1 引言
从目前高压变频器的一般使用情况来看，对风机类负载平均节电可达30%，因而，无论是在新建项目中，还是在技改项目中，高压变频系统的投入和使用，是非常有效的节能手段。另外，在大容量风机、水泵等电站附机设备上采用高压变频器调节风量(水量)，比节流调节风量(水量)和其他变转速调节方式(如液力耦合器调速和电动机串级调速)具有效率高调节精度高、响应速度快、调节线性度好、运行可靠等优点，可以优化工艺、提高自动投入率。
1.1 大型火力发电厂采用高压变频调速的思考
(1) 经济性要求
大型火力发电厂采用高压变频调速以节能降耗、提高经济性为主要目的。在节约厂用电、减少设备磨损、延长设备使用寿命的同时，收到改善调节品质，提高自动投入率等其他安全经济效益;
(2) 高可靠性要求
要求高压变频调速装置的引入能够提高设备系统的可靠性，而不是降低了系统的可靠性。因为重要辅机如吸风机如果同时掉闸往往会造成停炉、停机的事故，直接影响电厂的安全指标和经济效益。目前在华北电网，1台200mw机组一次非计划停运的一般处罚是在用电低谷期间罚停5天。按照最保守的估计，扣除厂用电后上网电量为机组最大出力的60%计算，罚停5天将造成少发电量1440万kwh;
(3) 突出现场环境要求
要求高压变频器能够适应电厂各种正常和异常使用工况，例如电源电压的波动和负荷的急剧变化、环境中的粉尘等;
(4) 立项要经论证
从立项到工程实施要经过充分的论证，并报决策部门审批，购买决策周期长;
(5) 目前来讲使用经验相对少
目前使用经验还较少，行业内部还缺少必要的技术和政策支持。
2 采用变频调速的经济价值
2.1 节约电能
电厂决定是否采用高压变频调速的关键在于考察一次投资的回收时间。
对于改造工程，按照目前的市场价格，采用进口高压变频调速装置的一次投资(设备费、材料费、安装费等)大约是2000元/kw，按照平均节电30%、年平均运行时间7000小时、电动机平均负荷率80%计算，电动机每年每千瓦容量可节约电能: 1×80%×7000×30%=1680kwh
按照目前的上网电价0.30元/kwh计算，每年可节约电费: 1680×0.30=504(元)
也就是说，按照静态投资估算，不考虑运行费，仅节约厂用电一项，4年左右可收回高压变频调速设备的全部投资。
2.2 其他
新建工程由于可以统一考虑设备配置(如选用专用变频电机等)，与不采用变频调速的方案比较，增加部分的一次投资要少于改造工程。
采用变频调速技术还可以减少设备磨损、延长设备使用寿命、改善调节品质，提高自动投入率。所以在目前设备价格和上网电价水平下进行变频调速改造是可行的。
3 变频器选择
3.1 高压变频器的主回路结构选择
目前世界上的高压变频器不象低压变频器那样具有统一的主回路结构，主要原因是受限于目前功率器件的电压等级。如何满足高压使用的要求，国内外各变频器生产厂商八仙过海，各有高招，因此其主电路结构不尽一致，但都较为成功地解决了高电压大容量这一难题。当然在性能指标及价格上也各有差异。如美国罗宾康(robicon)公司生产的完美无谐波变频器;罗克韦尔(ab)公司生产的bulletin1557和powerflex7000系列变频器，德国西门子公司生产的simovert mv中压变频器;瑞士 abb公司生产的acs1000系列变频器;意大利ansaldo公司生产的silcovert th变频器以及日本三菱、富士公司生产的完美无谐波变频器和国内北京的凯奇、先行、利德华福公司和成都佳灵公司生产的高压变频器等。
主回路结构的不同，必然会带来变频器产品在性能指标上的差异。对于不同的使用要求，首先应该选择适合的主回路结构，或者说淘汰主回路结构不可能满足使用要求的产品。
对于电厂重要辅机的高压变频装置，在性能指标满足要求的前提下，应优先选择高可靠性的产品。如结构简单、使用器件少，或采用了冗余设计，等等。在石景山热电厂吸风机变频调速改造工程的设备招标过程中发现，美国罗宾康(robicon)公司生产的完美无谐波变频器，和德国西门子公司生产的simovertmv中压变频器在可靠性方面的竞争真正具有代表性。在可靠性方面，前者具有自动旁路功能，但器件多;后者结构简单，但变频器故障后只能停吸风机，手动切换到旁路位置，再重新启动吸风机。
3.2 三电平变频器的输出电压选择
三电平逆变器的结构简单，体积小，成本低，使用功率器件数量最少(12只)，避免了器件的串联，提高了装置的可靠性指标。根据目前igct及高压igbt的耐压水平，三电平逆变器的最高输出电压等级为4.16kv，当输出电压要求6kv时，采用12个功率器件已不能满足要求，必须采用器件串联，除了增加成本外，必然会带来均压问题，失去了三电平结构的优势，并且会大大影响系统的可靠性。若将来采用9kv耐压的igct，则三电平变频器可直接输出6kv，但是谐波及dv/dt也相应增加，必须加强滤波功能以满足thd指标。在9kv耐压的器件出现之前，对于6kv高压电机，可采用y/δ改接的办法，将y型接法的6kv电机改为δ接法，线电压为3.47kv，采用3.3kv或4.16kv输出的变频器即能满足要求，同时也满足了igct电压型变频器对电机的绝缘等级提高一级的要求，因此这个方案可能是最经济合理的。但在进行y/δ改接后，电机电压与电网电压不一致，无法实现旁路功能，当变频器出现故障时，又要保证生产的正常进行，必须首先将电机改回y型接法，再投入6kv电网。为此，电机的y/δ改接应通过y/δ切换柜实现，以便实现旁路功能。
还有一种方法是在逆变器输出侧再加一套升压变压器，实现6kv电压直接输出。一般认为，升压变压器会增加变频器装置的投资，同时增加0.3%左右的损耗。
综上所述，目前由于器件耐压的限制，三电平逆变器输出电压只能达到4.16kv，若要输出6kv，可采用电机y/δ改接的办法，看来这是6kv电机节能改造最经济合理的方案。
3.3 高压变频器功率选择和变频器的过载能力
选择变频器功率要综合考查输出功率和输出电流应与电动机的额定功率和额定电流相匹配。
变频器的过载能力一般比较差，例如某进口变频器对过载保护设置为120%额定负载下允许运行1分钟;达到150%额定负载时，立即保护(跳闸)。在选择变频器时，如果瞬时负载超过了变频器的过载耐量，即使变频器与电动机容量相当，也应选择大一等级的变频器。这一点对于风机类负载尤其要引起重视。
3.4 变频器的加速、减速和制动性能
对变频器的加速、减速和制动性能要求与负载性质、调整要求有关。不同结构原理的变频器，加速、减速和制动性能有较大区别，应选择比较使用。
4 变频调速系统的设计
4.1 旁路设计
大型火力发电厂要求辅机设备具有高可靠性。从理论上讲，合理采用旁路设计可以使系统可靠性提高。
美国罗宾康(robicon)公司生产的变频器，在单个功率单元故障时，可以将故障单元旁路掉，整套系统继续运行。在国内电厂的工程实际中，也多数采用手动切换到旁路工频运行方式的设计，当整套变频器故障停运时，实现旁路工频运行。那么，能否再进一步，考虑当变频器故障时尽可能不影响辅机运行，用备用/旁路开关自动切换的方式实现变频到工频的切换呢？
笔者认为，变频器是属于运行可靠的设备，用户自己加装故障后自动切换的元件和回路在应用中可以实现，但存在很大的风险，技术上和经济上都不可取。
(1) 自动切换的元件必须采用断路器
与手动停机切换相比，增加了2个配电间隔，增加了投资。
(2) 用于实现自动切换功能的断路器始终带电运行
一旦断路器发生误合，将在瞬间损坏电机和变频器。而在保护配置和整定上，目前还是个空白。所以经过深入分析就会发现，自动切换还有一些技术问题需要解决。
(3) 可靠性高
与电动机、高压断路器相比，变频器由电力电子器件元件组成。根据一般经验，这类设备可靠性高，平均无故障时间长。系统中引入切换用的断路器很难说是提高还是降低了可靠性。
4.2 控制特性和保护功能
变频器的制造厂一般都能提供多种控制方式，以适应现场控制的要求，在接口设计上强调通用性。变频器的控制特性通常包括以下内容:
·变频工作方式
·逆变电路控制方式
·输出频率范围
·输出频率分辨率
·频率设定分辨率
·#频率设定方式
·电压/频率特性
·电流/频率特性
·过载能力
·加减速时间
·制动方式
变频器的保护功能多，通常反映在产品样本上的有以下内容:
·输入电源欠压保护
·变频器过压保护
·变频器过流保护
·变频器失速(飞车)保护
·变频器过载保护
·带旋转负载启动功能和故障再启动功能
变频控制系统设计应围绕控制要求选择合理的控制方式和保护定值。
4.3 变频器应适应厂用电电压波动
变频器对输入电压的要求比较苛刻。电压幅值或频率变化均有可能造成变频器异常。造成大型火力发电厂厂用电电压大幅波动(下降)和频率变化有以下3种常见工况:
(1) 备用电源自投
考虑慢速切换的情况，电压下降到额定电压的20~40%以下，时间为1~1.5s;
(2) 电动机起动及自起动造成高、低压母线电压下降
对于高温高压电厂，设计上保证高压母线自起动，母线电压不低于额定电压的65%;高、低压母线串联自起动，低压母线电压不低于额定电压的55%;
(3) 短路的影响
按后备保护动作1.5s切除故障考虑，故障期间母线电压降低。
因此，在变频器选择和参数设置上，考虑最恶劣的情况，应做到在以上三种工况下变频器能够相对持续稳定运行，变频器和高压开关不应跳闸。
本文关键字：发电厂 设计参考，变频技术 - 设计参考
