一、背景介紹

目前，在我國電源結構中，火電裝機容量占74%，發電量占80%；因此火電機組及其輔機設備的節能改造工作是非常重要的。火電廠中的各類輔機設備中，風機水泵類設備占了絕大部分，而在國民經濟高速發展的當代，火電機組調峰力度也隨之加大，這些機組的負荷變化范圍很大，必須實時調節風機水泵的流量，蘊藏著巨大的節能潛力。目前調節流量的方式多為節流閥調節，他并不能大范圍調節電動機的輸出功率，所以浪費了大量的能源。隨著世界能源危機影響范圍越來越廣，人們對節約能源的意識也越來越強，我國在電力行業的改革為適應新形勢逐步的深化。降低發電成本提高單位能耗的發電量，已成為各火電廠努力追求的經濟目標，要求也越來越迫切。而采用變速調節風機和泵類達到節能目的，已成為共識。 另外，交流高壓電機的直接起動會產生巨大的電流沖擊和轉矩沖擊，在很短的起動過程中，轉子籠型繞組及阻尼繞組將承受很高的熱應力和機械應力，致使籠條的端環斷裂。而且能造成定子繞組絕緣的機械損傷和磨損，從而導致定子繞組絕緣擊穿。直接起動時的大電流還會引起鐵芯振動，使鐵芯松馳，引起電機發熱增加。由于變頻器可以做到起動轉矩高且平滑無沖擊，對延長電動機的使用壽命，減少對電網的沖擊，保證機組正常運行是很有必要的。還有現在電廠的自動化程度不斷提高，運行工藝對輔機設備的控制性能的改善也是十分迫切的，例如在燃料控制系統中，采用精確度很高的變頻調速可以大幅度地改善爐內的燃燒工況，從而節煤、節水，并可節省這些物料的運輸，處理能量等。有更精準的設備是必然會出現更優良的工藝，從而生產效率，這已不再簡單地局限在節能的范疇。   

二、項目概況

2.1工程名稱：電廠二期1×660MW工程

工程規模：規劃容量為3260MW，一期工程已建設1臺600MW超臨界燃煤發電機組，本        期工程擴建1臺660MW超超臨界燃煤發電機組，并同步建設煙氣脫硫、脫硝裝置。遠景留有再擴建2×1000MW機組的條件。機組類型及年利用小時：國產660MW超超臨界燃煤發電機組，機組年利用小時數為5500小時。

2.2工藝介紹

2.2.1燃煤電廠工藝流程

圖1 燃煤電廠工藝流程圖

燃煤電廠主要包括以下四個系統：

2.2.2燃煤電廠汽水系統基本流程及組成

圖2 燃煤電廠水汽系統基本流程及組成圖

過熱蒸汽——〉主蒸汽管道——〉汽輪機（沖動汽輪機葉片轉動，帶動發電機旋轉產生電能，自身溫度、壓力下降）——〉凝汽器（被冷卻水/循環水冷卻）——〉凝結水匯集在凝汽器中的熱水井中——〉經凝結水泵打至低壓加熱器中加熱——〉由除氧器除氧并繼續加熱成為鍋爐給水——〉經給水泵升壓和高壓加熱器加熱后送入鍋爐汽包

2.2.3凝結水泵工藝介紹

圖3 凝結水泵工藝流程圖

凝汽器冷卻凝結之后，集中在熱水井中，這時凝結水泵的作用是把凝結水及時地送往除氧器中。維持凝結水泵連續、穩定運行是保持電廠安全、經濟生產地一個重要方面。監視、調整凝汽器內的水位是凝結水泵運行中的一項主要工作。在正常運行狀態下，凝汽器內的水位不能過高或過低。當機組負荷升高時，凝結水量增加，凝汽器內的水位相應上升。當機組負荷降低時，凝汽器內水位相應降低。國投宣城電廠凝結泵電機為6KV/2000KW電機，設計時有較大裕量，每臺機組配備二臺凝結泵，一臺變頻運行，一臺工頻運行或備用，為安全起見要求變頻器一旦出現故障，即可馬上停機，斷開進出線真空接觸器，將變頻裝置隔離，再閉合旁路真空接觸器，在工頻電源下起動電機運行。當管道壓力不夠時，在DCS側聯起備用凝結泵。

2.3 HD92系統工作原理

圖4 系統拓撲圖

主電路拓撲原理：電網電壓經主變壓器隔離移相后為功率單元供電，每個功率單元為一個單相交-直-交電壓型逆變器，單元串聯星接后形成三相變頻電源給高壓電動機供電。主變壓器采用移相整流方式，輸入功率因數高，輸入電壓電流諧波小。滿足IEEE519-1992和GB/T 14549-93對電壓和電流最嚴格的諧波失真要求。無需任何功因補償和諧波抑制裝置。變頻器輸出采用多重化PWM技術，輸出為近乎完美的正弦波，無須加輸出濾器。電動機諧波損耗小，轉矩脈動小，無明顯電動機噪聲。電動機不需降額使用。輸出dV/dt和共模電壓小，對電動機無附加電應力損害。

2.4應用現場電機參數及變頻器選型

2.4.1電機參數

2.4.2高壓變頻器選型

匯川介紹結合該現場自身電機參數以及匯川HD92系列高壓變頻器的產品優勢，具體選型如下：HD92-F060/2500-DB.。

兩臺變頻器均增加了非對稱機械旁路技術。

DCS與變頻器之間采用硬線連接方式，通過4~20mA模擬量信號調速，驅動電機在0~50Hz范圍內運行。具體接口信息如下圖所示：

圖5 端口通信圖

變頻器采用三線式控制模式，通過DI9、DI10兩個端口分別控制變頻器啟動、停止，頻率給定采用4~20mA模擬量信號，對應變頻器輸出頻率0~50Hz； 

與高壓開關柜聯鎖信號：

1）合閘允許：常開接點，閉合有效，此信號串聯在供電高壓開關柜的合閘回路中，當變頻器自檢完成或系統處于工頻狀態時，信號閉合，允許用戶合高壓電；

2）高壓跳閘：常閉接點，斷開有效，此信號并聯在供電高壓開關柜的分閘回路上，當變頻器發生重故障或急停信號有效時，分斷用戶高壓電；

變頻器DO信號：

以上輸出信號全部為獨立無源干接點，默認為常開接點，閉合有效，容量大小為220V AC 5A。

以上輸入信號僅需客戶提供獨立無源干接點，脈沖信號，除急停外，其它信號均默認為常開接點，閉合有效；

變頻器AI信號：

變頻器AO信號：

2.5一次系統方案

圖6：一次系統方案圖

變頻裝置可以變頻/工頻啟動電動機，正常啟動按變頻方式、事故啟動按工頻方式啟動電動機。變頻調速采用一拖一方式配置。6kV電源經變頻裝置高壓隔離刀閘QS1、接觸器KM1到高壓變頻裝置，變頻裝置輸出經輸出經接觸器KM2、隔離刀閘QS2至電動機；6kV電源還可經旁路接觸器KM3直接起動電動機。一旦工作的變頻器出現故障，即可以自動切除故障變頻器，同時在DCS系統中自動啟動備用電動機（工頻運行）。隔離刀閘與接觸器、接觸器與接觸器之間具有電氣閉鎖，防止發生誤操作。兩臺凝結水泵均為變頻/工頻啟動。兩臺凝結水泵互為備用。

三、匯川高壓變頻方案優勢

1、先進的異步電機磁鏈閉環矢量控制算法

HD92系列高壓變頻器具備獨有的磁鏈閉環矢量控制技術，基于電機d-q軸數學方程式解析，通過對電機的磁鏈、電流進行解藕，完成對磁鏈、電流閉環控制。從矢量控制最基層的角度全面掌握電機運行曲線，實現了對電機的磁鏈閉環矢量控制。控制算法框圖如下：

圖7：矢量控制算法框圖

這種矢量控制算法在保持較高動態性能的基礎上，克服了轉子電阻、電感參數對調速系統性能的影響。對電機轉速控制精度高，加速時電流環響應快，低頻運行時轉矩響應可達750rad/s，并且能夠實現更高的節電效率。磁鏈閉環矢量控制算法解決了擠出機啟動轉矩大，加速大電流，穩速精度高等高要求，保證了產線可靠運行。

2、可靠的非對稱機械旁路技術    

匯川HD92高壓變頻器功率單元采用兩電平拓撲結構，輸出采用機械旁路設計，整個功率單元由全橋整流、直流濾波、逆變三大部分組成，功率單元拓撲結構如下：

全橋整流    直流濾波    逆變輸 出（具備機械旁路功能）
圖8：功率單元拓撲圖

功率單元整體拓撲結構為交一直一交三相整流/單相逆變輸出結構.整流側為二極管三相全橋整流，將輸入的三相交流整成直流，并通過電容器濾波。逆變側為IGBT模塊H橋單相逆變，通過對逆變橋進行SPWM控制，得到正弦的單相交流輸出。其中每個單元均配備了機械旁路功能，同時采用非對稱旁路技術，可靠性與穩定性大大提升。

圖9：非對稱旁路技術示意圖

如上圖所示，HD92系列高壓變頻器采用單元級聯方式，當其中某個單元出現故障后，通過非對稱旁路技術可以使系統不停機運行。HD92的非對稱技術可以實現比傳統旁路方案更高的電壓輸出幅值，電壓輸出能力相比傳統方式最高能提高20%，這使得整個系統的可靠性大大提高。

3、柔和快速的飛車啟動功能

HD92系列高壓變頻器具備飛車啟動功能，能夠在未知電機旋轉速度的狀況下啟動變頻器，變頻器自動進行頻率搜索，直至搜索到與電機實時旋轉頻率相符的頻率，此時變頻器輸出相應頻率，并控制電機旋轉至指定頻率，此技術能有效減少瞬間停電對擠出機生產的影響以及對電網的沖擊，避免了膠料因意外停機凝固在螺桿中的情況。現場調測時的波形圖如下。

圖10：飛車啟動波形圖

四、現場應用圖片

圖11：變頻器現場應用圖

圖12：場負載圖片

五、結束語

隨著大型機組參與調峰的增多，越來越多的輔機需要進行調速改造，以適應競爭的需求。這次在600MW以上大機組應用高壓變頻器進行調速改造的成功，為今后600MW以上機組應用高壓變頻器進行改造提供了良好的成功應用經驗，為2000kW以上主輔機設備的改造提供了廣闊的應用前景。

 匯川技術有限公司依托多年的自動化行業的應用經驗，對電力行業的變頻改造具有獨到的方案解決能力。匯川技術有限公司生產的高壓變頻器為采用矢量控制技術的高性能變頻器，產品適用于冶金、電力、化工、市政等多個應用領域。