發電廠中高壓變頻技術的應用探析

【摘要】變頻調速技術的出現和不斷發展，使電機調速領域發生了革命性的變化。在發電廠中推廣高壓變頻技術，不僅可以實現節能降耗，還可以改善電動機的運行環境。本文首先闡述高壓變頻的工作原理，并以火力發電廠為例，分析研究高壓變頻技術的應用。

【關鍵詞】高壓變頻;發電廠;應用

隨著電力行業改革不斷深化和市場競爭的日趨激烈，如何降發電成本和提高發電市場競爭力，已成為各發電廠努力追求的目標。傳統的發電廠大都采用定頻技術，頻繁的調峰任務使高壓電機的啟停次數增加，電動機受到的沖擊轉矩很大，嚴重影響電動機的機械壽命，在啟動過程中燒毀高壓電機的現象時有發生。如采用變頻調速技術，則可實現高壓電機的軟啟動，即電機從零轉數慢慢升至啟動轉數，從而達到改善電動機運行環境的目的，還可以實現節能降耗的作用。

1.變頻調速原理簡介

交流異步電動機的轉速公式為：

n=（1-s）n1=（1-s）60f1/p

式中：n—電動機運行時實際轉速，n1—電動機的同步轉速，f1—電動機電源頻率，p—電動機極對數，s—電動機轉差率。從可以分析如何改變異步電動機的轉速。

當改變電源頻率f1時，同步轉速n1=60f1/p與頻率成正比變化，于是異步電動機的轉速n也隨之改變，所以改變電源頻率就可以平滑地調節異步電動機的轉速。

變頻調速技術的出現和不斷發展，使電機調速領域發生了革命性的變化，在不到二十年的時間里，已被國內外公認為是最理想、最有發展前途的一種調速方式。通過變頻技術，不僅可以節約能源，還具有可靠性高、調速范圍廣和平滑性好等優點，因此在短短十幾年，發展也十分迅速，這主要歸功于變頻調速技術的優越性。

變頻器按變換環節分為交—交變頻器和交—直—交變頻器，由于交—交變頻器連續可調的頻率范圍小，一般為額定頻率的1/2以下。目前，變頻器基本上采用交—直—交電流型或電壓型變頻器，主回路由整流器、濾波環節和逆變器構成。

2.發電廠高壓變頻技術分析

當前，國內高壓電動機采用的變頻調速方案主要有以下幾種：

2.1 Y/Δ變換

采用Y/Δ變換的辦法是通過降壓變壓器將6000V的電壓降低到一定的電壓等級，如韓國ABB公司的ACS系列變頻器的電壓等級有2.3KV、3.3KV和4.0KV，它的基本構成如圖1所示。

圖1 星—三角變換圖

這種聯接方式要求異步電動機必須采用三角形接法，采用3.3KV或4.16KV的變頻器即能滿足電壓和電流的要求，也能滿足變頻器對電機的絕緣等級提高一級的要。但它對dv/dt和共模電壓承受能力較差。由于電廠一般風機電機的接線方式為Y型，選用此方案的變頻器，電機的定子線圈要由Y型改接為Δ型，或使用與此電壓等級配套的高壓電機，再者還需新增加一個變壓器;該方案要求換裝電機的外型尺寸特殊，原有電機基礎不能使用，需重新施工澆注，安裝周期也較長;電機進行Y/Δ改接后，電機與電網電壓不一致，無法實現旁路功能，當變頻器出現故障后，無法保證生產的正常進行。

2.2 高-低-高變頻調速系統

此中調速控制方案是將高壓通過降壓變壓器，使變頻器的輸入電壓降低，這樣可以采用一般的交流變頻器，然后，將變頻器的輸出電壓通過升壓變壓器將輸出電壓再提高到6000V，以滿足高壓交流電動機的電壓要求。這種方案可以采用較為低廉的變頻器，高-低-高變頻調速系統的結構如2圖所示。

圖2 高-低-高變頻調速系統的結構圖

高-低-高變頻調速系統普遍采用可控硅整流電路逆變電路，從70年代問世以來，逐步走向成熟，也有很多應用成功的例子，但此種系統存在者較多的問題：

（1）高-低-高變頻調速系統需要用升壓和降壓兩個變壓器，以實現6000V電壓直接輸出，從而降低了效率，會增加0.3%的損耗，并且降壓變壓器和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-高變頻調速系統中的變頻器整流部分采用可控橋式整流電路，相應變頻器的功率因數比較低，范圍從0.2到0.9之間。由于送風機經常工作在低轉速狀態，可控硅的導通角較小，使系統的功率因數很小，系統需要消耗大量的無功功率，導致6000V母線電壓下降，影響6000V母線電壓質量;同時可控硅整流在送風機低速范圍運行時，導通角很小，波形畸變大，逆變部分大多采用6脈沖或12脈沖，輸出波形失真，有大量高次諧波存在，使輸出波形不是正弦波，為解決諧波的影響，需要加裝濾波器，增加投資。

（3）高-低-高變頻調速系統中的變頻器工作在低電壓狀態，為滿足功率輸出的要求，工作電流很大，往往需要變頻器元件并聯運行，為此必須進行元件配對，加均流措施，檢修技術水平要求比較高。

（4）高-低-高變頻控制系統需要兩臺變壓器，變壓器需要裝設相應的保護，成本也會有所上升，另外，使用高-低-高變頻系統占地面積較大。

2.3 直接高壓變頻調速控制系統

直接高壓變頻調速控制系統用額定電壓為6000V的高壓變頻器直接驅動6000V的電動機，實現變頻調速，高-高變頻調速系統的結構示意圖如3所示。

圖3 直接高壓變頻系統的結構示意圖

直接高壓變頻系統，簡稱高-高變頻調速系統，它是九十年代末針對高-低-高變頻調速系統缺陷研制成功的新一代變頻調速系統。該系統從根本解決了高-低-高變頻調速系統存在的問題，是一種性能優越的變頻調速設備。

該調速系統一般使用一臺變壓器與電網隔離，變頻器輸出直接到電機，由于采用了橋式整流電路，在整個調速系統中功率因數較高，cosφ=0.85，不需要裝設無功補償裝置，又因為高-高變頻調速系統采用多重化脈寬控制，通過模塊輸出串聯疊加消除高次諧波的影響。

高-高變頻調速系統簡化了主電路和控制電路的結構，變頻器在中間處理器材調節器控制下，調整整流即逆變部分的控制量，通過調節逆變器的脈沖寬度和輸出電壓頻率，既實現調壓，又實現調頻，調節器進行無偏差的前饋控制，使控制誤差降到了最小，從而使裝置的體積小，重量輕，造價低，可靠性高。

高-高變頻調速系統改善了系統的動態特性，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，調節過程中頻率和電壓的配合好，系統的動態性能好。

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轉矩降低問題，改善了電動機的運行性能，高-高變頻調速系統適用于常規電機和電纜的絕緣要求，現有的送風機電機和電纜可以繼續使用。

2.4 高壓變頻技術方式對比

以某火電廠為例，如果選用“高-低-高”方式工作的變頻器，變頻實現復雜，可靠性較低，高-低-高變頻調速系統技術上不具有先進性，但這種系統最大特點是價格比較低廉，相對于高-高變頻系統，每套系統節約不少投資，產品的挑選余地比較大。

如果選用高-高變頻調速系統，從能量轉換上看效率高于高-低-高變頻調速系統，高-高變頻調速系統在整個調速范圍內效率穩定在95-97%之間，而高-低-高變頻調速系統在整個調速范圍內從81-93%之間變化，高-高變頻系統可經采用不使用變壓器的方案，則滿負荷運行時，又可節約0.3%左右的能量。

綜合各調速系統的優缺點，高-高變頻調速系統是高-低-高變頻調速系統的更新換代產品，具有較高的科技含量，是變頻調速發展的方向，因此，在火電廠中選用高-高變頻調速系統較為合適。

3.小結

隨著電力市場的不斷發展，發電企業對經濟效益和社會效益的重視程度越來越高，已成為各發電企業共同的追求目標。本論文通過對Y/△變換型、高-低-高型、高-高型三種方式進行了闡述和比較，并建議在火電廠中選用高-高變頻調速系統較為合適。

參考文獻

[1]周凌.高壓變頻技術在電力行業內可靠性應用[J].華北電力技術，2012年4期.

[2]陳詩翊.芻議高壓變頻技術在火電廠的實踐思路[J].通訊世界，2014年10期.

[3]許明圣.高壓變頻技術在電機中的應用[J].消費電子，2013年12期.