摘要：超超臨界火力發電是世界上成熟先進的發電技術，目前主蒸汽/再熱汽溫度為600℃的超超臨界機組供電效率可達44～45％，在經濟發達國家中廣泛應用并取得了顯著的節能和減少污染的效果，并且正進一步向更高參數方向發展，目前我國新增火力發電機組中60萬千瓦及以上超超臨界發電機組已占25%以上。本文著重介紹DHVECTOL大功率高壓變頻器在華中地區首臺660MW超超臨界機組引風機系統中的變頻節能增效情況，結果表明，采用DHVECTOL大功率高壓變頻器對引風機進行變頻調速節能改造，具有投資省、見效快、可靠性高等特點。

 1 工程概述

      華能國際電力股份有限公司井岡山電廠位于江西省吉安市青原區，距離吉安市中心城區約10公里，距離南昌市約200公里，距井岡山機場約40公里，京九鐵路、贛粵高速和105國道從廠區西面穿過，交通便利。

      華能井岡山電廠規劃設計容量為192萬千瓦，分兩期建設。一期工程（2×300MW燃煤發電機組）于1998年11月17日開工建設，＃1機組于2000年12月17日投產，＃2機組于2001年8月3日投產； 2009年12月25日7時16分，隨著二期工程＃4機組順利通過168小時試運行，圓滿實現了＃3、＃4機組“年內雙投”目標，電廠總裝機容量達到192萬千瓦，成為江西省目前裝機容量最大的發電廠。二期工程2×660MW超超臨界燃煤發電機組采用東方電氣股份有限公司的三大主機設備，自投運以來，機組運行穩定， 做到了“一是安全運行，二是節能減排”，完全體現和實踐了胡錦濤總書記來廠視察的指示精神。為了進一步提高經濟效益、節能降耗、減少對設備的長期磨損，華能井岡山電廠決定分別對#3機組和#4機組共計4臺鍋爐引風機進行了變頻技術改造，變頻器選用了東方日立（成都）電控設備有限公司生產的DHVECTOL-HI04750/06大功率高壓變頻器。

2 引風機系統介紹

2.1 系統各設備技術參數（見表1）

配套變頻器參數
型號	DHVECTOL-HI04750/06
額定電壓（V）	6000
額定電流（A）	0～435
配套電動機參數
型號	YKK900-8
額定電壓（V）	6000
額定電流（A）	431
轉速（r/min）	747
功率因數	0.86
制造廠家	上海電機廠
配套引風機參數
型號	YA16648-2F
功率	3700
效率	95.0
轉速（r/min）	747
風門調節方式	靜葉可調
制造廠家	成都電力機械廠

表1：系統參數表

2.2  DHVECTOL-HI04750/06型高壓變頻器介紹：

2.2.1系統構成

       DHVECTOL-HI04750/06高壓變頻器采用單元串聯多電平技術，直接6kV輸入，直接6kV輸出。由主控制系統、功率單元、移相變壓器和旁通系統組成，其系統結構如圖2、圖3所示。

      該系統由24個功率模塊組成，每8個功率模塊串聯構成一相，三相Y連接，直接輸出6kV到電機。

2.2.2主控制系統

      DHVECTOL-HI04750/06變頻器控制系統采用魯棒型無速度傳感器矢量控制，對24個大功率模塊進行頻率精確智能控制，使變頻器提供精確穩定的電壓和頻率輸出，控制系統還對變頻器各級系統進行時時監控，實現故障的及時報警和保護。

      由于控制系統是采用日立專用智能變頻控制芯片，變頻器具有極高的可靠性和安全性，同時具有良好的抗干擾性能，高精度控制性能。

2.2.3輸入側變壓器

     移相變壓器將網側高壓變換為副邊的多組低壓，各副邊繞組在繞制時采用延邊三角接法，相互之間有一定的相位差。

      系統變壓器副邊繞組分為8級,每級電壓460V，相互間移相15°，構成48脈沖整流方式。這種多級移相疊加的整流方式，消除了大部分由獨立功率模塊引起的諧波電流，可以大大改善網側的電流波形，使變頻器網側電流近似為正弦波，使其負載下的網側功率因數達到0.95以上，有效的阻止了向輸入側電網污染。

      另外，由于變壓器副邊繞組的獨立性，使每個功率模塊的主回路相對獨立，其工作電壓由各個低壓繞組的輸出電壓來決定，工作在相對的低壓狀態，類似常規低壓變頻器，便于采用現有的成熟技術。各模塊間的相對電壓，由變壓器副邊繞組的絕緣承擔，避免了串聯均壓問題。

2.2.4  逆變模塊

      移相變壓器的每級副邊繞組的輸出作為每個功率模塊的三相輸入。逆變模塊是整臺變頻器實現變壓變頻輸出的基本單元，整臺變頻器的變壓變頻功能是通過單個功率模塊實現的，每個功率模塊都相當于一臺交-直-交電壓型單相低壓變頻器。

      功率模塊整流輸入側用二極管三相全橋不控整流，中間采用電解電容儲能和濾波，逆變輸出側為4只IGBT組成的H橋，電路結構如下圖所示。

2.2.5輸出側結構

輸出側由每個單元的U、V輸出端子相互串接而成星型接法給電機供電，通過對每個單元的PWM波形進行疊加，可得到階梯正弦PWM波形。這種波形正弦度好，dv/dt小，對電纜和電機的絕緣無損壞，無須輸出濾波器，就可以延長輸出電纜長度，可直接用于普通電機。同時對電機的諧波損耗大大減少，消除負載機械軸承和葉片的振動。

2.3變頻器的旁通柜：

2.3.1 每一套引風機變頻器配置一套手動旁路柜，直接控制變頻器的輸入輸出，通過旁路柜的切換操作來實現引風機的工頻、變頻運行方式的切換。工頻、變頻側隔離開關之間采用電氣互鎖和機械互鎖相結合方式，操作方便、安全可靠。

2.3.2機組正常運行時，A、B兩側引風機同時采用變頻方式運行。當引風機變頻器出現重故障時可手動旁路柜切換成工頻方式運行，旁路柜具有明顯斷點，實現變頻器主回路高壓完全隔離，為變頻器的檢修提供了安全保障。

圖5中 QS1、QS2為隔離刀閘開關,其中QS2單刀雙擲開關。當變頻運行狀態：合隔離刀閘QS1，QS2置于a點，按變頻啟動規程啟動變頻器。

當工頻運行狀態：QS2置于b點，隔離刀閘QS1分斷，按工頻啟動規程啟動電機。

檢修變頻器時，斷QS1，QS2置于b點。

檢修電機時，斷QS1，QS2置于a點。

該系統由24個功率模塊組成，每8個功率模塊串聯構成一相，三相Y連接，直接輸出6kV到電機。

2.2.2主控制系統

DHVECTOL-HI04750/06變頻器控制系統采用魯棒型無速度傳感器矢量控制，對24個大功率模塊進行頻率精確智能控制，使變頻器提供精確穩定的電壓和頻率輸出，控制系統還對變頻器各級系統進行時時監控，實現故障的及時報警和保護。

由于控制系統是采用日立專用智能變頻控制芯片，變頻器具有極高的可靠性和安全性，同時具有良好的抗干擾性能，高精度控制性能。

2.2.3輸入側變壓器

移相變壓器將網側高壓變換為副邊的多組低壓，各副邊繞組在繞制時采用延邊三角接法，相互之間有一定的相位差。

系統變壓器副邊繞組分為8級,每級電壓460V，相互間移相15°，構成48脈沖整流方式。這種多級移相疊加的整流方式，消除了大部分由獨立功率模塊引起的諧波電流，可以大大改善網側的電流波形，使變頻器網側電流近似為正弦波，使其負載下的網側功率因數達到0.95以上，有效的阻止了向輸入側電網污染。

另外，由于變壓器副邊繞組的獨立性，使每個功率模塊的主回路相對獨立，其工作電壓由各個低壓繞組的輸出電壓來決定，工作在相對的低壓狀態，類似常規低壓變頻器，便于采用現有的成熟技術。各模塊間的相對電壓，由變壓器副邊繞組的絕緣承擔，避免了串聯均壓問題。

2.2.4  逆變模塊

移相變壓器的每級副邊繞組的輸出作為每個功率模塊的三相輸入。逆變模塊是整臺變頻器實現變壓變頻輸出的基本單元，整臺變頻器的變壓變頻功能是通過單個功率模塊實現的，每個功率模塊都相當于一臺交-直-交電壓型單相低壓變頻器。

     功率模塊整流輸入側用二極管三相全橋不控整流，中間采用電解電容儲能和濾波，逆變輸出側為4只IGBT組成的H橋，電路結構如下圖所示。

2.2.5輸出側結構

      輸出側由每個單元的U、V輸出端子相互串接而成星型接法給電機供電，通過對每個單元的PWM波形進行疊加，可得到階梯正弦PWM波形。這種波形正弦度好，dv/dt小，對電纜和電機的絕緣無損壞，無須輸出濾波器，就可以延長輸出電纜長度，可直接用于普通電機。同時對電機的諧波損耗大大減少，消除負載機械軸承和葉片的振動。

2.3變頻器的旁通柜：

2.3.1 每一套引風機變頻器配置一套手動旁路柜，直接控制變頻器的輸入輸出，通過旁路柜的切換操作來實現引風機的工頻、變頻運行方式的切換。工頻、變頻側隔離開關之間采用電氣互鎖和機械互鎖相結合方式，操作方便、安全可靠。

2.3.2機組正常運行時，A、B兩側引風機同時采用變頻方式運行。當引風機變頻器出現重故障時可手動旁路柜切換成工頻方式運行，旁路柜具有明顯斷點，實現變頻器主回路高壓完全隔離，為變頻器的檢修提供了安全保障。

圖5中 QS1、QS2為隔離刀閘開關,其中QS2單刀雙擲開關。當變頻運行狀態：合隔離刀閘QS1，QS2置于a點，按變頻啟動規程啟動變頻器。

當工頻運行狀態：QS2置于b點，隔離刀閘QS1分斷，按工頻啟動規程啟動電機。

檢修變頻器時，斷QS1，QS2置于b點。

檢修電機時，斷QS1，QS2置于a點。

3變頻節能改造效果分析：

3.1  變頻調速節能理論：

過去，我們對風機、水泵采用擋板 、閥門進行流量控制、造成了大量的能源浪費。現在國際上普遍采用轉速調節方式進行節能，雖然有多種方式，但是其中應用得最為大量的為變頻調速方式。

采用變頻器對風機水泵等機械裝置進行調速控制來控制風量、流量的方法是現在應用得非常廣泛的且非常有效的節能方法，對于經濟發展具有重要的意義。

風機和水泵雖然是兩類不同的機械裝置，但是就其基本結構和工作原理而言卻是基本一致的，分析的方法也基本相同。下面就以風機為例進行說明。

3.1.1風機的參數和特征

3.1.1.1風機的基本參數

風量Q：單位時間流過風機的空氣量（m³/s）；

風壓H：空氣流過時產生的壓力。其中風機給予每立方米空氣的總能量稱為風機的全壓H_t（Pa），它是由靜壓H_g和動壓H_d組成，即H_t＝H_g+H_d；

功率P：風機工作有效總功率P_t＝QH_t（W）。如風機用有效靜壓H_g，則Pg＝QH_g；

效率η：風機的軸功率因有部分損耗而不能全部傳給空氣，因此可以用風機效率這一參數衡量風機工作的優劣，按照風機的工作方式及參數的不同，效率分別有：

全壓效率η_t＝QH_t/P

靜壓效率η_g＝QH_g/P

3.1.1.2風機的特性曲線

表示風機性能的特性曲線有：

H-Q曲線：當轉速恒定時，風壓與風量間的關系特性

P-Q曲線：當轉速恒定時，功率與風量間的關系特性

η-Q曲線：當轉速恒定時，風機的效率特性

對于同類型的風機，根據風機參數的比例定律，在不同轉速時的H-Q曲線如圖6-1

根據風機相似方程：

當風機轉速從n變到n’，風量Q、風壓H及軸功率P的變化關系：

 Q’=Q（n’/ n）              (1)

   H’=H（n’/ n）²              (2)

   P’=P（n’/ n）³              (3)

上面的公式說明，風量與轉速成正比。風壓與轉速的二次方成正比，軸功率與轉速的二次方成正比。

3.1.2管網風阻特性曲線  

當管網的風阻R保持不變時，風量與通風阻力之間的關系是確定不變的，即風量與通風阻力K按阻力定律變化，即

   K=RQ²

式中： K－通風阻力，Pa；

          R－風阻，（kg/m²）

          Q－風量，（m³/s）

K－Q的拋物線關系稱為風阻特性曲線，如圖6-1所示。顯然，風阻越大曲線越陡。

風阻的K－Q曲線與管網阻力曲線相交的工作點成為工況點M。統同一風機兩種不同轉速n、n’時的K－Q曲線與R風阻特性曲線相交的工況點分別為M及M’，與R1風阻曲線相交的工況點為M1及M1’。

3.1.3電動機容量計算  

風機電動機所需的輸出軸功率為：

  P=QP/(η_Tη_F)

式中：η_T－風機的效率

        η_F－傳動裝置的效率。

3.1.4風機的節電方法及節能原理

從以上的介紹可知，風機、水泵負載轉矩與轉速的二次方成正比，軸功率與轉速的三次方成正比，因此我們可以通過調節風機（或水泵）的轉速來節電。

3.1.4.1采用擋板控制風量和變頻調速控制風量的對比圖

下面我們對采用擋板閥門及變頻調速方式調節流量的能量消耗進行分析，以便對變頻調速方式下的節能原理有一個理論上的了解。

如果設備的配置都滿足設備的最佳運行狀態，從圖上看到：

當流量Q＝1時，采用風機擋板和采用變頻器時使用的功率將會一致，這是因為它們的輸入功率都為AH0K所包圍的面積。

當流量從Q=1下降到Q=0.7時，采用風機擋板進行調節時的輸入功率為BI0L所包圍的面積，而采用變頻調速后，其功率下降為DG0L包圍的面積，從圖上看，這個面積比BI0L包圍的面積小很多。

當流量進一步下降到Q=0.5時，采用風機擋板調節時的輸入功率為CJ0P包圍的面積，而采用變頻調速時的輸入功率為EF0P包圍的面積，從圖上看到，這個面積與CJ0P相比，其值更小。

所以我們可以從直觀的圖形上看到采用變頻調速技術時比采用風門擋板時會節約大量的能量，也就是說：采用變頻調速是一種節能的好辦法。

3.1.4.2那么，其計算方法怎么得到？

根據風機理論，風機運行時在需要流量變化時，可以采用閥門或者擋板進行調節，其輸入功率的計算公式為：

P_nn=P×H_nn×Q_nn

其中：H_nn＝U-(U-1) Q²_nn     U為系統流量為零時壓力極值

所以，采用風門擋板時的風機輸入功率為：

P_nn=P×H_nn×Q_nn＝P×[U-(U-1) Q²_nn]×Q_nn

式中：P_nn為某個狀態下的輸入功率標么值；H_nn為某個狀態下的壓力標么值；Q_nn為某個狀態下的流量標么值；P為額定狀態下的輸入功率。

3.1.5采用變頻調速時的功率計算：

3.1.5.1異步電機的轉數為：

轉數n=60f(1-s)/p

3.1.5.2 風機泵類流量、壓力、功率與轉速n關系為： 

流量  Q∝n；

壓力  H∝n²

功率  P∝n³

假設：額定流量為Q₀，額定功耗為P₀；所需流量為Q₁，功耗為P_g.in；由上述正比關系得出下式：

P₀：n₀³ =P_g.in：n₁³          

所以采用變頻器調速后，變頻器的輸入功率為

3變頻節能改造效果分析：

3.1  變頻調速節能理論：

過去，我們對風機、水泵采用擋板 、閥門進行流量控制、造成了大量的能源浪費。現在國際上普遍采用轉速調節方式進行節能，雖然有多種方式，但是其中應用得最為大量的為變頻調速方式。

采用變頻器對風機水泵等機械裝置進行調速控制來控制風量、流量的方法是現在應用得非常廣泛的且非常有效的節能方法，對于經濟發展具有重要的意義。

風機和水泵雖然是兩類不同的機械裝置，但是就其基本結構和工作原理而言卻是基本一致的，分析的方法也基本相同。下面就以風機為例進行說明。

3.1.1風機的參數和特征

3.1.1.1風機的基本參數

風量Q：單位時間流過風機的空氣量（m³/s）；

風壓H：空氣流過時產生的壓力。其中風機給予每立方米空氣的總能量稱為風機的全壓H_t（Pa），它是由靜壓H_g和動壓H_d組成，即H_t＝H_g+H_d；

功率P：風機工作有效總功率P_t＝QH_t（W）。如風機用有效靜壓H_g，則Pg＝QH_g；

效率η：風機的軸功率因有部分損耗而不能全部傳給空氣，因此可以用風機效率這一參數衡量風機工作的優劣，按照風機的工作方式及參數的不同，效率分別有：

全壓效率η_t＝QH_t/P

靜壓效率η_g＝QH_g/P

3.1.1.2風機的特性曲線

表示風機性能的特性曲線有：

H-Q曲線：當轉速恒定時，風壓與風量間的關系特性

P-Q曲線：當轉速恒定時，功率與風量間的關系特性

η-Q曲線：當轉速恒定時，風機的效率特性

對于同類型的風機，根據風機參數的比例定律，在不同轉速時的H-Q曲線如圖6-1

根據風機相似方程：

當風機轉速從n變到n’，風量Q、風壓H及軸功率P的變化關系：

 Q’=Q（n’/ n）              (1)

   H’=H（n’/ n）²              (2)

   P’=P（n’/ n）³              (3)

上面的公式說明，風量與轉速成正比。風壓與轉速的二次方成正比，軸功率與轉速的二次方成正比。

3.1.2管網風阻特性曲線  

當管網的風阻R保持不變時，風量與通風阻力之間的關系是確定不變的，即風量與通風阻力K按阻力定律變化，即

   K=RQ²

式中： K－通風阻力，Pa；

          R－風阻，（kg/m²）

          Q－風量，（m³/s）

K－Q的拋物線關系稱為風阻特性曲線，如圖6-1所示。顯然，風阻越大曲線越陡。

風阻的K－Q曲線與管網阻力曲線相交的工作點成為工況點M。統同一風機兩種不同轉速n、n’時的K－Q曲線與R風阻特性曲線相交的工況點分別為M及M’，與R1風阻曲線相交的工況點為M1及M1’。

3.1.3電動機容量計算  

風機電動機所需的輸出軸功率為：

  P=QP/(η_Tη_F)

式中：η_T－風機的效率

        η_F－傳動裝置的效率。

3.1.4風機的節電方法及節能原理

從以上的介紹可知，風機、水泵負載轉矩與轉速的二次方成正比，軸功率與轉速的三次方成正比，因此我們可以通過調節風機（或水泵）的轉速來節電。

3.1.4.1采用擋板控制風量和變頻調速控制風量的對比圖

     下面我們對采用擋板閥門及變頻調速方式調節流量的能量消耗進行分析，以便對變頻調速方式下的節能原理有一個理論上的了解。

     如果設備的配置都滿足設備的最佳運行狀態，從圖上看到：

    當流量Q＝1時，采用風機擋板和采用變頻器時使用的功率將會一致，這是因為它們的輸入功率都為AH0K所包圍的面積。

    當流量從Q=1下降到Q=0.7時，采用風機擋板進行調節時的輸入功率為BI0L所包圍的面積，而采用變頻調速后，其功率下降為DG0L包圍的面積，從圖上看，這個面積比BI0L包圍的面積小很多。

    當流量進一步下降到Q=0.5時，采用風機擋板調節時的輸入功率為CJ0P包圍的面積，而采用變頻調速時的輸入功率為EF0P包圍的面積，從圖上看到，這個面積與CJ0P相比，其值更小。

    所以我們可以從直觀的圖形上看到采用變頻調速技術時比采用風門擋板時會節約大量的能量，也就是說：采用變頻調速是一種節能的好辦法。

3.1.4.2那么，其計算方法怎么得到？

    根據風機理論，風機運行時在需要流量變化時，可以采用閥門或者擋板進行調節，其輸入功率的計算公式為：

P_nn=P×H_nn×Q_nn

其中：H_nn＝U-(U-1) Q²_nn     U為系統流量為零時壓力極值

所以，采用風門擋板時的風機輸入功率為：

P_nn=P×H_nn×Q_nn＝P×[U-(U-1) Q²_nn]×Q_nn

式中：P_nn為某個狀態下的輸入功率標么值；H_nn為某個狀態下的壓力標么值；Q_nn為某個狀態下的流量標么值；P為額定狀態下的輸入功率。

3.1.5采用變頻調速時的功率計算：

3.1.5.1異步電機的轉數為：

轉數n=60f(1-s)/p

3.1.5.2 風機泵類流量、壓力、功率與轉速n關系為： 

流量  Q∝n；

壓力  H∝n²

功率  P∝n³

假設：額定流量為Q₀，額定功耗為P₀；所需流量為Q₁，功耗為P_g.in；由上述正比關系得出下式：

P₀：n₀³ =P_g.in：n₁³          

所以采用變頻器調速后，變頻器的輸入功率為

 

       考慮變頻器和電機效率后，輸入功率為：

 式中：

P₀－被拖動的電機的軸功率

η₁－被拖動的電機效率

η₂－變頻器效率
3.2  結合現場參數分析：   

3.2.1 在不同負荷工況下，引風機系統現場實際運行參數（見表2）

#3機組 （A側）	機組負荷MW	引風機輸入側電流A	引風機輸出側電流A	引風機入口壓力	引風機轉速
	660	315.8	375.5	-3.3	709
	580	225.63	314.04	-3.01	628
	500	157.87	260.68	-2.79	557
	450	123.44	235.51	-2.16	528
	400	125.85	234.54	-2.50	517
	330	112.3	218.3	-2.46	515

 

#4機組 （A側）	機組負荷MW	引風機輸入側電流A	引風機輸出側電流A	引風機入口壓力	引風機轉速
	660	320.1	379.21	-3.48	707
	580	292.47	359.45	-4.21	696
	500	185.32	280.41	-3.37	600
	450	145.6	269.9	-3.24	597
	400	101.02	210.2	-2.19	481
	330	109	216.5	-2.50	512.4

表2：現場參數表

 根據最近負荷率 60-80%，結合上表初步估算到每臺引風機每小時平均可節約電流130A左右，兩臺引風機每小時平均可節約電流260A左右。

大概折合電量為: P=√3 UICOS∮=√3×6×130×0.9 = 1215.864kW/h   

該公司平均上網電價約0.4元/ kW/h，每小時節電約合人民幣486.3456元。按全年火電設備利用小時數5000小時計算約243.1728萬元/臺，兩臺引風機節電價值約486.3456萬元。

 

4 結束語  

 

    近年來，國內超超臨界發電機組裝機容量快速增長，代表著國內火力發電技術的發展方向，目前大功率高壓變頻器在660MW以上超超臨界發電機組引風機上的節能改造應用國內尚無成功先例，東方日立（成都）電控設備有限公司大功率高壓變頻器在華能井岡山電廠的應用案例，預示大功率高壓變頻器在大型火力發電機組的應用前景越來越廣。