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新鄉豫新發電廠高壓變頻器節能分析
北京利德華福電氣技術有限公司
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摘要：降低廠用電率，降低發電成本，提高上網電能的競爭力，已成為各火電廠努力追求的經濟目標。近幾年電網的負荷峰谷差越來越大，頻繁的調峰任務使部分輔機仍然運行在工頻狀態下，造成大量電能流失。本文著重介紹了高壓變頻器的工作原理及實際運行情況的詳細節能分析，使我們對其節能效果以及典型風機水泵節能計算有了更進一步認識。因此得出結論高壓變頻調速技術的日趨成熟，在電力系統中廣泛應用，節能效果明顯。
關鍵詞：調速 高壓變頻器 功率單元 IGBT 節電率
一、引言
眾所周知，高壓電動機的應用極為廣泛，它是工礦企業中的主要動力，在冶金、鋼鐵、化工、電力、水處理等行業的大、中型廠礦中，用于拖動風機、泵類、壓縮機及各種大型機械。其消耗的能源占電動機總能耗的70%以上，而且絕大部分都有調速的要求，由于高壓電機調速方法落后，浪費大量能源而且機械壽命降低。上世紀90年代，由于變頻調速技術在低壓電動機應用得非常成功，人們開始研究高壓電動機變頻技術的應用，設計了高-高電壓源型變頻技術方案。該方案采用多電平電路型式（CMSL），由若干個低壓PWM 變頻功率單元，以輸出電壓串聯方式（功率單元為三相輸入、單相輸出）來實現直接高壓輸出的方法。經過我廠多方調研、比較，最后選擇同北京利德華福電氣技術有限公司合作。本文將從HARSVERT-A系列高壓變頻器的工作原理及實際運行狀況兩方面分析河南新鄉豫新發電廠引風機、凝結水泵的節能情況。
二、高壓變頻器的工作原理
（一）變頻器的結構：現以6kV五級單元串聯多電平的高壓變頻器為例。
1．系統主回路：內部是由十五個相同的功率單元模塊構成，每五個模塊為一組，分別對應高壓回路的三相，單元供電由干式移相變壓器進行供電，原理如圖1。

圖1：變頻器的結構

2．功率單元構成：功率單元是一種單相橋式變換器，由輸入干式變壓器的副邊繞組供電。經整流、濾波后由4個IGBT以PWM方法進行控制（如圖2所示），產生設定的頻率波形。變頻器中所有的功率單元，電路的拓撲結構相同，實行模塊化的設計，控制通過光纖發送至單元控制板。原理框圖如圖3所示。

圖2：功率模塊輸出的正弦PWM波形

圖3：功率模塊電路結構
3．功率單元控制：來自主控制器的控制光信號，經光/電轉換，送到控制信號處理器，由控制電路處理器接收到相應的指令后，發出相應的IGBT的驅動信號，驅動電路接到相應的驅動信號后，發出相應的驅動電壓送到IGBT控制極，從而操作IGBT關斷和開通，輸出相應波形。
功率單元中的狀態信息將被收集到應答信號電路中進行處理，集中后經電/光轉換器變換，以光信號向主控制器發送。
（二）變頻器工作原理
1.變頻器調速原理
按照電機學的基本原理，電機的轉速滿足如下的關系式：
n=(1-s)60f/p=n0×（1-s）（P：電機極對數；f：電機運行頻率；s：滑差）
從式中看出，電機的同步轉速n0正比于電機的運行頻率(n0=60f/p)，由于滑差s一般情況下比較�。�0-0.05），電機的實際轉速n約等于電機的同步轉速n0，所以調節了電機的供電頻率f，就能改變電機的實際轉速。電機的滑差s和負載有關，負載越大則滑差增加，所以電機的實際轉速還會隨負載的增加而略有下降。
2.變頻器結構原理
無諧波高壓變頻器采用若干個低壓PWM變頻功率單元串聯的方式實現直接高壓輸出。6kV電網電壓經過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，單相輸出的交直流PWM電壓源型逆變器結構，相鄰功率單元的輸出端串聯起來，形成Y接結構，實現變壓變頻的高壓直接輸出，供給高壓電動機。以6kV輸出電壓等級為例，每相由五個額定電壓為690V的功率單元串聯而成，輸出相電壓最高可達3450V，線電壓達6kV左右。改變每相功率單元的串聯個數或功率單元的輸出電壓等級，就可以實現不同電壓等級的高壓輸出。每個功率單元分別由輸入變壓器的一組副邊供電，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，實現多重化，以達到降低輸入諧波電流的目的。對于6kV電壓等級變頻器而言，給15個功率單元供電的15個二次繞組每三個一組，分為5個不同的相位組，互差12度電角度，形成30脈沖的整流電路結構，輸入電流波形接近正弦波，這種等值裂相供電方式使總的諧波電流失真低至1%左右，變頻器輸入的功率因數可達到0.95以上。原理如圖4所示。

圖4：單元串聯輸出結構圖
3．變頻器輸出波形疊加原理：
高壓變頻器在運行后，將輸入的工頻的三相高壓交流電轉化為可以進行頻率可調節的三相交流電，其電壓和頻率按照V/F的設定進行相應的調節，保持電機在不同的頻率下運行，而定子磁心中的主磁通常保持在額定水準，提高電機的轉換效率。因此多重疊加的應用，高壓變頻器輸出電壓的諧波含量很低，已達到常規供電電壓允許的諧波含量，同時輸出電壓的dV/dt較小，不會增加電機繞組的應力，可以向普通標準型交流電動機供電，不需要降容或加輸出濾波電抗器，保證了高壓設備的通用性。多電平單元串聯疊加的三相波形如圖5所示。

圖5：多電平單元串聯疊加的三相輸出波形
圖5：多電平單元串聯疊加的三相輸出波形< DIV>
三、對300MW機組引風機系統變頻節能分析
引風機屬于鍋爐輔機設備中的高能耗設備，其輸出功率不能隨機組負荷變化而變化，只有通過改變檔板的開度來調整風壓和風量，造成很大部分能量消耗在節流損失中。針對以上能源浪費的現象，采用高壓變頻技術對電廠重要用電設備進行技術改造，是電廠節能降耗提高競價上網競爭能力的有效途徑。
1．現場情況介紹：
1）#2發電機組容量：300MW
2）配置引風機數量：2臺
3）年運行時間：7920h
4）上網電價：0.25元
5）設備參數見下表1：
電動機
引風機
型號
YKK800-3-8
型號
AN28e6靜葉可調軸流引風機
電動機功率Pdn（kW）
2000
額定流量（m3/S）
258
電動機電壓U0（KV）
6
全壓（Pa）
4315
電動機電流I0（A）
254
電動機轉速n0（r/min）
746
功率因數
0.89

6） 發電機組不同負荷下引風機實際運行參數統計見下表2：
機組負荷（MW）
平均運行時間(%)
靜葉開度(%)
全壓（Pa）
電機電流(A)
A引風機
B引風機
A引風機
B引風機
A引風機
B引風機
180
6
36.4
37.1
1419.34
1473.24
99.01
117.03
190
4
38.9
40.4
1558.41
1575.91
100.46
118.14
200
7
40.5
42.8
1701.89
1680.37
102.31
120.61
210
7
42.3
44.3
1804.92
1790.02
104.29
123.07
220
9
45.8
46.1
1889.11
1893.98
106.77
125.47
230
10
48.2
47.6
1987.83
1989.29
109.43
128.25
240
2
50.5
49.8
2085.38
2096.32
112.23
130.45
250
7
52.5
53.4
2146.67
2169.91
114.04
132.21
260
6
55.4
56.1
2301.87
2313.34
117.37
135.16
270
7
57.9
60.4
2491.81
2538.13
122.81
138.02
280
8
61.8
64.7
2682.38
2792.18
125.63
142.81
290
6
64.1
67.3
2844.12
3009.46
132.11
148.14
300
21
67.3
70.2
3056.13
3265.79
140.06
154.39
2．工頻狀態下的年耗電量計算：
Pd：電動機總功率 ；PA：A電動機功率 ；PB：B電動機功率；IA：A電動機輸入電流 ；IB：B電動機輸入電流 ；U：電動機輸入電壓 ； cosφ：功率因子。
計算公式：PA = ×U×IA×cosφ ；PB= ×U×IB×cosφ ；
則Pd =PA+PB = ×U×(IA+IB)×cosφ…①
電動機在工頻狀態下，引風機電動機實際功耗計算值見下表3：
機組負荷（MW）
平均運行時間(%)
A引風機電流(A)
B引風機電流(A)
功率因數
兩臺引風機
工頻總功率（kW）
180
6
99.01
117.03
0.78
1751.17
190
4
100.46
118.14
0.79
1794.64
200
7
102.31
120.61
0.8
1853.27
210
7
104.29
123.07
0.81
1913.81
220
9
106.77
125.47
0.82
1979.02
230
10
109.43
128.25
0.83
2050.08
240
2
112.23
130.45
0.83
2093.20
250
7
114.04
132.21
0.83
2124.00
260
6
117.37
135.16
0.85
2230.65
270
7
122.81
138.02
0.86
2331.07
280
8
125.63
142.81
0.87
2426.98
290
6
131.11
147.14
0.88
2544.59
300
21
139.06
153.39
0.89
2704.84
Cd：年耗電量值 ；T：年運行時間 ；δ：單負荷運行時間百分比。
累計年耗電量公式：Cd= T×∑（Pd×δ）　…②
Cd =17630523 kW&#903;h
因此，采用工頻運行時，每年引風機系統耗電量約為1763.05萬度電。
3．變頻狀態下的年耗電量計算：
風機設備屬平方轉矩負載，其轉速n與流量Q，壓力H以及軸功率P具有如下關系：Q∝n ，H∝n2，P∝n3；即流量與轉速成正比，壓力與轉速的平方成正比，軸功率與轉速的立方成正比。
通過對引風機工頻運行數據中總功率和擋板平均開度之間關系的變化趨勢分析，可以看出擋板開度和總功率之間略呈線性關系。
現取A、B引風機在200、300MW負荷點的平均開度百分比和電機總功率數據對100％開度情況下的總耗電功率數據特性趨勢進行計算，并且推測出100％開度情況下的兩臺引風機總耗電功率值。
在200MW機組負荷下，兩臺引風機的平均靜葉開度為（40.5+42.8）/2=41.65％
在300MW機組負荷下，兩臺引風機的平均靜葉開度為（67.3+70.2）/2=68.75％
即：100％擋板開度下兩臺引風機總耗電功率值為3472kW。
P＇：電動機實際總功率；P100：電動機100％擋板開度時總功率；H＇：風機實際風壓；H0：額定風壓。
通過風機數據，依據 公式可依次求得引風機在采用變頻調速運行時各負荷對應的風機總功耗P。
若考慮到電機效率和變頻器效率，則網側功率損耗 ， 電動機效率 與電動機負荷率β之間的關系如圖6所示。

圖6：電動機效率與負荷率關系曲線
變頻器效率 與電動機負荷率β之間的關系如圖7所示。

圖7：變頻器效率與負荷率關系曲線
電動機在變頻狀態下，引風機變頻功耗計算值見下表4：
機組負荷
（MW）
平均運行時間
(%)
A引風機全壓（Pa）
B引風機全壓（Pa）
電機效率
變頻器效率
兩臺引風機網側總功率（kW）
180
6
1419.34
1473.24
0.92
0.94
779.17
190
4
1558.41
1575.91
0.92
0.94
878.755
200
7
1701.89
1680.37
0.93
0.95
964.215
210
7
1804.92
1790.02
0.93
0.95
1056.57
220
9
1889.11
1893.98
0.93
0.95
1140.58
230
10
1987.83
1989.29
0.94
0.95
1216.37
240
2
2085.38
2096.32
0.94
0.95
1311.42
250
7
2146.67
2169.91
0.94
0.96
1361.06
260
6
2301.87
2313.34
0.95
0.96
1488.87
270
7
2491.81
2538.13
0.95
0.96
1694.05
280
8
2682.38
2792.18
0.95
0.96
1923.79
290
6
2844.12
3009.46
0.95
0.96
2127.31
300
21
3056.13
3265.79
0.95
0.96
2387.93
Cd：年耗電量值 ；T：年運行時間 ；δ：單負荷運行時間百分比 。
累計年耗電量公式：Cd= T×∑（Pd×δ）　…②
Cd =12355757 kW&#903;h
因此，采用變頻運行時，每年引風機系統耗電量約為1235.58萬度電。
4．節能計算：
引風機變頻改造后得出下表5的數據及下圖8的效果圖：
機組負荷
工頻總功率（kW）
變頻總功率（kW）
節電率（%）
180
1751.17
779.17
55.51
190
1794.64
878.755
51.03
200
1853.27
964.215
47.97
210
1913.81
1056.57
44.79
220
1979.02
1140.58
42.37
230
2050.08
1216.37
40.67
240
2093.20
1311.42
37.35
250
2124.00
1361.06
35.92
260
2230.65
1488.87
33.25
270
2331.07
1694.05
27.33
280
2426.98
1923.79
20.73
290
2544.59
2127.31
16.40
300
2704.84
2387.93
11.72
圖8：引風機系統節能效果圖
年節電量：ΔC= Cd－Cb = 1763.05－1235.58=527.47萬kW&#903;h
機組平均節電率：（ΔC/Cd）×100% =（527.47/1763.05）×100% =29.92%
按照2006年至2007年1年的運行數據統計結果分析，年運行時間7920小時，平均負荷250MW, 2＃機組引風機系統經變頻改造后，每年可節約527.47萬度，按照上網電價0.25元計算，折合發電成本：527.47×0.25=131.87萬元。
四、對300MW機組凝結水泵變頻的節能分析
300MW機組(燃煤)設計配有兩臺NLT350-400×6立式凝結水泵，配用額定功率1120kW /6kV的YKSL500-4型電動機，電機無調速裝置，靠改變凝結水母管調節門開度來控制流量。
1．凝結泵現場運行數據：
1）#2發電機組容量：300 MW
2）配置凝結水泵數量：2 臺（1用1備）
3）凝結泵參數見下表6：
水泵型號
NLT350-400×6
功 率（Pb）
1120kW
額定流量（qv,max）
745m3/h
效 率（η）
0.78
額定揚程（H）
321 m
水位高度差（H0）
0.23 m
4）配套電機參數見下表7：
電動機型號
YKSL500-4
額定電壓（U0）
6kV
額定功率（Pdn）
1120kW
效 率（η）
0.94
額定電流（I0）
125.5A
功率因數（cosφ）
0.9
轉 速（n0）
1486r/min
5）發電機組不同負荷下凝結水泵運行參數統計見下表8：
機組負荷（MW）
200
220
250
280
300
平均運行時間(%)
8.0
8.1
20.7
17.5
45.7
調節門開度（%）
62.5
67.7
73.2
82.6
88.3
凝結水流量（t/h）
557.0
595.5
637.1
702.1
749.6
電機電流（A）
88.6
90.7
92.6
95.9
98.5
除氧器壓力（MPa）
0.43
0.51
0.59
0.67
0.72
母管壓力（MPa）
3.28
3.26
3.19
3.11
3.07
6）除氧器水位：2.44m
7）凝結水箱水位：2.21m
8） 發電機組電價：
上網電價：0.25元/kW&#903;h
9）全年工作時間：7000h
2．工頻狀態下的年耗電量計算：
Pd：電動機總功率 ；I：電動機輸入電流 ； d：電動機效率 ； U：電動機輸入電壓 ； cosφ：功率因子。
計算公式：Pd = ×U×I×cosφ…①
電動機在工頻狀態下，各負荷電動機實際功耗計算值見下表9：
機組負荷（MW）
200
220
250
280
300
平均運行時間(%)
8.0
8.1
20.7
17.5
45.7
電機電流(A)
88.6
90.7
92.6
95.9
98.5
工頻功耗(kW)
828.6
848.3
866.1
896.9
921.2
Cd：年耗電量值 ；T：年運行時間 ；δ：單負荷運行時間百分比 。
累計年耗電量公式：Cd= T×∑（Pd×δ）　…②
Cd =6245793.29 kW&#903;h
因此，采用工頻運行時，每年凝結泵耗電量約為624.58萬度電。
3．變頻狀態下的年耗電量計算：
Pd＇：電動機軸功率 ； P：凝結泵軸功率 ； d：電動機效率 ； b：變頻器效率； f：泵效率 ；Q：泵出口流量 ；H：泵出口壓力 ；Hst：泵靜揚程；λ：泵特性系數。
因為凝結水泵與電動機軸直接連接，則傳動效率為1； Pd＇= P …③
電動機功率： …④ 凝結水泵軸功率：P= …⑤
將除氧器壓力換算成泵揚程值Hst＇，和泵出入口水位高度差求得運行平均靜揚程：Hst = ∑（Hst＇×δ）+ H0 =64.64m。
將100%閥門開度的預期工作壓力H=298m、流量Q=830 m3/h代入管路特性曲線可由公式：Hc= Hst＋ 　…⑥ ，得 =3.38×10-4；即管路特性曲線Hc= 64.6＋3.38×10-4 。
將各負荷情況下的流量Q代入公式④、⑤，可求出泵的出口壓力H；具體數值見下表10：
機組負荷（MW）
200
220
250
280
300
平均運行時間(%)
8.0
8.1
20.7
17.5
45.7
凝結水流量（t/h）
557.0
595.5
637.1
702.1
749.6
泵出口壓力（m）
169.73
184.76
202.13
231.62
254.98
4．凝結泵變頻調速情況下的功耗計算：
將凝結泵在100％開度情況下的預期工況值代入公式⑤可求得：λ＝3.89×10-3。
采用凝結泵變頻調速時，不同負荷下泵的泵功率P由公式⑤計算得出。若考慮電機效率和變頻器效率，根據上述公式③、④求出網側功率損耗Pb。具體結果見下表11：
200
220
250
280
300
平均運行時間(%)
8.0
8.1
20.7
17.5
45.7
凝結水流量（t/h）
557.0
595.5
637.1
702.1
749.6
泵功率（kW）
361.96
421.25
493.05
622.61
731.77
電機效率
0.92
0.92
0.93
0.94
0.95
變頻器效率
0.95
0.95
0.95
0.96
0.96
網側功率（kW）
414.1419
481.9794
558.0645
689.949
802.3794
Cb= 4725836.47 kW&#903;h
因此，采用變頻運行時，每年凝結泵耗電量約為472.58萬度電。
5．節能計算：
年節電量：ΔC= Cd－Cb = 624.57－472.58= 151.99萬kW&#903;h
節電率：（ΔC/Cd）×100% =（151.99 / 624.58）×100% =24.33 %
按照2006月至2007的1年的運行數據統計結果分析，2＃機組凝結泵經變頻改造后，每年可節約151.99萬度，折合發電成本：151.99×0.25=38萬元。
五、結論
通過對300MW機組引風機、凝結水泵系統的詳細節能分析論證：采用高壓變頻器對兩臺引風機和凝結泵進行變頻改造，改靜葉開度為風機轉速調節是切實可行的，能夠起到降低廠用電率的目的。而且，在系統的安全可靠性、設備維護量等方面具有良好的收益。
參考文獻
[1] 高壓變頻調速系統HARSVERT-A系列技術手冊 北京利德華福電氣技術有限公司
[2] 高壓變頻器應用資料匯編－電力行業 北京利德華福電氣技術有限公司
作者簡介
新鄉豫新發電有限責任公司 設備管理部電氣工程師 張清
北京利德華福電氣技術有限公司 技術工程部 晏鹍
 

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