倪霄峰，陳 菲

（國電浙江北侖第一發(fā)電有限公司，浙江 寧波 315800）

發(fā)電企業(yè)輔機(jī)配置容量裕度較大是一個普遍問題。同時，大容量發(fā)電機(jī)組的調(diào)峰任務(wù)逐步加大。電機(jī)調(diào)速不僅可以節(jié)能降耗，還可以避免調(diào)峰時電機(jī)的頻繁啟停，降低電機(jī)故障率及延長電機(jī)使用年限，給企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

變頻調(diào)速是通過改變向電機(jī)供電的電源頻率來實(shí)現(xiàn)調(diào)速，具有高效率、響應(yīng)快、保護(hù)功能完善、過載能力強(qiáng)、節(jié)能顯著、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，而且變頻器的規(guī)格系列齊全，可以滿足現(xiàn)場不同需求，因此被廣泛采用。

1 變頻調(diào)速的節(jié)能原理及技術(shù)特點(diǎn)

1.1 節(jié)能原理

傳統(tǒng)的風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)是通過改變擋板的開度來實(shí)現(xiàn)的，在這種情況下，電機(jī)總是處于全速運(yùn)行狀態(tài)，但實(shí)際上機(jī)組負(fù)荷是不斷調(diào)整的，因此這種方法存在嚴(yán)重的節(jié)流損耗。由于功率和轉(zhuǎn)速的三次方成正比，當(dāng)轉(zhuǎn)速減小時電機(jī)功率將以其三次方的速率下降，變頻調(diào)速就是通過改變電動機(jī)的輸入電源頻率，從而達(dá)到調(diào)節(jié)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速，最終實(shí)現(xiàn)節(jié)約電能的目的。

交流異步電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速由式（1）確定：

式中：n為電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速；f為輸入的電源頻率；s為電動機(jī)的轉(zhuǎn)差率；p為電機(jī)的極對數(shù)。

由式（1）可知，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速與輸入的電源頻率、轉(zhuǎn)差率、電機(jī)的極對數(shù)有關(guān)，因而交流電機(jī)的直接調(diào)速方式主要有變極調(diào)速（調(diào)整p）、轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速或串級調(diào)速或內(nèi)反饋電機(jī)（調(diào)整s）和變頻調(diào)速（調(diào)整f）等。

變頻調(diào)速器從電網(wǎng)接收工頻50 Hz的交流電，經(jīng)過恰當(dāng)?shù)膹?qiáng)制變換方法，將輸入的工頻交流電變換成為頻率和幅值都可調(diào)節(jié)的交流電輸出到交流電機(jī)，實(shí)現(xiàn)交流電機(jī)的變速運(yùn)行。

1.2 技術(shù)特點(diǎn)

（1）控制電機(jī)的啟動電流。當(dāng)電機(jī)通過工頻直接啟動時,將會產(chǎn)生額定電流值7～8倍的電流。這個電流將大大增加電機(jī)繞組的電應(yīng)力并產(chǎn)生熱量，從而降低電機(jī)的壽命。而變頻調(diào)速則可以零轉(zhuǎn)速、零電壓啟動，能充分降低啟動電流，提高繞組承受力，將進(jìn)一步降低電機(jī)維護(hù)成本、延長電機(jī)的使用壽命。

（2）降低電壓波動。在電機(jī)工頻啟動時,電流劇增，電壓也會大幅度波動,電壓下降的幅度將取決于啟動電機(jī)的功率大小和配電網(wǎng)的容量。而采用變頻調(diào)速后，由于能在零頻零壓時逐步啟動，則能最大程度上消除電壓下降。

（3）可對風(fēng)機(jī)的風(fēng)量作平滑的無級調(diào)速，使風(fēng)機(jī)工作在最佳工作點(diǎn)，工況曲線更符合系統(tǒng)要求，可提高風(fēng)機(jī)效率，避免“喘振”現(xiàn)象，穩(wěn)定爐膛壓力，滿足工作環(huán)境的要求。

（4）低速運(yùn)行可以減少磨損、降低噪音,有利于延長電機(jī)和風(fēng)機(jī)的使用壽命。

（5）節(jié)能效果顯著。由于最終的能耗是與電機(jī)的轉(zhuǎn)速成立方比，所以采用變頻后，大大節(jié)約了運(yùn)行成本，投資回報快，用戶也愿意接受。

1.3 羅賓康高壓變頻器簡介

高壓變頻器采用若干個低壓脈沖寬度調(diào)制技術(shù)（PWM）變頻功率單元串聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)直接高壓輸出。該變頻器具有對電網(wǎng)諧波污染小，輸入功率因數(shù)高，輸出波形質(zhì)量好，不存在諧波引起的電機(jī)附加發(fā)熱、轉(zhuǎn)矩脈動、噪音、斷態(tài)電壓臨界上升率dv/dt及共模電壓等問題的特性，不必加輸出濾波器，就可以使用于普通的異步電機(jī)。高壓變頻器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 高壓變頻器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電源電壓經(jīng)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(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)變壓變頻的高壓直接輸出，供給高壓電機(jī)。每個功率單元分別由輸入變壓器的1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(shí)現(xiàn)多重化，以達(dá)到降低輸入諧波電流的目的。

多脈沖的整流電路結(jié)構(gòu)，使輸入電流波形接近正弦波。由于輸入電流諧波失真很低，變頻器輸入側(cè)的功率因數(shù)可達(dá)到0.95以上。逆變器輸出采用多電平移相式PWM技術(shù)，輸出電壓非常接近正弦波，dv/dt很小。電平數(shù)的增加有利于改善輸出波形，由諧波引起的電機(jī)發(fā)熱、噪音和轉(zhuǎn)矩脈動都大大降低，不需要輸出濾波器。

1.4 應(yīng)用注意問題

（1）風(fēng)機(jī)型號、容量的選型應(yīng)與實(shí)際負(fù)荷相匹配，其中包括與所配電機(jī)的匹配，一般裕量應(yīng)控制在10%以內(nèi)。

（2）不能為了減少變頻器輸出電壓的高次諧波而在其輸出端并聯(lián)電力電容器，因?yàn)檫@樣極易造成變頻器輸出端的電流沖擊。為減少諧波，可以串聯(lián)電抗器。

（3）變頻器輸出端一般不用電磁開關(guān)控制電機(jī)的啟動和停車。除一臺變頻器帶多臺電機(jī)的拖動系統(tǒng)外，控制電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)應(yīng)使用變頻器裝置，或通過鍵盤面板去操作。同理，也不能用變頻器進(jìn)線側(cè)的斷路器去控制電機(jī)的停機(jī)。

（4）高壓變頻應(yīng)在額定電壓下工作。如果非要在額定電壓值以外的電壓下運(yùn)行時，需通過變壓器把電壓升高或降低到額定電壓值。

（5）為防止電磁干擾，可在硬件和軟件兩個方面采取抗干擾措施，硬件方面可采用隔離、濾波、屏蔽、接地等方法。

2 應(yīng)用實(shí)例

北侖發(fā)電廠2號600 MW機(jī)組引風(fēng)機(jī)電機(jī)型號MTC3942T，額定功率2 700 kW，額定電壓為10 kV，額定頻率為50 Hz，轉(zhuǎn)速為590 r/min，三相交流異步電動機(jī)，風(fēng)門采用檔板調(diào)節(jié)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，引風(fēng)機(jī)耗電量占發(fā)電廠用電量的17.23%。選用羅賓康高壓變頻器對引風(fēng)機(jī)實(shí)施了變頻改造。引風(fēng)機(jī)變頻裝置型號為PH-10-6-3900，采用“高—高”變換方式，為與今后機(jī)組脫硝改造后的電機(jī)相匹配，選購的變頻器功率為3 900 kW。

由于變頻器額定輸出電壓為6 kV，而廠用電電壓為10 kV，因此變頻調(diào)速裝置中除了變頻器、隔離變壓器、旁路開關(guān)柜外，還增加了1套星/三角切換裝置。變頻調(diào)速裝置主回路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2，星/三角切換原理圖見圖3。10 kV電源經(jīng)變頻器輸出至電機(jī)；10 kV電源還可經(jīng)旁路開關(guān)送至電機(jī)。輸入、輸出和旁路開關(guān)的作用是：當(dāng)變頻器故障時斷開輸入、輸出開關(guān)，將變頻器隔離，合上旁路開關(guān)電機(jī)仍可用廠用工頻電源啟動電機(jī)運(yùn)行。

星/三角切換原理為：當(dāng)電機(jī)定子繞組采用星形接法時，電機(jī)額定輸入端電壓為10 kV。當(dāng)把電機(jī)定子繞組轉(zhuǎn)換為三角形接法時，電機(jī)的額定輸入端電壓變?yōu)?0/1.732=5.77 kV。此時，電機(jī)可以由6 kV高壓輸出的變頻器驅(qū)動。因此，當(dāng)對10 kV電機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速時，通過對電機(jī)定子繞組進(jìn)行星/三角接法的切換，可以安全可靠地實(shí)現(xiàn)10 kV電機(jī)的變頻/工頻運(yùn)行切換。在這種接線方式下，當(dāng)變頻器故障時，引風(fēng)機(jī)電機(jī)可通過手動切換至旁路運(yùn)行，減少了新增變頻設(shè)備后對機(jī)組運(yùn)行的影響。

圖2 變頻調(diào)速裝置主回路系統(tǒng)圖

圖3 星/三角切換原理圖

3 效益分析

3.1 工頻、變頻運(yùn)行時測試結(jié)果

機(jī)組負(fù)荷300 MW，450 MW，600 MW時對引風(fēng)機(jī)工頻、變頻運(yùn)行分別進(jìn)行了測試，結(jié)果見表1。在機(jī)組負(fù)荷為300 MW時，變頻投運(yùn)工況下的引風(fēng)機(jī)功率比模擬工頻工況的低960 kW左右；在機(jī)組負(fù)荷為450 MW時，變頻投運(yùn)工況下的引風(fēng)機(jī)功率比模擬工頻工況的低733 kW左右；在機(jī)組負(fù)荷為600 MW時，變頻投運(yùn)工況下的引風(fēng)機(jī)功率基本上與模擬工頻工況的接近，節(jié)電效果不明顯。

按照上述數(shù)據(jù)可得出引風(fēng)機(jī)變頻改造后節(jié)約的功率曲線，如圖4所示。由圖4可知，在機(jī)組負(fù)荷較高的情況下，引風(fēng)機(jī)節(jié)能效果并不明顯。因此在夏季用電高峰時期，可考慮將引風(fēng)機(jī)變頻器退出，改為工頻運(yùn)行。

表1 機(jī)組負(fù)荷300 MW，450 MW，600 MW時引風(fēng)機(jī)（A/B）變頻、工頻運(yùn)行比較

圖4 引風(fēng)機(jī)模擬工頻與變頻運(yùn)行工況比較節(jié)電功率

3.2 直接經(jīng)濟(jì)效益分析

2010年機(jī)組計(jì)劃發(fā)電量為29.34億kWh，負(fù)荷率為69.45%，年計(jì)劃運(yùn)行6 794.02 h，折算成機(jī)組平均負(fù)荷為416.66 MW。根據(jù)圖4，在此負(fù)荷下變頻改造后引風(fēng)機(jī)A與B平均節(jié)約功率分別為787 kW，780 kW。照此估算，年節(jié)約電量預(yù)計(jì)為：（787＋780）×6794.02＝1 064.62 萬 kWh。 由于模擬工頻運(yùn)行時統(tǒng)計(jì)的引風(fēng)機(jī)功率未剔除變頻器自身的損耗，因此實(shí)際節(jié)電量比計(jì)算的節(jié)電量要稍少一些，每年的節(jié)電量大約為1 000萬kWh。

引風(fēng)機(jī)變頻器室空調(diào)在引風(fēng)機(jī)運(yùn)行時都投入運(yùn)行條件下，空調(diào)耗電量大致為2 750×3.5%÷3×6794.02×2＝43.6萬 kWh。

年綜合節(jié)約電量956.4萬kWh，年可節(jié)省標(biāo)煤為 956.4×3.5＝3 347 t。

3.3 間接經(jīng)濟(jì)效益分析

（1）由于實(shí)現(xiàn)了軟啟動，啟動峰值電流和時間大為減少，避免了因啟動電流大造成的絕緣老化及由于電動力矩大造成的機(jī)械沖擊對電機(jī)壽命的影響，又因變頻器自身配置了過電壓、欠電壓、過電流、過溫、過載、斷相、短路和接地保護(hù)，在出現(xiàn)故障時均能簡捷地顯示出故障原因，便于及時處理，有效地杜絕了頻繁燒壞電機(jī)的現(xiàn)象?？梢詼p少電機(jī)更新維護(hù)的工作量，節(jié)約維護(hù)費(fèi)用。

（2）擋板全開，節(jié)省了打開擋板所使用的電能，同時減小了風(fēng)道的振動，使鍋爐運(yùn)行穩(wěn)定。

（3）變頻調(diào)速裝置還采用了分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，具有分散控制、信息集中管理的特點(diǎn)，使變頻調(diào)速的控制更為可靠、簡單易行。

（4）使用變頻調(diào)速，轉(zhuǎn)速降低，使環(huán)境噪聲得到很好的改善。

（5）可以實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速，精度高。特別適合于對舊設(shè)備的技術(shù)改造，保持了原電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、可靠耐用、維護(hù)方便的優(yōu)點(diǎn)。

4 結(jié)語

高壓變頻調(diào)速控制作為一種新型的調(diào)速方法，其優(yōu)良的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性已得到公認(rèn)。通過對北侖發(fā)電廠2號機(jī)組引風(fēng)機(jī)現(xiàn)場運(yùn)行的跟蹤檢測，充分說明高壓變頻器運(yùn)用于引風(fēng)機(jī)控制中可以取得良好的運(yùn)行效果和經(jīng)濟(jì)效益。高壓變頻器具有安裝簡便、調(diào)試簡便及現(xiàn)場工作人員很容易掌握的特點(diǎn)，并且運(yùn)行性能穩(wěn)定可靠，節(jié)能效果十分顯著。目前在新機(jī)組建設(shè)和老機(jī)組改造中，變頻調(diào)速裝置已經(jīng)得到廣泛運(yùn)用。

[1]李春雷，吳宇熙.高壓變頻調(diào)速在火電廠鍋爐引風(fēng)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].變頻器世界，2007（12）:51-57.

[2]吳民強(qiáng).泵與風(fēng)機(jī)節(jié)能技術(shù)問答[M].北京：中國電力出版社，1998.