變頻器在莊河發電廠凝泵電機上的應用

徐淑新，朱紅玉，呂廣飛

(1.國電莊河發電廠，遼寧大連 116431;2.內蒙古電科院，內蒙古包頭 014040)

0 引言

國電電力大連莊河發電廠2×600MW超臨界機組，2007年投產。隨著遼寧電網火電裝機容量的快速增長，2臺機組經常運行在有功功率300～400MW工況下。高壓廠用電為6kV電壓等級，全部6kV風機類及泵類電機額定功率都是按照機組有功功率600MW工況下設計的并留有一定的裕量。在機組低負荷時各電機依然以額定轉速輸出額定功率，所以要通過調節管道入口或出口的擋板、閥門開度來降低給風量及給水量，大量的能源都消耗在擋板、閥門的截流過程中，同時擋板、閥門的材料及維修人力消耗也較大。隨著變頻技術的快速發展，應用變頻器調節，可使電機按著發電機實際負荷需要的給風量及給水量降低轉速運行而輸出較小的功率，可節約大量的電能并減少閥門和擋板的損壞。

1 凝結水泵高壓電機變頻器的選型

目前，電力系統中運行的高壓變頻器一般可以分為國產和進口兩種類型，進口品牌主要以三菱、ABB、西門子為主，而國產品牌較多，生產區域集中在北京、福建、廣東等地。國產的高壓變頻器多以串聯多重化技術為基礎，部分開始采用IGBT器件，適合節能調速;功率等級較低，一般不超過3500kW。

通過認真研究，從產品質量、性能、售后服務及改造成本等綜合考慮，確定采用北京利得華福電氣技術有限公司HARSVERT－A系列變頻器。變頻器主要技術參數見表1。

表1 變頻器主要技術參數

2 變頻器的工作原理

2.1 系統原理

HARSVERT－A06/240高壓變頻器由移相變壓器、功率單元和控制器組成。有15個功率單元，每5個功率單元串聯成一相。每個功率單元結構上完全一致，可以互換，通過對IGBT逆變橋進行正弦PWM控制。輸入側由移相變壓器給每個單元供電，移相變壓器的副邊繞組分為三組，構成42脈沖整流方式，這種多級移相疊加的整流方式大大改善了電網側的電流波形，使其負載下的網側功率因數接近1。另外，由于變壓器副邊繞組的獨立性，使每個功率單元的主回路相對獨立。輸出側由每個單元的U/V輸出端子相互串聯而成星型接法給電機供電，通過對每個單元的PWM波形進行重組，得到階梯PWM波形。

控制器核心由高速單片機來實現，精心設計的算法可以保證電機達到最優的運行性能?？刂破鬟€包括1臺內置的PLC，用于柜體內開關信號的邏輯處理，以及與現場各種操作信號和狀態信號的協調，增強了系統的靈活性?？刂破鹘Y構上采用VME標準箱體結構，各控制單元板采用EPGA、GPLD等大規模集成電路和表面焊接技術可靠性高。另外，控制器與功率單元之間采用光纖通訊技術，具有級高的安全性，同時具有很好的抗電磁干擾性能。

2.2 主要特點

(1)可保證低電壓穿越時，凝結水泵電機不停機。遼寧電網連續發生在電網故障電壓下降時，并網發電廠輔機變頻器停止運行造成機組停機事故，為此遼寧電網公司對并網發電廠變頻器提出了防止低電壓穿越時防止誤動的改造通知，以保證電網的安全穩定運行。本裝置在低電壓－10% ～－35%時延時20s跳閘。由于電網電壓恢復時間遠遠小于20s，所以可保證低電壓穿越時凝結水泵電機不停機。另外6kV主電源欠壓時可不停機，自動降轉速，電壓正常后再恢復到原來速度。

(2)裝置采用 U/f=C控制方式，通過調整PWM系數調整C的大小。由于泵類負載是典型的平方轉矩負載，低速下負載非常小，并與轉速的平方成正比。所以電機轉速低時，電機輸入端的電壓按比例降低，消耗的電功率大大降低。啟動電流小于電機的額定電流，電機啟動時間可連續可調，減少了對電網影響。

(3)變頻器工控機裝有全中文操作的監控軟件，可在本機就地操作也可遠程操作。功能設定、參數設定、故障查詢、運行記錄查詢等均采用全中文的WINDOWS操作界面。

3 變頻器的安裝與調試

3.1 變頻器的安裝

變頻器功率管是大功率控制原件，發熱量較大，隨環境溫度的升，高變頻器的故障率急劇上升，必須嚴格控制變頻室溫度在0℃ ～40℃之間。因此變頻室應封閉，為保證環境溫度及濕度，安裝了3臺空調，二用一備，并配有溫度計和濕度計。動力電纜和控制電纜應分層鋪設，電氣控制電纜要兩端屏蔽接地;熱控控制電纜在DCS控制柜側單端接地。

3.2 變頻器的調試

通過工控機完成以下系統功能設置:運行方式選擇手動方式，給定頻率完全由用戶手動設定;啟動方式選擇為正常啟動，此時變頻器開環運行于設定頻率;運行方式選擇為開環運行模式，變頻器的運行頻率由外部DCS模擬信號直接給定;頻率設定選擇為模擬給定，接受外部DCS模擬信號，經過模數處理后得到給定頻率;上位機控制選擇遠方DCS控制;柜門聯鎖設置為允許，高壓變頻調速系統運行時打開柜門報警，可維持運行而不跳閘。

通過工控機完成以下參數設置:超溫設置，設置模塊溫度跳閘值80℃為當模塊溫度超過此值時，即發出超溫跳閘;變頻器輸出的最低頻率為30Hz，最高頻率為50Hz;加速時間設置太短則電機加速過程容易過流，所以根據實際工況調整為130s;減速時間太短可能導致過流及功率單元過電壓故障，所以根據實際工況調整為150s;電機參數設置，輸入電機實際的額定電流、額定功率、電機級數。

3.3 調試的重點檢查內容

(1)變頻裝置輸出電流諧波實測數值為1.4%，實際檢測凝結水泵運行確保沒有諧振及異音。

(2)變頻裝置對電網反饋的電流諧波的實測值為1.8%，觀察6kV其他高壓廠用電機及負載的運行情況。

(3)嚴格防止變頻與工頻并列運行，如果運行不當將變頻器輸出的變頻電壓串入6kV廠用電將造成嚴重事故，所以要對各開關互鎖邏輯進行嚴密的試驗。QS1和QS2互鎖:QS1和QS2只能有一個刀閘處于合位，電氣、機載雙重閉鎖;QS1合閘后應閉鎖QF1開關;QS2合閘后應閉鎖QF3開關。

(4)變頻器重故障時退出變頻運行方式自動轉為工頻運行方式，凝結水系統能滿足運行工況。

4 凝結泵變頻改造后運行方式

4.1 電氣一次系統運行方式

莊河電廠每臺機組配有2臺2000kW的凝結水泵電機，1臺電機可滿足機組滿載下凝結水系統的運行。電氣一次系統包括:凝結水系統高壓開關QF1/QF2/QF3、真空接觸器 KM1/KM2、變頻器、變壓器QS1/QS2刀闡。正常電機運行在變頻方式，變頻器故障時自動切換到另一臺電機工頻運行方式。如甲電機變頻運行時，乙電機工頻備用狀態:QF1處停電狀態，QS2分閘位;合 QS1，合 KM1，合 QF2，啟動變頻器，甲電機變頻運行，QF3熱備用狀態。當甲電機變頻運行故障時變頻器發出故障指令跳開QF2、KM2，聯合QF3乙電機工頻運行。乙電機變頻運行時，甲電機工頻備用狀態。

4.2 繼電保護運行方式

工頻運行時，QF1開關、QF3開關配置電動機保護。為實現變頻運行時電動機保護退出運行，變頻器故障自動切換到工頻運行時電動機保護自動投入，由KM1、KM2開關輔助接點控制QF1開關、QF3開關保護的投退。由于變頻運行時，電機中性點的變頻電流流入差動繼電器，使得差動繼電器一直處于動作狀態，誤發動作信號，所以在電動機保護裝置軟件中做了邏輯修改，變頻工作狀態時，差動保護退出工作變頻運行時，QF2配置變壓器保護裝置1臺，保護范圍伸到變頻器變壓器低壓側。電動機保護由變頻器內設的保護來實現。

4.3 凝結水系統運行方式

變頻器運行時，通過調節凝結泵轉速調節凝結水流量，控制除氧器水位。旁路門關閉，其他調門置于全開位置。工頻運行時，在低負荷階段采用旁路調節閥控制除氧器水位，達到一定負荷后采用除氧器水位調節閥來控制除氧器水位。

4.4 DCS 邏輯控制

凝結水泵變頻器作為凝結水控制系統DCS的一個執行器，最終需要由DCS實現凝結水系統高壓開關 QF1/QF2/QF3、真空接觸器 KW1/KW2、除氧器水位的控制。

5 經濟效益分析

莊河電廠1號機組凝結水泵電機變頻改造于2009年8月完成，2號機組凝結水泵電機變頻改造于2009年10月完成。通過實際計量，我們取沒有進行變頻改造前的一組數據和變頻改造后的數據進行對比，其結果見表2。

表2 凝結水泵電機變頻改造前后對比分析

從表2可知，凝結水泵電機變頻改造后，電廠每發1萬kW·h電量，可節約用電11kW·h。變頻室內安裝2臺15kW空調，冬天溫度低時可以退出運行。按每年360天一直在運行計算空調消耗電量為259200kW·h，按年發電60億kW·h計算可以節電6340800kW·h，按照上網電價0.42元/kW·h計算，年節約費用266.3萬元，效益顯著。

6 結語

國電電力大連莊河電廠2臺機組凝結水泵電機變頻改造后，運行穩定，節能效果顯著。變頻器在電廠凝結水泵上的應用，說明國產高壓變頻設備是成熟可靠的，要想保證改造后系統的可靠運行，變頻器必須運行在清潔、通風良好、干燥的室內。可對電廠運行在非滿負荷區間的其他泵類、風機進行綜合分析，在保證諧波污染不造成電能質量超標、機械設備運行區間不發生異常振動的前提下進行變頻改造。變頻器在發電廠要運行良好，用戶的使用、調試、維護也是非常關鍵的，必須引起高度重視。

［1］鄒涌泉.變頻器工作原理以及應用中的注意問題［J］.自動化與儀器儀表，2001，(1):119 －121.

［2］洪志偉.淺談變頻器的使用和維護［J］.科技咨詢導報，2007，(26):119.

［3］王真威.變頻器在電廠中的應用與維護［J］.山西電力，2008，(1):66－68.

［4］丁效蓮，宋 瑋，丁兆勇.曲阜電廠2號爐引/送風機變頻節能改造［J］.資源節約與環保，2011，(1):60－61.