時間:2020-01-19 14:32:04來源: 李定川 宜賓市電子科技自動化股份有限公司
【摘要】文章通過分析變頻調(diào)速技術(shù)的優(yōu)勢和在各個方面的應(yīng)用,以及對其未來發(fā)展趨勢的展望,對電力系統(tǒng)今后的發(fā)展提供一定的參考。電力行業(yè)的發(fā)展,越來越多的發(fā)電站建立起來,我國每年的電能消耗在總能源消耗中占據(jù)著相當大的比例,為了節(jié)約電能,避免資源浪費,必須采取新方法。而經(jīng)過長期的發(fā)展,計算機技術(shù)逐漸成熟,已深入每一個行業(yè),同時自動控制技術(shù)也有了相應(yīng)的進步,在此背景下,交流調(diào)速技術(shù)也應(yīng)運而生,解決了許多以往直流調(diào)速無法解決的問題,而變頻調(diào)速技術(shù)是其基本組成部分,在電力系統(tǒng)總發(fā)揮著不可代替的作用。
1、變頻調(diào)速技術(shù)概述
交流變頻調(diào)速技術(shù)在20世紀得到了迅速發(fā)展。這與一些關(guān)鍵性技術(shù)的突破性進展有關(guān),它們是交流電動機的矢量控制技術(shù)、直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)以及以微型計算機和大規(guī)模集成電路為基礎(chǔ)的全數(shù)字化控制技術(shù)等。
(1)矢量控制技術(shù)
矢量變換控制技術(shù)是西門子公司于1971年提出的一種新的控制思想和控制理論。它是以轉(zhuǎn)子磁場定向,采用矢量變換的方法實現(xiàn)定子電流勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量之間的解耦,達到對交流電動機的磁鏈和電流分別控制的目的,從而獲得了優(yōu)良的靜、動態(tài)性能。迄今為止,矢量控制技術(shù)已經(jīng)獲得了長足的發(fā)展,并得到了廣泛的應(yīng)用。
(2)直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)
繼矢量控制技術(shù)出現(xiàn)之后,1985年,德國的M.Depenblock提出了一種新型的高性能變頻調(diào)速技術(shù)――直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)(DTC)。直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)與矢量控制技術(shù)相比,其性能較高,采用電子磁場定向,不需要解耦電流,直接控制電動機磁鏈和轉(zhuǎn)矩,以使轉(zhuǎn)矩得到快速響應(yīng)。而且電機參數(shù)和轉(zhuǎn)子參數(shù)對直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的影響不大,其工作原理比較簡單,很容易掌握,進一步發(fā)展和應(yīng)用的前景相當廣闊。
(3)數(shù)字化控制技術(shù)
隨著科技的進一步進步和發(fā)展,數(shù)字化控制技術(shù)逐漸成為技術(shù)主流,符合現(xiàn)在時代發(fā)展的潮流。早期的矢量控制技術(shù)和直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)在一定程度上無法滿足市場的需要,那么數(shù)字化控制技術(shù)應(yīng)運而生,數(shù)字化控制技術(shù)可以快速運算和良好的控制精度問題,使得運轉(zhuǎn)噪音大大降低,大大縮短工作時間。而且使用數(shù)字化控制技術(shù)的變頻器的體積將大大減小,提高了信息處理的效率,實現(xiàn)了之前人工技術(shù)和模擬技術(shù)都無法實現(xiàn)的效果。
(4)PWM控制技術(shù)1964年,德國的A.Schnung等率先提出了脈寬調(diào)制(PWM-pulsewidthmodulation)變頻的思想,為近代交流調(diào)速系統(tǒng)開辟了新的發(fā)展領(lǐng)域。PWM控制技術(shù)通過改變矩形脈沖的寬度來控制逆變器輸出交流基波電壓的幅值,通過改變調(diào)制周期來控制其輸出頻率,從而在逆變器上同時進行輸出電壓幅值和頻率的控制。PWM技術(shù)簡化了逆變器的結(jié)構(gòu),能夠明顯的改善變頻器的輸出波形,降低電動機的諧波損耗,并減小轉(zhuǎn)矩脈動,同時提高了系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)性能。PWM技術(shù)還可用于整流器的控制,能夠?qū)崿F(xiàn)輸入電流非常接近正弦,并可使電網(wǎng)功率因數(shù)為1,PWM整流器因而被稱為“綠色”變流器。目前,PWM技術(shù)已成為變頻器中應(yīng)用最為廣泛的控制技術(shù),交流電機調(diào)速性能的不斷提高在很大程度上是由于PWM技術(shù)的不斷進步。目前廣泛應(yīng)用的是在規(guī)則采樣PWM的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的準優(yōu)化PWM法,即三次諧波疊加法和電壓空間矢量PWM法。在變頻電路拓撲結(jié)構(gòu)方面,基于雙PWM技術(shù)的交—直—交變頻器和矩陣式變頻器,是變頻調(diào)速技術(shù)的最新發(fā)展趨勢。
2、未來變頻技術(shù)發(fā)展趨勢
(1)間接高壓變頻器間接高壓變頻器也稱高—低—高型變頻器,它由輸入、輸出變壓器和低壓變頻器組成。輸入變壓器為降壓變壓器,它將高壓電源降至變頻器所允許的電壓,經(jīng)低壓變頻器后,再經(jīng)輸出變壓器即升壓變壓器升壓后,供給高壓電動機。高—低—高型高壓變頻器由于經(jīng)歷兩次電壓變換,增加了電能損耗,影響了節(jié)能效果,并且占地面積大,還產(chǎn)生了大量的高次諧波,具有較明顯的缺陷。由于這種技術(shù)難度相對較低,投資相對較少,一般適用于功率小于200kW的高壓電動機。
(2)直接高壓變頻器
單元串聯(lián)多電平高壓變頻器單元串連多電平變頻器一般采用多重化技術(shù),所謂多重化技術(shù)就是采用若干個低壓PWM功率單元串連的方式實現(xiàn)直接高壓輸出,其結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。各功率單元由一個多繞組的隔離變壓器供電,以高速微處理機和光導(dǎo)纖維實現(xiàn)控制和通信。這項技術(shù)由美國羅賓康公司發(fā)明并申請專利,取名為“完美無諧波變頻器”。該技術(shù)從根本上解決了一般6脈沖和12脈沖變頻器產(chǎn)生的諧波問題,可實現(xiàn)完美無諧波變頻,具有對電網(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)補償裝置,不存在由諧波引起的電動機附加發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動、噪聲、共模電壓等問題。其輸出電壓為2kV、3kV和6kV,功率為800~5600kW。適合于功率在1MW以上的電廠輔機應(yīng)用。其缺點是造價昂貴,占用空間大,安裝較困難。
(3)在開關(guān)器件方面,IGBT變頻器已成為20世紀90年代變頻調(diào)速技術(shù)的主流,在21世紀初相當長的一段時間內(nèi)仍將是電氣傳動領(lǐng)域的主導(dǎo)變頻器。功率變換、驅(qū)動、檢測、控制、保護等功能的集成化促成了功率器件及變頻器的智能化,同時采用新電力電子器件IGBT、IEGT(集成發(fā)射式門極晶閘管)、GaAs(砷化鎵)、SiC(碳化硅復(fù)合器件)、光控IGBT及超導(dǎo)功率器件的新功能變頻器將會進一步研究開發(fā)。
采用高壓IGBT、IGCT的三電平大容量變頻器變頻器中常用的開關(guān)器件多為IGBT、GTR、GTO等。由于制造水平及原材料的原因,這些器件很難直接應(yīng)用于6kV的電壓。最近幾年來,許多國家開始研制開發(fā)新材料及新的高耐壓器件。ABB和西門子公司已開發(fā)出高耐壓開關(guān)器件,如ABB公司的IGCT(場控晶體管),耐壓值為39kV。西門子的HV-IGBT,耐壓值為56KV。
(4)西門子、ABB公司、GE公司和Cegelec公司分別采用專門研制的高耐壓開關(guān)器件并以傳統(tǒng)的交流變頻器的結(jié)構(gòu)研制開發(fā)了自己的高壓變頻器,其中典型的產(chǎn)品如西門子公司的SIMOVERTMV系列變頻器。SIMOVERTMV系列變頻器采用傳統(tǒng)的電壓型變頻器結(jié)構(gòu),通過采用耐壓較高的HV-IGBT模塊,使得串連器件數(shù)減少為12個,可靠性更高,并且降低了成本,減小了柜體尺寸。由于SIMOVERT-MV系列變頻器的逆變部分采用傳統(tǒng)的三電平方式,如圖2所示,所以不可避免的會產(chǎn)生較大的諧波分量,這是三電平逆變方式所固有的。因此SIMOVERTMV系列變頻器的輸出側(cè)需要配置輸出濾波器才能用于通用的電動機。同樣由于諧波的影響,電動機的功率因數(shù)和工作效率都會受到一定的影響。這是該類變頻器的缺點所在,因而限制了其應(yīng)用。目前,高壓變頻器正向著高可靠性、低成本、高輸入功率因數(shù)、高效率、低輸入輸出諧波、低共模電壓和低dv/dt等方向發(fā)展。此外,基于DSP技術(shù)的無速度傳感器矢量控制技術(shù)以及串聯(lián)功率單元的熱插拔、熱備份等技術(shù)為高壓大功率變頻器的發(fā)展提供了更為廣闊的空間。
(5)實現(xiàn)高水平的控制
基于電動機和機械模型的控制策略,有矢量控制、磁場控制、直接傳矩控制和機械扭振補償?shù);基于現(xiàn)代理論的控制策略,有滑模變結(jié)構(gòu)技術(shù)、模型參考自適應(yīng)技術(shù)、采用微分幾何理論的非線性解耦、魯棒觀察器,在某種指標意義下的最優(yōu)控制技術(shù)和逆奈奎斯特陣列設(shè)計方法等;基于智能控制思想的控制策略,有模糊控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)和各種各樣的自優(yōu)化、自診斷技術(shù)等。
圖1變頻控制實驗裝置
(6)開發(fā)清潔電能的變流器
清潔電能變流器,其實指的就是將變流器的功率因數(shù)調(diào)至為1,諧波分量應(yīng)該盡可能低的出現(xiàn),盡量不要出現(xiàn)在網(wǎng)側(cè)或者負載側(cè),只有這樣,才能最大程度地將對電網(wǎng)造成的損害值降到最低,同時也可減少電動機的轉(zhuǎn)矩脈動,從而提高電動機的安全性,延長其使用壽命。對于那些中小容量的變流器,可通過提高開關(guān)頻率的方式來實現(xiàn)。而對于大容量變流器,如果開關(guān)頻率是固定值的情況下,可通過對電路結(jié)構(gòu)的改變或者借助新的控制方式,來完成清潔電能的轉(zhuǎn)換工作。
3、變頻調(diào)速技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用
一是無功補償原理的作用:無功補償裝置裝設(shè)的目的是對供電效率進行提高,對供電環(huán)境進行改善,它將兩種負荷之間能量交換的原理給充分利用了起來,來對供電變壓器和輸送線之間的耗損進行補償,在供電系統(tǒng)中,無功補償裝置是不可獲取的一個組成部分;只有合理選擇了補償裝置,將其應(yīng)用于電力系統(tǒng)中,才可以對電網(wǎng)功率因數(shù)進行有效的提高,對網(wǎng)絡(luò)耗損進行最大限度的減少,促使電網(wǎng)質(zhì)量得到有效提高。
在對無功補償裝置進行選擇時,通常是將分組投切的電容器以及電抗器應(yīng)用過來,在一些特殊情況下,調(diào)相機以及靜止無功補償裝置也是不錯的選擇;滿足了無功平衡的要求,為了促使電壓質(zhì)量標準的要求得以實現(xiàn),還需要將調(diào)壓裝置應(yīng)用過來。要將分層分區(qū)以及就地平衡的原則應(yīng)用到電網(wǎng)的無功補償中,同時,還需要將變電站的無功調(diào)節(jié)能力給充分納入考慮范圍,并且將電壓優(yōu)化以及功率因數(shù)給大力推廣開來,積極的應(yīng)用先進的技術(shù),如電網(wǎng)無功管理系統(tǒng)軟件等等,促使電網(wǎng)質(zhì)量得到更加好的提高,促使電網(wǎng)更加安全可靠的運行。
二是變頻器負載標準:相較于變壓器和電動機的發(fā)熱時間,半導(dǎo)體器件的發(fā)熱時間往往較小,通常在計算時候都采用的是分鐘,如果出現(xiàn)了過載超溫問題,將會帶來很大的問題。因此,就需要嚴格規(guī)定負載條件。需要對變流器的運行種類進行劃分,第一級額定輸出為電流完全輸出,過載情況不會出現(xiàn);第二級為可以連續(xù)輸出基本負載電流,短時過載運行可以達到百分之五十;第三級到第六級過載則需要更長的時間。目前在市場上,一般只對第二級以及第一級進行銷售。此外,還需要結(jié)合生產(chǎn)機械負載性能和調(diào)速范圍等要求,來對變頻器進行合理選擇。
變頻調(diào)速技術(shù)以其卓越的調(diào)速性能、完善的保護功能、顯著的節(jié)能效果和及易與自動控制系統(tǒng)接口實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)等特點成為企業(yè)技術(shù)改造和設(shè)備節(jié)能降耗的一種行之有效的途徑。近幾年來,變頻調(diào)速技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用日益廣泛,在節(jié)能降耗、改善工藝等方面逐漸表現(xiàn)出其優(yōu)越的性能。
(1)變頻調(diào)速技術(shù)在電力系統(tǒng)節(jié)能方面的應(yīng)用節(jié)能是變頻器在電力系統(tǒng)中的主要應(yīng)用領(lǐng)域。
美國、日本及西歐各國對火電廠用水泵和風(fēng)機正大力推廣應(yīng)用變頻調(diào)速方式。在美國和原蘇聯(lián)進行的一項獨立研究表明,用變頻調(diào)速傳動裝置代替?zhèn)鹘y(tǒng)的無轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)電氣傳動裝置時,泵可節(jié)能25%,風(fēng)機可節(jié)能30%。因此將變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于風(fēng)機、水泵等設(shè)備將會取得顯著的經(jīng)濟效益。
圖2水泵變頻控制圖
變頻調(diào)速技術(shù)在鍋爐給水泵傳動系統(tǒng)中的應(yīng)用。
目前國內(nèi)火電廠在給水傳動系統(tǒng)中應(yīng)用變頻器還只是個別機組。例如大慶新華電廠在100MW調(diào)峰機組的2300kW給水泵上就采用了美國Robicon公司“完美無諧波”系列變頻器。據(jù)作者考察,國外發(fā)達國家是把鍋爐給水泵傳動系統(tǒng)作為推廣應(yīng)用變頻器的主要對象之一。例如美國EPRI在1984~1989年關(guān)于變頻器應(yīng)用于電廠輔機可調(diào)速傳動現(xiàn)場試驗計劃,就把SierraPacific電力公司第一邱吉爾電廠的一臺149kW的鍋爐給水泵傳動系統(tǒng)作為首選對象。俄羅斯莫斯科電力研究院研制的3TBA系列功率元件串聯(lián)型高壓變頻器也首先應(yīng)用于莫示瓦區(qū)域電廠200MW燃煤機組的5000kW鍋爐給水泵上。由此可見,鍋爐給水泵傳動系統(tǒng)也是火電廠利用變頻器進行節(jié)能改造的主要對象之一。
在鍋爐送引風(fēng)機傳動系統(tǒng)中的應(yīng)用。
目前國內(nèi)火電廠在其輔機傳動系統(tǒng)中使用或正在安裝的6kV變頻器總臺數(shù)為87臺,總功率約為96400kW。其中鍋爐送引風(fēng)機系統(tǒng)的變頻器約66臺,功率約為77000kW,占總臺數(shù)的76%,占總功率的80%?梢,鍋爐送引風(fēng)機是目前電廠應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)進行節(jié)能改造的首選和主要對象。變頻調(diào)速系統(tǒng)可控制引風(fēng)機在最大流量時,運行在比額定功率運行點低很多的運行點上,從而達到節(jié)能的目的。
(4)交流變頻調(diào)速技術(shù)在電力系統(tǒng)改善工藝,提高控制精度等方面也有實際應(yīng)用。
交流電力拖動具備寬的調(diào)速范圍、高的調(diào)速精度、快的動態(tài)響應(yīng)以及在四象限作可逆運行等良好的技術(shù)性能。因此在電力系統(tǒng)中,不僅在節(jié)能方面需要變頻器,許多需要精確控制流量、壓力及液位的場所都可以采用變頻器。
圖3控制型變頻器
國內(nèi)很多火電廠采用變頻調(diào)速技術(shù)對燃料控制系統(tǒng)進行改造,利用變頻器和鼠籠式異步電動機組成給粉機變頻調(diào)速系統(tǒng)。
由于變頻調(diào)速線性、穩(wěn)定性好,能夠迅速改變進入爐膛的煤粉量,使機前壓力很快的穩(wěn)定下來,并且調(diào)速穩(wěn)定、線性度好、可靠性高、調(diào)速范圍寬,與上層燃料控制系統(tǒng)接口簡單易實現(xiàn),改善了燃料控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)。在穩(wěn)態(tài)工況下,主汽壓力在±0.1%MPa范圍內(nèi)波動;在動態(tài)工況如以5%負荷升、降速率下改變10%負荷,主汽壓力在±0.2MPa范圍內(nèi)波動。其動態(tài)調(diào)節(jié)品質(zhì)和穩(wěn)態(tài)運行性能均優(yōu)于滑差調(diào)速控制。
4、結(jié)語
綜合以上分析可知,變頻調(diào)速技術(shù)自誕生以來就在諸多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。而且隨著技術(shù)的不斷完善和成熟,在節(jié)約電能方面取得了良好效果。這是一門具備節(jié)能特點的高新技術(shù),為適應(yīng)不斷變化的電力系統(tǒng),有必要進行推廣,并不斷提高整體水平,從而加快生產(chǎn)效率,提高產(chǎn)品質(zhì)量。隨著電力電子器件制造技術(shù)、基于電力電子電路的電力變換技術(shù)以及各種控制技術(shù)的發(fā)展和完善,交流變頻調(diào)速技術(shù)將日趨成熟,并將成為未來交流調(diào)速的主流。交流變頻調(diào)速技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用表明其在節(jié)能降耗、改善工藝和提高控制精度等方面有著很好的應(yīng)用前景。
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