高压变频调速与电厂节能化改造

 

1、引言

    根据我国的电压等级标准，高压变频主要指3kV、6kV、10kV这几个电压等级的变频器，国内电厂的厂用电电压一般为6kV、10kV，功率较大（一般指超过200kW）的电动机基本上都采用高压电动机，这些电动机的能耗是电厂用电的主要部分，高压变频指的就是这些电动机的变频调速。 

 

2、电力生产的特殊性

    电力作为一种产品，与其它产品相比较具有它自身的特殊性。一般来说普通产品的生产与销售使用是相对独立的，产品可以在仓库中存储、周转，可以预先生产好备用。电力这种产品的生产与消费是同时完成的，电力几乎不能存储，因此电力生产必须是连续的；电力生产的多少是根据用户的使用情况决定的，因此电力生产的负荷是变化的。电力产品的这种特点决定了电力生产系统中各种设备的配置就需要根据最大生产能力来进行配置，而不能根据平均的电力需求配置系统。在电厂中，电力生产的最大生产能力是根据主机（锅炉、汽机和发电机）的出力决定的，辅机（各种风机、泵及其驱动电动机、电气控制调节系统等）的配置是根据主机的情况配置的，一般情况下，在设计过程中均考虑一定的余量，因此造成在实际的运行过程中，多数风机和泵的流量需要的调节。传统的流量调节方式是节流调节（挡板、阀门等），存在反应慢、调节精度低、能耗大等问题，而高压变频因其调节性能优良、节能效果好等因素，正逐渐被广泛应用在电厂中风机、水泵等的流量调节中。 

 

3、变频节能在电力生产中的综合效果

    根据流体力学原理，风机或泵类设备的输出流量与其转速成正比，输出压力与其转速的平方成正比，其消耗的功率与其转速的三次方成正比。采用变频调速改变电动机的转速，从而改变风机或泵的转速，以此来调节流量。在这种调节方式下，可以将节流调节的阀门或档板等开度调至最大，减小管道系统的阻力，节约因克服调节阻力而引起的能耗。同时，采用变频调节后，管道系统的阻力能保持在使风机或泵工作的高效率点，减少因风机或泵的效率降低而造成的能耗损失。 

    从节能的效果来看，对节流调节的变频改造，产生的节能效果并非仅仅是当前所改造的电动机系统的节能效果，而是并行工作的多台电动机系统的节能效果。如果两台风机并联运行，一台运行风量不足，两台运行时则需要进行节流调节，往往是两台风机同时都进行风门调节，对其中一台进行变频改造后，则两台风机都可以运行在风门全开的状态下，这样产生的节能效果即为节流调节时两台风门的能耗。 

    电厂的节能，更重要的是体现在系统效率的提高。在没有进行变频调节时，电厂的循环水泵一般采用多极电机,根据季节调整电机接线，改变电机的极对数来改变电动机转速从而调节循环水流量，或者是根据季节调整并联运行的电动机和泵的运行台数来调节循环水流量，这种调节操作简单，但调节精度低。采用变频调节时，如果根据循环水的实时出水温度调节循环水流量，将凝汽器的过冷度调节在一个最优的范围内，提高锅炉运行的整体效率，这样节能效果更加突出。要利用变频调节调节精度高，操作方便的特点，优化控制系统，提高系统效率。 

 

4、电力生产对高压变频的要求

由于电力生产的特殊性，电力生产对应用高压变频有很高的要求。 

首先要求高压变频具有很高的可靠性，主要包含几方面的内容：

（1）对电网电压波动的适应能力，即能够在较大的电网电压波动范围内正常工作，这个范围一般是-20％～+10％； 

（2）电网重合闸后继续运行的能力，即在电网瞬时失电，恢复供电后变频器不能停止运行，要能够记忆并快速恢复至失电前的运行状态； 

（3）具备冗余设计，即允许变频装置局部故障，不影响其它部分的运行，能够在局部故障的状态下继续运行； 

（4）能够在线维护，即在变频装置连续运行的情况下排除局部故障； 

（5）谐波小，这包括变频器对电网的影响即输入电流谐波和变频器对电动机的影响即输出的电压、电流谐波; 

（6）其次要求高压变频使用方便: 

尺寸较小，可靠墙安装，对安装场地的要求低； 

高压电缆安装方便，控制接口齐全，易于实现集散控制； 

维护简单，使用寿命长。 

（7）在满足上述要求的前提下，还要求高压变频装置具有高的性能价格比。 

 

5、电力生产中变频节能的各个环节及节能效果

    电力生产的设备中可以进行变频改造的设备是很多的，例如1台300MW火力发电机组一般配置引风机2台，单台功率2500kW；送风机2台，单台功率1600kW；排粉风机4台，单台功率850kW；再循环风机2台，单台功率475kW；锅炉给水泵2台，单台功率5600kW；循环水泵3台，单台功率1100kW；凝结水泵2台，单台功率1000kW等。这些风机水泵都需要根据运行的负荷情况进行流量调节，因此都有节能的空间，只是不同的情况下节能的效果有差异而已。 

    一般来说，对节流调节方式进行变频改造，风机的节能效果比泵的节能效果好，这主要是因为风机基本上是无静压系统，流量基本上和转速成比例，因此功率就是和流量的三次方成比例这种关系；泵类系统静压较高，不适用流量和转速成比例的原则，在低转速的情况下，流量为零，功率的计算应为流量乘以压力，而不能使用功率和流量的三次方成比例的关系。 

    根据高压变频再国内的使用情况来看，进行凝结水泵高压变频改造的情况最多，这主要是因为凝结水泵的运行可靠性要求较低，短时停止运行不会影响整个机组的正常运行，同时凝结水泵一般为一开一备，即使变频故障需要停机维修也不会对机组运行造成大的影响。从节能的角度讲，因为凝结水随机组负荷变化而变化较大，因此从节流调节改为变频调节，节能效果比较明显，从实际使用的效果来看，节电率甚至可达50％。其次引风机的变频改造较多，节能效果也很明显，一般节电率为30～50％。送风机、循环水泵、灰浆泵的变频改造也较多，给水泵的高压变频改造很少，几乎没有，这可能是因为给水泵功率大、可靠性要求极高，节能效果不太明显几方面的原因。 

 

6、高压变频应用时应注意的问题 

    高压变频器选用一般可以根据电动机的额定功率或额定电流来配置相应的变频装置。在选用变频器时根据估算的使用功率来选配变频器是不合适的。这是因为采用变频器以后所消耗的电功率是在转速降低的情况下得出的，根据变频器设计的原则，为了维持气隙磁通量基本不变，应使定子端电压和频率成比例地调节，转速（即频率）降低的情况下，变频器地输出电压也相应地降低，定子电流变化较小。按照使用功率选用的变频器额定电流是在50Hz、额定电压时的功率，其额定电流较小。这样选用的变频器在实际使用过程中容易出现过电流故障，因此不建议这种选配方法。 

    高压变频器选用的功率元器件都是半导体器件，使用时的温度限制很严格，过温的情况下很容易损坏元器件，因此使用环境要求充分考虑通风和降温措施，采用室外循环通风时尤其要考虑进风通道的设计。在使用过程中，维护好通风和降温设备是保证变频器正常工作的一项重要工作。 

 

7、高压变频技术现状 

    高压变频技术的主要方式有直接元器件串联方式、三点平方式和单元串联多电平方式等电路拓扑型式。单元串联多电平方式的高压变频技术因其诸多特点而在国内得到快速发展并得到用户的普遍认可。当前国内的单元串联多电平高压变频技术从控制方式的实现形式上来说主要有两种：采用智能化单元的多处理器方式和集中控制的单处理器方式。 

（1）多处理器方式的变频器 

    每个功率单元均为智能化单元，单元拥有自己的处理器，实现单元中的逆变控制、单元中各种状态量的检测和保护、接收外部指令和输出状态等任务。主控制器中的处理器主要完成和用户的人机接口以及协调所有功率单元的一致工作。整套装置为多处理器共同工作，功能模块化，容错能力强，技术先进，可靠性高。 

（2）单处理器方式的变频器 

    此种变频器中主控制器实现并协调所有单元的逆变工作，完成与其它系统的接口，工作量大，对单元来说仅仅作为主控制器的执行机构，容错能力差，单元的测量和保护动作较慢。 

    这两种方式的高压变频技术在国内均有厂家推出产品，应用的情况也不错。采用智能化单元的厂家实现了单元的主动投切和单元在线更换功能，进一步提高了系统连续可靠运行的能力。 

 

8、结束语 

    高压变频经过十多年的发展，技术已经成熟，尤其是单元串联多电平方式的高压变频装置，具备冗余功能，单元模块化设计，单元内变频技术和功率元件成熟，输入输出谐波小等优点，在国内迅速发展，有些供应商甚至可以供应具备单元在线更换功能的产品，可靠性有了很大地提高。我国能源紧张，单位GDP能耗高，电力生产和使用负荷变化较大，电厂中风机和水泵地节能空间很大，采用高压变频调节取代传统地节流调节，节能降耗大有可为。