摘 要 ：本文介紹了東芝-三菱公司生產(chǎn)的TMdrive-MV大功率高壓變頻器，在電廠300MW鍋爐引風(fēng)機(jī)系統(tǒng)上的應(yīng)用。并簡(jiǎn)要介紹了該變頻器的特點(diǎn)，以及實(shí)際的節(jié)能效果分析。 1 引言 （1） 系統(tǒng)概述 大唐安陽(yáng)電廠#9機(jī)組和#10機(jī)組裝機(jī)容量都是300MW。每臺(tái)機(jī)組采用兩臺(tái)吸風(fēng)機(jī)，并由雙速電機(jī)驅(qū)動(dòng)，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速有高速和低速之分。目前主要采用進(jìn)口風(fēng)門擋板調(diào)節(jié)以控制風(fēng)量。其缺點(diǎn)是截流損失大。系統(tǒng)振動(dòng)大、噪聲大、對(duì)環(huán)境造成惡劣的影響。同時(shí)調(diào)節(jié)閥門容易磨損。吸風(fēng)機(jī)在低速運(yùn)行時(shí)不能滿足滿負(fù)荷的要求，必須切換到高速運(yùn)行。 （2） 運(yùn)行狀況 正常運(yùn)行中，兩臺(tái)吸風(fēng)機(jī)低速運(yùn)行，電流100～110A。機(jī)組最高負(fù)荷為270MW。在機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)有一臺(tái)風(fēng)機(jī)必須切到高速運(yùn)行?，F(xiàn)風(fēng)機(jī)存在如下問(wèn)題: 一是風(fēng)機(jī)在低速切高速運(yùn)行時(shí)，如果高速繞組不能在瞬間啟動(dòng)，則保護(hù)動(dòng)作，連跳同側(cè)送風(fēng)機(jī)及一次風(fēng)機(jī)，存在事故隱患; 二是吸風(fēng)機(jī)高速運(yùn)行不正常，電機(jī)軸瓦溫度較高，風(fēng)機(jī)振動(dòng)增大，不能保證正常運(yùn)行，給機(jī)組 的安全運(yùn)行帶來(lái)隱患，設(shè)備維護(hù)費(fèi)用高。 2 設(shè)備簡(jiǎn)述 風(fēng)機(jī)型號(hào):Y4-2×73-3№29F型雙吸入離心式雙速風(fēng)機(jī); 容積流量:304.2（264.6）m3/s; 出口全壓:4530（3480）Pa; 風(fēng)機(jī)效率:85.5%; 電機(jī)型號(hào):YDKK1000-2-8/10型; 額定電壓:6000V; 額定電流:265/151A; 額定功率:2250/1150kW; 額定轉(zhuǎn)速:740/590r/min; 數(shù) 量:共2臺(tái)。 3 改造方案 （1） 每臺(tái)吸風(fēng)機(jī)加裝一臺(tái)高壓變頻器。變頻器接電機(jī)的高速繞組。電機(jī)的低速繞組接低速斷路器，用于變頻器故障時(shí)的旁路運(yùn)行。 （2） 在變頻器與電機(jī)之間增加一臺(tái)隔離刀閘柜，并與低速斷路器電氣連鎖。電機(jī)變頻運(yùn)行時(shí)采用高速，隔離刀閘閉合，低速斷路器禁止合閘。電機(jī)旁路運(yùn)行時(shí)，隔離刀閘斷開，由低速斷路器控制電機(jī)進(jìn)行低速運(yùn)行,如圖1所示。 （3） 變頻器的技術(shù)數(shù)據(jù) 變頻器型號(hào):TMdrive-MV（東芝-三菱公司生產(chǎn)）; 額定容量:2720kVA; 額定電壓:6kV，±10%; 額定輸出電流:263A; 輸出電壓范圍:0～6kV; 輸出頻率范圍:0～50Hz; 過(guò)載過(guò)載能力:125%，1min; 輸入效率:>97%。 （4） 變頻器采用DCS控制。通過(guò)4～20mA的調(diào)速信號(hào)，根據(jù)爐膛負(fù)壓控制變頻器的輸出頻率，并由DCS輸出信號(hào)，控制變頻器的啟動(dòng)和停止。變頻器還可以向DCS反饋運(yùn)行、停止、準(zhǔn)備好、報(bào)警、故障等狀態(tài)信號(hào)，以及變頻器的電流、電機(jī)轉(zhuǎn)速等模擬量信號(hào)。 4 變頻器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) （1） 由輸入變壓器，變頻單元及控制系統(tǒng)三部分所組成。主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用多電平串聯(lián)技術(shù)，每相采用6個(gè)單元串聯(lián)，三相共18個(gè)單元; （2） 變壓器采用H級(jí)絕緣的移相整流變壓器，可靠性極高。H級(jí)絕緣可以承受180℃的高溫，因此變壓器體積比其他品牌小。由于整體容量2720kVA較大，因此實(shí)際采用兩臺(tái)變壓器，一次端并聯(lián)，二次端通過(guò)單元串聯(lián)輸出。變壓器的厚度在所有品牌中最薄; （3） 每臺(tái)變壓器的副邊有九個(gè)低壓繞組，各低組間的耐壓按高壓設(shè)計(jì)。這九個(gè)繞組分別給三相的三個(gè)串聯(lián)單元供電。因此兩臺(tái)變壓器可以給三相的六個(gè)串聯(lián)單元供電; （4） 變頻器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)原理如圖2所示; （5） 變頻單元的結(jié)構(gòu)完全一致，可以互換。變頻單元實(shí)際上是一臺(tái)三相輸入、單相輸出的低壓變頻器，開關(guān)器件采用IGBT。而低壓變頻技術(shù)目前已經(jīng)非常成熟，因此變頻單元的可靠性極高。單元的原理圖如圖3所示。 5 變頻器抑制諧波的措施 （1） 采用移相變壓器，二次端所接各個(gè)單元產(chǎn)生的高次諧波電流相位上產(chǎn)生偏移，因此在變壓器一次端互相抵消，將一次端到電網(wǎng)的電流諧波控制到最小。變頻器輸入電壓和電流波形如圖4所示; （2） 變頻器輸入電流諧波在不加任何濾波器時(shí)，滿足IEEE519國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)際檢測(cè)值如圖5所示; （3） 變頻器的相電壓輸出為6個(gè)單元串聯(lián)輸出，線電壓輸出13電平。每個(gè)單元的輸出采用正弦波PWM波形，載波頻率4.8kHz，因此輸出電流為正弦波，輸出電壓非常近似正弦波。相電壓輸出形如圖6所示: 輸出13電平線電壓和正弦波電流的波形見(jiàn)圖7所示: 6 變頻器的主要技術(shù)特點(diǎn) （1） 采用H級(jí)絕緣變壓器，耐溫等級(jí)提高到180℃，溫升可以達(dá)到125K，減小了變壓器的體積。 （2） 在任何時(shí)候，只允許一個(gè)單元的IGBT導(dǎo)通或關(guān)斷，任意兩個(gè)單元不會(huì)同時(shí)導(dǎo)通或關(guān)斷，而且將每個(gè)單元的載波頻率降低為0.8kHz，但6個(gè)單元串聯(lián)后的載波頻率則為2.4kHz。線電壓的載波波頻率達(dá)到4.8kHz。由于載波頻率降低，IGBT的開關(guān)損耗減小，整體效率得到提高。 （3） 采用矢量控制，將電機(jī)電流分解為勵(lì)磁電流Id和轉(zhuǎn)矩電流Iq，并對(duì)這兩種電流分別進(jìn)行閉環(huán)控制。變頻器對(duì)轉(zhuǎn)速控制的精度非常好，不論負(fù)載如何變化，都可以保證電機(jī)轉(zhuǎn)速恒定。 不論是主電源電壓還是控制電源電壓，當(dāng)瞬時(shí)停電發(fā)生時(shí)，只要停電時(shí)間不超過(guò)0.3s（300ms），變頻器可以繼續(xù)運(yùn)行，不會(huì)停機(jī)或跳閘。 在檢測(cè)到電源電壓失電后，欠壓保護(hù)動(dòng)作。變頻器先將轉(zhuǎn)矩電流Id降為零。同時(shí)維持勵(lì)磁電流Iq不變。因此由于沒(méi)有有功功率的輸出，內(nèi)部損耗又很小，電解電容內(nèi)部的電壓很少下降，基本可以維持與電機(jī)轉(zhuǎn)速相對(duì)應(yīng)的頻率和電壓不變。此時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)稍有下降。 當(dāng)在0.3s內(nèi)電源電壓恢復(fù)后，變頻器仍就輸出與電機(jī)轉(zhuǎn)速相對(duì)應(yīng)的頻率和電壓，并會(huì)自動(dòng)恢復(fù)轉(zhuǎn)矩電流，并然后將電機(jī)加速到原來(lái)預(yù)定的轉(zhuǎn)速上去。如圖8所示。 圖8中電源電壓失電約200ms，此時(shí)轉(zhuǎn)矩電流基準(zhǔn)降到零。電流反饋并未降到零，維持勵(lì)磁電流。電源電壓恢復(fù)后立即恢復(fù)。 （4） 電源停電時(shí)間超過(guò)0.3s時(shí)，變頻器停止輸出，輸出電壓和電流均為零。只要停電在6s以內(nèi)恢復(fù)，電機(jī)轉(zhuǎn)速雖有一定的下降，但變頻器可以自動(dòng)重新再啟動(dòng)，恢復(fù)正常運(yùn)行。在此期間，變頻器不會(huì)給出停止或報(bào)警、故障信號(hào)。如圖9所示。 圖9中電源電壓失電約1s，此時(shí)轉(zhuǎn)矩電流基準(zhǔn)和電流反饋都降到零。由于沒(méi)有勵(lì)磁電流，不能檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速，因此電機(jī)速度反饋也降到零。電源電壓恢復(fù)后，變頻器須等待電機(jī)剩磁電壓衰減完畢，因此必須延時(shí)后才能自動(dòng)再啟動(dòng)。延時(shí)時(shí)間是電機(jī)電壓衰減時(shí)間常數(shù)的3倍，圖中約7.5s。此時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速略有下降。延時(shí)時(shí)間過(guò)后，變頻器會(huì)自動(dòng)再啟動(dòng)。啟動(dòng)時(shí)首先給出較高的速度基準(zhǔn)和很低的電壓，用于產(chǎn)生勵(lì)磁電流和電機(jī)磁場(chǎng)，電機(jī)產(chǎn)生反電勢(shì)。根據(jù)電機(jī)的反電勢(shì)頻率測(cè)量電機(jī)的轉(zhuǎn)速。變頻器的速度基準(zhǔn)會(huì)快速向?qū)嶋H測(cè)量的轉(zhuǎn)速靠近。此時(shí)由于輸出電壓的頻率與電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速不符，因此會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)沖擊電流，并限制在125%以內(nèi)，持續(xù)時(shí)間1～2s左右。當(dāng)速度基準(zhǔn)與變頻器實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速一致時(shí)，沖擊電流消失，電機(jī)電流恢復(fù)到正常值，并按預(yù)定的加速度將電機(jī)加速到預(yù)定轉(zhuǎn)速。 7 采用變頻后的經(jīng)濟(jì)效益統(tǒng)計(jì) （1） 由于9#機(jī)與10#機(jī)完全一樣，將9#爐引風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行，與10#爐引風(fēng)機(jī)工頻運(yùn)行進(jìn)行對(duì)比，并記錄9#爐與10#爐吸風(fēng)機(jī)各自的用電量，發(fā)電量和廠用電率千分值。 （2） 以下為9#爐吸風(fēng)機(jī)與10#爐吸風(fēng)機(jī)每日的用電量記錄數(shù)據(jù)，9#爐的用電量統(tǒng)計(jì)如表1所示。 10#爐用電量的統(tǒng)計(jì)如表2所示: 9#爐與10#爐引風(fēng)機(jī)用電量對(duì)比如圖10所示: 9#爐與10#爐廠用電率千分值對(duì)比如圖11所示: 9#機(jī)與10#機(jī)發(fā)電量對(duì)比如圖12所示: （3） 根據(jù)記錄29天的數(shù)據(jù)圖表統(tǒng)計(jì)計(jì)算 9#機(jī)組發(fā)電量與10#機(jī)組發(fā)電量相比占116678400/118545600=98.42%。9#爐用電量與10#爐用電量相比為427680/972000=44%。按相同的發(fā)電量進(jìn)行對(duì)比修正，變頻用電量為工頻用電量的44%/98.42%=44.7%。節(jié)電率為100%-44.7%=55.3%。 11月份9#爐節(jié)約用電量為: 427680/44.7%-427680=529100kW·h， 按上網(wǎng)電價(jià)0.333元/kW·h，計(jì)算節(jié)電費(fèi)用為: 0.333×529100=176190（元） 11月份全月平均節(jié)電費(fèi)用: 176,190×30/29=182,265元，即18.23萬(wàn)元。年平均節(jié)電費(fèi)用按10個(gè)月計(jì)算=18.23×10=182.3萬(wàn)元。 8 結(jié)束語(yǔ) 由以上統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的計(jì)算分析可以看出，采用變頻運(yùn)行后，僅僅節(jié)電每年帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益就已經(jīng)相當(dāng)可觀。另外由于實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，避免了電機(jī)啟動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)和機(jī)械的沖擊，電網(wǎng)電壓更加穩(wěn)定，同時(shí)電機(jī)和風(fēng)機(jī)的使用壽命得到延長(zhǎng)。如果考慮到節(jié)省系統(tǒng)維護(hù)費(fèi)的用及系統(tǒng)運(yùn)行可靠性的提高，綜合經(jīng)濟(jì)效益更高。