摘 要 ：本文介紹了新一代高壓變頻器的原理和技術特點，以及在國電雙鴨山電廠灰漿泵變頻改造的技術方案、應用情況和節能情況。

1  引言

    采用新型高壓大功率電力電子器件、直接“高-高”方式的高壓變頻器，具有體積小、效率高、結構簡單、運行可靠等特點。變頻器裝置采用不可控24脈沖移相整流和全控器件進行開關調制，具有很高的輸入側功率因數、優良的調速性能和轉矩控制性能。高壓變頻器通過改變電動機運行頻率，在很寬的轉速范圍內進行高效率的轉速調節，可以取得很好的節電效果，在風機和水泵的節能改造上已經得到廣泛驗證。
    國電雙鴨山發電廠3、4號機為210MW火電機組，和3、4號機組配備有6臺6kV/570kW灰漿泵電機，電機型號JS512-8，額定電流69A，額定轉速730r/min。其中，6#灰漿泵是二級泵，和5#灰漿泵配合使用。在安裝變頻器之前，6#灰漿泵是根據前池液面的高度決定啟、停電機。這樣就存在兩方面問題:一方面為了適應生產工藝要求，需要每天根據前池液位和沖灰管的需要不斷切換、啟停電機，前池液位高度得不到很好控制，而且頻繁工頻啟動電機對電機造成很大沖擊; 另一方面存在節流損失，造成電能的浪費。為了進一步優化灰漿泵運行工況，節省電能，所以對6#灰漿泵電機進行高壓變頻改造。
    6#灰漿泵電機在高壓變頻器改造之后，通過調整6#灰漿泵變頻器的運行頻率（電機轉速）來調整前池液面的高度，這樣5#灰漿泵可以一直在最佳效率下工頻運行，從而減少了操作6#灰漿泵開關的分合次數，減小了電機工頻啟動造成的沖擊，進一步優化了生產工藝，并且節省了電能。

2  灰漿泵運行工藝和變頻改造技術方案

2.1 6#灰漿泵運行情況及變頻改造技術方案
（1） 在灰漿泵運行現場，變頻器到電機之間的高壓電纜經常發生單相對地放電或單相直接接地的情況。在這種情況下，要保證不能損壞變頻器，并且變頻器要能發出報警停機信號以便現場人員及時處理。因此，要求變頻器輸出能承受單相接地的能力，相應變頻器的輸出濾波器電容中性點不能直接接地，而是需要通過電容接地。
（2） 由于6#灰漿泵屬于二級泵，所以在啟動6#灰漿泵變頻器運行之前，5#一級灰漿泵通常已經在運行，將會推動6#灰漿泵電機運轉，變頻器相當于飛車啟動。所以變頻器啟動時需實時檢測電機運行頻率，根據該運行頻率帶動電機啟動。
（3） 6#灰漿泵變頻運行要求能對前池液位高度閉環控制，自動調節電機的轉速。

（4） 由于灰漿泵運行時，在前池液位很低的時候有可能造成負荷過大甚至堵轉的情況，因此要求變頻器有過載能力以及過流保護措施。
    綜合上述因素，從目前國內、外主要的兩種高壓變頻器拓撲結構中，選擇基于IGCT的三電平中性點箝位的拓撲結構。三電平拓撲結構具有以下優點:開關功率器件數少、IGCT開關電流大、過流能力強、結構簡單、可靠性高、適合負載沖擊較大的應用場合。
    在控制方面，灰漿泵前池液位設置壓力式水位傳感器，將測量得到水位高度信號，變換為4～20mA標準信號，由電流環接口送給變頻器; 變頻器計算出當前水位與控制水位之間的偏差，通過變頻器內置的數字PID調節器改變變頻器的輸出頻率，調節電動機的轉速，進而控制灰漿泵前池液位的高度。
2.2 三電平中點箝位電路原理結構圖
    基于IGCT的三電平中性點箝位的高壓變頻器結構簡單，主體由整流器、逆變器和濾波器組成。如圖1所示，整流器采用24脈沖不控整流，由移相15°的24脈波移相整流變壓器和四重三相整流橋構成，這樣可以滿足對輸入端的電流諧波要求。直流環節由共模電抗、IGCT保護及充電限流電阻和直流電容（C1、C2）構成。

 

    三電平逆變器由di/dt吸收電路（由陽極電抗及嵌位電路組成）和12個IGCT組件構成的三電平逆變橋組成。
    三電平結構的變頻器需要拖動6kV電機，所以變頻器直流母線電壓需要10kV。實際運行時，兩個處于關斷狀態的功率組件需要承受10kV的電壓，這樣每個組件要承受5kV。在主開關功率器件IGCT工作耐壓只有4.5kV的條件下，需要采用兩只串聯的方式組成一個功率組件。

變頻器內置輸出濾波器由三相濾波電抗（La、Lb、Lc）和三相濾波電容（Ca、Cb、Cc、Cn）構成。濾波器使變頻器輸出到電機的電壓和電流波形更加接近正弦波，而不需要電動機降容使用。
高壓變頻器內部采用無熔斷器結構，電路的主保護主要由保護IGCT來實現，其動作時間在μs級。

2.3 新一代高壓變頻器控制系統的改進
    我公司第一代變頻器采用工控機進行信號處理，控制的實時性得不到保證。由于變頻器要采用優化的PWM控制算法控制電機，需要主控系統控制器具有更高的運行速度和處理能力、更大的存儲器和外部信號處理端口、具備浮點運算的能力。因此，新一代的變頻器控制器選用浮點數字信號處理器DSP和大規模集成電路的FPGA相結合的方案，DSP主要負責采集的信息和運算處理，FPGA根據處理結果轉化為相應的控制脈沖，控制實時性大大提高。圖2是新一代高壓變頻器主控板的硬件框圖，它與第一代控制器相比，更能適應高性能的矢量控制算法的要求。

 

3  II期6#灰漿泵高壓變頻器現場調試運行和節能分析

3.1 變頻器系統的控制調試
    灰漿泵的流量是根據機組的負荷大小和沖灰工藝需求控制的，水流量的變化較大，有時呈階梯狀特性，水位波動比較大。水位壓力式傳感器需要選擇合適的測量點，否則會因為水池內水流因素和水面波動引起測量的不穩定性。經過現場測試，選擇了水流變化不大的靠池壁位置。經過調試，建立了一個合適的模型和PID控制參數，通過閉環跟蹤水位變化，穩定控制前池液面的高度，優化了生產工藝。
    另外，變頻器還可以選擇運行在開環狀態，通過電廠DCS信號控制變頻器的輸出頻率。

3.2 變頻器節能分析

    II期6#灰漿泵進行變頻改造的一個重要原因是節約電能。電機變頻運行節能的原理在許多資料均有論述，這里不做討論。表1～2是通過II期6#灰漿泵的工頻旁路運行和變頻運行的實際數據來說明變頻的節能效果。

 

    根據以上數據，采用變頻運行后，24h可節約電量9380-6360=3020kWh。采用變頻器后節能32%。由以上實際運行數據可以看出:電機變頻運行不僅滿足了工藝要求，同時能節約大量電能。經過幾個月的連續運行，II期6#灰漿泵的變頻改造后，節能效果顯著。灰漿泵屬于火電機組的公用設備，年運行時間長，可以為電廠節約15～30%左右的能源。

4  結束語

    雙鴨山電廠II期灰漿泵經過變頻改造后，優化了灰漿泵的運行狀況和生產工藝，更好地穩定了前池液位的高度，實現了閉環自動控制，同時節約了大量電能，節能效果明顯。高壓變頻器的控制系統和控制技術發展很快，對電機更好性能的控制需要性能更高的主控系統平臺。雖然新一代控制系統的高壓變頻器首先運用到風機、水泵的變頻驅動上，但它比以前更可靠、更能提高高壓變頻器的控制性能。