浅谈高压变频器在火电厂的应用
摘要：随着交流变频调速技术快速发展，以及新型电力电子器件如绝缘栅双极晶体管（IGBT）、集成门极换向晶闸管（IGCT）等的出现，计算机技术的发展和新型的控制理论的应用，高压变频器也得到了快速发展。在电厂的应用已相当普遍，节能效果及控制水平已被电力系统所认识。文章就西门子高压变频器的原理、特点，以及在火力发电厂中的节能应用进行了分析。
关键词：火电厂；高压变频器；节能技术
1概述
火力发电厂锅炉引风机是锅炉助燃的主要部分，将锅炉燃烧产生的高温烟气经静电除尘器、烟囱排出。火力发电厂动力锅炉的输出功率随着电功率输出的大小而改变，锅炉的煤粉输入量与送风机的送风量有一定的比例关系。吸风机与送风机按一定比例联合调节，可以实现锅炉的稳定燃烧，在稳态情况下，送风机与吸风机可达到动态平衡。但电网负荷随时都在改变，随着发电机输出功率的降低，锅炉出力也要相应调整，锅炉的吸风量、送风量相应减少。目前电厂普遍采用常规的控制方法将风机的挡板关小一些，以节流达到减少吸、送风量的目的，但这种调节方法有一定的缺陷。其一，调节动作较迟缓，很难达到最佳调节的目的。其二，挡板调节虽能达到调节吸送风量的目的，但会产生节流损耗，随着挡板开度的减小，风机的节流损耗加剧，大量电能被浪费在挡板上。其三，异步电动机在启动时启动电流一般达到电机额定电流的6～8倍，对电网冲击较大，同时强大冲击转矩对电机和风机的使用寿命存在很多不利影响。其四，由于转速较高，对电机所驱动的机械设备存在较大的磨损。
风机、水泵存在一个共同的特点：转速在±20%范围内变化时，风机、水泵的效率大致不变，并且流量与转速的一次方成正比，压力与转速的平方成正比，轴功率与转速的三次方成正比。当风机、水泵转速降低以后，其轴功率随转速的三次方降低，驱动风机、水泵的电动机所需的电功率亦可大大减少，所以调速调节是风机和水泵节能的重要途径。在泵与风机的各种流量的调节方式中，节流调节最为简单，而且也是当前各火力发电厂的主要调节方式，但是浪费电力最多。由于变频调速在频率范围、动态响应、低频转速、转差补偿、功率因数、工作效率等方面是以往的交流调速方式无法比拟的，因此开展变频调速节能势在必行。
2火电厂送、吸风机的变频改造
2.1变频前存在的问题
火电厂变频前存在以下主要问题：①峰谷差较大，调峰调频任务重，低负荷运行时间长，风机启停频繁，严重影响电动机的使用寿命。②吸风机输送的介质是锅炉燃烧产生的烟气，风机高速运行时，飞灰对风机叶片磨损较大。③机组低
负荷时如果两台风机运行裕度较大，一台风机运行出现风量不足的问题，实际运行中只能开两台风机运行，存在“大马拉小车”的现象，浪费电能。因此决定在1号炉风烟系统中进行变频节能改造。
2.2变频方式
2.2.1吸送风机参数
电厂100 MW机组1号炉风烟系统共有2套吸送风机，吸风机参数为：型号Y4273212，流量480 000 m3/h，压力4 511Pa，转速960 r/min；所配电动机型号Y1000－6/1180，1 000 kW，6 000 V，117 A，960 r/min。送风机参数为：型号G4－73－11，流量262 000 m3/h，压力5 266 Pa，转速985 r/min；所配电动机型号JS－157－8，320 kW，6 000 V，3 914 A，739 r/min。
2.2.2变频方式
在1号炉风烟系统的送风机和吸风机上采用了德国西门子高压变频器，进行调速节能改造。仅将甲侧的送风机和吸风机改造成变频调速控制，由于资金问题，乙侧的送风机和吸风机仍采用原有的挡板节流方式。2台变频器均采用高－低－高接线方式，6 kV电源接至降压变压器的高压侧，降压变压器的低压侧接至变频器的输入端，经变频器变频后接至升压变压器的低压侧，升压变压器的高压侧接至电动机，见图1、图2。送风机和吸风机的电气接线完全一样。吸风机变频器参数：型号6SC2421－2BD002Z，容量1 000 kVA，两路并联2×3AC，输入电压（400＋40－60）V，两路并联输入电流2×580 A，输入频率（50±1）Hz，输出频率0～50 Hz，输出电压0～500 V。送风机变频器参数：型号6SC2415－1AB00－Z，容量510 kVA，输入电压（400＋40－60）V，输入电流740 A，输入频率（50±1）Hz，输出频率0～50 Hz，输出电压0～400 V。
400 V、50 Hz的正弦交流电经过网侧整流器变换成直流，通过触发脉冲控制晶闸管的导通角，以实现对电动机定子电流的调节；通过触发脉冲控制电机侧逆变器晶闸管的导通角，实现对电动机频率的调节，以达到对电动机转矩的控制。电动机侧逆变器和网侧整流器均采用6脉冲触发控制方式，为微处理器数字式控制。电流控制环通过控制网侧整流器的触发角度，来控制直流环节的电流，从而控制电机电流的幅值；频率控制回路由转速控制环和负载角控制环构成，该回路通过电机侧逆变器控制电机频率，并控制电流控制环的有功功率给定值。负载角控制环可以对电动机的磁通和转矩工作参数实现非关联设置，具有可靠、稳定、快速响应的性能。
输出电压
5～50 Hz40～400 V
图26脉冲交－直－交电流型变频器主回路
2.2.3主开关
隔离开关，旋转式操作把手，机构与柜门连接时可在柜前操作，也可解卸机构在柜内操作。
2.2.4网侧熔断器
作为电源熔断器，采用半导体功率器件专用型的快速熔断器。用于万一出现短路而过电流故障检测信号未能及时响应时，对晶闸管实现后备过电流保护。
2.2.5网侧换相电抗器
用于因整流换相而引起的电压下降程度以及网侧整流器晶闸管中电流上升di/dt值。
2.2.6网侧整流器
采用三相桥式相控电路，由6只晶闸管组成，用于调节直流环节的电压，从而控制直流环节电流幅值的大小。网侧整流器部分控制逆变器的输出电压。
2.2.7直流环节电抗器
作为网侧整流器和电机侧逆变器之间的隔离，并对直流环节电流起平波缓冲作用，负载功率的上升率。直流环节电抗器是一平波大电感，在电流闭环的作用下，也不会造成大电流而损坏元件，有助于实现短路保护。
2.2.8电机侧逆变器
带相间换相的自换相式逆变器，包括6只平板型晶闸管、6只电容器（用于在电机和相回路之间提供夫功）与6只二极管（使电机隔离于换相回路，防止电容器对负载放电，使电容器上保持稳定电压）。逆变器部分控制变频器的输出频率。变频器输出频率按所需的电动机转速进行调节。
2.3火电厂变频节能情况
1999年5月23日安装试运行，取得了显著的经济效益。1号炉吸送风机改频前，1998年单耗为6 134 kW•h/t汽，改频后单耗为3 151 kW•h/t汽，降低单耗2 183 kW•h/t汽，平均节电率为4 416%。如果按全年负荷率55%计，1号炉年蒸发量为1 995 984 t汽（1998 年实际数据），则吸送风机改频后全年节电量为2 183 kW•h/t汽×1 995 984 t汽＝5 863 417 kW•h。按当时的税后成本价0.277元kW•h计，全年节省人民币1 5 671.8元。变频改造总投资298万元人民币，回收年限为1.9 a。
变频运行后曾发现甲、乙两侧排烟温度差别较大，在低负荷时容易造成锅炉
灭火。原因在于甲、乙两侧送风通道在锅炉之前是互相的单管制，而且甲、乙两侧送风由于一侧变频低速运行，一侧高速挡板节流，流量不一致，进入空气预热器的两路风量不平衡，造成排烟温度升高。
3风机变频改造的优点
3.1节约能源
在选择或设计泵与风机时，由于种种原因，往往事先无法正确确定出它们的主要参数和富裕量，因此多数情况所选择的泵与风机的流量过大，压头过高，往往超过了实际的需要，出现“大马拉小车”的现象。采用变频后通过调整频率改变泵和风机的运行参数，达到改变排灰量和风量的目的，免除了节流阀、闸门或挡板带来的附加损耗，节约了大量能源。从运行记录来看，灰浆泵变频改造的节电效果较差。
3.2减少对设备的磨损，延长设备寿命
变频启动是软启动，即电机从0转速缓慢升至起始转速，然后通过变频器频率增减按钮改变电机转速，避免了电机启动时的冲击电流，延长了电动机的使用寿命。同时加装变频调速装置后，电动机转速大部分时间工作在额定转速以下，风机、灰浆泵及管路的磨损程度大大减少。
3.3具有可靠的保护措施
装置设有过电流保护、过电压保护和低电压保护，且灵敏度很高，能实现流量或水位的负反馈功能，即通过流量及水位的负反馈信号，控制变频装置的频率，达到控制转速的目的。变频调速装置配有计算机接口，可以很方便地与工业标准通讯系统、能源管理系统和其它系统联接，很容易实现机组自动控制。
4结束语
综上所述，高压变频器用于火电厂辅机的调节后，延长电动机、水泵与风机的使用寿命，提高生产效率和机组自动化水平，提高火电厂运行和供电的可靠性，节约大量能源和检修费用，为火电厂带来较大的经济效益和社会效益。
参考文献
1 周玲玲、盛迎新、张向军.高压变频器在热电厂变频改造中的应用［J］.水电能源科学，2006（05）
2 徐甫荣.发电厂辅机电动机节能改造技术方案分析［J］.电气传动自动化，2004（01）
Discussion on the High－voltage Inverter’s
Application in the Thermal Power Plant
Xu Kai
Abstract: With the rapid development of alternating current frequency control technology, the emergence of new power electronic devices such as insulated gate bipolar transistor（IGBT）, integrated gate commutated thyristor（IGCT）, computer technology’s development and new control theory’s application, the high－voltage inverter has also been rapid developed. It is widely applied in the power plant, and the energy efficiency and control level has been recognized by electric power systems. The article analyzes the principle and characteristics of Siemens high－voltage inverter, and the energy－saving’s application in the thermal power plant.
Key words: thermal power plant; high－voltage inverter; energy－saving technology
