高壓變頻裝置在大伙房水庫輸水應急入連工程中的應用

張玉坤

(遼寧省水利水電勘測設計研究院 沈陽 110006)

蔡 新 張 茹

(大連市供水有限公司 116021)

1 工程概況

大伙房水庫輸水應急入連工程的主要任務是城市供水，以碧流河水庫為界分為碧流河水庫北段工程、碧流河水庫南段工程。其中，碧流河水庫北段工程含一級加壓的鞍山加壓泵站、二級加壓的蓋州加壓泵站，碧流河水庫南段工程包括雙塔加壓泵站、樂甲加壓泵站。

鞍山加壓泵站裝機6臺，其中，變頻泵3臺，單機容量3550kW，恒速泵3臺，單機容量3550kW，2用1備。蓋州加壓泵站裝機6臺，其中，變頻泵1臺，單機容量3550kW，恒速泵4臺，單機容量3550kW，3用1備。雙塔加壓泵站裝機5臺，其中，變頻泵3臺，單機容量2000kW，恒速泵2臺，單機容量2000kW。樂甲加壓泵站裝機2臺，其中，變頻泵2臺，單機容量710kW，恒速泵2臺，單機容量710kW。

2 調速方式確定

根據工藝要求，為適應城市用水量需求的變化，節約能耗，部分運行水泵電機要求具有調速能力。根據目前同規模泵站的調速經驗，常見的調速方式有液力耦合器調速、串級調速、內反饋調速、變頻調速等多種方式。

a.液力耦合器調速。液力耦合器調速應用較早，成本較低，屬于滑差功率消耗型調速技術，轉速越低，效率越低，本身維護工作量也很大，需要經常停機檢修、換件換油。基于以上原因，盡管其成本低廉，除了歷史用戶以外，已經很少有人采用，正被逐漸淘汰。

b.串級調速。串極調速是將轉子滑差能量整流后再逆變回電網的一種調速方法，屬于滑差能量回饋型調速技術，比液力耦合器調速在技術上占優。由于控制對象是電機轉子，使用目前耐壓水平的開關器件就可以方便地實現對高壓電機的控制。當調速范圍要求不高時，串極調速裝置容量較小，成本也較低。但串極調速只適用于繞線式異步電機，鼠籠型電動機無法使用。同液力耦合器調速技術一樣，串極調速也沒有解決電機的啟動問題，需要配置一套專門的啟動裝置。

c.內反饋調速。內反饋調速實際上也是串極調速的一種，是將轉子滑差能量整流后，再逆變送入電機的另一套定子繞組。內反饋調速與一般串極調速技術相比，省掉了一臺逆變變壓器，但電機定子多了一套繞組，需要采用特殊制造的電機。同串級調速技術一樣，內反饋調速裝置控制的是轉差功率，如果水泵對調速范圍要求不高，裝置容量可以設計得比較小，可以有效降低設備體積和成本。內反饋調速的最低轉速一般只能到60%，在高速段會產生5%的速度損失。由于設備本身的低電壓大電流特性，限制了它可實現調速的電機容量的范圍(對于1000kW/6kV 電機，如果最低調到60%的速度，調速裝置電流就達到800A)，設備本身會對電網產生較大的諧波污染和功率因數滯后，需要采取諧波抑制和功率因數補償措施。內反饋調速技術同樣沒有解決電機的啟動問題，需要專門的啟動設備。

d.變頻調速。變頻調速是現代交流調速的基礎和重要標志，采用變頻調速對電機進行轉數控制是最佳技術方案。變頻調速與串級調速不同，為定子端變頻調速技術。它通過改變電機定子的供電頻率，實現對電機的速度控制，因此它適用于鼠籠型電動機，克服了繞線式異步電動機需要經常維護滑環的弊端。除了變頻器本身設備成本較高外，其優越性是顯著的。

對適用該工程的2種調速方案進行比較的結果，見下表。

高壓電機調速方式比較表

根據該工程對調速裝置可靠性和調速裝置節能要求，結合工藝專業經濟比較，該工程推薦采用高壓變頻器作為調速裝置。

3 變頻裝置的選擇

目前高壓變頻裝置技術發展很快，可靠性大幅提升，效率教高，造價進一步降低，為高壓變頻裝置的普及使用創造了條件。功率單元元件有采用低壓單元串級疊加、高壓IGBT、高壓IGCT 等方式，各有優缺點。在輸出控制上多采用脈寬調制技術，具有以下優點:

a.系統只有一個功率控制級，簡化了主回路。由于輸入采用了二極管整流，因此功率因數較高(可達0.96)，同時也提高了系統的效率。

b.因為輸出電壓僅由逆變器本身決定，故電壓調節速度快、系統的動態性能好。

c.采用高頻調制后可獲得高質量的輸出波形，抑制了較低次的高次諧波，增加了電機低速工作的穩定性，降低了諧波電流及損耗，從而也擴大了調速范圍(靜差率不大于3%～8%)。

d.多個逆變器可以接到一個公用的母線上，從而容易實現多電機拖動。

其缺點是:可控硅處在高頻開關狀態下損耗增加以及控制線路比較復雜，但隨著快斷可控硅的發展及邏輯技術的改進，這種系統會越來越受到人們的重視。

高壓變頻裝置選擇時需重點注意裝置可靠性、諧波含量、抗干擾能力、效率及系統功能等。該工程選用一體化設計的西門子羅賓康PH—6—6 系列完美無諧波高壓變頻器。配用機端電壓為6kV的感應式鼠籠型水泵電機。裝置本身具有功率因數高，效率高;諧波符合IEEE 519—1992 標準和GB/T 14549—93 標準;抗電源干擾能力強等優點。傳統變頻擁有5個獨立部件，即輸入濾波器、功率因數補償、隔離變壓器、逆變裝置和輸出濾波器。由于完美無諧波高壓變頻器極其完美的輸入/輸出特性，因此其主要部件僅需隔離變壓器和變頻器。一體化的系統設計使安裝和啟動變得快速簡單，同時也相應降低了的成本。變頻裝置可以實現對電機的全部保護功能，可以實現恒定流量的閉環控制。

4 應用效果

變頻裝置在大伙房水庫輸水應急入連工程中投入使用后，運行穩定，使用方便，節能效果明顯。