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摘要：jiangdichangyongdianlv，jiangdifadianchengben，tigaoshangwangdiannengdejingzhengli，yichengweigehuodianchangnulizhuiqiudejingjimubiao。jinjiniandianwangdefuhefengguchayuelaiyueda，pinfandetiaofengrenwushibufenfujirengranyunxingzaigongpinzhuangtaixia，zaochengdaliangdiannengliushi。benwenzhezhongjieshaolegaoyabianpinqidegongzuoyuanlijishijiyunxingqingkuangdexiangxijienengfenxi，shiwomenduiqijienengxiaoguoyijidianxingfengjishuibengjienengjisuanyoulegengjinyiburenshi。yincidechujielungaoyabianpintiaosujishuderiquchengshu，zaidianlixitongzhongguangfanyingyong，jienengxiaoguomingxian。
關鍵詞：調速 高壓變頻器 功率單元 IGBT 節電率
一、引言
眾所周知，高壓電動機的應用極為廣泛，它是工礦企業中的主要動力，在冶金、鋼鐵、化工、電力、水處理等行業的大、中型廠礦中，用於拖動風機、泵類、壓縮機及各種大型機械。其消耗的能源占電動機總能耗的70%以上，而且絕大部分都有調速的要求，由於高壓電機調速方法落後，浪費大量能源而且機械壽命降低。上世紀90年代，由於變頻調速技術在低壓電動機應用得非常成功，人們開始研究高壓電動機變頻技術的應用，設計了高-高電壓源型變頻技術方案。該方案采用多電平電路型式（CMSL），由若幹個低壓PWM 變頻功率單元，以輸出電壓串聯方式（功率單元為三相輸入、單相輸出）來實現直接高壓輸出的方法。經過我廠多方調研、比較，最後選擇同北京利德華福電氣技術有限公司合作。本文將從HARSVERT-A係列高壓變頻器的工作原理及實際運行狀況兩方麵分析河南新鄉豫新發電廠引風機、凝結水泵的節能情況。
二、高壓變頻器的工作原理
（一） 變頻器的結構：現以6kV五級單元串聯多電平的高壓變頻器為例。
1．係統主回路：內nei部bu是shi由you十shi五wu個ge相xiang同tong的de功gong率lv單dan元yuan模mo塊kuai構gou成cheng，每mei五wu個ge模mo塊kuai為wei一yi組zu，分fen別bie對dui應ying高gao壓ya回hui路lu的de三san相xiang，單dan元yuan供gong電dian由you幹gan式shi移yi相xiang變bian壓ya器qi進jin行xing供gong電dian，原yuan理li如ru圖tu1。
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| 圖1：變頻器的結構 | 2．功率單元構成：功率單元是一種單相橋式變換器，由輸入幹式變壓器的副邊繞組供電。經整流、濾波後由4個IGBT以PWM方法進行控製（如圖2所示），產chan生sheng設she定ding的de頻pin率lv波bo形xing。變bian頻pin器qi中zhong所suo有you的de功gong率lv單dan元yuan，電dian路lu的de拓tuo撲pu結jie構gou相xiang同tong，實shi行xing模mo塊kuai化hua的de設she計ji，控kong製zhi通tong過guo光guang纖xian發fa送song至zhi單dan元yuan控kong製zhi板ban。原yuan理li框kuang圖tu如ru圖tu3所示。
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| 圖2：功率模塊輸出的正弦PWM波形 |
圖3：功率模塊電路結構 | 3．功率單元控製：來自主控製器的控製光信號，經光/電轉換，送到控製信號處理器，由控製電路處理器接收到相應的指令後，發出相應的IGBT的驅動信號，驅動電路接到相應的驅動信號後，發出相應的驅動電壓送到IGBT控製極，從而操作IGBT關斷和開通，輸出相應波形。
功率單元中的狀態信息將被收集到應答信號電路中進行處理，集中後經電/光轉換器變換，以光信號向主控製器發送。
（二） 變頻器工作原理
1.變頻器調速原理
按照電機學的基本原理，電機的轉速滿足如下的關係式：
n=(1-s)60f/p=n0×（1-s）（P：電機極對數；f：電機運行頻率；s：滑差）
從式中看出，電機的同步轉速n0正比於電機的運行頻率(n0=60f/p)，由於滑差s一般情況下比較小（0-0.05），電機的實際轉速n約等於電機的同步轉速n0，所以調節了電機的供電頻率f，就能改變電機的實際轉速。電機的滑差s和負載有關，負載越大則滑差增加，所以電機的實際轉速還會隨負載的增加而略有下降。
2.變頻器結構原理
無諧波高壓變頻器采用若幹個低壓PWM變頻功率單元串聯的方式實現直接高壓輸出。6kV電網電壓經過副邊多重化的隔離變壓器降壓後給功率單元供電，功率單元為三相輸入，單相輸出的交直流PWM電壓源型逆變器結構，相鄰功率單元的輸出端串聯起來，形成Y接結構，實現變壓變頻的高壓直接輸出，供給高壓電動機。以6kV輸出電壓等級為例，每相由五個額定電壓為690V的功率單元串聯而成，輸出相電壓最高可達3450V，線電壓達6kV左(zuo)右(you)。改(gai)變(bian)每(mei)相(xiang)功(gong)率(lv)單(dan)元(yuan)的(de)串(chuan)聯(lian)個(ge)數(shu)或(huo)功(gong)率(lv)單(dan)元(yuan)的(de)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)等(deng)級(ji)，就(jiu)可(ke)以(yi)實(shi)現(xian)不(bu)同(tong)電(dian)壓(ya)等(deng)級(ji)的(de)高(gao)壓(ya)輸(shu)出(chu)。每(mei)個(ge)功(gong)率(lv)單(dan)元(yuan)分(fen)別(bie)由(you)輸(shu)入(ru)變(bian)壓(ya)器(qi)的(de)一(yi)組(zu)副(fu)邊(bian)供(gong)電(dian)，功(gong)率(lv)單(dan)元(yuan)之(zhi)間(jian)及(ji)變(bian)壓(ya)器(qi)二(er)次(ci)繞(rao)組(zu)之(zhi)間(jian)相(xiang)互(hu)絕(jue)緣(yuan)。二(er)次(ci)繞(rao)組(zu)采(cai)用(yong)延(yan)邊(bian)三(san)角(jiao)形(xing)接(jie)法(fa)，實(shi)現(xian)多(duo)重(zhong)化(hua)，以(yi)達(da)到(dao)降(jiang)低(di)輸(shu)入(ru)諧(xie)波(bo)電(dian)流(liu)的(de)目(mu)的(de)。對(dui)於(yu)6kV電壓等級變頻器而言，給15個功率單元供電的15個二次繞組每三個一組，分為5個不同的相位組，互差12度電角度，形成30脈衝的整流電路結構，輸入電流波形接近正弦波，這種等值裂相供電方式使總的諧波電流失真低至1%左右，變頻器輸入的功率因數可達到0.95以上。原理如圖4所示。
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| 圖4：單元串聯輸出結構圖 | 3．變頻器輸出波形疊加原理：
高壓變頻器在運行後，將輸入的工頻的三相高壓交流電轉化為可以進行頻率可調節的三相交流電，其電壓和頻率按照V/F的de設she定ding進jin行xing相xiang應ying的de調tiao節jie，保bao持chi電dian機ji在zai不bu同tong的de頻pin率lv下xia運yun行xing，而er定ding子zi磁ci心xin中zhong的de主zhu磁ci通tong常chang保bao持chi在zai額e定ding水shui準zhun，提ti高gao電dian機ji的de轉zhuan換huan效xiao率lv。因yin此ci多duo重zhong疊die加jia的de應ying用yong，高gao壓ya變bian頻pin器qi輸shu出chu電dian壓ya的de諧xie波bo含han量liang很hen低di，已yi達da到dao常chang規gui供gong電dian電dian壓ya允yun許xu的de諧xie波bo含han量liang，同tong時shi輸shu出chu電dian壓ya的dedV/dtjiaoxiao，buhuizengjiadianjiraozudeyingli，keyixiangputongbiaozhunxingjiaoliudiandongjigongdian，buxuyaojiangronghuojiashuchulvbodiankangqi，baozhenglegaoyashebeidetongyongxing。duodianpingdanyuanchuanliandiejiadesanxiangboxingrutu5所示。
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| 圖5：多電平單元串聯疊加的三相輸出波形 |
三、對300MW機組引風機係統變頻節能分析
引(yin)風(feng)機(ji)屬(shu)於(yu)鍋(guo)爐(lu)輔(fu)機(ji)設(she)備(bei)中(zhong)的(de)高(gao)能(neng)耗(hao)設(she)備(bei)，其(qi)輸(shu)出(chu)功(gong)率(lv)不(bu)能(neng)隨(sui)機(ji)組(zu)負(fu)荷(he)變(bian)化(hua)而(er)變(bian)化(hua)，隻(zhi)有(you)通(tong)過(guo)改(gai)變(bian)檔(dang)板(ban)的(de)開(kai)度(du)來(lai)調(tiao)整(zheng)風(feng)壓(ya)和(he)風(feng)量(liang)，造(zao)成(cheng)很(hen)大(da)部(bu)分(fen)能(neng)量(liang)消(xiao)耗(hao)在(zai)節(jie)流(liu)損(sun)失(shi)中(zhong)。針(zhen)對(dui)以(yi)上(shang)能(neng)源(yuan)浪(lang)費(fei)的(de)現(xian)象(xiang)，采(cai)用(yong)高(gao)壓(ya)變(bian)頻(pin)技(ji)術(shu)對(dui)電(dian)廠(chang)重(zhong)要(yao)用(yong)電(dian)設(she)備(bei)進(jin)行(xing)技(ji)術(shu)改(gai)造(zao)，是(shi)電(dian)廠(chang)節(jie)能(neng)降(jiang)耗(hao)提(ti)高(gao)競(jing)價(jia)上(shang)網(wang)競(jing)爭(zheng)能(neng)力(li)的(de)有(you)效(xiao)途(tu)徑(jing)。
1．現場情況介紹：
1）#2發電機組容量：300MW
2）配置引風機數量：2台
3）年運行時間：7920h
4）上網電價：0.25元
5）設備參數見下表1：
| 電動機 |
引風機 |
| 型號 |
YKK800-3-8 |
型號 |
AN28e6靜葉可調軸流引風機 |
| 電動機功率Pdn（kW） |
2000 |
額定流量（m3/S） |
258 |
| 電動機電壓U0（KV） |
6 |
全壓（Pa） |
4315 |
| 電動機電流I0（A） |
254 |
|
|
| 電動機轉速n0（r/min） |
746 |
|
|
| 功率因數 |
0.89 |
|
| 6）發電機組不同負荷下引風機實際運行參數統計見下表2：
| 機組負荷（MW） |
平均運行時間(%) |
靜葉開度(%) |
全壓（Pa） |
電機電流(A) |
| A引風機 |
B引風機 |
A引風機 |
B引風機 |
A引風機 |
B引風機 |
| 180 |
6 |
36.4 |
37.1 |
1419.34 |
1473.24 |
99.01 |
117.03 |
| 190 |
4 |
38.9 |
40.4 |
1558.41 |
1575.91 |
100.46 |
118.14 |
| 200 |
7 |
40.5 |
42.8 |
1701.89 |
1680.37 |
102.31 |
120.61 |
| 210 |
7 |
42.3 |
44.3 |
1804.92 |
1790.02 |
104.29 |
123.07 |
| 220 |
9 |
45.8 |
46.1 |
1889.11 |
1893.98 |
106.77 |
125.47 |
| 230 |
10 |
48.2 |
47.6 |
1987.83 |
1989.29 |
109.43 |
128.25 |
| 240 |
2 |
50.5 |
49.8 |
2085.38 |
2096.32 |
112.23 |
130.45 |
| 250 |
7 |
52.5 |
53.4 |
2146.67 |
2169.91 |
114.04 |
132.21 |
| 260 |
6 |
55.4 |
56.1 |
2301.87 |
2313.34 |
117.37 |
135.16 |
| 270 |
7 |
57.9 |
60.4 |
2491.81 |
2538.13 |
122.81 |
138.02 |
| 280 |
8 |
61.8 |
64.7 |
2682.38 |
2792.18 |
125.63 |
142.81 |
| 290 |
6 |
64.1 |
67.3 |
2844.12 |
3009.46 |
132.11 |
148.14 |
| 300 |
21 |
67.3 |
70.2 |
3056.13 |
3265.79 |
140.06 |
154.39 |
 |
| 機組負荷（MW） |
平均運行時間(%) |
A引風機電流(A) |
B引風機電流(A) |
功率因數 |
兩台引風機
工頻總功率（kW） |
| 180 |
6 |
99.01 |
117.03 |
0.78 |
1751.17 |
| 190 |
4 |
100.46 |
118.14 |
0.79 |
1794.64 |
| 200 |
7 |
102.31 |
120.61 |
0.8 |
1853.27 |
| 210 |
7 |
104.29 |
123.07 |
0.81 |
1913.81 |
| 220 |
9 |
106.77 |
125.47 |
0.82 |
1979.02 |
| 230 |
10 |
109.43 |
128.25 |
0.83 |
2050.08 |
| 240 |
2 |
112.23 |
130.45 |
0.83 |
2093.20 |
| 250 |
7 |
114.04 |
132.21 |
0.83 |
2124.00 |
| 260 |
6 |
117.37 |
135.16 |
0.85 |
2230.65 |
| 270 |
7 |
122.81 |
138.02 |
0.86 |
2331.07 |
| 280 |
8 |
125.63 |
142.81 |
0.87 |
2426.98 |
| 290 |
6 |
131.11 |
147.14 |
0.88 |
2544.59 |
| 300 |
21 |
139.06 |
153.39 |
0.89 |
2704.84 |
 |
 |
| 圖6：電動機效率與負荷率關係曲線 |
圖7：變頻器效率與負荷率關係曲線 | 電動機在變頻狀態下，引風機變頻功耗計算值見下表4：
機組負荷
（MW） |
平均運行時間
(%) |
A引風機全壓（Pa） |
B引風機全壓（Pa） |
電機效率
 |
變頻器效率
 |
兩台引風機網側總功率（kW） |
| 180 |
6 |
1419.34 |
1473.24 |
0.92 |
0.94 |
779.17 |
| 190 |
4 |
1558.41 |
1575.91 |
0.92 |
0.94 |
878.755 |
| 200 |
7 |
1701.89 |
1680.37 |
0.93 |
0.95 |
964.215 |
| 210 |
7 |
1804.92 |
1790.02 |
0.93 |
0.95 |
1056.57 |
| 220 |
9 |
1889.11 |
1893.98 |
0.93 |
0.95 |
1140.58 |
| 230 |
10 |
1987.83 |
1989.29 |
0.94 |
0.95 |
1216.37 |
| 240 |
2 |
2085.38 |
2096.32 |
0.94 |
0.95 |
1311.42 |
| 250 |
7 |
2146.67 |
2169.91 |
0.94 |
0.96 |
1361.06 |
| 260 |
6 |
2301.87 |
2313.34 |
0.95 |
0.96 |
1488.87 |
| 270 |
7 |
2491.81 |
2538.13 |
0.95 |
0.96 |
1694.05 |
| 280 |
8 |
2682.38 |
2792.18 |
0.95 |
0.96 |
1923.79 |
| 290 |
6 |
2844.12 |
3009.46 |
0.95 |
0.96 |
2127.31 |
| 300 |
21 |
3056.13 |
3265.79 |
0.95 |
0.96 |
2387.93 |
| 機組負荷 |
工頻總功率（kW） |
變頻總功率（kW） |
節電率（%） |
| 180 |
1751.17 |
779.17 |
55.51 |
| 190 |
1794.64 |
878.755 |
51.03 |
| 200 |
1853.27 |
964.215 |
47.97 |
| 210 |
1913.81 |
1056.57 |
44.79 |
| 220 |
1979.02 |
1140.58 |
42.37 |
| 230 |
2050.08 |
1216.37 |
40.67 |
| 240 |
2093.20 |
1311.42 |
37.35 |
| 250 |
2124.00 |
1361.06 |
35.92 |
| 260 |
2230.65 |
1488.87 |
33.25 |
| 270 |
2331.07 |
1694.05 |
27.33 |
| 280 |
2426.98 |
1923.79 |
20.73 |
| 290 |
2544.59 |
2127.31 |
16.40 |
| 300 |
2704.84 |
2387.93 |
11.72 |
 |
| 圖8：引風機係統節能效果圖 |
| 水泵型號 |
NLT350-400×6 |
功??? 率（Pb） |
1120kW |
| 額定流量（qv,max） |
745m3/h |
效??? 率（η） |
0.78 |
| 額定揚程（H） |
321 m |
水位高度差（H0） |
0.23 m | 4）配套電機參數見下表7：
| 電動機型號 |
YKSL500-4 |
額定電壓（U0） |
6kV |
| 額定功率（Pdn） |
1120kW |
效??? 率（η） |
0.94 |
| 額定電流（I0） |
125.5A |
功率因數（cosφ） |
0.9 |
| 轉??? 速（n0） |
?1486r/min |
|
| 5）發電機組不同負荷下凝結水泵運行參數統計見下表8：
| 機組負荷（MW） |
200 |
220 |
250 |
280 |
300 |
| 平均運行時間(%) |
8.0 |
8.1 |
20.7 |
17.5 |
45.7 |
| 調節門開度（%） |
62.5 |
67.7 |
73.2 |
82.6 |
88.3 |
| 凝結水流量（t/h） |
557.0 |
595.5 |
637.1 |
702.1 |
749.6 |
| 電機電流（A） |
88.6 |
90.7 |
92.6 |
95.9 |
98.5 |
| 除氧器壓力（MPa） |
0.43 |
0.51 |
0.59 |
0.67 |
0.72 |
| 母管壓力（MPa） |
3.28 |
3.26 |
3.19 |
3.11 |
3.07 |
電動機在工頻狀態下，各負荷電動機實際功耗計算值見下表9：
| 機組負荷（MW） |
200 |
220 |
250 |
280 |
300 |
| 平均運行時間(%) |
8.0 |
8.1 |
20.7 |
17.5 |
45.7 |
| 電機電流(A) |
88.6 |
90.7 |
92.6 |
95.9 |
98.5 |
| 工頻功耗(kW) |
828.6 |
848.3 |
866.1 |
896.9 |
921.2 |
將各負荷情況下的流量Q代入公式④、⑤，可求出泵的出口壓力H；具體數值見下表10：
| 機組負荷（MW） |
200 |
220 |
250 |
280 |
300 |
| 平均運行時間(%) |
8.0 |
8.1 |
20.7 |
17.5 |
45.7 |
| 凝結水流量（t/h） |
557.0 |
595.5 |
637.1 |
702.1 |
749.6 |
| 泵出口壓力（m） |
169.73 |
184.76 |
202.13 |
231.62 |
254.98 | 4．凝結泵變頻調速情況下的功耗計算：
將凝結泵在100％開度情況下的預期工況值代入公式⑤可求得：λ＝3.89×10-3。
采用凝結泵變頻調速時，不同負荷下泵的泵功率P由公式⑤計算得出。若考慮電機效率和變頻器效率，根據上述公式③、④求出網側功率損耗Pb。具體結果見下表11：
| 機組負荷（MW） |
200 |
220 |
250 |
280 |
300 |
| 平均運行時間(%) |
8.0 |
8.1 |
20.7 |
17.5 |
45.7 |
| 凝結水流量（t/h） |
557.0 |
595.5 |
637.1 |
702.1 |
749.6 |
| 泵功率（kW） |
361.96 |
421.25 |
493.05 |
622.61 |
731.77 |
| 電機效率 |
0.92 |
0.92 |
0.93 |
0.94 |
0.95 |
| 變頻器效率 |
0.95 |
0.95 |
0.95 |
0.96 |
0.96 |
| 網側功率（kW） |
414.1419 |
481.9794 |
558.0645 |
689.949 |
802.3794 | Cb= 4725836.47 kW?h
因此，采用變頻運行時，每年凝結泵耗電量約為472.58萬度電。
5．節能計算：
年節電量：ΔC= Cd－Cb = 624.57－472.58= 151.99萬kW?h
節電率：（ΔC/Cd）×100% =（151.99 / 624.58）×100% =24.33 %
按照2006月至2007的1年的運行數據統計結果分析，2＃機組凝結泵經變頻改造後，每年可節約151.99萬度，折合發電成本：151.99×0.25=38萬元。
五、結論
通過對300MW機組引風機、凝結水泵係統的詳細節能分析論證：采(cai)用(yong)高(gao)壓(ya)變(bian)頻(pin)器(qi)對(dui)兩(liang)台(tai)引(yin)風(feng)機(ji)和(he)凝(ning)結(jie)泵(beng)進(jin)行(xing)變(bian)頻(pin)改(gai)造(zao)，改(gai)靜(jing)葉(ye)開(kai)度(du)為(wei)風(feng)機(ji)轉(zhuan)速(su)調(tiao)節(jie)是(shi)切(qie)實(shi)可(ke)行(xing)的(de)，能(neng)夠(gou)起(qi)到(dao)降(jiang)低(di)廠(chang)用(yong)電(dian)率(lv)的(de)目(mu)的(de)。而(er)且(qie)，在(zai)係(xi)統(tong)的(de)安(an)全(quan)可(ke)靠(kao)性(xing)、設備維護量等方麵具有良好的收益。
參考文獻
[1] 高壓變頻調速係統HARSVERT-A係列技術手冊 北京利德華福電氣技術有限公司
[2] 高壓變頻器應用資料彙編－電力行業 北京利德華福電氣技術有限公司
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