排污泵、清水泵、深井泵、加壓泵、輸油泵、抽油機(jī)、深井油泵、供熱鍋爐鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、…，在這些設(shè)備的大量應(yīng)用使其異步電機(jī)耗電約占油田總用電量的80%，占油氣生產(chǎn)用電量的95%。在各種生產(chǎn)裝置配備的各類異步電動(dòng)機(jī)，在考慮了生產(chǎn)工況的變化和啟動(dòng)容量的需要后，總體來說配備容量都大于實(shí)際輸出功率，平均負(fù)載率和平均運(yùn)行功率都較低，因此節(jié)電的潛力也非常巨大。 現(xiàn)階段對于異步電機(jī)節(jié)能降耗最有效的方法之一就是應(yīng)用高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)。變頻調(diào)速以其優(yōu)異的調(diào)速和起制動(dòng)性能，高效率、高功率因數(shù)和節(jié)電效果，廣泛的適用范圍及其它許多優(yōu)點(diǎn)而被國內(nèi)外公認(rèn)為最有發(fā)展前途的調(diào)速方式。 三、高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)節(jié)能分析 調(diào)速節(jié)能原理從二個(gè)方面來說明： 1、風(fēng)機(jī)水泵的節(jié)電原理就是用調(diào)速控制代替擋風(fēng)板或節(jié)流閥控制風(fēng)流量，這是一個(gè)節(jié)電的有效途徑。風(fēng)機(jī)的特性曲線如圖 1 所示。在用檔風(fēng)板控制額定風(fēng)量 Q1 =100% 輸出時(shí)，則軸功率 N1 與面積 AH1 OQ1 成正比，若風(fēng)量減半 Q2 =50% 輸出時(shí)，則軸功率 N2 與面積 BH2 OQ2 成正比，它比 N1 減少不多，這是因?yàn)樾枰朔n風(fēng)板阻力增大風(fēng)壓所致。如果采用調(diào)速控制同樣風(fēng)量減半輸出時(shí)，轉(zhuǎn)數(shù)由 n1 降至 n2 ，按風(fēng)機(jī)參數(shù)比例定律畫出 n2 時(shí)的特性曲線， C 點(diǎn)為新的工礦點(diǎn)，這時(shí)軸功率 N2 與面積 CH3OQ2 成正比，在滿足同樣風(fēng)量 Q2 情況下，軸功能降低很多，節(jié)省的功率耗損△ N 與面積 BH2H3C 成正比，可見節(jié)電效果十分顯著。 2、流體力學(xué)的觀點(diǎn) 流量 ∝ 轉(zhuǎn)速 壓力 ∝轉(zhuǎn)速︿2 軸功率∝轉(zhuǎn)速︿3 若轉(zhuǎn)速下降 20%，則功率下降到51.2% 若轉(zhuǎn)速下降 50%，則軸功率下降到12.5% 即使考慮調(diào)速裝置本身的損耗等因素，節(jié)電也是相當(dāng)可觀的。 四、一種新型的移相級聯(lián)式高壓變頻器 一種新型的移相級聯(lián)式高壓變頻器在北京新電創(chuàng)拓科技有限公司投入批量生產(chǎn)，這種被命名為Diamond-HV系列的高壓變頻器是由新電創(chuàng)拓公司和德國技術(shù)專家合作開發(fā)成功的。它采用HV-IGBT元件、全橋級聯(lián)式多電平逆變技術(shù)、多重化輸出和模塊化設(shè)計(jì)方案，具有結(jié)構(gòu)簡潔、安全可靠、無湝波污染和可直接驅(qū)動(dòng)普通異步電動(dòng)機(jī)等特點(diǎn)?，F(xiàn)將這種高壓變頻器簡介如下： 1、系統(tǒng)結(jié)構(gòu) Diamond-HV系列高壓變頻器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，由移相變壓器、功率單元和控制器組成。 Diamond-HV系列變頻器（標(biāo)準(zhǔn)配置） 移相級聯(lián)式高壓變頻器采用3個(gè)獨(dú)立功率單元串聯(lián)的方式來實(shí)現(xiàn)高壓輸出，其原理如圖2所示。電網(wǎng)電壓經(jīng)過二次側(cè)多重化的隔離變壓器降壓后給功率單元供電，功率單元為三組輸入、單組輸出的交—直—交SPWM電壓源型逆變器結(jié)構(gòu)，如圖3所示。將相鄰功率單元的輸出端串聯(lián)起來，形成Y聯(lián)結(jié)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)。每個(gè)功率單元分別由輸入變壓器的一組二次繞組供電，功率單元之間及變壓器二次繞組之間相互絕緣。 以額定輸出電壓為6KV的變頻器為例，每相由3個(gè)額定電壓為1275V的功率單元串聯(lián)而成，輸出組電壓最高可達(dá)3825V，線電壓可達(dá)6600V左右，每個(gè)功率單元承受全部的輸出電流，但只提供1/3的相電壓和1/9的輸出功率。這樣設(shè)計(jì)，單元的電壓等級和串聯(lián)數(shù)量決定變頻器輸出電壓，單元的額定電流決定變頻器輸出電流。由于不是采用傳統(tǒng)的器件串聯(lián)的方式來實(shí)現(xiàn)高壓輸出，而是采用整個(gè)功率單元串聯(lián)，所以不存在功率器件串聯(lián)引起的動(dòng)態(tài)均壓問題。單元內(nèi)采用3300V的HV-IGBT，以達(dá)到在滿足輸入、輸出波形質(zhì)量要求的前提下，盡量減少每組串聯(lián)單元的個(gè)數(shù)，降低成本，提高可靠性。 輸入變壓器采用多重化設(shè)計(jì)，以達(dá)到降低輸入諧波電流的目的。變壓器的9個(gè)二次繞組，采用延邊三角形聯(lián)結(jié)。分為3個(gè)不同相位，互差200電角度，形成18脈波的二極管整流電路結(jié)構(gòu)，所以理論上17次以下的諧波都可以消除，輸入電流波形接近正弦波，總的諧波電流失真低于3%。在變壓器二次繞組分配時(shí)，組成同一相位組的每三個(gè)二次繞組，分別給分屬于電動(dòng)機(jī)三相的功率單元供電。這樣，即使在電動(dòng)機(jī)電流出現(xiàn)不平衡的情況下，也能保證各相位組的電流基本相同，達(dá)到理想的諧波抵消效果。這種變頻器不加任何諧波濾波器就可以滿足供電部門對輸入電流諧波失真的要求。由于采用二極管整流的電壓源型結(jié)構(gòu)，電動(dòng)機(jī)所需的無功功率可由濾波電容提供，所以輸入功率因數(shù)較高，基本可保持在0.96以上，不必采用功率因數(shù)補(bǔ)償裝置。 [align=center] [/align] 由于采用二極管不可控整流電路結(jié)構(gòu)，所以變頻器對浪涌電壓的承受能力較強(qiáng)。雷擊或開關(guān)操作引起的浪涌電壓可以經(jīng)過變壓器產(chǎn)生浪涌電流，經(jīng)過功率單元的整流二極管給濾波電容充電，濾波電容足以吸收進(jìn)入到單元內(nèi)的浪涌能量。 3、移相SPWM輸出技術(shù) 逆變器輸出采用多電平移相式SPWM技術(shù)，同一組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1200電角度，實(shí)現(xiàn)多電平移相SPWM，輸出電壓非常接近正弦波，輸出波形如圖5所示。功率單元采用較低的開關(guān)頻率，以降低開關(guān)損耗，且可以不用浪涌吸收電路，提高變頻器效率。由于采取多電平移相式SPWM，等效輸出開關(guān)頻率很高，且輸出電平數(shù)增加，可大大改善輸出波形，降低輸出諧波，輸出電壓湝波含量低于2.33%。同時(shí)，諧波引起的電動(dòng)機(jī)發(fā)熱、噪聲和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)也大大降低。對脈動(dòng)電壓波來講，當(dāng)輸出電纜長度超過臨界值時(shí)，運(yùn)行波反射引起的過電壓會(huì)造成電動(dòng)機(jī)的絕緣損壞。由于Diamond-HV系列高壓變頻器的輸出du/dt較低，每個(gè)電平臺(tái)階只有單元直流母線電壓大小，運(yùn)行中不會(huì)對電動(dòng)機(jī)絕緣構(gòu)成威脅，所以對變頻輸出與電動(dòng)機(jī)之間的電纜長度沒有特殊限制。 4、接口與通訊 功率單元與主控系統(tǒng)之間通過光纖進(jìn)行通訊技術(shù)，低壓部分和高壓部分完全可靠隔離，特別值得一提的是，與其他廠家單元串聯(lián)高壓變頻器不同，Diamond-HV高壓變頻器的單元外殼是安全接地的，系統(tǒng)具有極高的安全性，同時(shí)具有很好的抗電磁干擾性能。功率單元采用模塊化結(jié)構(gòu)，所有的功率單元可以互換，以便于維修，每個(gè)單元只有3個(gè)輸入、2個(gè)輸出電氣連接端和四組光纖插頭與控制系統(tǒng)連接。 Diamond-HV高壓變頻器采用功率單元自動(dòng)旁路技術(shù)，這樣即使在個(gè)別功率單元損壞的情況下,也能降額繼續(xù)運(yùn)行，或采用冗余功率單元設(shè)計(jì)方案使變頻器滿載繼續(xù)運(yùn)行。 5、控制器 控制器核心由嵌入系統(tǒng)并行處理單元和光纖通訊接口組成。移相SPWM技術(shù)可以保證電機(jī)在各種頻率下都能達(dá)到最優(yōu)的運(yùn)行性能。全中文視窗監(jiān)控和操作界面使操作更加方便、可靠。工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)化控制。該類型高壓變頻器徹底摒棄了可靠性較差的工控機(jī)，取而代之的是超大規(guī)模集成電路的一體化設(shè)計(jì)，其運(yùn)行可靠性大大提高。 控制器還包括一臺(tái)內(nèi)置的PLC，用于柜體內(nèi)開關(guān)信號的邏輯處理，以及與現(xiàn)場各種操作信號和狀態(tài)信號的協(xié)調(diào)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性。 四、結(jié)束語 今天節(jié)能降耗工作日益成為人們關(guān)注的重點(diǎn)，油田企業(yè)擁有著巨大的節(jié)能潛力，而高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)在我國油田企業(yè)的節(jié)能降耗工作中也必將成為強(qiáng)有力的工具。