作 者 ：國電電力大同發電有限責任公司 張廣強 廣東明陽龍源電力電子有限公司 馬學亮 盛迎新 摘 要 ：本文介紹了級聯多單元高壓變頻調速裝置在600MW空冷發電機組凝結水泵節能改造中的應用，簡述了裝置的工作原理和“一拖二”連接方法，并進行了節能經濟分析。 英文摘要 ：This paper introduces application of Medium Voltage AC Drive in the Energy-saving alteration of a Coagulate pump of a 600MW Air-cool power generator. It analyses the principle of the inverter system and the connection of two motor with one drive, at last it presents economic analysis. 關鍵詞： 高壓變頻驅動 凝結水泵 節能 1 引言 國電電力大同發電有限責任公司位于山西省大同市,裝備有兩臺600MW新型空冷式發電機組,單臺機組的凝結水泵電機按照10kV、2240kW“一用一備”配置。實際應用中發現,在滿負荷運行時,電機電流最大在100A左右,具有較大的功率裕度,設備運行時,特別在低負荷率時,電機的電能浪費比較嚴重,進行節能改造勢在必行。 水泵用大功率電機的節能改造，目前主流的方法是調節水泵的運行速度，或者采用葉片可調的先進水泵。調節水泵的速度可以按照平方律調節電動機的轉矩需求，達到立方律的功率降低，基本公式如下： 調節水泵葉輪的速度，對于大功率電動機，過去多采用液力耦合器進行有轉差損耗的調速，存在著維護費用大，有泄漏的弊端。而且在大范圍調速時，由于轉差損失的存在，導致效率較低。 當前的方法是使用變頻調速技術，將定頻的50Hz交流電通過電力電子器件進行變換，得到頻率和電壓變化的交流電供應給驅動水泵的異步電動機，調節異步電動機的轉速，改變水泵的運行狀態。異步電動機的速度與轉差率s、頻率f和極對數p關系由下式確定： 大型電動機的機械特性比較硬，穩態運行的轉差率很小，改變頻率可以線性改變電機轉速。 高壓電機的變頻驅動有“電壓源”和“電流源”型，“電壓源”型還有“直接高—高”和“高—低—高”型，“直接高—高”方式還分為器件串聯和功率單元串聯多種。經過技術論證，結合現在的電力電子產品技術水平、價格等因素，本次600MW發電機的10kV凝結水泵采用了廣東明陽龍源電力電子有限公司的MLVERT-D10/2500.A型級聯多單元串聯多電平變頻調速裝置。 2 系統組成和變頻器原理 600MW發電機使用的兩臺凝結水泵的電動機技術參數如下： 額定電壓：10kV±5%； 額定電流：147.9A； 額定轉速：1489r/min； 額定頻率：50Hz； 額定功率：2240kW； cosφ=0.90。 考慮到凝結水泵在發電機不同負荷下的實際運行工況,最大電流在100A左右,從節約投資的角度出發,將電機考慮成: 最大運行功率：1750kW，電流120A。 選擇的變頻器參數如下： 型號：MLVERT-D10/2500.A； 額定電流：140A，設計容量2425kVA。 配套的變頻器用變壓器參數為： 型號：ZSTG-2575/10； 輸入電壓：10kV±5%； 輸入電流：149A； 額定容量：2580kVA ； 頻率：50Hz； 輸出電壓：610V； 移相組數：10大組對稱移相，共30小組。 本系統使用高壓變頻器“一拖二”結構，即采用一臺變頻器，輪流拖動兩臺凝結水泵電機，完成凝結水系統的變頻控制運行。通過取消節流閥的開度控制，減輕管道水阻,降低電動機的能量消耗,系統連接如圖1所示。 切換開關QS1～QS6的不同狀態可以實現兩臺電機A和B的“變頻”、“旁路”多種組合，滿足系統的運行、檢修和備用等不同工作需要。 系統中的變頻器采用級聯多單元多電平電壓源逆變器為主的裝置，它由輸入變壓器、串聯的逆變單元和控制回路三個環節構成，其結構如圖2所示。 逆變器的每相由10個單元串聯而成，構成星形接法無中點結構送給電動機。每個單元采用低壓的電力電子器件IGBT構成一個浮動電源低壓輸出的“H”橋結構，如圖3所示： 它由輸入熔斷器、整流器、軟啟動器、支撐電容器、H橋和旁通回路等構成。其中軟啟動器和旁通回路采用了晶閘管固體快速電路,取代了一般采用的直流繼電器結構。單元內的IGBT使用1700V耐壓的型號,電容器采用進口400V型號。軟啟動電路可以有效保護合閘時的沖擊電流對支撐電解電容器的損害,并可在故障狀態下保護后續電路的安全;輸出旁路系統可以在單元發生部分故障時,將輸出端短路,保持系統不斷電,提高運行安全性。 “H”橋單元在4個開關器件的不同狀態可以在輸出P+和P-之間得到不同的電壓如附表所示： [ALIGN=CENTER]附表 “H橋”輸出狀態表 [/ALIGN] 除上述9個有效開關位置外，還有另外7種導致直流母線短路的無效組合，在對開關進行控制時，需要回避這些狀態。單元輸出波形與控制波形如圖4所示。 [ALIGN=CENTER] 圖4 “H”橋輸出的PWM波與給定電壓波形[/ALIGN] 產生上述PWM波是通過給定波形與兩個三角形載波進行比較后得到的，比較的波形如圖5所示。 [ALIGN=CENTER] 圖5 信號與載波[/ALIGN] 當調制信號同時大于正、負載波信號（圖中與正載波相鄰的信號即負載波，文字未示出）時，輸出+V，同時小于正、負載波信號時，輸出-V，反之輸出0，或者稱輸出短路。 每相串聯的10個單元使用的載波不同，依次進行水平移相，得到的輸出PWM波會因為載波的原因有一些相位差異，變頻器系統在N單元級聯時，載波的相移反映到時間的滯后上可從下述公式得出： ΔT=（TC/2）/N （3） TC為載波周期，N為單元數。水平移相波形如圖6所示，單元輸出的PWM波形通過調制載波的相移調整。如圖7方法星形串聯連接，在串聯以后，單元PWM波中含有的諧波成分相互抵消，輸出線電壓的頻譜如圖8所示。如果只考慮50次以內的諧波，諧波總失真度為0.037%，諧波第一大簇在4×N×FC=12kHz附近，這樣的諧波在電機的繞組漏感作用下，基本形不成電流，也就不存在諧波引起的轉矩和發熱。其對應的器件開關頻率并不高，僅600Hz，如果需要更低的開關損耗，還可以使用更低的開關頻率。 [ALIGN=CENTER] 圖6 信號與水平移相載波[/ALIGN] [ALIGN=CENTER] 圖7 單元電壓級聯[/ALIGN] [ALIGN=CENTER] 圖8 線電壓頻譜[/ALIGN] 3 變頻改造后的運行效果 本次工程先后對8#、7#機組進行了變頻改造，改造后的電機運行平穩，啟動電流大大減小，無合閘沖擊電流，電機運行無異常振動，程序界面使用方便，滿足了技術協議的有關要求。經過半年多的運行，取得了很好的節能效果。圖9、10表示了DCS記錄下的凝結水泵系統變頻、定頻輸入電流曲線。 [ALIGN=CENTER] 圖9 凝結水泵（8#A）72小時變頻運行電流曲線[/ALIGN] [ALIGN=CENTER] 圖10 凝結水泵（7#A）72小時定頻運行電流曲線[/ALIGN] 從記錄的圖中可見，使用定頻運行的凝結水泵電機，在負荷同樣變化時，電流的變化僅從98A降低到82.5A，而變頻運行，其輸入電流（工頻側）從58A降低到15A左右，對應的功率分別為： 節能計算時,考慮了定頻運行的功率因數約為0.9，而變頻的功率因數近似為1，（實際考慮輸入變壓器因素后約0.96），從而每套系統節電,按保守計算約729kW，按年運行6000h考核，年節電量： 6000×729=437萬kW·h 折算電費為： 437×0.32=140萬元 一年左右即可收回設備投資。 按廠用電率計算，降低的百分數為： 729/（600000×0.6+300000×0.4）×100%=0.152% 雖然比例不大,但是就具體設備而言經濟效益明顯。 4 結束語 本次工程的變頻設備在600MW發電機組10kV凝結水泵系統的使用實踐表明,國產大功率高壓變頻器的技術水平和品質已經可以信賴;使用國產化的變頻設備,可以滿足大功率發電機組的輔機控制。凝結水泵的變頻運行可以大幅度節約耗電量,取得了顯著節能效果,降低了廠用電率。