高压大容量变频器在电厂节能改造中的应用

1、高压大容量变频器在电厂节能改造中的应用姓 名：王宏伟专 业：电气工程2007年5月12新乡豫新发电有限责任公司摘 要在火力发电企业中目前存在着大功率辅机电动机耗电高和时有烧毁电动机的问题，采用变频技术，即可实现节能降耗，又可实现高压电机的软启动，达到改善电动机运行环境的目的。本文从阐述高压变频器的原理出发，在分析研究国内外高压变频技术在火力发电行业应用现状的技术上，结合豫新发电有限责任公司的实际，确定了豫新发电有限责任公司#6炉A、B引风机变频技术的实现方式，并对变频器的性能和节能效果进行了全面分析研究，证明了高压变频技术在火力发电企业的大功率辅机电动机应用上，可以有效的降低能耗，在发电企业中

2、有实际应用推广价值。目 录中文摘要第一章 绪论11.1课题的来源及研究的目的和意义31.2变频调速技术的优越性 31.3与本课题有关的国内研究状况 41.3.1火力发电厂电动机的节能方式 41.3.2变频器中电力电子元器件的发展 61.3.3变流电路与控制技术的发展61.3.4变频技术在电动机中的应用情况71.4本文的主要工作 8第二章火力发电厂高压电动机变频方案选择92.1变频调速的基本理论92.2变频器的基本组成102.2.1变频器系统硬件组成102.2.2变频器系统软件组成 112.2.3实施变频调速存在的主要问题 122.3目前比较流行的几种变频调速方式122.3.1 Y/变换122.

3、3.2高-低-高变频调速系统 122.3.3直接高压变频调速控制系统 132.4豫新发电有限责任公司变频调速方式的选择142.4.1改造前状况 142.4.2高-高变频配置方案 15第三章火力发电厂变频器的技术类型论证163.1高次谐波产生的原因极其影响163.1.1高次谐波的产生163.1.2高次谐波对电气设备的影响 163.2 几种常见的高压变频类型173.2.1电流源型变频器173.2.2三电平电压源型变频器1813.2.3 单元串联多电平电压源型变频器193.3新乡豫新发电有限责任公司#6炉送风机变频技术类型论20第四章豫新发电有限责任公司高压变频器简述244.1豫新发电有限责任公司完

4、美无谐波高压变频器的原理244.2豫新发电有限责任公司完美无谐波高压变频器的参数264.3豫新发电有限责任公司完美无谐波高压变频器的特点26第五章 变频器节能分析285.1变频器节能分析285.1.1理论计算285.1.2实测数据分析31第六章结论322第一章 绪论1.1课题的来源及研究的目的和意义随着电力行业的改革不断深化，厂网分家、竞价上网政策的逐步实施，降低厂用电率，降低发电成本，提高上网电能的竞争力，已成为各火电厂努力追求的经济目标，而且要求越来越迫切，因此发电厂较以前更加重视以经济效益为中心、追求经济效益最大化的经营方针，加强节能管理，加大节能力度，挖掘节能潜力，改造落后高耗能设备、

5、降低煤耗，提高经济效益将是今后相当长时间内的重点工作，特别是某些老机组，只能走节能降耗的路子，加大设备技术改造，才能提高机组竟价上网的能力。新乡豫新发电有限责任2×300MW机组原设计中大部分泵与风机是由工频定速电机拖动，在运行中通过改变阀门(挡板)开度的方法进行调节。这些重要的辅机都是根据机组的额定容量而设计制造的，辅机只有在额定工况下才能在高效区运行，然而在实际运行中我厂的负荷率只有60%80%，在这样的情况下辅机的工作区域往往都偏离其高效工作区，设备的使用效率较低，增加了厂用耗电量。另一方面，近几年电网的负荷峰谷差越来越大，频繁的调峰任务使高压电机的启停次数增加，一般高压电机启

6、动时的启动电流为额定电流的6-8倍，电动机受到的冲击转矩很大，严重影响电动机的机械寿命，在启动过程中烧毁高压电机的现象时有发生，而采用了变频调速技术，可实现高压电机的软启动，即电机从零转数慢慢升至启动转数，从而达到改善电动机运行环境的目的。1.2变频调速技术的优越性自从三相交流电动机问世以来，由于其转子回路内的电流不必从外部输入，转子的结构极为坚固，易于维护，长期以来在工业中的占有率始终处于领先地位，然而，工业中转动机械常常需要不同的转速要求，在调速方面，三相交流电机远逊于直流电机，直流电动机调速统治了30年。从1970年以后，直流调速在单机容量上逐渐满足不了要求，又有换向火花、维修困难又不节

7、能等缺点，使其应用受到一定制约。实现三相异步电动机的调速，成为工程技术人员追求的目标。变频调速技术的出现和不断发展，使电机调速领域发生了革命性的变化，在不到二十年的时间里，已被国内外公认为是最理想、最有发展前途的一种调速方式。变频技术在我国推广应用虽短短十几年，发展也十分迅速。这主要归功于变频调速技术的优越性。31.节约能源这是变频调速最突出的特点之一，也是变频调速技术虽然发展时间很短，但推广普及十分迅速的主要原因之一，在各种调速系统中，变频调速效率最高，可比直流电动机效率提高2%-3%，尤其对转速经常变化的泵和风机类负载，其节电率很高，采用变频调节流量可以节省电能消耗10%-30%，因此随着

8、变频技术的不断发展，成本的不断下降，变频调速的普及将更加迅速。2.可靠性高交流电机变频调速的故障率很低，与直流调速相比，电机无换向器等易损坏环节，其优势十分明显，且保护功能比较完善，可靠性远高于其他的调速方法，这是变频调速发展十分迅速的根本原因。3.调速范围广变频器的最低工作频率可以从零赫兹到400赫兹以上，调速范围很广，可满足不同的调速场合，应用十分广泛。4.调速平滑性好两档之间的调速最小可达零点零几转/分钟，可以大大提高生产设备的加工精度，工艺水平以及工作效率，从而提高产品质量和数量；对于一些控制系统来说，还可减小对系统的冲击，各项被控参数更加稳定，提高了可靠性及经济性，延长了设备的使用寿

9、命。5.工作特性好在工作特性方面，无论是静态特性，还是动态特性，变频调速都做到了与直流调速系统不相上下的程度。1.3 与本课题有关的国内研究状况1.3.1火力发电厂电动机的节能方式火力发电厂的动力设备较多，节能方式也多种多样。归纳起来有：1.变极调整改变定子绕组的接线方式来改变电动机定子极对数达到调速目的，这种调速方法由于从一个速度调到另一个速度时，会产生较大的冲击电流，不仅会影响电动机的使用寿命，而且对厂用电的正常运行可能造成影响。因而只适用于需要两、三种转速的鼠笼电动机。在电厂，变极调速的主要应用形式为双速电机。我厂的锅炉送风机、引风机均采用了此调速方式。2.串极调速指绕线式电机转子回路中

10、串入可调的附加电势来改变电机的转差率，达到调速 4的目的。适用于中、大功率的绕线式电动机，节电率可达30左右。此方法在绕线式电动机中得到广泛的应用。由于其节能效果明显，近年来，火力发电厂中，也有将鼠笼电动机改为绕线式电动机，再利用此方法，达到节能的效果。我厂的锅炉磨煤机电机采用了此调速方式后，节能效果相当明显。3.转子串电阻调速在绕线式电动机转子串入附加电阻，改变电阻使电动机的转差率改变，达到调速的目的。此方法使电动机转子铜损增加，电动机效率降低，只适合于频繁启动、负载变化不大、短时低速运行的场合。目前这种调速方法在电厂已被淘汰。4.变压调速当改变电动机的定子电压时，可以得到一组不同的机械特性

11、曲线，从而获得不同的转速。由于变压过程中转差功率以发热的形式消耗在绕组电阻中，效率低，调速功率范围220KW。在电厂的大型辅机中无应用的事例。5.滑差调速又称电磁调速，主要由三相鼠笼电动机和电磁转差耦合器、测速发电机三部分组成。利用可控硅整流装置调节耦合器中的励磁电流，达到调速的目的。由于在低速运转时，转差损耗很大，效率极低，仅适用于恒转矩负载、短时低速工作制的场合。只有当风机运行的风量与最大风量之比Q/Qmax小于0.6时，方能显示出经济效益，而且噪音较大，不宜在电厂推广。6.液力偶合器调速利用改变偶合器工作腔中的液体充满程度来改变转速。此方法属于机械调速，可实现无级调速，无电联接，机械结构

12、可靠性高。我厂的#4、5机1、2给水泵都采用了此方法，节能效果也非常明显。7.变频调速改变电动机电源频率，就能改变电动机的同步转速，电动机的转速也随之改变，所以改变电源频率就可以平滑地调节异步电动机的转速。其特点是：没有附加损耗，效率高，调速范围大，调速比可达20：1；调节精度高：技术复杂，造价高。适用于流量不稳定，变化范围较大且需要经常改变的场合，如：风机和水泵等。变频调速技术在高压电动机中的应用国内正在探索之中，2000年2月，大庆华能新华发电有限公司引进两套德国西门子生产的SIMOVERT-A 6SC24 系列变频器，安装在灰浆泵系统中，开创了全国电力系统高压电机变频改造的先河，也为电力

13、系统大容量高压变频调速技术的推广应用奠定了基础。8. 无刷双馈变频调速电机无刷双馈电机是一种新型的很有发展前途的交流调速方案，它但没有成熟的系列产品，没有大规模使用。51.3.2 变频器中电力电子元器件的发展二十世纪八十年代，各种高速、全控型的器件先后问世，如可关断晶闸管（GTO）、电力晶体管（GTR）、功率场晶体管（功率MOS-FET）、绝缘栅双极晶体管（IGBT）、静电感应晶体管（SIT）、静电感应晶闸管（SITH）、MOS晶闸管（MCT）等5-6。原交流装置中的普通晶闸管逐渐被这些新型器件取代，新的结构紧凑的变流电路随之出现，许多早期的变流方式再次焕发青春，过去难以实现的控制方式也得以实

14、现。这一切使电力电子技术具有了全新的面貌，这些现代器件具有全控化、集成化、高频化、多功能化、大功率化的特点。现代电力电子器件的出现，实现了弱电对强电的控制，使电子技术步入功率领域，其全控特性使得不仅能控制其开通，而且能控制其关断，在工业上引起了一场技术革命，变流装置也由旋转方式变为静止方式。全控型又可分为三大类：双极型、单极型和混合型。在电力系统中应用较多的为混合型器件，它是由双极型器件和单极型器件混合集成而成。它利用耐压高、电流密度大、导通压降低的双极型器件（如SCR、GTR、GTO等）作为输出级，因而兼并了两者的优点。这类器件的典型有：IGBT、MCT和功率集成电路。IGBT自上世纪八十年

15、代以来发展十分迅速，最大容量已达3000A，最高电压等级已达10000V，工作频率已超过40KHZ。功率集成电路也称PIC，也是混合型器件，它是指功率器件与驱动电路、控制电路、保护电路等的总体集成，是更高层次的电力电子器件。功率集成电路又分为高压集成电路（HVIC）和智能功率集成电路（SPIC），这种器件实现了功率器件与电路的总体集成，使强电与弱电达到了完美的结合，完成了信息与动力的统一。高压变频器中使用的整流、变流器件均为低压器件串联而成的，根据电动机的额定电压，确定串联的HV-IGBTS数量。它的传动变频器的电路包括一个2.3KV基本变频器和IHV滤波器。IHV滤波器从脉冲2.3KV反向变

16、流器输出电压中产生一个正弦6.3KV输出电压，直接作用在高压电动机上。当将2件HV-IGBTS串联接入时，中心点二极管被HV-IGBTS模块所取代。这就要要求在部件之间均匀的分布电压，因而它采用并联电路配置，在线路供电侧，使用2台单独的123脉冲变压器。为了保证2个子系统间的均匀的电流分配，设计了2个电气绝缘绕组系统，增加了可靠性。1.3.3变流电路与控制技术的发展以电力半导体器件为核心，通过不同的电路拓扑和控制方式来实现对电能的转换和控制，这就是变流电路，随着器件特性的不同，其控制方式与应用范围也不相同。6全控型电力半导体的问世，使得变流电路与控制技术发生了巨大的变化，由于它能由外信号控制其

17、关断，所以还可以实现DC-DC变换，即构成斩波器。利用斩波器可以把固定或变化的直流电压换成可调或恒定的直流电压，实现直流变压器的作用。由全控型器件组成的变流电路中，不再采用相控技术，而改为脉宽调制（PWM）技术，由于PWM技术可以极其有效地进行谐波抑制，动态响应好，使得变流电路的性能大大提高。由电力半导体器件构成的变流电路，伴随着电力半导体器件的优点而呈现出许多优势，例如：1.体积小、质量轻与交流调速相比，没有机械旋转部分的磨损，没有噪声，维修方便。2.功率增益高，控制灵活。3.控制动态特性好。4.效率高，节省能源。采用数字-模拟混合式的IGBT-SPWM变频调速系统的主回路为电压源型SPWM

18、变频器的标准拓扑电路；控制回路为压频比协调控制的频率开环控制系统，由给定积分电路，SPWM生成电路及驱动电路等组成，压频比协调控制信号由V/f函数发生器产生。这种变频器目前还有不少在运行中，但新安装的都为微机控制的全数字化变频调速系统。微机控制的全数字化变频调速系统的主电路亦为典型的三相桥式逆变电路，具有过电流和过电压保护，选用专用集成驱动器驱动IGBT。其主控部分同由微处理器和可编程全数字化的SPWM波集成控制器组成。与硬件连接配套的还有相应的软件程序，主要是利用程序查表得到脉宽数据等。这部分各厂家都有不同，且对外公开。1.3.4变频技术在电动机中的应用情况众所周知，高压电动机的应用极为广泛

19、，它是工矿企业中的主要动力，在冶金、钢铁、化工、水处理等行业的大、中型厂矿中，用于拖动风机、泵类、压缩机及各种大型机械。其消耗的能源占电动机总能耗的70%以上，而且绝大部分都有调速的要求，由于高压电机调速方法落后，浪费大量能源而且机械寿命降低。上世纪90年代由于变频调速技术在低压电动机应用得非常成功，人们开始研究高压电动机变频技术的应用，最早的应用形式是Y-变换形，这种方法是通过降压变压器将6KV的电压降低到一定的电压等级，再利用低压变频器驱动改进后的电动机，此方法要求电机的外形尺寸特殊，原有电机基础不能使用，需重新施工浇注，安装时间也较长，投资比较大，因而现在已基本不再使用。随着低压变频技术

20、的不断完善，为了充分利用低压变频器的优点，而且能继续 7使用原来的电动机，人们设计了高-低-高变频方案，该调速方案是将高压6000V通过降压变压器变为600V或400V，使变频器的输入电压降低，可以用一般的交流变频器实现变频调速，变频器后的输出电压再通过升压变压器变为6000V，以满足高压电动机的要求，这种方案可以使用技术较为成熟、价格较低的低压变频器，成本较低，但缺点是需要两台变压器，占地面积大，整个变频调速系统的效率低，只适合1000KW以下的电机调速。随着电力电子技术的发展，人们研制出了高压6000V变频器，为高压电动机的直接变频调速带来了新的希望，近几年出现的新的高-高形变频调速方式，

21、成功地解决了其他变频方案的存在的缺点。1.4本文的主要工作本文的主要工作包括以下几个方面：1.在认真阅读大量参考文献的基础上，综述了高压变频技术在高压电动机上的应用情况以及在应用过程中存在的主要问题。对已有的Y-变换型、高-低-高型、高-高型三种实现方式进行了详细技术经济比较分析。确定了新乡豫新发电有限责任公司#6锅炉A、B引风机变频调速技术的实现方式，即采用高-高型的变频调速方式。2.针对高压电动机采用高-高型变频调速后，分析了将来变频器投运后对电网及其他设备的影响，包括电动机的影响，通过与其它类型的高压大容量变频器比较，最后确定新乡豫新发电有限责任公司#6锅炉A、B引风机选用完美无谐波系列

22、变频器。3.对引风机变频改造后的效益进行了分析，对在引风机变频器运行中出现的一些问题成功进行了解决，积累了变频器在现场运行的实际经验。8第二章 火力发电厂高压电动机变频方案选择2.1变频调速的基本理论从交流异步电动机的转速公式可以分析如何改变异步电动机的转速9-11：n=(1-s)n1=(1-s)60f1/p (2-1)式中：n电动机运行时实际转速n1电动机的同步转速f1电动机电源频率p电动机极对数s电动机转差率当改变电源频率f1时，同步转速n1=60f1/p与频率成正比变化，于是异步电动机的转速n也随之改变,所以改变电源频率就可以平滑地调节异步电动机的转速。异步电动机正常运行时，从U1=4.

23、44f11k1øm可知，U1不变，磁通øm随频率f1的改变而改变，频率升高，øm会下降，电机允许的输出力矩将降低，电机不能充分利用，所以，为了维持电动机磁通恒定，在调频的同时还要调压，使U1与f1成比例改变。在过载能力不变的情况下，由电机学可知，电压U、频率f1与最大力矩Tmax之间的关系如下11：Tmax=±m1pU²/4 f1C±r1+(x1+cx2) (2-2)式中：Tmax电动机的最大转矩m1电动机绕组的相数p电动机极对数U电动机电源电压f1电动机电源频率r1电动机线圈直流电阻x1电动机的定子漏抗x2电动机的激磁电抗C比例系数

24、 C=1+ x1/ x2可以看出，改变频率的调速属于转差率基本不变、同步转速和电动机理想转速同步变化条件下的调速。所以，变频调速的调速精度、功率因数和效率都较高，容易实现闭环自动控制。已知风机和泵类负载的功率及其运行转速n的关系为P=Kn³，即对于风机和泵类等一类的负载。电动机的输出功率正比于电机转速的三次方。其中K为负载功率 9计算系数，风机约为3，泵类约为2。无论采取何种方式均可使用P=Kn³来计算负载功率。当电动机降低转速时，风机所消耗的电功率按三次方比例关系下降；在机组低负荷情况下，对风机的需求相对较少；例如,采用变频控制时，当风量与转速均下降到80%时,功率将降低

25、到额定功率的51%，而采用挡板调节风量时，电机消耗的功率约为90%，能量损失严重。当风量与转速均下降到60%时,功率将降低到额定功率的21%。由此可见，采用变频调节后，入口挡板全开，几乎消除了节流阻力，节能效果明显。实现变频控制原理如图2-1所示。厂用电交流电母线 6300v 交流异步电动机图 2-1 变频调速控制原理图2.2变频器的基本组成变频器按变换环节分为交交变频器和交直交变频器，由于交交变频器连续可调的频率范围小，一般为额定频率的1/2以下。目前，变频器基本上采用交直交电流型或电压型变频器，变频器的基本构成如图2-2所示，主回路由整流器、滤波环节和逆变器构成，各部分功能简要说明如下：6

26、300V 图 2-2 变频器基本构成图2.2.1 变频器系统硬件组成1.整流器：作用是把三相交流电压整流成直流，常采用桥式整流电路。102.逆变器：采用大功率可控模块组成桥式逆变电路，控制电路有规律地控制逆变器中开关管的通与断，得到任意频率的三相交流输出。3.中间直流环节：由于逆变器的负载为异步电动机，属于感性负载，其功率因数不会为1，因此在变频器和电动机之间会有无功功率交换，这种无功能量要靠中间直流环节的储能元件（电容或电感）来缓冲。4.控制回路：控制回路有频率、电压的运算回路，主回路的电压、电流检测回路、电动机的速度检测回路，将运算回路的控制信号进行放大的驱动回路，以及逆变器和电动机的保护

27、回路，控制方式常采用的是PWM脉宽控制。PWM的控制型变频器一般采用电压型和电流型逆变器，并采用恒脉宽调制，逆变器的输入为直流电压，通过调节逆变器的脉冲宽度和输出交流电压的频率，既实现了调压，又实现了调频。2.2.2 变频器系统软件组成作为产品的变频器系统具有很多功能，不同的产品的具体功能也不尽相同，但是从系统控制软件的角度，总体上可以分为以下几个功能：1.电机运行：这是变频器系统功能的最基本和主要部分，包括所有和电机运行有关的功能，包括启动、制动、调速、转向控制。2.状态监测：对于实用化的产品而言不仅是必不可少的，而且对于产品的最终可用度有至关重要的影响，所监测的状态至少包括变频器电机系统里

28、几个关键的参数，如电流、电压，具体而言电压一般检测直流母线上的直流参数，电流就有直流母线电流、电机线电流（交流量）的不同选择，也可以都加以监测。软件通过监测的数据可以判断系统的运行状况。3.故障处理：如果监测到系统发生故障，就需要加以判断和相应的处理。一般而言，需要区分和响应的故障至少包括过电流、过电压，在成熟的产品中一般还会包括过负载、过热、缺相等。而对这些不同的故障的不同响应，取决于理论分析和经人工控制：提供一套人机界面系统，操作者可以通过其监测和控制系统的运行包括设置一些运行参数，目前这种界面一般采用键盘作为输入设备而采用小面积的数码管或液晶屏幕作为显示设备。4.自动控制：提供一些电子接

29、口，通过这些接口可以由其他设备例如 PLC 来监测和控制系统的运行，但是一般不提供通过接口来设置系统内部的参数。主控：对上述各项功能的控制、调度和互相之间信息的传递。在这个基础上，功能比较复杂的变频器可能会加入一些比较复杂的、具有少量自动判断和命令记忆的功能，但是无不是基于以上的基本划分之后在特殊情况和特殊参数下的组合设计。因此，在设计变频器控制软件时，需要把握住以上诸项基本功能加以实现。112.2.3实施变频调速存在的主要问题高压变频调速存在的主要问题是高压变频调速方案的经济性、节能性的比较和选择，关键技术是方案中变频器件的电压等级的合理应用以及如何减少加装变频器后对电网及电机的影响。2.3

30、目前比较流行的几种变频调速方式目前国内高压电动机采用的变频调速方案主要有以下几种：2.3.1 Y/变换采用Y/变换的办法是通过降压变压器将6000V的电压降低到一定的电压等级，如韩国ABB公司的ACS系列变频器的电压等级有2.3KV、3.3KV和4.0KV，它的基本构成如图2-3。图 2-3 星三角 变换图这种联接方式要求异步电动机必须采用三角形接法，采用3.3KV或4.16KV的变频器即能满足电压和电流的要求，也能满足变频器对电机的绝缘等级提高一级的要。但它对dv/dt和共模电压承受能力较差。由于电厂一般风机电机的接线方式为Y型，选用此方案的变频器，电机的定子线圈要由Y型改接为型，或使用与此

31、电压等级配套的高压电机，再者还需新增加一个变压器，；该方案要求换装电机的外型尺寸特殊，原有电机基础不能使用，需重新施工浇注，安装周期也较长；电机进行Y/改接后，电机与电网电压不一致，无法实现旁路功能，当变频器出现故障后，无法保证生产的正常进行。2.3.2高-低-高变频调速系统此中调速控制方案是将高压通过降压变压器，使变频器的输入电压降低，这样可以采用一般的交流变频器，然后，将变频器的输出电压通过升压变压器将输出电压再提高到6000V，以满足高压交流电动机的电压要求。这种方案可以采用较为低廉的变频器，高-低-高变频调速系统的结构如2-4图所示。126300v 降压变压器低压变频器 升压变压器 电

32、动机图2-4 高-低-高变频调速系统的结构图 M高-低-高变频调速系统普遍采用可控硅整流电路逆变电路，从70年代问世以来，逐步走向成熟，也有很多应用成功的例子，但此种系统存在者较多的问题：1.高-低-高变频调速系统需要用升压和降压两个变压器，以实现6000V电压直接输出，从而降低了效率，会增加0.3%的损耗，并且降压变压器和升压变压器不能互换，升压变压器需要特制，以减弱高次谐波的影响。2.高-低-高变频调速系统中的变频器整流部分采用可控桥式整流电路，相应变频器的功率因数比较低，范围从0.2到0.9之间。由于送风机经常工作在低转速状态，可控硅的导通角较小，使系统的功率因数很小，系统需要消耗大量的

33、无功功率，导致6000V母线电压下降，影响6000V母线电压质量；同时可控硅整流在送风机低速范围运行时，导通角很小，波形畸变大，逆变部分大多采用6脉冲或12脉冲，输出波形失真，有大量高次谐波存在，使输出波形不是正弦波，为解决谐波的影响，需要加装滤波器，增加投资。3.高-低-高变频调速系统中的变频器工作在低电压状态，为满足功率输出的要求，工作电流很大，往往需要变频器元件并联运行，为此必须进行元件配对，加均流措施，检修技术水平要求比较高。4.高-低-高变频控制系统需要两台变压器，变压器需要装设相应的保护，成本也会有所上升，另外，使用高-低-高变频系统占地面积较大。2.3.3直接高压变频调速控制系统

34、直接高压变频调速控制系统用额定电压为6000V的高压变频器直接驱动6000V的电动机，实现变频调速，高-高变频调速系统的结构示意图如2-5。6300v 电动机高压变频器 M图2-5 直接高压变频系统的结构示意13直接高压变频系统，简称高-高变频调速系统，它是九十年代末针对高-低-高变频调速系统缺陷研制成功的新一代变频调速系统。该系统从根本解决了高-低-高变频调速系统存在的问题,是一种性能优越的变频调速设备。该调速系统一般使用一台变压器与电网隔离，变频器输出直接到电机，由于采用了桥式整流电路，在整个调速系统中功率因数较高，cos=0.85，不需要装设无功补偿装置，又因为高-高变频调速系统采用多重

35、化脉宽控制，通过模块输出串联叠加消除高次谐波的影响。高-高变频调速系统简化了主电路和控制电路的结构，变频器在中间处理器材调节器控制下，调整整流即逆变部分的控制量，通过调节逆变器的脉冲宽度和输出电压频率，既实现调压，又实现调频，调节器进行无偏差的前馈控制，使控制误差降到了最小，从而使装置的体积小，重量轻，造价低，可靠性高。高-高变频调速系统改善了系统的动态特性，变频器中逆变器的输出频率和电压，都在逆变器内控制和调节，因此调节速度快，调节过程中频率和电压的配合好，系统的动态性能好。高-高变频调速系统有很好的对负载供电的波形。变频器的逆变器输出电压和电流波形接近正弦波，从而解决了由于以矩形波供电引起

36、的转矩降低问题，改善了电动机的运行性能，高-高变频调速系统适用于常规电机和电缆的绝缘要求，现有的送风机电机和电缆可以继续使用。2.4新乡豫新发电有限责任公司变频调速方式的选择2.4.1改造前状况新乡豫新发电有限责任公司#6、7机组建于2006年，均为燃煤机组，配武汉锅炉厂生产的1025T/H煤粉炉；由于豫北地区负荷盈余，负荷常常带到180MW-250MW；两台机组均配置两台FAF19-10-1轴流式送风机（配置电机630KW）和两台AN28E6轴流式引风机（配置电机2000kW）。发电厂的负荷必须要跟随用户的使用状况而改变，发电机的负荷调节必然要求锅炉跟随其负荷变化运行，相应的送、引风机等也必

37、须随之进行调节，以适应机组负荷变化。在调节的过程中又有大量的能量被浪费了。机组在额定负荷下运行，风机效率较为理想，但机组带低负荷运行时，一部分功率被消耗在挡板上，且机组负荷越低，消耗在挡板上的功率越大，使风机效率随机组负荷而迅速降低。同时还存在以下问题：1.挡板动作迟缓，手动时运行人员操作不灵活，而且操作不当会造成风机振动，投入自动运行时，很难足最佳调节品质。2.风机挡板执行机构故障较多，不能适应长期频繁调节，使风机调节系统一直不能 14正常投入自动运行。3.风机在启动时，采用直接启动方式，启动电流为额定电流的5-8倍，电动机受到的机械、电气冲击较大，经常发生转子鼠笼条断裂事故；大的启动电流还

38、会在绕组端部产生很大的电磁力，使绕组端部变形和振动，造成定子绕组绝缘的机械损伤和磨损，而导致定子绕组和绝缘击穿。大的启动电流还会造成铁芯振动，使铁芯松弛，引起电动机的发热。以往高压电机事故频繁与直接启动有相当大的关系，给主设备的安全经济运行带来了极大的威胁。4.我国现行的火电设计规程SDJ-79规定，燃煤锅炉的送、引风机的风量裕度分别为5%和5%10%，风压裕度分别为10%和10%15%。这是因为在设计过程中，很难准确地计算出管网的阻力，并考虑到长期运行过程中可能发生的各种问题，通常总是把系统的最大风量和风压富裕量作为选择风机型号的设计值。但风机的型号和系列是有限的，往往在选用不到合适的风机型

39、号时，只好往大机号上靠。这样，电站锅炉送、引风机的风量和风压富裕度达20%30%是比较常见的。锅炉送、引风机的用电量中，很大一部分是因风机的型号与管网系统的参数不匹配及调节方式不当而被调节阀门消耗掉的。5.挡板受冲击较严重，容易损坏，维护工作量较大。2.4.2高-高变频配置方案对于新乡豫新发电有限责任公司#6炉#1、2引风机节能的实现方法，如果选用“高-低-高”方式工作的变频器，需要增加两台变压器、无功补偿器、谐波滤波器，变频实现复杂，可靠性较低，高-低-高变频调速系统技术上不具有先进性，但这种系统最大特点是价格比较低廉，相对于高-高变频系统，每套系统节约不少投资，产品的挑选余地比较大。如果选

40、用高-高变频调速系统，从能量转换上看效率高于高-低-高变频调速系统，高-高变频调速系统在整个调速范围内效率稳定在95%-97%之间，而高-低-高变频调速系统在整个调速范围内从81%-93%之间变化，高-高变频系统可经采用不使用变压器的方案，则满负荷运行时，又可节约0.3%左右的能量。综合各调速系统的优缺点， 高-高变频调速系统是高-低-高变频调速系统的更新换代产品，具有较高的科技含量，是变频调速发展的方向，因此，选用高-高变频调速系统较为合适。15第三章 火力发电厂变频器的技术类型论证变频器是数字化电力电子设备，其控制电路中的计算机芯片、集成电路等，较易受外界的一些电磁干扰。因此，变频器投入电

41、网运行时，需要考虑电网电压是否对称、平衡，变压器容量的大小及配电母线上是否有非线性设备等。同时，变频器本身的输入侧是一个非线性整流电路，特别是高压变频器容量大，又直接接在高压电网，其对电源的波形将有影响，造成对电网的谐波污染。还有，变频器输出侧电压、电流的非正弦或非完全正弦波含有丰富的谐波，对高压电动机发热、振动、转矩脉动影响很大。此外在变频器内还有元器件、振荡电路、数字电路、触点、开关等，也都将产生连续的干扰频谱。3.1 高次谐波产生的原因及其影响3.1.1 高次谐波的产生电源侧变频器的输入部分是变流器回路，变流器回路工作时，回路内的开关元件有规律地开通与关断而产生高次谐波。小容量的变频器产

42、生的高次谐波问题不甚严重，因而可直接使用，但对于较大容量的变频器或同时使用多台小容量变频器时，就不能不考虑高次谐波电流和高次谐波干扰问题，并采用适当的对策。在晶闸管供电的场合和使用无换向电动机的场合，变频器使用时，输入侧都有变流回路，都将由于开关元件的通断自然地产生高次谐波。 用一个200KVA的晶体管变频器传动132KW鼠笼式电动机，并且鼠笼式电动机带动的负载为泵类风机类的平方转矩性质，其实测值基波50Hz的电流幅为119A，5次谐波电流的幅值达26.4A，7次谐波电流值为12.6A，可见变频器电源侧高次谐波电流的影响是不能忽略的。3.1.2高次谐波对电气设备的影响1. 开关设备开关设备在起

43、动瞬间产生很高的电流变化率di/dt ，由于谐波电流的存在，致使增加暂态恢复电压的峰值，以致破坏绝缘。开关设备出问题，则消弧线圈将无法正常的使电弧引入消弧室内，而使开关设备无法接通与分断电路。所以当谐波过大时，常会引起一些无熔丝开关跳脱、产生误动作，也很容易使一些开关里的电力熔线（熔丝）熔断。2.电能表等计量仪表电能表等计量仪表，因谐波而会造成感应转盘产生额外的电磁转矩，引起误差， 16降低度。经实验得知，若有20的5次谐波成份，将产生1015的误差。过大的谐波电流，也很容易将仪器里的线圈损坏。3.电力电子设备在多种场合，电力电子设备常会产生谐波，但也很容易感受谐波失真而误动作。这种设备常靠着

44、准确的电压零交叉点的位置或电压波形的形态来控制或操作，在电路中有谐波成份时，零交叉点移动或波形改变，会造成许多误动作，例如不断电系统的同步装置，将因取不到正确的零交叉点，而影响到整个系统的操作。4.照明设备谐波对白炽灯而言，会影响其寿命，当谐波增加时，将使灯光寿命缩短。至于荧光屏或水银灯具起辉器，有时装有电容，此电容器与起辉器及线路的电抗，可能对某一频率的谐波形成共振电路，这将产生额外的热损，甚至会损坏该灯具。5.变压器电流谐波将增加铜损，电压谐波将增加铁损，综合结果是使变压器温度上升，影响其绝缘能力，并造成容量裕度减小。损失随谐波频率的增大而增加，所以谐波的高频成分对于增加变压器的温升，是一

45、个比较重要的因素。谐波也可引起变压器绕组及线间电容之间的共振，及引起铁心磁通饱和或特性曲线歪斜，而产生噪声。3.2几种常见的高压变频类型3.2.1 电流源型变频器电流源型变频器的优点是能量可以回馈电网，系统可以实现四象限运行。由于存在大的平波电抗器和快速电流调节器，所以过电流保护比较容易。电源侧常采用三相桥式晶闸管整流电路，输入电流的谐波较大，为了降低谐波成分，可采取多重化，有时还必须加输入滤波装置。输入功率因数一般较低，且随转速的下降而降低，通常要附加功率因数补偿装置。另外，电流源型变频器还会产生较大的共模电压，当没有输入变压器时，共模电压会影响电机的绝缘。此类变频器的输出电流谐波较高，会引

46、起电机的额外发热和转矩脉动，必要时也可采取输出 12 脉冲方案和设置输出滤波器。系统对电网电压波动较为敏感。由于驱动功率、均压电路等固定损耗较大，系统效率会随着负载的降低而下降。电流源型变频器种类较多，主要有串联二极管式、输出滤波器换向式、负载换向式和 GTO PWM 式等。其中前三种电流源型变频器的逆变功率器件都用晶闸管，输入电压高时需采用晶闸管串联，对器件开关时间的一致性及不一致时所需的保护要求较高，同时还存在静态和动态的均压问题。串联二极管式电流源型变频器利用换向电容和电机电感之间的谐振实现晶闸管的换流，用二极管隔离电机反电动势， 17使它不影响换向电容的放电过程。变频器运行与电机参数关

47、系较大，换向电容的容量要与电机电感和负感电流相匹配。输出滤波器换向式电流源型变频器利用输出滤波器对晶闸管进行换向，电机和滤波器一起具有超前的功率因数，所以逆变器的晶闸管可以实现自然换流，滤波器的容量基本上和变频器容量相当。负载换向式电流源型变频器 (LCI)，负载为同步电动机，可以提供逆变器晶闸管关断的超前电流，在起动和低速时，一般采取断续换流的办法， LCI 在一些超大容量的系统中应用较为成功。GTO PWM 电流源型变频器 (图 3-1)采用 GTO 作为逆变部分功率器件，可以通过门极进行关断。电机电流质量的提高可通过 GTO 采用谐波消除的电流 PWM 开关模式来实现，但受到 GTO开关

48、频率上限的限制，一般控制在几百左右。在电流源型逆变器结构中要求GTO 具有对称的反向阻断电压。高压时， GTO 的串联一样存在均压问题。若整流电路也采用 GTO 作电流 PWM 控制，可以得到较低的输入电流谐波和较高的输入功率因数，当然系统的成本也会相应增加。隔离开关熔断器图3-1 电流源型变频器3.2.2 三电平电压源型变频器当输出电压高于普通的 PWM 电压源型变频器时，为了避免器件串联的动态均压问题，同时降低输出谐波和 dV/dt,可采用三电平 PWM 方式，拓扑结构如图 3-2所示。整流电路采用二极管，逆变部分功率器件采用GTO、IGBT 或 IGCT。每个桥臂虽由 4 个功率器件串联

49、，但是不存在同时导通或关断以及由此引起的动态均压问题。当器件耐压为 6KV 时，输出电压最高可达交流4160V。与普通的二电平18变频器相比，由于输出相电压电平数增加到 3 个,每个电平幅值下降，且提高了谐波消除算法的自由度，可使输出波形比二电平 PWM变频器有较大的提高，输出 dV/dt 也有所减少。若输入也采用对称的 PWM 结构，可以做到系统功率因数可调，输入谐波也很低，且可四象限运行。为减少输出谐波和转矩脉动，希望有较高的开关频率，但这样会导致变频器损耗增加，效率下降，开关频率一般不超过 2KHz。这种三电平的概念还可扩展到更多电平，输出波形会更好，当然器件的数量和控制的复杂性也相应地

50、增加了。三电平变频器的输出若不设置滤波器，一般需要特殊电机，或使普通电机降额使用。输入滤波器图 3-2 三电平电压源型变频器 整流器 滤波电容 逆变器3.2.3 单元串联多电平电压源型变频器采用若干个低压变频功率单元串联的方式实现直接高压输出，如图 3-3所示。电网电压经过二次绕组多重化的隔离变压器降压后给功率单元供电，单相变频功率单元的输出端串联起来，实现变压变频的高压输出，直接供给高压电动机，单元串联的数量决定输出电压的等级。由于不是采用传统的器件串联来实现高压输出，所以不存在器件均压问题。图 3-3所示为 6000V单元串联多电平变频器的典型电路拓扑图，采用 700V单元。电机的每相由五

51、个功率单元串联进行驱动，串联方式采用星型接法，中性线浮空。每个单元由一个隔离变压器的隔离次级绕组供电。十五个次级绕组各自的额定电压均为 700V AC，功率为总功率的十五分之一。功率单元与其对应的变压器次级绕组以及对地绝缘等级为 6 kV 以上。每相五个 700V AC 功率单元串联的变频器可产生 3500V AC 相电压，线电压为 6000V AC。所有的功率单元都接收来自同一个中央控制器的指令。这些指令通过光纤电缆传输以保证绝缘等级达到 6kV 以 19上。为功率单元提供电源的变压器次级绕组在绕制时相互之间有一定的相位差，这样消除了大部分由独立功率单元引起的谐波电流，所以初级电流近似为正弦

52、波，因而功率因数能保持较高，满载时典型为 95。3-3单元串联多电平PWM电压源型变频器3.3 新乡豫新发电有限责任公司#6炉A、B引风机变频技术类型论证目前也界上的高压变频器不象低压变频器一样具有成熟的一致性的拓扑结构，而是限于采用目前电压耐量的功率器件，如何面对高压使用条件的要求，国内外各变频器生产厂商各有高招，因此其主电路结构不尽一致，但都较为成功地解决了高电压大容量这一难题。当然在性能指标及价格上也各有差异。如美国罗宾康(ROBICON)公司生产的无谐波变频器;罗克韦尔(A-B)公司生产的 Bulletin 1557和 Power Flex 7000 系列变频器，德国西门子公司生产的

53、SIMOVERT MV 中压变频器;瑞典ABB公司生产的ACS1000系列变频器;意大利ANSALDO公司生产的SILCOVERT-TH变频器以及日本三菱、富士公司生产的无谐波变频器和国内北京利德华福技术有限公司生产的高压变频器等。美国罗克韦尔(A-B)公司的中压变频器 Bulletin1557 和 Power Flex 7000 系列，其电路结构为交一直一交电流源型，采用功率器件 GTO 和对称门极换流晶闸管 SGCT串联的两电平逆变器。其控制方式采用无速度传感器直接矢量控制，电机转矩可快速变化而不影响磁通，综合了脉宽调制和电流源结构的优点，其运行效果20近似直流传动装置。AB 公司可提供几

54、种方案以满足谐波抑制的要求，如标准的 12 脉冲和 18脉冲及 PWM 整流器，标准的谐波滤波器及功率因数补偿器，以使其谐波符合IEEE519-1992 标准的规定。电流源变频器的优点是易于控制电流，便于实现能量回馈和四象限运行;缺点是变频器的性能与电机的参数有关，不易实现多电机联动，通用性差，电流的谐波成分大，污染和损耗较大，且共模电压高，对电机的绝缘有影响，电网侧功率因数低，而且随着工况的变化而变，不好补偿，增大了电网的无功损耗。AB 公司的变频器采用功率器件串联的二电平逆变方案，结构简单，使用的功率器件少，但器件串联带来均压问题，且二电平输出的 dv/dt 会对电机的绝缘造成危害，要求提

55、高电机的绝缘等级;且谐波成分大，需要专门设计输出滤波器，才能供电机使用，即使如此其总谐波畸变 THD 也仅能达到<4%，输入端采用可控器件实现PWM 整流，便于实现能量回馈和四象限运行，但同时使网侧谐波增大，需加进线电抗器滤波才能满足电网的要求，这也增加了体积和成本。美国罗宾康(ROBICON)公司和国内北京利德华福技术有限公司利用单元串联多重化技术，生产出功率为 315kW-10000kW 的完美无谐波(PERFECT HARMONY)高压变频器，无须输出变压器实现了直接 3.3kV 或 6kV 高压输出;首家在高压变频器中采用了先进的 IGBT 功率开关器件，达到了无谐波的输出波形，

56、无须外加滤波器即可满足各国供电部门对谐波的严格要求;输入功率因数可达 0.95 以上，THD<1%，总体效率(包括输入隔离变压器在内)高达 97%。达到这么高指标的原因是采用了三项新的高压变频技术:一是在输出逆变部分采用了具有独立电源的单相桥式 SPWM 逆变器的直接串联叠加;二是在输入整流部分采用了多相多重叠加整流技术;三是在结构上采用了功率单元模块化技术。 所谓多重化技术就是每相由几个低压 PWM 功率单元串联组成，各功率单元由一个多绕组的隔离变压器供电，用高速微处理器实现控制和以光导纤维隔离驱动。多重化技术从根本上解决了一般 6 脉冲和 12 脉冲变频器所产生的谐波问题，可实现无谐波变频。用这种多重化技术构成的高压变频器，也称为单元串联多电平 PWM 电压型变频器，采用功率单元串联，而不是用传统的器件串联来实现高压输出，所以不存在器件均压的问题。变频器由于采用多