高壓變頻調速與電廠節能
發布時間：2010-01-14 共1頁
1、引言
根據我國的電壓等級標準，高壓變頻主要指3kV、6kV、10kV這幾個電壓等級的變頻器，國內電廠的廠用電電壓一般為6kV、10kV，功率較（一般指超過200kW）的電動機基本上都采用高壓電動機，這些電動機的能耗是電廠用電的主要部分，高壓變頻指的就是這些電動機的變頻調速。
2、電力生產的特殊性
電力作為一種產品，與其它產品相比較具有它自身的特殊性。一般來說普通產品的生產與銷售使用是相對獨立的，產品可以在倉庫中存儲、周轉，可以預先生產好備用。電力這種產品的生產與消費是同時完成的，電力幾乎不能存儲，因此電力生產必須是連續的；電力生產的多少是根據用戶的使用情況決定的，因此電力生產的負荷是變化的。電力產品的這種特點決定了電力生產系統中各種設備的配置就需要根據最生產能力來進行配置，而不能根據平均的電力需求配置系統。在電廠中，電力生產的最生產能力是根據主機（鍋爐、汽機和發電機）的出力決定的，輔機（各種風機、泵及其驅動電動機、電氣控制調節系統等）的配置是根據主機的情況配置的，一般情況下，在設計過程中均考慮一定的余量，因此造成在實際的運行過程中，多數風機和泵的流量需要的調節。傳統的流量調節方式是節流調節（擋板、閥門等），存在反應慢、調節精度低、能耗等問題，而高壓變頻因其調節性能優良、節能效果好等因素，正逐漸被廣泛應用在電廠中風機、水泵等的流量調節中。
3、變頻節能在電力生產中的綜合效果
根據流體力學原理，風機或泵類設備的輸出流量與其轉速成正比，輸出壓力與其轉速的平方成正比，其消耗的功率與其轉速的三次方成正比。采用變頻調速改變電動機的轉速，從而改變風機或泵的轉速，以此來調節流量。在這種調節方式下，可以將節流調節的閥門或檔板等開度調至最，減小管道系統的阻力，節約因克服調節阻力而引起的能耗。同時，采用變頻調節后，管道系統的阻力能保持在使風機或泵工作的高效率點，減少因風機或泵的效率降低而造成的能耗損失。
從節能的效果來看，對節流調節的變頻改造，產生的節能效果并非僅僅是當前所改造的電動機系統的節能效果，而是并行工作的多臺電動機系統的節能效果。如果兩臺風機并聯運行，一臺運行風量不足，兩臺運行時則需要進行節流調節，往往是兩臺風機同時都進行風門調節，對其中一臺進行變頻改造后，則兩臺風機都可以運行在風門全開的狀態下，這樣產生的節能效果即為節流調節時兩臺風門的能耗。
電廠的節能，更重要的是體現在系統效率的提高。在沒有進行變頻調節時，電廠的循環水泵一般采用多極電機,根據季節調整電機接線，改變電機的極對數來改變電動機轉速從而調節循環水流量，或者是根據季節調整并聯運行的電動機和泵的運行臺數來調節循環水流量，這種調節操作簡單，但調節精度低。采用變頻調節時，如果根據循環水的實時出水溫度調節循環水流量，將凝汽器的過冷度調節在一個最優的范圍內，提高鍋爐運行的整體效率，這樣節能效果更加突出。要利用變頻調節調節精度高，操作方便的特點，優化控制系統，提高系統效率。
4、電力生產對高壓變頻的要求
由于電力生產的特殊性，電力生產對應用高壓變頻有很高的要求。
首先要求高壓變頻具有很高的可靠性，主要包含幾方面的內容：
（1）對電網電壓波動的適應能力，即能夠在較的電網電壓波動范圍內正常工作，這個范圍一般是-20％～+10％；
（2）電網重合閘后繼續運行的能力，即在電網瞬時失電，恢復供電后變頻器不能停止運行，要能夠記憶并快速恢復至失電前的運行狀態；
（3）具備冗余設計，即允許變頻裝置局部故障，不影響其它部分的運行，能夠在局部故障的狀態下繼續運行；
（4）能夠在線維護，即在變頻裝置連續運行的情況下排除局部故障；
（5）諧波小，這包括變頻器對電網的影響即輸入電流諧波和變頻器對電動機的影響即輸出的電壓、電流諧波;
（6）其次要求高壓變頻使用方便:
尺寸較小，可靠墻安裝，對安裝場地的要求低；
高壓電纜安裝方便，控制接口齊全，易于實現集散控制；
維護簡單，使用壽命長。
（7）在滿足上述要求的前提下，還要求高壓變頻裝置具有高的性能價格比。
5、電力生產中變頻節能的各個環節及節能效果
電力生產的設備中可以進行變頻改造的設備是很多的，例如1臺300MW火力發電機組一般配置引風機2臺，單臺功率2500kW；送風機2臺，單臺功率1600kW；排粉風機4臺，單臺功率850kW；再循環風機2臺，單臺功率475kW；鍋爐給水泵2臺，單臺功率5600kW；循環水泵3臺，單臺功率1100kW；凝結水泵2臺，單臺功率1000kW等。這些風機水泵都需要根據運行的負荷情況進行流量調節，因此都有節能的空間，只是不同的情況下節能的效果有差異而已。
一般來說，對節流調節方式進行變頻改造，風機的節能效果比泵的節能效果好，這主要是因為風機基本上是無靜壓系統，流量基本上和轉速成比例，因此功率就是和流量的三次方成比例這種關系；泵類系統靜壓較高，不適用流量和轉速成比例的原則，在低轉速的情況下，流量為零，功率的計算應為流量乘以壓力，而不能使用功率和流量的三次方成比例的關系。
根據高壓變頻再國內的使用情況來看，進行凝結水泵高壓變頻改造的情況最多，這主要是因為凝結水泵的運行可靠性要求較低，短時停止運行不會影響整個機組的正常運行，同時凝結水泵一般為一開一備，即使變頻故障需要停機維修也不會對機組運行造成的影響。從節能的角度講，因為凝結水隨機組負荷變化而變化較，因此從節流調節改為變頻調節，節能效果比較明顯，從實際使用的效果來看，節電率甚至可達50％。其次引風機的變頻改造較多，節能效果也很明顯，一般節電率為30～50％。送風機、循環水泵、灰漿泵的變頻改造也較多，給水泵的高壓變頻改造很少，幾乎沒有，這可能是因為給水泵功率、可靠性要求極高，節能效果不太明顯幾方面的原因。
6、高壓變頻應用時應注意的問題
高壓變頻器選用一般可以根據電動機的額定功率或額定電流來配置相應的變頻裝置。在選用變頻器時根據估算的使用功率來選配變頻器是不合適的。這是因為采用變頻器以后所消耗的電功率是在轉速降低的情況下得出的，根據變頻器設計的原則，為了維持氣隙磁通量基本不變，應使定子端電壓和頻率成比例地調節，轉速（即頻率）降低的情況下，變頻器地輸出電壓也相應地降低，定子電流變化較小。按照使用功率選用的變頻器額定電流是在50Hz、額定電壓時的功率，其額定電流較小。這樣選用的變頻器在實際使用過程中容易出現過電流故障，因此不建議這種選配方法。
高壓變頻器選用的功率元器件都是半導體器件，使用時的溫度限制很嚴格，過溫的情況下很容易損壞元器件，因此使用環境要求充分考慮通風和降溫措施，采用室外循環通風時尤其要考慮進風通道的設計。在使用過程中，維護好通風和降溫設備是保證變頻器正常工作的一項重要工作。
7、高壓變頻技術現狀
高壓變頻技術的主要方式有直接元器件串聯方式、三點平方式和單元串聯多電平方式等電路拓撲型式。單元串聯多電平方式的高壓變頻技術因其諸多特點而在國內得到快速發展并得到用戶的普遍認可。當前國內的單元串聯多電平高壓變頻技術從控制方式的實現形式上來說主要有兩種：采用智能化單元的多處理器方式和集中控制的單處理器方式。
（1）多處理器方式的變頻器
每個功率單元均為智能化單元，單元擁有自己的處理器，實現單元中的逆變控制、單元中各種狀態量的檢測和保護、接收外部指令和輸出狀態等任務。主控制器中的處理器主要完成和用戶的人機接口以及協調所有功率單元的一致工作。整套裝置為多處理器共同工作，功能模塊化，容錯能力強，技術先進，可靠性高。
（2）單處理器方式的變頻器
此種變頻器中主控制器實現并協調所有單元的逆變工作，完成與其它系統的接口，工作量，對單元來說僅僅作為主控制器的執行機構，容錯能力差，單元的測量和保護動作較慢。
這兩種方式的高壓變頻技術在國內均有廠家推出產品，應用的情況也不錯。采用智能化單元的廠家實現了單元的主動投切和單元在線更換功能，進一步提高了系統連續可靠運行的能力。
8、結束語
高壓變頻經過十多年的發展，技術已經成熟，尤其是單元串聯多電平方式的高壓變頻裝置，具備冗余功能，單元模塊化設計，單元內變頻技術和功率元件成熟，輸入輸出諧波小等優點，在國內迅速發展，有些供應商甚至可以供應具備單元在線更換功能的產品，可靠性有了很地提高。我國能源緊張，單位GDP能耗高，電力生產和使用負荷變化較，電廠中風機和水泵地節能空間很，采用高壓變頻調節取代傳統地節流調節，節能降耗有可為。
根據我國的電壓等級標準，高壓變頻主要指3kV、6kV、10kV這幾個電壓等級的變頻器，國內電廠的廠用電電壓一般為6kV、10kV，功率較（一般指超過200kW）的電動機基本上都采用高壓電動機，這些電動機的能耗是電廠用電的主要部分，高壓變頻指的就是這些電動機的變頻調速。
2、電力生產的特殊性
電力作為一種產品，與其它產品相比較具有它自身的特殊性。一般來說普通產品的生產與銷售使用是相對獨立的，產品可以在倉庫中存儲、周轉，可以預先生產好備用。電力這種產品的生產與消費是同時完成的，電力幾乎不能存儲，因此電力生產必須是連續的；電力生產的多少是根據用戶的使用情況決定的，因此電力生產的負荷是變化的。電力產品的這種特點決定了電力生產系統中各種設備的配置就需要根據最生產能力來進行配置，而不能根據平均的電力需求配置系統。在電廠中，電力生產的最生產能力是根據主機（鍋爐、汽機和發電機）的出力決定的，輔機（各種風機、泵及其驅動電動機、電氣控制調節系統等）的配置是根據主機的情況配置的，一般情況下，在設計過程中均考慮一定的余量，因此造成在實際的運行過程中，多數風機和泵的流量需要的調節。傳統的流量調節方式是節流調節（擋板、閥門等），存在反應慢、調節精度低、能耗等問題，而高壓變頻因其調節性能優良、節能效果好等因素，正逐漸被廣泛應用在電廠中風機、水泵等的流量調節中。
3、變頻節能在電力生產中的綜合效果
根據流體力學原理，風機或泵類設備的輸出流量與其轉速成正比，輸出壓力與其轉速的平方成正比，其消耗的功率與其轉速的三次方成正比。采用變頻調速改變電動機的轉速，從而改變風機或泵的轉速，以此來調節流量。在這種調節方式下，可以將節流調節的閥門或檔板等開度調至最，減小管道系統的阻力，節約因克服調節阻力而引起的能耗。同時，采用變頻調節后，管道系統的阻力能保持在使風機或泵工作的高效率點，減少因風機或泵的效率降低而造成的能耗損失。
從節能的效果來看，對節流調節的變頻改造，產生的節能效果并非僅僅是當前所改造的電動機系統的節能效果，而是并行工作的多臺電動機系統的節能效果。如果兩臺風機并聯運行，一臺運行風量不足，兩臺運行時則需要進行節流調節，往往是兩臺風機同時都進行風門調節，對其中一臺進行變頻改造后，則兩臺風機都可以運行在風門全開的狀態下，這樣產生的節能效果即為節流調節時兩臺風門的能耗。
電廠的節能，更重要的是體現在系統效率的提高。在沒有進行變頻調節時，電廠的循環水泵一般采用多極電機,根據季節調整電機接線，改變電機的極對數來改變電動機轉速從而調節循環水流量，或者是根據季節調整并聯運行的電動機和泵的運行臺數來調節循環水流量，這種調節操作簡單，但調節精度低。采用變頻調節時，如果根據循環水的實時出水溫度調節循環水流量，將凝汽器的過冷度調節在一個最優的范圍內，提高鍋爐運行的整體效率，這樣節能效果更加突出。要利用變頻調節調節精度高，操作方便的特點，優化控制系統，提高系統效率。
4、電力生產對高壓變頻的要求
由于電力生產的特殊性，電力生產對應用高壓變頻有很高的要求。
首先要求高壓變頻具有很高的可靠性，主要包含幾方面的內容：
（1）對電網電壓波動的適應能力，即能夠在較的電網電壓波動范圍內正常工作，這個范圍一般是-20％～+10％；
（2）電網重合閘后繼續運行的能力，即在電網瞬時失電，恢復供電后變頻器不能停止運行，要能夠記憶并快速恢復至失電前的運行狀態；
（3）具備冗余設計，即允許變頻裝置局部故障，不影響其它部分的運行，能夠在局部故障的狀態下繼續運行；
（4）能夠在線維護，即在變頻裝置連續運行的情況下排除局部故障；
（5）諧波小，這包括變頻器對電網的影響即輸入電流諧波和變頻器對電動機的影響即輸出的電壓、電流諧波;
（6）其次要求高壓變頻使用方便:
尺寸較小，可靠墻安裝，對安裝場地的要求低；
高壓電纜安裝方便，控制接口齊全，易于實現集散控制；
維護簡單，使用壽命長。
（7）在滿足上述要求的前提下，還要求高壓變頻裝置具有高的性能價格比。
5、電力生產中變頻節能的各個環節及節能效果
電力生產的設備中可以進行變頻改造的設備是很多的，例如1臺300MW火力發電機組一般配置引風機2臺，單臺功率2500kW；送風機2臺，單臺功率1600kW；排粉風機4臺，單臺功率850kW；再循環風機2臺，單臺功率475kW；鍋爐給水泵2臺，單臺功率5600kW；循環水泵3臺，單臺功率1100kW；凝結水泵2臺，單臺功率1000kW等。這些風機水泵都需要根據運行的負荷情況進行流量調節，因此都有節能的空間，只是不同的情況下節能的效果有差異而已。
一般來說，對節流調節方式進行變頻改造，風機的節能效果比泵的節能效果好，這主要是因為風機基本上是無靜壓系統，流量基本上和轉速成比例，因此功率就是和流量的三次方成比例這種關系；泵類系統靜壓較高，不適用流量和轉速成比例的原則，在低轉速的情況下，流量為零，功率的計算應為流量乘以壓力，而不能使用功率和流量的三次方成比例的關系。
根據高壓變頻再國內的使用情況來看，進行凝結水泵高壓變頻改造的情況最多，這主要是因為凝結水泵的運行可靠性要求較低，短時停止運行不會影響整個機組的正常運行，同時凝結水泵一般為一開一備，即使變頻故障需要停機維修也不會對機組運行造成的影響。從節能的角度講，因為凝結水隨機組負荷變化而變化較，因此從節流調節改為變頻調節，節能效果比較明顯，從實際使用的效果來看，節電率甚至可達50％。其次引風機的變頻改造較多，節能效果也很明顯，一般節電率為30～50％。送風機、循環水泵、灰漿泵的變頻改造也較多，給水泵的高壓變頻改造很少，幾乎沒有，這可能是因為給水泵功率、可靠性要求極高，節能效果不太明顯幾方面的原因。
6、高壓變頻應用時應注意的問題
高壓變頻器選用一般可以根據電動機的額定功率或額定電流來配置相應的變頻裝置。在選用變頻器時根據估算的使用功率來選配變頻器是不合適的。這是因為采用變頻器以后所消耗的電功率是在轉速降低的情況下得出的，根據變頻器設計的原則，為了維持氣隙磁通量基本不變，應使定子端電壓和頻率成比例地調節，轉速（即頻率）降低的情況下，變頻器地輸出電壓也相應地降低，定子電流變化較小。按照使用功率選用的變頻器額定電流是在50Hz、額定電壓時的功率，其額定電流較小。這樣選用的變頻器在實際使用過程中容易出現過電流故障，因此不建議這種選配方法。
高壓變頻器選用的功率元器件都是半導體器件，使用時的溫度限制很嚴格，過溫的情況下很容易損壞元器件，因此使用環境要求充分考慮通風和降溫措施，采用室外循環通風時尤其要考慮進風通道的設計。在使用過程中，維護好通風和降溫設備是保證變頻器正常工作的一項重要工作。
7、高壓變頻技術現狀
高壓變頻技術的主要方式有直接元器件串聯方式、三點平方式和單元串聯多電平方式等電路拓撲型式。單元串聯多電平方式的高壓變頻技術因其諸多特點而在國內得到快速發展并得到用戶的普遍認可。當前國內的單元串聯多電平高壓變頻技術從控制方式的實現形式上來說主要有兩種：采用智能化單元的多處理器方式和集中控制的單處理器方式。
（1）多處理器方式的變頻器
每個功率單元均為智能化單元，單元擁有自己的處理器，實現單元中的逆變控制、單元中各種狀態量的檢測和保護、接收外部指令和輸出狀態等任務。主控制器中的處理器主要完成和用戶的人機接口以及協調所有功率單元的一致工作。整套裝置為多處理器共同工作，功能模塊化，容錯能力強，技術先進，可靠性高。
（2）單處理器方式的變頻器
此種變頻器中主控制器實現并協調所有單元的逆變工作，完成與其它系統的接口，工作量，對單元來說僅僅作為主控制器的執行機構，容錯能力差，單元的測量和保護動作較慢。
這兩種方式的高壓變頻技術在國內均有廠家推出產品，應用的情況也不錯。采用智能化單元的廠家實現了單元的主動投切和單元在線更換功能，進一步提高了系統連續可靠運行的能力。
8、結束語
高壓變頻經過十多年的發展，技術已經成熟，尤其是單元串聯多電平方式的高壓變頻裝置，具備冗余功能，單元模塊化設計，單元內變頻技術和功率元件成熟，輸入輸出諧波小等優點，在國內迅速發展，有些供應商甚至可以供應具備單元在線更換功能的產品，可靠性有了很地提高。我國能源緊張，單位GDP能耗高，電力生產和使用負荷變化較，電廠中風機和水泵地節能空間很，采用高壓變頻調節取代傳統地節流調節，節能降耗有可為。
