高压变频器在电厂中的应用最终版要点

1、变频器原理及应用课程设计高压变频器在电厂的应用 专 业：电气工程及其自动化指导教师：姜新通小组成员：高国峰（20144070724） 高殿玮（20144070711） 杨书鑫（20144070717） 信息技术学院电气工程系2017年6月10日 摘要电力是当今社会最重要的能源，我国已有火电、水电、核电等在内的多种发电方式。但是清洁能源在我国电力结构当中占比不是很高，火力发电仍然是我国最重要的发电方式，火力发电大约占总发电量的70%左右；一段时期内，火力发电在我国电力生产中仍占主导地位。火力发电厂自身也是用电大户，因此发电厂用电率的高低是影响供电煤耗和发电成本的主要因素之一。而直接影响发电厂用电

2、率的，是风机、泵类等大容量辅机的运行特性，对变频调速的节能原理, 节能效果进行分析, 阐述了高压变频器用于火电厂辅机上的节能效果。本文主要介绍了高压变频器在凝结水泵中的应用。关键词：变频器 电厂 应用目录摘要I1 绪论11.1课题研究的目的和意义11.2厂用电分析11.3调速原因22 高压变频器32.1高压变频器简介32.2高压变频器分类32.3高压变频器节能原理53高压变频器在凝结水泵中的应用73.1凝结水泵存在的问题73.2高压变频器控制方案83.3凝结水泵变频运行效果分析114高压变频器使用效益134.1节约大量电能134.2延长设备寿命134.3减少电机启动时的电流冲击134.4降低噪

3、音135结语14参考文献151 绪论1.1课题研究的目的和意义火力发电厂中， 风机和水泵是最主要的耗电设备。 这些设备都是长期连续、 低负荷及变负荷运行状态，其节能潜力十分巨大。现国内火电机组的平均煤耗为 400g/kw.h，比发达国家高70l00g/kw.h。目前国外火电厂的风机和水泵已纷纷增设调速装置,而国内火电厂中风机和水泵基本上都采用定速驱动,这种定速驱动的设备都存在严重的能源损耗。尤其在机组变负荷运行时，由于风机和水泵的运行偏离高效点，使运行效率大大降低。资料表明：我国50MW以上机组锅炉风机运行效率低于70的占一半以上，低于50 的占 20左右， 而风机的效率就更低，有的甚至不到

4、30，都存在白白地浪费大量电能的现象，因此变频器在电厂设备中的使用具有深远的意义。1.2厂用电分析火电厂的厂用电率有三种分类：综合厂用电率，发电厂用电率和辅助厂用电率。其中，综合厂用电率是后两者之和。发电厂用电率是火电厂在发电过程中的自用电量占发电量的百分比，是厂用电消耗水平的具体反应。主要由锅炉的吸风机、送风机、制粉系统、一次风机，汽轮机的电动给水泵、凝结水泵、循环水泵以及除灰系统、输煤系统、水源系统、脱硫系统等用电量组成，约占综合厂用电量的90%左右。辅助厂用电率是指火电厂生产过程中配电设备的损耗及生产办公、设备检修所消耗的电量占发电量的百分比。这部分电量消耗相对稳定，约占综合厂用电量的1

5、0%左右。发电厂用电率含量较大，是火力发电厂的主要经济运行指标，它表征着机组是否运行在最佳工况。我国常说的厂用电率是指发电厂用电率。厂用电的构成中，围绕发电机组的正常运行，有一整套的电气系统，这整套的系统很复杂，所用电机也多，因此厂用电也主要消耗于此，主要包括高压电机和低压电机两部分。其中的风机、水泵等大型主要辅助设备所用的高压大功率电机的用电量约占厂用电率的65%，是火电厂的主要耗能设备。所以，要降低厂用电率，主要应从这些设备的节能降耗入手。图1电力系统常见高低压辅机1.3调速原因由电力拖动原理可知，风机和水泵类负载属平方转矩负载:即电动机轴上的转矩与其转速的平方成正比。按照流体机械的相似规

6、律，当风机的静压等于零或水泵的静扬程等于零时，风机与水泵的流量与转速成正比，其出口压强与转速的平方成正比，而电动机轴功率则与转速的立方成正比。如果流量下降到额定流量的80%，电动机轴功率将下降到额定值的51.2%;如果流量下降到额定流量的60%，则轴功率将下降到额定值的21.6%。即使考虑到调速装置本身的损耗等因素，其节电效果也是十分可观的。可见风机、水泵采用调速驱动是一种非常有效的节能方式，因为大多数风机和水泵都需要根据发电机组负荷的变化调节流量，对于调峰机组则尤其如此。为这类机组配套的各类风机、水泵均应采用调速驱动，以获得最佳节能效果。经试验证明，对于风机和水泵类负载，采用转速调节可以节电

7、20%50%。因此可以看出采用高压变频器能够达到非常良好的节能效果。2 高压变频器2.1高压变频器简介高压变频器是指输入电源电压在 3KV 以上的大功率变频器，主要电压等级有3000V、3300V、6000V、6600V、10000V 等电压等级的高压大功率变频器，高压变频器有高低高；低高；高高之分。以前的高压变频器，由可控硅整流，可控硅逆变等器件构成，缺点很多，谐波大，对电网和电机都有影响。随着现代电力电子技术及计算机控制技术的迅速发展，一些新型器件将改变这一现状，如 IGBT、IGCT、IECT等等。由它们构成的高压变频器，性能优异，可以实现PWM逆变以及PWM 整流。不仅谐波小，功率因数

8、也有很大程度的提高。2.2高压变频器分类高压变频器的种类繁多，其分类方法也多种多样。按着中间环节有无直流部分，可分为交交变频器和交直交变频器；按着直流部分的性质，可分为电流型和电压型变频器；按着有无中间低压回路，可分为高高变频器和高低高变频器；按着输出电平数，可分为两电平、三电平、五电平及多电平变频器；按着电压等级和用途，可分为通用变频器和高压变频器；按着嵌位方式，可分为二极管嵌位型和电容嵌位型变频器等等。2.2.1高低高变频器原理是通过降压变压器，将电网电压降到低压变频器额定或允许的电压输入范围内，经变频器的变换形成频率和幅度都可变的交流电，再经过升压变压器变换成电机所需要的电压等级。如图2

9、所示，这种方式，由于采用标准的低压变频器，配合降压，升压变压器，故可以任意匹配电网及电动机的电压等级，容量小的时侯（<500KW）改造成本较直接高压变频器低。缺点是升降压变压器体积大，比较笨重，频率范围易受变压器的影响。一般高低高变频器可分为电流型和电压型两种。图2 高低高电流型变频器交交变频器交交变频器是采用晶闸管实现的无直流环节的直接由交流到交流的变频器，也叫做周波换流器。当电压在 3kV以下时，每相要用12只晶闸管，三相共36只；当电压超过3kV时，晶闸管必须串联使用，所用的晶闸管要成倍增加。它有两种电路结构：一是公共交流母线进线方式，一是输出星形联结方式，如图3所示。交交变频的优

10、点是：只用一次变流，效率高；可方便地实现四象限工作；低频输出波形接近正弦波。其缺点是：接线复杂，输出频率较低；输入功率因数较低；输入电流谐波含量大，频谱复杂。主要用于 500KW 或 1000KW 以上大功率低转速交流调速电路中。图3 星形联接的交交变频器2.2.3电流源型高压变频器电流源型高压变频器电流源型变频器又可以分为：负载换向式（晶闸管）变频器（LCI）；采用自关断器件（GTO 或 SGCT）的变频器。电流型变频器采用 SCR、GTO或 IGCT 元件串联的办法，直流部分用电抗器储存能量，实现直接的高压变频，有可回馈能量的优点。电流源型变频器输入侧的功率因数比较低，电抗器的发热量较大，

11、效率比电压源型变频器低，输出滤波器的设计比较麻烦，变频器的共模电压和谐波、dv/dt 问题较为突出，所以对电机的要求较高。同时，器件串联对驱动电路的要求也大大提高，要尽量做到串联器件同时导通和关断，否则，由于各器件通、断时间不一，承受电压不均，会导致器件损坏，甚至整个装置崩溃。电流源型变频器的市场竞争能力已经逐渐变弱。2.2.4电压源型高压变频器电压源型高压变频器分为两电平电压型变频器和三电平电压型变压器。两电平电压型变频器，电路结构采用 IGBT 直接串联技术，也叫直接器件串联型高压变频器。简化电路如图4所示，其在直流环节使用高压电容进行滤波和储能，输出电压可达6KV。其优点是可以采用较低耐

12、压的功率器件，串联桥臂上的所有IGBT 作用相同，能够实现互为备用，或者进行冗余设计，当采用PWM整流电路可以实现四象限运行。缺点是电平数较低，仅为两电平，输出电压du/dt也较大，需采用特种电动机或者加高压正弦波滤波器，此类变频器同样需要解决器件的均压问题，一般需特殊设计驱动电路和缓冲电路。适用于轧机、起重机械、电力机车牵引、船舶主传动、风机、水泵和压缩机等。 三电平逆变电路也称作中心点钳位逆变器2（Nerural Point Clamped NPC），于1980由日本人Nabae 首先提出。这种三电平中性点钳位结构与普通的两电平结构相比，输出相电压电平数由2个增加至3个，每个电平幅值相对降

13、低，输出线电压电平数则由3个增加至5个，解决了两只功率器件串联的问题，在同等开关频率的条件下，可使输出波形质量有较大改善，输出 du/dt 相应下降。根据目前IGCT及高压IGBT的耐压水平,三电平逆变器的最高输出电压等级为4.16kV,当输出电压要求为6kV时,采用12个功率器件已不能满足要求,必须采用器件串联,除了增加成本外,必然会带来均压问题，失去了三电平结构的优势。图4三电平变频器原理图2.2.5多电平单元串联叠加型高压变频器级联型多电平变频器采用若干个独立的低压功率单元串联来实现高压输出,这种级联式变频器内部是由十八个相同的单元模块构成，每六个模块为一组，分别对应高压回路的三相。功率

14、单元全是种单相桥式变换器，由移相切分变压器的副边绕组供电。经整流、滤波后由4个IGBT以PWM方法进行控制,功率单元之间及变压器二次绕组之间相互绝缘。对于额定输出电压为10KV的变频器,每相由5个额定电压为1275V 的功率单元串联而成,输出相电压6375V,对应的线电压可达10KV。采用单元串联的方式来实现高压输出,不存在器件串联引起的均压问题。2.3高压变频器节能原理异步电动机的转速与电源频率、转差率、电机极对数这三个参数之间的关系可以由公式表明：事实上，变频调速就是利用调节电源频率来实现对电动机转速的调节控制的。从上述公式也可以看出，电动机转速和电源频率之间是以线形关系联系在一起的，因此

15、转速的调节不受其他因素的限制，为了近似地保持气隙磁通不变，以便充分利用电机铁芯，发挥电机产生转矩的能力，在基频以下须采用恒压频比控制。这时，同步转速自然要随频率变化，即在异步电机中采用恒值电动势频率比的控制方式。绕组中的感应电动势是难以直接控制的，当电动势值较高时，可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，而认为定子相电压从而得到恒值电动势频率比的控制方式。如果凝结水泵采用变频运行方式，水泵的出口压力将减小，再循环调节阀之后的管道内发生汽化的可能性就小，从而可以减少凝结水再循环管道及其调节阀发生的振动；在机组负荷较低时，应保持水泵的管路特性在节流最小的工况下运行，即通过改变水泵流量特性的工作点来改变流量

16、，使凝结泵的出力随机组负荷的改变而变化。这样可以大大减少节流损失，从而降低能耗。图5 异步电动机变频调速时机械特性曲线3高压变频器在凝结水泵中的应用3.1凝结水泵存在的问题凝结水泵作为凝结水的输送装置目前存在的问题有：1.凝结水泵定速运行经常发生泵及其出口阀法兰漏水，造成工质能量和质量的流失，使泵不能正常运行甚至损坏。 2.除氧器上水调节阀存在调节滞后、调节品质差等缺点，造成除氧器、凝汽器水位很难控制，使运行人员操作频繁，严重影响机组的安全性。3.除氧器上水调节门采用节流调节方式，易产生节流损失，严重影响机组的经济性。凝结水泵采用变频调速改造后，除了显著的节能效果外，还可收到改善工艺控制的效果

17、，提高机组的安全经济运行水平。图6 凝结水泵图7 凝结水泵系统工艺简图3.2高压变频器控制方案对凝结水泵实施变频调速调节，实现水量控制，相关设备简介如下。1.凝结水泵:型号：SDS335多级离心泵流量:01635m3/h泵转速：2930 r/min；2.电动机：型号：YKK630-2功率1800kW电压6.0kV额定转速3000 r/min；3.西门子罗宾康高压变频器型号：PH-6-6-1800功率：1800kW/6kV容量2500kVA36脉冲二极管整流，13电平IGBT/PWM逆变。3.2.1西门子罗宾康变频器特点西门子罗宾康无谐波高压变频器，在国内应用已十几年，具有丰富的现场应用经验。无

18、谐波高压变频器采用若干个PWM变频功率单元串联的方式实现直接高压输出。该变频器具有对电网谐波污染极小，输入功率因数高，输出波形质量好，不存在谐波引起的电机附加发热、转矩脉动、噪音、dv/dt及共模电压等问题的特性，不必加输出滤波器，就可以使用于普通的异步电机，包括国产电机。变频器对电网电压波动应有极强的适应能力，在±10%额定电压波动范围内能满载输出，在55%-90%额定电压范围内降额继续运行，能长期承受45%的电压下降不跳闸(降载运行)。通过参数设置实现下列保护：过电流、过电压、欠电压、缺相保护、短路保护、超频保护、失速保护、功率器件的过热保护、瞬时停电保护等。系统设有就地和远方两

19、种控制途径，就地控制是在变频器处通过变频器触摸屏进行操作或应急处理；远方控制是在控制室内进行，通过以太网实现变频器和DCS实时通讯。3.2.2凝结水泵变频调速装置凝结水泵变频调速装置系统图见图8，高压开关为用户侧，K1、K2、K3为旁路刀闸柜的手动刀闸。1.变频器正常工况，变频器满足运行条件，可以变频运行电机，操作如下：（1）确保高压开关处于断开位置；（2）将旁路柜的K3断开，K1、K2闭合；（3）闭合6kV 高压开关；（4）启动变频器，此时变频器输出050Hz、06000V可调的电压，电机变频运行。2.变频器异常工况，变频器不满足运行条件。为确保系统持续运行，应工频运行电机。操作如下：（1）

20、确保高压开关处于断开位置；（2）将旁路柜的K3闭合，K1、K2断开；（3）闭合6kV高压开关；（4）此时电机由电网进行驱动。图8 凝结水泵变频调速装置系统图3.3凝结水泵变频运行效果分析凝结水泵变频运行分析1.由于变频运行后凝结水量不再由调整门进行节流调节，而是由变频器通过变频调节水泵转速来实现，使凝结水泵在适应的负荷状态下运行，这就减少了设备能耗。2.减少了电机启动时的电流冲击。电机直接启动时最大电流为额定电流的67 倍，查看变频器启动时的负荷曲线，可以发现启动时电流从0 开始，基本没有冲击，仅是随着转速增加而上升。因此凝泵变频运行解决了电机启动时的大电流冲击问题，消除了大启动电流对电机、传

21、动系统和主机的冲击应力，大大降低了日常的维护保养费用。3.降低了对厂用母线电压的影响。水泵工频启动时启动电流大，就会造成母线电压下降，从而对母线上其他设备运行造成影响。变频启动可实现软启动，不增加谐波污染，避免了启动电流对电网的冲击，保证了厂用母线电压的平稳。4.延长了凝结水泵的使用寿命，降低了检修费用。变频运行后电机一般工作在较低转速下，从而减轻了水泵叶片和轴承的磨损。5.降低了噪音。采用变频调节降低水泵转速，噪音将大幅降低。同时克服了由于调整门调节品质差等因素引起的管道锤击和共振，从而使得凝结水系统管道强烈振动的问题得到有效地解决。优化凝结水系统起动性能1.凝结水泵属于多级离心泵，不允许带

22、负荷起动，一般采用闭阀起动。原系统中，凝结水泵的起动逻辑设计为：当凝结水泵起动20 S后，如果出口电动门的关信号仍在，则延时10 S跳闸。当泵起动、出口电动门尚未开启时，泵的出口压力高达3.6MPa，而出口电动门后压力为0 MPa。这样，出口电动门前后将产生很大的压差，打开出口电动门需要很大的力矩，且易发生卡涩、过载和门杆弯曲损坏。技改后，由于起动频率设为30Hz，起动转速约900r/min，根据水泵的压力与其转速的平方成正比的关系可知,泵的出口压力约为1.34MPa。这样，出口电动门前后的压差将大大减小。2.原系统中,凝结水泵的最小流量为450t/h，工频起动流量大、压力高，易引起系统管道振

23、荡，产生很大噪声。技改后，凝结水泵的最小流量为200t/h，变频起动流量小、压力低，起动过程相对平稳。3.在发电机组起动前，上水至锅炉点火升温、升压，旁路打开前的阶段，原系统中，由于上水流量小，为防止凝结水泵中流过的水汽化，需开启凝结水再循环管。这时凝结水泵仍然保持比较大的输出功率，电流大约70 A，造成了能量的浪费。而技改后，由于泵的转速连续可调，从而可以根据除氧器上水量的要求，连续调整凝结水泵的出口压力和流量，使泵的出口压力和流量始终保持在比较合适的工况下运行，大大减小了再循环流量的能量损失，减小了起动能耗，减小了凝结水对系统管道、阀门的冲刷和泵的轴向推力。22 优化凝结水系统正常运行性能

24、(1)变频改造前，凝结水母管压力维持在2336 MPa，母管压力低保护定值设为23 MPa；技后，母管压力维持在1316 MPa，母管压力低保护定值设为1 MPa，减小了凝结水系统设备、管道承受的压力，有利于设备安全运行。(2)技改后，凝结水泵电动机电流在40120 A运行，远小于额定电流259 A；凝结水泵的转速在9001200 rrain运行，与额定转速1 480rmin相比降低很多。电动机轴承、推力轴承及定子线圈发热量明显减小，温度下降显著。电动机的轴功率、泵的轴向推力明显降低。(3)技改前，除氧器水位是通过除氧器水位调整门的开度调节节流，损失很大，且凝结水泵的出口压力高达36 MPa。

25、技改后，除氧器水位主要是通过自动调节变频器的频率保持。当负荷在450MW 以上时，除氧器水位主、副调整门都保持在100的全开状态。当负荷450 MW以下时，为保持凝结水母管压力不低于12 MPa，保证给水泵和凝结水泵自身密封水压力，才适当关小主调整门开度。凝结水再循环始终都处于全关闭状态。技改后，凝结水泵的运行频率远低于5O Hz，凝结水泵的轴向推力和水泵电动机的轴功率大大减小，凝结水泵电动机定子绕组温度、推力轴承温度以及电动机轴承温度与工频工况相比均下降很多，有效防止了机组因电动机轴承温度和推力轴承温度过高跳闸的情况发生(热工逻辑规定：凝结水泵电动机轴承温度高于80 ，凝结水泵跳闸；凝结水泵推力轴承温度高于85 ，凝结水泵跳闸)，提高了机组的可靠性和安全性。4高压变频器使用效益4.1节约大量电能节约大量电能变频器在电厂中大型设备的应用可以为电厂节约大量的电能。资料显示：以每台机组年发电量20亿千瓦时计算，使用变频器可节约厂用电261