一、前言 能源是國民經濟的基礎，關系到經濟社會的可持續發展。現代社會發展的主要能源是動力來源。世界上所有的國家都在致力于大規模的開發和利用能源，并在提高能源利用率方面做了大量的工作。據有關部門提供的能耗統計資料表明，目前我國能源利用率還是非常低，只有32%，而美國則為51%，日本為57%,我國每萬元國民生產總值能耗比發達國家高出4倍多，主要能耗產品的單位能耗比發達國家高出30%～90%；我國的經濟發展成本是國外發達國家的1.5倍。同時隨著我國加入WTO，國內市場的開放程度將越來越大，市場競爭也將越來越殘酷，因此企業大力提高能源節約和資源綜合利用技術水平，將成為企業將低成本、提高競爭力的內在要求和必由之路。 二、油田企業的節能潛力分析 油田企業在我國是公認的產能大戶，同時又是耗能大戶。能源消耗在油田企業生產成本中占有相當比重，如：油氣生產能源消耗費用占油氣生產成本的20%左右，原油加工能源消耗費用占加工成本的30%左右。因此節能降耗是油田企業一項長期戰略任務。 油田的注水系統、輸油系統、機械采油系統、鍋爐供熱系統和供配電系統等五大系統為油田的耗能大戶，他們的耗能量占油田總耗能量的75%以上，提高這五大系統效率是搞好油田企業節能降耗的關鍵。在這些能耗中，電力耗能占了相當大的比重。油田企業的用電負荷和耗電量都是其他企業不可攀比的。注油泵、排污泵、清水泵、深井泵、加壓泵、輸油泵、抽油機、深井油泵、供熱鍋爐鼓風機、引風機、…，在這些設備的大量應用使其異步電機耗電約占油田總用電量的80%，占油氣生產用電量的95%。在各種生產裝置配備的各類異步電動機，在考慮了生產工況的變化和啟動容量的需要后，總體來說配備容量都大于實際輸出功率，平均負載率和平均運行功率都較低，因此節電的潛力也非常巨大。 現階段對于異步電機節能降耗最有效的方法之一就是應用高壓變頻調速系統。變頻調速以其優異的調速和起制動性能，高效率、高功率因數和節電效果，廣泛的適用范圍及其它許多優點而被國內外公認為最有發展前途的調速方式。 三、高壓變頻調速系統節能分析 調速節能原理從二個方面來說明： 1、風機水泵的節電原理就是用調速控制代替擋風板或節流閥控制風流量，這是一個節電的有效途徑。風機的特性曲線如圖 1 所示。在用檔風板控制額定風量 Q1 =100% 輸出時，則軸功率 N1 與面積 AH1 OQ1 成正比，若風量減半 Q2 =50% 輸出時，則軸功率 N2 與面積 BH2 OQ2 成正比，它比 N1 減少不多，這是因為需要克服檔風板阻力增大風壓所致。如果采用調速控制同樣風量減半輸出時，轉數由 n1 降至 n2 ，按風機參數比例定律畫出 n2 時的特性曲線， C 點為新的工礦點，這時軸功率 N2 與面積 CH3OQ2 成正比，在滿足同樣風量 Q2 情況下，軸功能降低很多，節省的功率耗損△ N 與面積 BH2H3C 成正比，可見節電效果十分顯著。 2、流體力學的觀點 流量 ∝ 轉速 壓力 ∝轉速︿2 軸功率∝轉速︿3 若轉速下降 20%，則功率下降到51.2% 若轉速下降 50%，則軸功率下降到12.5% 即使考慮調速裝置本身的損耗等因素，節電也是相當可觀的。 四、一種新型的移相級聯式高壓變頻器 一種新型的移相級聯式高壓變頻器在北京新電創拓科技有限公司投入批量生產，這種被命名為Diamond-HV系列的高壓變頻器是由新電創拓公司和德國技術專家合作開發成功的。它采用HV-IGBT元件、全橋級聯式多電平逆變技術、多重化輸出和模塊化設計方案，具有結構簡潔、安全可靠、無湝波污染和可直接驅動普通異步電動機等特點。現將這種高壓變頻器簡介如下： 1、系統結構 Diamond-HV系列高壓變頻器的結構如圖1所示，由移相變壓器、功率單元和控制器組成。 Diamond-HV系列變頻器（標準配置） 移相級聯式高壓變頻器采用3個獨立功率單元串聯的方式來實現高壓輸出，其原理如圖2所示。電網電壓經過二次側多重化的隔離變壓器降壓后給功率單元供電，功率單元為三組輸入、單組輸出的交—直—交SPWM電壓源型逆變器結構，如圖3所示。將相鄰功率單元的輸出端串聯起來，形成Y聯結結構，實現變壓變頻的高壓直接輸出，供給高壓電動機。每個功率單元分別由輸入變壓器的一組二次繞組供電，功率單元之間及變壓器二次繞組之間相互絕緣。 以額定輸出電壓為6KV的變頻器為例，每相由3個額定電壓為1275V的功率單元串聯而成，輸出組電壓最高可達3825V，線電壓可達6600V左右，每個功率單元承受全部的輸出電流，但只提供1/3的相電壓和1/9的輸出功率。這樣設計，單元的電壓等級和串聯數量決定變頻器輸出電壓，單元的額定電流決定變頻器輸出電流。由于不是采用傳統的器件串聯的方式來實現高壓輸出，而是采用整個功率單元串聯，所以不存在功率器件串聯引起的動態均壓問題。單元內采用3300V的HV-IGBT，以達到在滿足輸入、輸出波形質量要求的前提下，盡量減少每組串聯單元的個數，降低成本，提高可靠性。 輸入變壓器采用多重化設計，以達到降低輸入諧波電流的目的。變壓器的9個二次繞組，采用延邊三角形聯結。分為3個不同相位，互差200電角度，形成18脈波的二極管整流電路結構，所以理論上17次以下的諧波都可以消除，輸入電流波形接近正弦波，總的諧波電流失真低于3%。在變壓器二次繞組分配時，組成同一相位組的每三個二次繞組，分別給分屬于電動機三相的功率單元供電。這樣，即使在電動機電流出現不平衡的情況下，也能保證各相位組的電流基本相同，達到理想的諧波抵消效果。這種變頻器不加任何諧波濾波器就可以滿足供電部門對輸入電流諧波失真的要求。由于采用二極管整流的電壓源型結構，電動機所需的無功功率可由濾波電容提供，所以輸入功率因數較高，基本可保持在0.96以上，不必采用功率因數補償裝置。 [align=center] [/align] 由于采用二極管不可控整流電路結構，所以變頻器對浪涌電壓的承受能力較強。雷擊或開關操作引起的浪涌電壓可以經過變壓器產生浪涌電流，經過功率單元的整流二極管給濾波電容充電，濾波電容足以吸收進入到單元內的浪涌能量。 3、移相SPWM輸出技術 逆變器輸出采用多電平移相式SPWM技術，同一組功率單元輸出相同幅值和相位的基波電壓，但串聯各單元的載波之間互相錯開1200電角度，實現多電平移相SPWM，輸出電壓非常接近正弦波，輸出波形如圖5所示。功率單元采用較低的開關頻率，以降低開關損耗，且可以不用浪涌吸收電路，提高變頻器效率。由于采取多電平移相式SPWM，等效輸出開關頻率很高，且輸出電平數增加，可大大改善輸出波形，降低輸出諧波，輸出電壓湝波含量低于2.33%。同時，諧波引起的電動機發熱、噪聲和轉矩脈動也大大降低。對脈動電壓波來講，當輸出電纜長度超過臨界值時，運行波反射引起的過電壓會造成電動機的絕緣損壞。由于Diamond-HV系列高壓變頻器的輸出du/dt較低，每個電平臺階只有單元直流母線電壓大小，運行中不會對電動機絕緣構成威脅，所以對變頻輸出與電動機之間的電纜長度沒有特殊限制。 4、接口與通訊 功率單元與主控系統之間通過光纖進行通訊技術，低壓部分和高壓部分完全可靠隔離，特別值得一提的是，與其他廠家單元串聯高壓變頻器不同，Diamond-HV高壓變頻器的單元外殼是安全接地的，系統具有極高的安全性，同時具有很好的抗電磁干擾性能。功率單元采用模塊化結構，所有的功率單元可以互換，以便于維修，每個單元只有3個輸入、2個輸出電氣連接端和四組光纖插頭與控制系統連接。 Diamond-HV高壓變頻器采用功率單元自動旁路技術，這樣即使在個別功率單元損壞的情況下,也能降額繼續運行，或采用冗余功率單元設計方案使變頻器滿載繼續運行。 5、控制器 控制器核心由嵌入系統并行處理單元和光纖通訊接口組成。移相SPWM技術可以保證電機在各種頻率下都能達到最優的運行性能。全中文視窗監控和操作界面使操作更加方便、可靠。工業標準接口可以實現遠程監控和網絡化控制。該類型高壓變頻器徹底摒棄了可靠性較差的工控機，取而代之的是超大規模集成電路的一體化設計，其運行可靠性大大提高。 控制器還包括一臺內置的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。 四、結束語 今天節能降耗工作日益成為人們關注的重點，油田企業擁有著巨大的節能潛力，而高壓變頻調速系統在我國油田企業的節能降耗工作中也必將成為強有力的工具。