高压变频调速技术在热电厂循环水泵中的应用

摘要：本文介绍了国产多电平高压变频器的原理及其在建设兵团奎屯电厂中的应用情况，结果表明，对电厂循环泵设备进行变频改造后，节能效果非常明显，并提高了设备和系统的安全可靠性，改善了水泵和电机的使用寿命。
关键词：高压变频器 节能

1 引言
随着国民经济的持续发展，能源问题日益的突出，节能问题愈来愈受到重视。据统计，目前全国各类电机年耗电量约占全国总发电量的65%，而其中大功率风机、泵类是年耗电量约占工业总耗电量的50%，zui大限度地降低风机、泵类等设备的耗电量对于节能具有重要意义。
建设兵团新疆奎屯电厂二厂装机容量为2×250MW。在循环供水系统中，是由循环水泵实现水资源的循环利用的，经热交换后的热水进入冷却设施进行冷却，使其水温降至允许值，然后又重复将冷却水输入凝汽器而循环使用。由于系统水位基本上是稳定的，故循环水泵的扬程也基本稳定，而其容量按计算水量确定。两台机组使用共有循环水管供水，配备4台功率为176KW循环水泵，配套电机为250KW/6KV及220KW/6KV各两台。
在变频改造前，水量调节是通过调节水泵阀门的开度来实现，水泵及电动机运行在低效率工作区，能源浪费严重，同时由于奎屯电厂属于独立电网，工频直接启动对电动机和电网的冲击都很大，并容易造成电机笼条松动、有开焊断条的危险。
基于以上原因，奎屯电厂决定对机组循环水泵进行了变频改造，通过考察，zui后选择广东明阳龙源电力电子有限公司型号为MLVERT-D06/320的变频器对两台250KW/6KV电机进行“一拖二”改造。

2 高压变频器的组成和原理
MLVERT-D系列高压变频器是广东明阳龙源电力电子有限公司生产的具有自主知识产权，无电网污染的调速系统，采用的结构为多单元串联，输出为多电平移相式PWM方式。特别适合于风机、泵类工业应用现场，已经被广大工业用户接受和充分认可。下面以6kV系列为例说明其原理，变频器主电路结构见图1。

图1 高压变频器主电路原理图
该高压变频器具有运行稳定、调速范围广、输出波形正弦好、输入电流功率因数高、效率高等特点，对电网谐波污染小，总体谐波畸变THD小于4%，直接满足IEEE519-1992的谐波抑制标准，功率因数高，不必采用功率因数补偿装置，输出波形好，不存在谐波引起的电机附加发热和转矩脉动、噪音、输出dv/dt、共模电压等问题，不必加输出滤波器，就可以使用普通的异步电机。
2.1 输入变压器
MLVERT-D06系列高压变频器的输入侧隔离变压器采用移相式变压器，变压器原边绕组为6kV，副边共18个绕组分为三相。每个绕组为延边三角形接法，分成6个不同的相位组，分别有±5o、±15o、±25o移相角度，形成36脉波的二极管整流电路结构。每个副边绕组接一个功率单元，这种移相接法可以有效地消除35次以下的谐波。对电网谐波污染小，直接满足IEEE519-1992的谐波抑制标准。
2.2 功率单元
如图1，电网送来的三相6KV/50HZ交流电经输入变压器降压后给功率单元供电，功率单元为三相输入，单相输出的交直交PWM电压源型逆变器结构，相邻功率单元的输出端串接起来，形成Y接结构，实现变压变频的直接输出，6kV输出电压每相由6个额定电压为580V的功率单元串联得到，输出相电压3480V，线电压可达6kV。
每个功率单元采用电压源型结构，直流环节为滤波电容，电机所需的无功功率由电容提供，而不需要和电网交换，变频器输入功率因数高，可保持在0.96以上，且在整个速度范围段内基本保持不变，不需采用功率因数补偿装置。
每个功率单元通过光纤通讯接收主控系统发送的调制信息以产生负载电机需要的电压和频率，而功率单元的状态信息也通过光纤反馈给主控系统，由主控系统进行统一控制。该光纤是模块与主控系统之间的*连接，因而每个功率单元与主控系统是*电气隔离的。
2.3 高压变频器PWM技术
高压变频器的PWM技术是变频器研究中一个关键技术，它不仅决定功率变换的实现与否，而且对变频器输出电压波形的质量，电路中有源和无源器件的应力，系统损耗的减少与效率的提高等方面都有直接的影响。
MLVERT-D06系列高压变频器采用了移相式多电平PWM技术，它是传统的两电平PWM技术的扩展，它的本质是PWM技术与多重化技术的有机结合。这里以2单元串联的高压变频器为例说明其基本原理，图2给出了2单元串联高压变频器其中一相的串联示意图。

图2 两个功率单元串联示意图
图3给出了移相式多电平PWM调制的波形图。图中两个功率单元的载波互差180度相位角，2个载波调制同一信号波，调制方法是，当信号波大于三角载波时，给出导通控制信号；相反则给出关断控制信号。图3中每个功率单元两个半桥上下桥臂开关管互补导通和关断，驱动 、 、 、 开关器件的驱动信号、由此产生的两个功率单元输出电压波形以及合成电压波形如图所示。

图3 载波移相多电平PWM调制
由图3得出，对于6功率单元串联高压变频器，各单元采用共同的调制波信号，各载波的相位相互错开载波周期的1/6，对每个功率单元进行SPWM控制，通过载波的移相，使得每个功率单元输出的PWM脉冲相互错开，这样在叠加后，使输出波形为多电平（相电压13种电平，线电压25种电平输出），同时输出波形的等效开关频率达到单元开关频率的6倍，大大改善输出波形，减少输出谐波，使输出电压非常接近正弦波。同时输出电压的每个电平台阶只有单元直流母线电压大小，dv/dt很小，对电机没有危害，不必设置输出滤波器，就可以使用原有的电机。其输出波形如图4所示。

图4 高压变频器的输出电压和电流波形

3  循环水泵变频改造方案
3.1 变频器选型
改造的循环水泵是两台双侧布置，甲乙两台水泵均采用调节阀门开度的方式控制流量，由于电机设计时冗余较大，加上流量控制采用阀门调节引起的阻力损耗，电能的浪费特别严重，影响机组的经济运行。
一般情况下，变频器容量应不小于电动机容量，这样能满足电机在额定出力内进行不同转速的调节。在现实生产工作中，根据实际运行工况来选择合适的变频器容量，既能满足生产需要，又能节省变频器投资及减少配套设施。奎屯电厂循环水泵的配套电机功率为6KV/250KW，为了满足50Hz时满负荷运行要求，为其配备了容量为320kVA的变频器以满足各种工况下不同转速调节的要求。
3.2 系统方案
对电厂循环水泵的变频改造遵循了“zui小改动，zui大可靠性，*经济性”原则，为两台循环水泵电机进行了“一拖二”改造，此方案的优点是两台电机可以其中任何一台变频运行，另外一台工频运行或工频备用，电机的变频方案示意图如图5所示。
图5 循环水泵变频方案示意图
图5中工频旁路系统由两个高压柜组成，每个高压柜内有3个高压隔离开关，其中刀闸QS1、QS2 与QS3，QS4、QS5与QS6 有机械互锁，不能同时合；QS1与QS4、QS5，QS4与QS1、QS2 有电气互锁，不能同时合。进行变频改造后，循环水泵的阀门开度保持全开，基本不需要改变。根据实际所需的水量，由DCS系统通过PID调节，输出4～20mA模拟电流信号送给变频器，变频器通过调节输出频率改变电机的转速，达到调节流量的目的，满足运行工况的要求。
同时，变频改造后电机在启动和调节过程中，转速平稳变化，没有出现任何冲击电流，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、传动系统、主机及管道的冲击应力，大大降低维护保养费用。

4 节能分析
4.1 节能原理
根据水泵工作原理与运行曲线，我们可以得到图6中的100％转速运行曲线，这条曲线配合水泵在不同流量运行时的特性曲线（阻抗曲线）可以得到在未应用变频调速情况下使用阀门调节控制流量、压力。
理论上，全流量工作时，采用变频器和阀门调节时，输入的功率一致，其功率为AI0K包围的面积，当水泵运行点由A（100％流量）点移动到B点（80％流量）时，如果采用阀门调节控制时，电动机的功率为BH0L包围的面积，但是采用变频器拖动水泵后，由于特性的改变，其输入功率为EJ0L包围的面积，其节能效果为：BHJE包围的面积。因此在理论上，采用变频器改造水泵后，将会取得很好的节能效果。

图6 水泵阀门调节与变频调节运行曲线图

由流体力学可知流量Q与转速n的一次方成正比，压力H与转速n的平方成正比，轴功率Ps与转速n的立方成正比，即Q ∞ n，H ∞ n²，Ps ∞ n³。
当所需要的流量减少，水泵转速降低时，其轴功率按转速的三次方下降。如所需流量为额定流量的80%，则转速也下降为额定转速的80%，那么水泵的轴功率将下降为额定功率的51.2%；当所需要流量为额定流量的50%时，水泵的轴功率将下降为其额定功率的12.5%。当然转速降低时，效率也会有所降低，同时还应考虑控制装置的附加损耗等影响。
4.2 效益
MLVERT-D06/320.A变频器自2005年在建设兵团新疆奎屯电厂投运以来，运行良好，达到了改造的目的。
根据变频改造前后的运行记录，在变频改造前，每一班8小时，耗电为2000KWh；变频改造后，每一班8小时，耗电为1400KWh，变频改造后相比改造前节能达30％。按照年平均运行300天计算，年节电可达：（2000－1400）×3×300＝54万度，经济效益十分可观。
变频改造以后，循环泵调节阀门一直处于全开状态，对其维护量大大减少。变频启动时电机转速从0逐渐平稳的升到所需转速，没有任何冲击，电流从零开始上升，不会超过额定电流，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、传动系统和主机的冲击应力，大大降低日常的维护保养费用，延长了电机、水泵寿命。

5 结束语
对奎屯电厂1＃机组循环水泵实施了变频改造后，节约了大量的电能，改善了工艺过程，电机实现了软启动，延长设备的使用寿命，减少维修量，取得了预期的效果。
“十一五”规划中明确提出了要“突出抓好在电厂等行业中的节能工作”及重点工程“电机系统节能 在煤炭等行业进行电动机拖动风机、水泵系统优化改造”。高压变频器的推广使用对于建设节约型社会具有重大意义。