匯川高壓變頻器在發(fā)電機風機中的應(yīng)用

本文介紹了蘇州匯川技術(shù)有限公司HD90高壓變頻器在大唐七臺河發(fā)電有限責任公司一次風機，送風機中的變頻改造應(yīng)用情況。結(jié)果表明，變頻改造后實現(xiàn)了鍋爐風機的穩(wěn)定高效運行，滿足電廠的調(diào)峰需求,達到了很好的節(jié)能降耗的目的。

一、引言

大唐七臺河發(fā)電有限責任公司隸屬于大唐黑龍江發(fā)電有限公司，總裝機容量1900MW。其中，一期工程建設(shè)規(guī)模為兩臺350MW機組，為國產(chǎn)亞臨界水冷燃煤凝汽機組。

二、電廠發(fā)電工藝介紹

大唐七臺河電廠為凝汽式燃煤坑口電廠，鍋爐采用煤粉爐，鍋爐燃燒方式是采用把煤磨細成煤粉，用空氣吹入爐膛燃燒的方式。由于燃燒的是粉末對鍋爐磨損較小，所以比循環(huán)流化床鍋爐好控制，給鍋爐加壓或降壓的時候反應(yīng)時間比循環(huán)流化床快。采用凝汽式汽輪機提高了汽輪機的熱效率，減少汽輪機排汽缸的直徑尺寸，將做過部分功的蒸汽從汽輪機內(nèi)抽出來，送入回熱加熱器，用以加熱鍋爐給水。

鍋爐燃燒的具體的過程是，煤斗中的原煤要先送至球磨機內(nèi)磨成煤粉。經(jīng)過空預器加熱后的一次風機的熱空氣吹入球磨機攜帶煤粉送入鍋爐的爐膛內(nèi)燃燒，同時送風機的空氣經(jīng)過空預器加熱后和煤粉混合使燃燒更加充分。煤粉燃燒后形成的熱煙氣沿鍋爐的水平煙道和尾部煙道流動，放出熱量，最后進入除塵器，除塵器將燃燒后的煤灰分離出來。潔凈的煙氣在引風機的作用下通過煙囪排入大氣。助燃用的空氣由送風機送入裝設(shè)在尾部煙道上的空氣預熱器內(nèi)，利用熱煙氣加熱空氣。這樣，一方面使進入鍋爐的空氣溫度提高，易于煤粉的著火和燃燒，另一方面也可以降低排煙溫度，提高熱能的利用率。從空氣預熱器排出的熱空氣分為兩股：一股去磨煤機干燥和輸送煤粉，另一股直接送入爐膛助燃。燃煤燃盡的灰渣落入爐膛下面的渣斗內(nèi)，與從除塵器分離出的細灰一起用水沖至灰漿泵房內(nèi)，再由灰漿泵送至灰場。一次風和和送風機工藝流程圖如下圖1所示，發(fā)電流程圖如下圖2所示。

圖1一次風和和送風機工藝流程圖

圖2發(fā)電機組系統(tǒng)圖

一次風機、送風機是發(fā)電機組運行中的關(guān)鍵設(shè)備，如若發(fā)生故障，不能快速恢復，整機停機后將會導致整個發(fā)電機組跳機的事故。整個發(fā)電機組運行在自動運行狀態(tài)下，如果一次風或者送風量發(fā)生變化，DCS系統(tǒng)會同時自動改變給煤量和送風量和其他變量，可能會導致鍋爐滅火，發(fā)電機組跳機事故，即使配備整機自動旁路，上切到工頻后，因為風量突然變大，而風門又不能及時關(guān)小，同樣可能會導致發(fā)電機組跳機事故，所以要求高壓變頻器有較高的運行穩(wěn)定型。一次風機、送風機系統(tǒng)同時也是發(fā)電系統(tǒng)中耗電量較大的設(shè)備，風機變頻改造后，實現(xiàn)了良好的節(jié)能效益和安全可靠的運行，減少了電機風機設(shè)備維護量，變頻運行的節(jié)電率在20%以上。隨著火電機組調(diào)峰力度加大，機組的負荷變化范圍也會很大，實時調(diào)節(jié)風機的流量，蘊藏著巨大的節(jié)能潛力。

三、項目概況

大唐七臺河發(fā)電有限責任公司一二期工程建設(shè)規(guī)模為兩臺350MW機組，每套發(fā)電機組一次風機：6kV/1400kW×2;送風機：6kV/850kW×2，均采用通過調(diào)節(jié)風門開度即用擋板的形式來調(diào)節(jié)風機的風量。

調(diào)節(jié)風門開度的調(diào)節(jié)方式很致命的缺點就是能量浪費多，無法根據(jù)工況變化準確調(diào)節(jié)風機轉(zhuǎn)速，不管負荷如何變化，電機均維持在最高轉(zhuǎn)速運行，大量的能量浪費在了管阻上，浪費電量很嚴重。而根據(jù)異步電動機的運行特點，可以知道通過調(diào)節(jié)電源頻率f可以達到調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)速，即調(diào)節(jié)風機的轉(zhuǎn)速，以這種方式就能夠在不改變管阻特性的情況下來調(diào)節(jié)風機的流量，這種方式有很大的節(jié)能空間。

四、變頻系統(tǒng)方案

(1)現(xiàn)場電機參數(shù)

（2）風機參數(shù)

（3）高壓變頻器選型

根據(jù)現(xiàn)場電機參數(shù)及實際運行需求，對高壓變頻器進行如下選型：

(4)方案介紹

七臺河大唐電廠一次風機及送風機均采用匯川技術(shù)生產(chǎn)的HD9x系列高壓變頻器，采用手動一拖一方案控制。變頻調(diào)速系統(tǒng)接入電廠現(xiàn)有的DCS系統(tǒng)，DCS根據(jù)生產(chǎn)的負荷情況，對風機風量進行實時控制，并且對4臺高壓變頻器運行狀態(tài)進行集中監(jiān)控。

現(xiàn)場的兩臺一次風機配備整機旁路，兩臺送風機變頻器配備單元旁路功能，單元旁路采用機械接觸器方式進行，能夠保證在單元出現(xiàn)故障的情況下，將故障單元旁路掉，不影響整機的運行，具有非對稱旁路技術(shù)，即使在單元旁路的情況下也能保證高電壓輸出能力，以滿足大部分工況需求。

1400kW一次風機和850kW送風機旁路柜均采用一拖一手動切換方案。變頻器進、出線端增加了2把隔離刀閘，工頻回路1把刀閘，以便在變頻器退出，電機運行于工頻時，能安全地進行變頻器的故障處理或維護工作。其主回路如下圖所示：

圖 3 電氣原理圖

QS1、QS2、QS3為3個隔離刀閘，QS1、QS2處于變頻運行回路上，QS3為用戶工頻回路隔離刀閘。QS2與QS3采用機械和電氣互鎖，確保不向變頻器輸出端反送電。當變頻運行時，QS1、QS2閉合，QS3斷開，合QF1電機變頻運行;斷開QS1、QS2，合上QS3，合QF1，電機工頻運行。這是高壓變頻器工變頻手動切換的典型應(yīng)用。

集控DCS給定模擬信號控制變頻器輸出頻率，變頻器作為DCS的執(zhí)行機構(gòu)，即使發(fā)生模擬信號給定掉線或短路時，變頻器不僅可以提供報警信號，也可以同時保持原有輸出頻率不變。

高壓變頻器與DCS系統(tǒng)有較好的接口能力，其控制部分由高速DSP+RAM+FPGA作為核心的處理器共同構(gòu)成。DSP實現(xiàn)矢量控制算法和功率單元的保護。人機界面提供友好的全中文監(jiān)控界面，同時可以實現(xiàn)遠程監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)化控制。DCS系統(tǒng)與高壓變頻器之間的信號開關(guān)量15個，模擬量3個，共有18個;DCS系統(tǒng)與旁路柜之間的信號3個，均為開關(guān)量信號。

五、HD9x高壓變頻器基本原理與優(yōu)勢

5.1HD9x系統(tǒng)工作原理

電網(wǎng)電壓經(jīng)主變壓器隔離移相后為每個功率單元供電，每個功率單元為一個單相交-直-交電壓型逆變器，單元串聯(lián)星接后形成三相變頻電源給高壓電動機供電。根據(jù)串聯(lián)單元級數(shù)的不同，產(chǎn)品分為3kV、6kV、10kV三個系列。變頻器輸出采用多重化PWM技術(shù)，輸出為近乎完美的正弦波，無須加輸出濾波器。變頻運行后電動機諧波損耗小，轉(zhuǎn)矩脈動小，無明顯電動機噪聲。電動機不需降額使用。輸出dV/dt和共模電壓小，對電動機無附加電應(yīng)力損害。

隔離變壓器為三相干式整流變壓器，采用強迫風冷降溫，有使用壽命長、免維護等優(yōu)點。移相變壓器原邊輸入為3KV,6KV,10KV 的Y接形式;副邊繞組數(shù)量根據(jù)變頻器電壓等級確定。6kV系列為18個副邊繞組，為延邊三角形接法，為每個功率單元提供三相690V電源輸入。

移相變壓器的移相繞組最大限度的抑制輸入側(cè)諧波含量，同一相的副邊繞組通過延邊三角形接法移相，繞組間的相位差由下式計算：

移相角度= 60°/每相單元數(shù)量

因為為功率單元提供電源的變壓器副邊繞組間有一定的相位差，所以從而消除了大部分由單個功率單元所引起的諧波電流，滿足IEEE519-1992和GB/T 14549-93對電壓和電流最嚴格的諧波失真要求。無需任何功因數(shù)補償和諧波抑制裝置。并且能保持接近1的輸入功率因數(shù)。

HD90高壓變頻器采用功率單元串聯(lián)，疊波升壓，成熟的功率單元級聯(lián)技術(shù)，因而具有很高的可靠性。圖示為6kV系列典型主電路圖。

圖4產(chǎn)品原理圖

5.2功率單元原理

功率單元采用三相交流輸入，整流濾波后形成直流電壓，經(jīng)IGBT的H橋逆變后輸出脈寬調(diào)制(PWM)電壓。功率單元控制板由IGBT驅(qū)動電路和監(jiān)測保護電路、光纖通信電路、單元旁路電路和控制電源組成。運行中功率單元故障時，變頻器可將故障單元自動旁路并繼續(xù)運行，等情況允許時再停機排除故障。(其中單元旁路功能為選配，用戶可根據(jù)實際需要選擇)

5.3 HD9x技術(shù)特點與優(yōu)勢

匯川公司HD9x系列高壓變頻器為完美無諧波型高壓變頻器，采用功率單元級聯(lián)式技術(shù)路線，矢量控制高壓變頻器，控制核心采用DSP+ARM+FPGA組成，指令在納秒級完成，因此控制波形和逆變波形可以實時校驗。具有國際領(lǐng)先的技術(shù)!

公司所有高壓產(chǎn)品均進行滿載48小時測試，除一些保護功能外，磁鏈閉環(huán)矢量控制技術(shù)、高頻技術(shù)、快速疊頻技術(shù)、Syn-transfer技術(shù)、非對稱旁路技術(shù)、雙路控制電源等功能，這些功能技術(shù)上處于國內(nèi)領(lǐng)先水平(注：部分功能為選配)。

公司的電力電子，自動控制和計算機等領(lǐng)域具有理論水平和實踐經(jīng)驗的優(yōu)秀科研隊伍，長期致力于電力電子領(lǐng)域各類產(chǎn)品的開發(fā)研制，對于關(guān)系產(chǎn)品質(zhì)量的生產(chǎn)工藝也作了大量的完善和改進，如：其中層疊直流母線的制作工藝保證了直流母線的分布電感最小，有效抑制了功率器件在開關(guān)過程中的di/dt電壓尖峰;高密度FPGA貼片工藝保證了控制器在惡劣環(huán)境下能夠長期穩(wěn)定運行;整流橋、功率器件和電解電容的安裝工藝使整個系統(tǒng)的離散性達到最小，保證質(zhì)量和性能的高度一致性。為保障質(zhì)量和效率，公司還研制了各類具有特色的和方便使用的工藝調(diào)試工裝，建全了相應(yīng)的質(zhì)量管理體系。

優(yōu)勢分析主要由以下兩方面簡述：產(chǎn)品性能優(yōu)勢、公司試驗檢測平臺。

5.4產(chǎn)品性能優(yōu)勢

1.矢量控制技術(shù)

HD9x系列高壓變頻器具備通用矢量控制技術(shù)，基于電機d-q軸數(shù)學方程式解析，對電機定子電流解耦成勵磁分量電流和轉(zhuǎn)矩分量電流，并分別加以控制，以達到模擬自然解耦的直流電動機的控制效果。

2.非對稱旁路技術(shù)

HD90系列高壓變頻器采用單元級聯(lián)方式，當其中某個單元出現(xiàn)故障后，在單元配備旁路功能的情況下，通過非對稱旁路技術(shù)可以使系統(tǒng)不停機運行。HD90的非對稱技術(shù)可以實現(xiàn)比傳統(tǒng)旁路方案更高的電壓輸出幅值。

3.飛車啟動功能

HD90系列高壓變頻器具備飛車啟動功能，能夠在未知電機旋轉(zhuǎn)速度的狀況下啟動變頻器，變頻器自動進行頻率搜索，直至搜索到與電機實時旋轉(zhuǎn)頻率相符的頻率，此時變頻器輸出相應(yīng)頻率，并控制電機旋轉(zhuǎn)至指定頻率，此技術(shù)能有效減少瞬間停電對生產(chǎn)的影響以及對電網(wǎng)的沖擊。

圖5 飛車啟動

4.雙路控制電源

HD90控制系統(tǒng)采用雙電源供電，控制電源失電后可正常工作;一路由用戶提供，一路由高壓變壓器繞組降到380V。兩路電源切換電路采用儲能電容，保證切換時平滑無擾動。

5.來電自啟動功能

電網(wǎng)瞬間跌落或波動時，系統(tǒng)可保證瞬間失電不跳閘，且在失電后5個周期內(nèi)變頻器運行不受影響，超過5個周期變頻器自動降額運行，失電超過9s后變頻器停機，連續(xù)生產(chǎn)提高系統(tǒng)生產(chǎn)效率。

圖6 來電自啟動

6.高可靠性器件

核心器件IGBT、整流二極管、高品質(zhì)電容、主控制芯片ARM、DSP、FPGA等均選用高品質(zhì)器件，保證了運行的高可靠性，生命周期長。

7.遠程監(jiān)視方案

在無線通訊模式中，通過2G/3G技術(shù)的支持，數(shù)據(jù)中心可以24小時對工藝運行過程中變頻調(diào)速系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)進行實時采集、監(jiān)控。具有以下優(yōu)勢：故障報警及時，安全系數(shù)高;減少了現(xiàn)場維護數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控的工作量：數(shù)據(jù)記錄準確：網(wǎng)絡(luò)無線監(jiān)控，降低了客戶在OSI網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)物理層建設(shè)的投入。

圖7 遠程監(jiān)視方案

8.公司試驗檢測平臺

匯川研發(fā)的核心團隊承擔了中國第一代矢量控制變頻器的研發(fā)工作，并使其實現(xiàn)了真正的產(chǎn)業(yè)化;蘇州、深圳的雙研發(fā)中心戰(zhàn)略聚攬全國各地的優(yōu)秀工程師;匯川擁有研發(fā)人員500名，有長期從事高壓電機調(diào)速研發(fā)團隊;每年投入當年銷售額的10%用于研發(fā);公司現(xiàn)有產(chǎn)品試驗檢測平臺有環(huán)境模擬實驗室、EMC試驗室、模塊老化試驗室、IGBT試驗中心、熱仿真試驗平臺、先進加工工藝有貼片加工工藝、全自動三防漆工藝。

9.環(huán)境模擬試驗室

主要對高壓變頻器在高溫、低溫、鹽霧、潮濕、振動等環(huán)境下的耐力進行考核。

EMC試驗室:主要對高壓變頻器進行快速脈沖群、靜電、浪涌、電壓跌落等項目進行測試。

模塊老化試驗室:主要對高壓變頻器的功率單元進行高溫滿電流運行72小時老化試驗。

IGBT試驗中心:主要測試IGBT性能。

熱仿真試驗平臺:主要仿真功率器件的溫升。

高壓滿載試驗站:擁有國內(nèi)領(lǐng)先的高壓變頻器專用多功能全電壓滿載試驗平臺，同時還滿足低壓及中壓的全載試驗需求，保證產(chǎn)品出廠前100%進行高壓全載試驗滿72小時。大大保證了產(chǎn)品在用戶端的質(zhì)量和穩(wěn)定性。

六、匯川高壓變頻器在發(fā)電機風機中的應(yīng)用中的主要問題與應(yīng)對措施

6.1降低設(shè)備損耗，延長設(shè)備使用壽命

異步電動機在啟動時啟動電流一般達到電機額定電流的5-7倍，對廠用電源造成很大成沖擊，同時強大的沖擊轉(zhuǎn)矩對電機和風機的使用壽命存在很大不利影響，變頻改造后，啟動電流小于電機額定電流，對電機沒有任何損傷。

在此次高壓變頻系統(tǒng)改造中，變頻運行后風門全開。由于變頻運行時，風機效率曲線平行位移，風機始終處于最佳效率區(qū)。機轉(zhuǎn)速降低后，其軸功率隨轉(zhuǎn)速的三次方降低，驅(qū)動風機的電機所需的電功率有效降低。采用變頻調(diào)速后實現(xiàn)了對引風機電機轉(zhuǎn)速的線性調(diào)節(jié)，通過改變電動機轉(zhuǎn)速使爐膛負壓、鍋爐氧量等指標與引風機風量維持一定的關(guān)系，保證鍋爐處在最佳狀態(tài)。

6.2有效避免機械共振、風機喘震

高壓大容量風機應(yīng)用高壓變頻改造后，運行工況發(fā)生了很大變化，在變頻運行時可能會帶來機械共振，風機喘震等問題。此次高壓變頻系統(tǒng)改造后，針對在變頻運行時可能會帶來的機械共振，風機喘震等問題。高壓變頻系統(tǒng)參數(shù)中設(shè)置了共振頻率跳躍點和下限頻率，設(shè)置 2對頻率跳轉(zhuǎn)點，使電機避開共振點運行，風機不發(fā)生喘震。通過現(xiàn)場實際運行和測試來看，風機沒有發(fā)生喘振現(xiàn)象。

七、變頻改造后設(shè)備應(yīng)用情況

圖8 現(xiàn)場運行狀態(tài)照片

八、結(jié)束語

目前，電力行業(yè)的競爭非常激烈，關(guān)鍵還是發(fā)電成本的競爭。電動機電耗占發(fā)電成本較大比例，因此做好電動機的降耗增效工作就顯得尤為重要。匯川技術(shù)有限公司依托多年的自動化行業(yè)的應(yīng)用經(jīng)驗，對電力行業(yè)的變頻改造具有獨到的方案解決能力。從350MW機組風機變頻改造使用效果看，高壓變頻器系統(tǒng)運行穩(wěn)定，維護量小，節(jié)能效果顯著，為用戶的正常生產(chǎn)和節(jié)能降耗做出了貢獻。高壓變頻調(diào)速器節(jié)能技術(shù)目前已經(jīng)比較成熟，是電力廠節(jié)能改造的理想手段，具有很高的推廣價值。

審核編輯：湯梓紅