尹正軍，高本科 宋海青

1 引言
隨著(zhù)山東電力的高速發(fā)展，電網(wǎng)容量已近兩千萬(wàn)千瓦以上，十里泉發(fā)電廠(chǎng)的125MW 機組主要承擔調峰任務(wù)，機組開(kāi)停機比較頻繁，并且滿(mǎn)負荷運行時(shí)間很少，即引風(fēng)機調整風(fēng)量的擋風(fēng)板全開(kāi)的時(shí)間很短（一臺機組的兩臺風(fēng)機運行，在夏季滿(mǎn)負荷時(shí)，其擋風(fēng)板也不全部打開(kāi)）。且電動(dòng)機均為單速電機，全年平均出力效率（按九九年數據統計），引風(fēng)機電機不及６０％，并且，機組調峰頻繁起動(dòng)，加劇了對電動(dòng)機的損害。其事故率明顯增大。而采用變頻調速比擋風(fēng)板調整具有較好的節能效果，并能夠減輕機組調峰對電動(dòng)機的損害；對于電力系統即將步入競價(jià)上網(wǎng)的今天，對廠(chǎng)用輔機進(jìn)行變頻調速改造，實(shí)現節能降耗，降低機組的廠(chǎng)用電率，提高電廠(chǎng)競價(jià)上網(wǎng)的能力具有較大的積極作用。
該廠(chǎng)125機組共有10臺700kW引風(fēng)機，目前有8臺Y4-73-11-28D風(fēng)機已安裝液力偶合器，實(shí)現了機組不同工況下的調速節能改造。由于#1爐甲引風(fēng)機位置空間較小，無(wú)法安裝液力偶合器，唯一的節能途徑就是將電機進(jìn)行變頻調速改造。
2  變頻調速的控制理論
交流異步電機的輸出功率為：P=Mz*w，其中，Mz為電動(dòng)機的負載轉矩，w為電動(dòng)機的旋轉角頻率。而風(fēng)機的負載特性為：Mz∝Kw²，所以，P∝Kw³。
上式表明，對于風(fēng)機一類(lèi)的負載而言，電動(dòng)機的輸出功率正比于電機旋轉角頻率的三次方，其中K為比例系數，對于一定的風(fēng)機而言，它為一常數。因此，電機輸出頻率的控制可以根據鍋爐某一參數（如風(fēng)壓）來(lái)實(shí)現。通過(guò)實(shí)測的鍋爐參數轉換成的控制量，控制變頻器，就可以準確地調節電動(dòng)機的電源頻率，改變電機轉速，以達到節約能源的目的。實(shí)現變頻控制原理如圖1所示：
 

圖1  變頻調速控制原理圖

3  引風(fēng)機變頻改造方案
3.1  中壓變頻調速可供選擇的三種實(shí)施方案
3.1.1  Y-△變換
該種方法是通過(guò)降壓變壓器將6000V的電壓降低到一定的電壓等級，要求異步電動(dòng)機必須采用△連接，在保證輸出功率不變的情況下，該種連接方式雖能滿(mǎn)足電壓和電流的要求，但它對dv/dt和共模電壓的承受能力較差，容易形成環(huán)流，增加電機損耗。由于電廠(chǎng)一般風(fēng)機電機的溫升為115°C左右，絕緣等級為F級，接線(xiàn)方式為Y形，若選用此方案的變頻器，電機定子線(xiàn)圈接線(xiàn)要由Y形改變?yōu)椤?，而線(xiàn)圈截面保持不變，有可能會(huì )由于電流增加而導致電機的溫度急劇上升，以至損壞電機。
3.1.2  高-低-高變頻調速系統
此種調速控制方案是將高壓通過(guò)降壓變壓器，使變頻器的輸入電壓降低，這樣可以采用各大
公司一般的交流變頻器，然后，將變頻器的輸出電壓通過(guò)升壓變頻變壓器將輸出電壓再提高到6kV，以滿(mǎn)足交流電動(dòng)機的電壓要求。但據資料介紹此方案存在著(zhù)以下問(wèn)題：
(1)  此高-低-高變頻系統需要用兩個(gè)變壓器，從而降低了節能效率，且降壓、升壓變壓器不能互換，升壓變壓器需要特制，以減弱高次諧波的影響。
(2)  高-低-高調速系統輸出波形畸變較大，高次諧波含量比較高，對電機的絕緣要求很高。
(3)  高-低-高變頻調速系統中的變頻器整流部分普遍采用可控硅橋式整流電路，相應變頻器的功率因數比較低（0.2～0.92）。由于引風(fēng)機經(jīng)常工作在低轉速狀態(tài)，可控硅的導通角較小，使系統的功度因數很小，系統需消耗大量的無(wú)功功率，致使6kV母線(xiàn)電壓下降。為使系統穩定需加裝一套自動(dòng)無(wú)功補償裝置。同時(shí)可控硅整流在送風(fēng)機低速運行時(shí)，導通角很小，波形畸變很大，逆變部分大多采用6脈沖或12脈沖，輸出波形失真較大，有大量高次諧波存在（對周?chē)O施造成電磁干擾，并且影響電源電壓電流波形），使之不能維持穩定正弦波，為解決諧波影響，必須加裝諧波濾波器。
高-低-高變頻調速系統的變頻器整流部分采用可控硅橋式整流，逆變部分采用可控硅橋式逆變，較先進(jìn)的采用IGBT橋式逆變，需要二套控制部分進(jìn)行控制，系統比較復雜，而且可控硅元件存在容易失控的問(wèn)題。
高-低-高變頻調速系統中的變頻器工作在低電壓狀態(tài)，為滿(mǎn)足功率輸出的要求，工作電流會(huì )很大，往往要求變頻器元件進(jìn)行并聯(lián)運行，為此必須進(jìn)行元件配對，加均流措施，檢修要求比較高。
該系統需要2臺變壓器，變壓器需要裝設相應的保護，成本會(huì )有所上升，由于設備環(huán)節比較多，使用高-低-高變頻系統占地面積比較大，不適合#1爐甲引風(fēng)機的改造。
3.1.3  直接高壓變頻調速系統
直接高壓變頻系統（簡(jiǎn)稱(chēng)高-高）是90年代針對高-低-高變頻調速系統缺陷研制成功的新一代變頻調速系統。該系統從根本上解決了高-低-高變頻調速系統存在的問(wèn)題，是一種性能優(yōu)越的變頻調速設備。它的優(yōu)勢在：
(1)  普遍采用了橋式整流電路，GTO或SGCT管橋式逆變電路。此系統一般使用一臺變壓器與電網(wǎng)隔離，變頻器輸出直接到電機。由于采用了橋式整流電路，在整個(gè)調速過(guò)程中功率因數很高，cosj»0.85，不需要裝設無(wú)功補償裝置；又因為高-高變頻調速系統采用多重化脈寬控制，通過(guò)模塊輸出串聯(lián)迭加消除高次諧波的影響，不需要再裝諧波濾波器。最新型的高-高變頻器更采用直接轉矩控制使調速精度有進(jìn)一步提高。
(2)  簡(jiǎn)化了主電路和控制電路的結構，變頻器在中間處理器調節器控制下，調整整流及逆變部分的控制量，通過(guò)調節逆變器的脈沖寬度和輸出電壓頻率，既實(shí)現調壓，又實(shí)現調頻，在處理器中集成了新精度的電機理論模型，高速采集變頻器和電機的狀態(tài)參數，進(jìn)行優(yōu)化處理，調節器進(jìn)行無(wú)偏差的前饋控制，使控制誤差降到了最小，從而使裝置的體積小，重量輕，造價(jià)低，可靠性高，占地面積小。
(3)  改善了系統的動(dòng)態(tài)特性，變頻器中逆變器的輸出頻率和電壓，都在逆變器內控制和調節，因此，調節速度快，調節過(guò)程中頻率和電壓的配合好，系統的動(dòng)態(tài)性能好。
(4)  高-高變頻調速系統有很好的對負載供電的波形。變頻器的逆變器輸出電壓和電流波形接近正弦波，從而解決了由于以矩形波供電引起的電機發(fā)熱和轉矩降低問(wèn)題，改善了電動(dòng)機的運行性能，高-高變頻系統適用于常規電機和電纜的絕緣要求，現有的引風(fēng)機電機、電纜可以繼續使用。
(5)  高-高變頻調速系統變頻器工作在高壓狀態(tài)，功率模塊均封裝在絕緣板箱使拆裝方便，用戶(hù)可以安全方便的對每個(gè)單元進(jìn)行診斷和查找故障，系統的檢查和調正可以在變頻器運行中進(jìn)行，操作人員可以在線(xiàn)調整參數。
(6)  采用高精度、高速度和光纖數字通訊控制技術(shù)，保證了低壓控制電源部分和高壓電機部分可靠電壓隔離。
3.2選用方案分析
上述三種風(fēng)機變頻節能的實(shí)施方案，歸納起來(lái)是要確定變頻器主回路和主控回路是選用“高-低-高”方式，還是選用“高-高”方式。選用“高-低-高”方式工作的變頻器需要增加變壓器、無(wú)功補償器、諧波濾波器，變頻實(shí)現控制復雜，可靠性較低，檢修比較困難，價(jià)格比較低廉。但由于所選用的設備較多，設備占地面積和體積較大，系統的整體節能效果較差，設備的維護費用和故障均會(huì )相應提高，不適合#1爐甲引風(fēng)機的改造。
美國AB-ROCKWELL POWERFLEX7000中壓變頻器（簡(jiǎn)稱(chēng)7000系列）系采用高-高變頻調速方式，具有90年代先進(jìn)的技術(shù)，如光纖數字控制模塊化設計、電腦自動(dòng)監測及故障報警、四象限運行功能、人機接口采用漢化軟件、專(zhuān)利性通風(fēng)設計、占地面積小和維護簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，是高-低-高變頻調速的更新?lián)Q代產(chǎn)品，具有較高的科技含量，有極高的可靠性，是變頻調速的發(fā)展方向。

圖2  PowerFlex7000中壓變頻器的基本工作原理圖

7000系列中壓變頻器對高次諧波和dv/dt以及共模電壓有很強的抑制作用，滿(mǎn)足IEEE519及GB/T14549-93標準，能更好的保證電源質(zhì)量。它可驅動(dòng)任何三相鼠籠式異步電動(dòng)機，對于一些舊型號的電機可以直接使用，無(wú)需進(jìn)行改造。并且可以根據用戶(hù)要求配置內部電路，實(shí)現最優(yōu)化控制，提供各種不同的輸入輸出控制量，可以和外圍電路實(shí)現極佳的配合，具有很大的靈活性，適合對老設備進(jìn)行配套改造。因此，選用高-高變頻調速方式較為合適。
4  POWERFLEX7000系列變頻器工作原理
 

圖3  引風(fēng)機變頻改造后一次接線(xiàn)圖

7000系列變頻器的基本原理如圖2所示。6kV高壓電源，通過(guò)18脈沖隔離變壓器，送入變頻器，經(jīng)由18個(gè)可控硅(SCR)組成的整流回路，將進(jìn)線(xiàn)3相6000V交流變換為直流，再經(jīng)直流電抗器到達逆變回路，逆變回路由6組對稱(chēng)門(mén)極轉換晶閘管(SGCT)大功率元件組成，以脈寬調制方式，將幾乎完美的正弦電流電壓波形送給電機，根據負荷、速度給定的大小，來(lái)調整電壓及頻率，實(shí)現節能的目的。變頻器由微處理器(計算機)控制，通過(guò)光纖把控制信號送到高壓元件驅動(dòng)回路。
5  #1爐甲引風(fēng)機變頻改造的施工方案及調試
(1)  主接線(xiàn)（圖3）
(2)  主要組成
系統由電源斷路器、隔離變壓器、變頻器裝置、輸出接觸器和三相異步電動(dòng)機組成。
(3)  改造后保護及控制回路
如圖4所示，虛框內為增加設備，5LJ、4LJ型號為DL-11/10A，其定值為7.5A（二次值，按躲過(guò)隔離變的勵磁涌流計算4Ie）。ZJ外引一對常開(kāi)接點(diǎn)、6kV開(kāi)關(guān)外引一對常開(kāi)輔助接點(diǎn)至變頻器。事故按鈕改接至保護出口繼電器；集控室跳閘按鈕引出一對常閉接點(diǎn)至變頻器。
(4)  變頻裝置的安裝
由于#1爐廠(chǎng)房?jì)仍O備較多，老廠(chǎng)改造可利用空間狹小，且環(huán)境較差，為了滿(mǎn)足變頻器運行條件，我們選用青島四海公司提供的型箱式變電站。該箱站為可移動(dòng)式、分體組裝模式，由底座、骨架、裝飾面、上蓋及冷卻系統等部分組成，設計結構合理，占地面積小，可防水、防潮、防塵、防輻射，同時(shí)針對變頻器的通風(fēng)要求設計了獨特的風(fēng)道。隔離變及變頻器柜直接焊接在箱站內的鋼板上，電纜孔已經(jīng)在箱站底板預制，配置起來(lái)非常靈活。
 

圖4  改造后保護及控制回路圖

(5)  變頻器的調試
①  靜態(tài)調試
靜態(tài)調試項目包括裝置外觀(guān)檢查、插件檢查及調整、SCR和SGCT檢查測試、驅動(dòng)電路檢查測試，弱電上電試驗、裝置絕緣檢查及耐壓試驗、電源斷路器、隔離變、電機檢查，高壓上電、聯(lián)鎖傳動(dòng)試驗，變頻器參數整定等。變頻器參數參見(jiàn)表1。

表1

②  空載試驗
解除風(fēng)機靠背輪，變頻器帶電機空載運行。在就地、集控室控制變頻器啟動(dòng)電機，同時(shí)試驗儀器記錄電機啟動(dòng)電流、電壓波形。電機啟動(dòng)時(shí)，零速上升，沖擊較小，轉速上升平穩，電壓波形平滑，6kV母線(xiàn)電壓無(wú)降壓。在就地、集控室調整轉速升降正常。
③  帶負荷試驗
帶風(fēng)機運行。由運行人員在集控室控制變頻器輸出頻率，改變風(fēng)機轉速，調節風(fēng)量，檢查
控制、保護、信號功能良好，測試最低頻率6Hz，最大頻率50Hz。測試啟動(dòng)時(shí)間最長(cháng)20秒，最高轉速745r/min。
6  改造后的運行情況及效益分析
(1)  經(jīng)濟效益
#1爐引風(fēng)機變頻器2001年7月25日投運后，一直運行正常，其產(chǎn)生的諧波對廠(chǎng)用電系統正常運行無(wú)影響，儀表、保護特性無(wú)明顯變化。
改造后，根據現場(chǎng)運行資料，對2000年和2001年9\10兩個(gè)月十里泉發(fā)電廠(chǎng)#1爐引風(fēng)機的耗電情況進(jìn)行了對比分析，參見(jiàn)表2（兩年的9\10月份都是單引風(fēng)機運行，具有可比性）。

表2

    2000年#1機組全年發(fā)電量：584777700kWh
根據兩個(gè)月的統計表，以2000年#1機組全年發(fā)電量為基數，可計算出一年的節電量約為：
584777700×(1.04%-0.9%+1.04%-0.92%)÷2=
760211( kWh)
2001年7月25日正式投運至11月15日共正常運行112天，按0.35元/ kWh計算，節支：
760211×112÷365×0.35=81644(元)
由于#1爐乙吸已加裝了液力耦合器，其具有一定的節能效果，運行資料證明其節能約為8%，因此，節電量應為760211+584777700×1.04%×8%=
1246746(kWh)，年節約費用43.6萬(wàn)元。
(2)  延長(cháng)電動(dòng)機壽命
一般電機啟動(dòng)時(shí)，啟動(dòng)電流為額定電流的6～8倍，電機繞組承受的沖擊轉距很大，嚴重影響電機的機械壽命（該廠(chǎng)7臺機組每年燒毀高壓電機2～3臺，修復直接費用幾十萬(wàn)元），變頻調速可以實(shí)現輕啟動(dòng)，電機從零轉速緩慢升到起始轉速，然后通過(guò)變頻器輸出頻率的變化來(lái)改變電機轉速，避免了啟動(dòng)時(shí)對電機的機械沖擊，延長(cháng)電機使用壽命。
(3)  減少對設備的磨損
由于空氣中含有粉塵，對高速轉動(dòng)中的風(fēng)機及檔板磨損很大，按以往檢修記錄。每年檢修及維護費用需十幾萬(wàn)元，改變頻調速后，電機轉速一般比較低，負荷75MW以下兩臺風(fēng)機運行，檔板全開(kāi)，甲吸轉速在400轉以下，磨損大大減小，延長(cháng)了使用年限，降低了檢修費用，通過(guò)改變頻調速，每年可以節約設備磨損及設備檢修費用10萬(wàn)元。
(4)  提高了機組的自動(dòng)化水平
變頻調速裝置配有計算機接口，可以很方便的與工業(yè)標準通訊系統、能源管理系統和其它系統聯(lián)接，極大的提高了機組的自動(dòng)控制水平。
(5)  減輕操作人員的勞動(dòng)強度
機組負荷發(fā)生變化，改變引風(fēng)機擋板來(lái)調節風(fēng)量，控制比較困難，而變頻調速可以直接通過(guò)增減頻率來(lái)調整，操作非常簡(jiǎn)單、靈活。
高-高中壓變頻調速裝置調速范圍大、效率高，占地面積小，節能效果顯著(zhù)，適合老廠(chǎng)鍋爐風(fēng)機節能改造。AB-POWERFLEX7000中壓變頻器性能優(yōu)良，使用型箱式變電站安裝簡(jiǎn)單、施工量小，調試簡(jiǎn)便、維護量少。