1 引言
中国大唐集团公司淮北发电厂位于淮北市相山西南麓，兴建于1970年。先后建成2×50mw、2×125mw、3×200mw共7台燃煤发电机组，总装机容量达950mw，经增容改造现总装机容量达1022.5mw。
高压变频技术随着功率元器件耐压等级的提高和计算机应用技术的日趋成熟，在电厂的应用已相当普遍，节能效果及控制水平已被电力系统所认识。但在高电压、大功率的设备上应用，我厂之前没有尝试，基本没有这方面的经验。2004年我公司组织各个专业人员对国内外高电压、大功率的变频器进行了考查、论证。既考察了国产的高压大功率变频器应用情况，也考察、论证了进口的高电压大功率的变频器应用业绩。最后得出结论:国产高电压、大功率变频调速装置，完全能够适应我厂设备，具有如下几点:
（1） 产品售后服务及时、周到、服务成本低，能够满足生产的及时性;
(2) 产品备件采购方便、备件成本低;
(3) 变频器操作简单，人机界面简单，易于掌握;
(4) 通过多年来国内生产厂家的努力，应该说国产大功率变频器并不比进口的性能差，有的方面还优于进口的变频器;
(5) 国产造价比进口的低。
所以公司决定对5#、6#机组共四台引风机和6#机组的凝结水泵采用高压变频器调速装置，并且集团公司在国际上公开招标采购高压变频器。东方日立(成都)电控设备有限公司为国内唯一中标单位，并一举中标5台高压变频器。
2 高压变频器的节能原理
过去，我们对风机、水泵采用挡板、阀门进行流量控制、造成了大量的能源浪费。现在国际上普遍采用转速调节方式进行节能，虽然有多种方式，但是其中应用得最为广泛的是变频调速方式。
采用变频器对风机水泵等机械装置进行调速控制来控制风量、流量的方法是现在应用得非常广泛的且非常有效的节能方法，对于经济发展具有重要的意义。
2.1 风机的参数和特征
(1) 风机的基本参数
风量q:单位时间流过风机的空气量(m3/s);
风压h:空气流过时产生的压力。其中风机给予每m3空气的总能量称为风机的全压ht(pa)，它是由静压hg和动压hd组成，即ht＝hg+hd;
功率p:风机工作有效总功率pt＝qht(w)。如风机用有效静压hg，则pg＝qhg;
效率η:风机的轴功率因有部分损耗而不能全部传给空气，因此可以用风机效率这一参数衡量风机工作的优劣，按照风机的工作方式及参数的不同，效率分别有:
全压效率ηt＝qht/p
静压效率ηg＝qhg/p
(2) 风机的特性曲线
表示风机性能的特性曲线有:
h-q曲线:当转速恒定时, 风压与风量间的关系特性;
p-q曲线:当转速恒定时, 功率与风量间的关系特性;
η-q曲线:当转速恒定时，风机的效率特性。
对于同类型的风机，根据风机参数的比例定律，在不同转速时的h-q曲线如图1所示。
图1 风机运行h－q曲线及风阻特性曲线
根据风机相似方程:当风机转速从n变到n′，风量q、风压h及轴功率p的变化关系:
q′=q(n′/ n) (1)
h′=h(n′/ n)2 (2)
p′=p(n′/ n)3 (3)
上面的公式说明，风量与转速成正比。风压与转速的二次方成正比，轴功率与转速的三次方成正比。
2.2 管网风阻特性曲线
当管网的风阻r保持不变时，风量与通风阻力之间的关系是确定不变的，即风量与通风阻力k按阻力定律变化，即
k=rq2
式中: k—通风阻力，(pa); r—风阻，(kg/m2);
q—风量，(m3/s)。
k-q的抛物线关系称为风阻特性曲线，如图2所示。显然，风阻越大曲线越陡。
图2 h-q-s-p状态图
风阻的k-q曲线与管网阻力曲线相交的工作点成为工况点m。同一风机两种不同转速n、n′时的k-q曲线与r风阻特性曲线相交的工况点分别为m及m′，与r1风阻曲线相交的工况点为m1及m1′。
2.3 电动机容量计算
风机电动机所需的输出轴功率为:
p=qp/(ηtηf)
式中:ηt—风机的效率;ηf—传动装置的效率。
2.4 不同负荷情况下节能效果曲线图
不同负荷情况下节能效果曲线图如图3所示，横坐标代表水泵的负荷状态。
图3 不同负荷情况下节能效果曲线图
曲线③没有考虑调速装置本身的效率，也忽略调速后水泵本身的效率变化情况，综合考虑这两个因素后，曲线③将略微下降。
3 dhvectol-di变频器的原理
dhvectol-di变频调速装置采用多电平串联技术，6kv系统由移相变压器、功率单元和控制器组成。6kv变频装置有24个功率单元，每8个功率单元串联构成一相。每个功率单元结构以及电气性能完全一致，可以互换，其电路结构如图4，为基本的交-直-交单相逆变电路，整流侧为二极管三相全桥，通过对igbt逆变桥进行正弦pwm控制，可得到如图5所示的波形。输入侧由移相变压器给每个单元供电，移相变压器的副边绕组分为三组，构成48脉冲整流方式;这种多级移相叠加的整流方式可以大大改善网侧的电流波形，使其负载下的网侧功率因数接近1。另外，由于变压器副边绕组的独立性，使每个功率单元的主回路相对独立，每个功率单元等效为一台单相低压变频器。输出侧由每个单元的u、v输出端子相互串接成星型接法直接给高压电机供电，通过对每个单元的pwm波形进行重组，可得到如图6所示的阶梯正弦pwm波形。这种波形正弦度好，dv/dt小，可减少对电缆和电机的绝缘损坏，无须输出滤波器就可以使输出电缆长度很长，电机不需要降额使用，可直接用于旧设备的改造;同时，电机的谐波损耗大大减少，消除了由此引起的机械振动，减小了轴承和叶片的机械应力。
图4 功率单元电路结构图
图5 功率单元输出波形
图6 变频器输出波形
4 主要技术特点
(1) 输入谐波小
dhvectol-di变频器使用了“多重化移相整流技术和单元多电平串连叠加技术”，符合gb/t14549－2002及ieee519-1992对电压、电流谐波失真的严格要求。这项技术比之“三电平技术”、“电流源型变频技术”、“串级调速技术”等技术方案有极大的技术优势，输入输出谐波限制指标较大地高于上述技术。使用时，变频器对同一电网上用电的其它电气设备不产生谐波干扰。还能防止与其它变频调速装置之间的“串并联干扰”。因此完全不需要另外配置谐波治理装置，从而节省安装谐波滤波装置的费用。
（2) 高功率因数
dhvectol-di变频器在整个调节范围内都可维持高功率因数，标准值达到0.96以上，负载极小时功率因数也可以达到0.9以上，几种不同的调速技术的功率因数比较如图7所示。
图7 功率因数变化比较示意图
图7曲线比较了dhvectol-di电压源型变频器和调速技术的功率因数情况，从图上我们可以看到，电压源型变频调速技术比电流源型变频调速、串极调速、电磁离合式电机等技术的功率因数高出很多，采用电压型变频器完全不需要增加功率因数补偿设备，而其它技术则需要增加专用的功率因数补偿设备。
（3) 高效率
dhvectol-di变频器具有>95%的高效率(最高可达97.5%)，特别是低转速时的效率比之其它调速技术有非常大的技术优势，远比其它调速技术的效率(30%～80%)高得多。如图8所示。
图8 电压源型变频器与其它调速技术的效率对比图
（4) 输出脉动转矩小
dhvectol-di变频器不需要外部输出滤波器就可提供正弦输出电压，变频器有较低的输出电压失真，不增加电机的运转噪音。dhvectol-di变频器大大降低了输出的谐波电流(低于4%)，避免了电机发热和转矩脉动。从而减少了设备上的电应力和机械应力。图9为实测出的变频器输出电压与输出电流波形。
