變頻調速控制技術在電廠熱工控制中的應用

內蒙古能源發電投資集團有限公司錫林熱電廠 孫守江

變頻調速控制技術在電廠熱工控制中的應用

內蒙古能源發電投資集團有限公司錫林熱電廠 孫守江

通過對變頻調速技術的發展歷程進行描述，對變頻調速控制進行分析，探討變頻調速控制技術在電廠熱工控制中的運用，通過變頻調速控制技術在電力系統中有效提升工藝及控制性能，實現節能降耗的目的。

變頻調速控制技術；電廠；熱工控制

引言

給水泵、送風機、循環水泵、凝結泵、引風機、磨煤機等電機體系，作為發電機組安全穩定、節能經濟的主要系統，成為電廠用電系統中尤為關鍵的負荷設施，是電廠內主要的耗費對象。發電機組容量不斷提升，對輔機設施功率性能的要求逐漸提升，高能耗、調節性能差、響應慢的狀況束縛了發電機組安全高效運轉的主要制約因素。對于電廠熱工控制當中耗能較大、流量嚴重、執行器響應速度遲緩、協調非線性尤為嚴峻、設施故障率較高等現象，通過有效的高壓變頻調速控制方式對電廠熱工控制系統進行調整，顯著提升水泵、風機等電機的調節功能，以提高其運轉當中的安全性與可靠性，保障發電機組安全進行電能生產，加快電廠在綠色環保技術中完成節能降耗，以體現出低碳環保的形態。

1 變頻調速技術的發展歷程

變頻調速技術涵蓋了電工、電力、電子、信息與控制等不同范疇。由于電力電子技術的不斷發展，計算機技術及自動控制技術的不斷提高，變頻調速技術有著突飛猛進的發展。交流變頻調速傳動填補了直流電機的不足，展現出交流電機自身的特質，且較好的彌補了交流電機調速性能的不足。交流變頻調速技術通過其高超的調速性能，良好的節能效果，及在國民經濟范疇的普遍運用，而被看做最具前途的交流調速形式，體現出電氣流動發展的主流方位。變頻調速技術可以提升控制性能、節能降耗、提高產品的產量及品質。變頻調速理論已成為較為完善的科學體系，變成一項獨立的項目[1]。

上世紀作為電力電子變頻技術從產生至發展的黃金時期。其理論最初產生于上世紀20年代，到了60年代，隨著電力電器的發展，令變頻調速控制技術朝著實用角度發展。在70年代，隨著工業發達國家石油危機的發生，令其加大人力、財力、物力投入，并對高效率變頻器進行分析，令變頻調速控制技術獲得良好的發展。在80年代，變頻調速已變成產品化，其性能持續攀升，激發了交流調速的優越性，大量使用于工業各部門，且有一部分代替了直流調速。到了90年代，因為新型電力電子器件隨之發展，性能隨之提升，計算機技術大量應用，較大提升了變頻調速控制技術的性能，加快了變頻調速控制技術的發展，令其在調速范圍、調速準確度、驅動能力、動態響應、功率因素、輸出性能、運轉效率及使用便利性方面顯著提升了其余常規交流調速形式，其性能指標也已超出了直流調速系統，從而取締了直流調速系統。當前，交流變頻調速通過其特有的性能受到各個行業的矚目，在高新技術發展運用中處處展現出變頻調速技術的強大性，變頻調速技術獲得了良好的經濟效益。

2 變頻器的類別及特征

2.1 變頻器

變頻器是將電源轉變為不同頻率的交流電源，以完成電動機變速運轉的設施。

2.2 低壓變頻調速的特征

低壓變頻輸出電壓在380至650V，輸出功率在0.75至400kW,工作頻率在0至400Hz,其主電路均通過交、直、交電路，而且具備良好的一致性的拓撲構造。低壓變頻調速技術十分穩定，不具有高壓器件，使用尤為便利，且控制電路結構便捷，成本較低，機械特征具有較強的硬度，可以確保一般傳動在平滑調速方的需求，可是低壓變頻的運行力矩較低，因為本身的優勢，低壓變頻調速技術被大量運用。

2.3 高壓變頻器的類別

高壓變頻調速技術在上世紀90年代被快速發展，成為目前電力電子技術的重要發展動向之一。高壓變頻調速技術主要通過電廠鍋爐引風機及送風機、給水泵等方式進行高壓變頻系統運轉。

2．3．1 高、低、高類

通過輸入變壓器將6kV的高壓降至600V或460V，通過低壓變頻器完成變頻調速，再通過輸出變壓器調至6kV。這一方式不可過1000kW的電動機調速，由于效率較低，技術落后，并占有較大面積，因此需配備濾波器。

2．3．2 高、高類

通過6kV的額定電壓高壓變頻器對電動機進行直接驅動，完成變頻調速，可是在系統電壓較高并功率開關器件抗壓過低時，需通過串聯方式的功率開關器件數量較多，逆變器耗損過大，系統可靠性及效率下降。這類方法從總體而言，技術較為先進，可靠性強，效率較高，結構簡易，符合大容量電動機。在電動機處于1000kW左右時較為符合，但由于其需配備濾波器，因此較難維護，投資過大。

2．3．3 高、低、低類

通過新的低壓電動機代替原本高壓電動機，通過輸入變壓器進行降壓，再通過低壓變頻進行調速控制技術。但由于其工期較長，占地較大，因此需將電動機進行更換。

2．3．4 多電平類

多電平功率更換在當前高壓變頻中較為適中，此類別與其他幾種類別的主要差別在于功率器件開關頻率顯著降低。其工作原理為：通過切分高電壓，令其轉變為多個低壓電平，之后再通過多電平功率逆變器重合為正弦電壓波形，以此提高電平數量，合成階梯波形級數越多，合成電壓則越少產生畸變，因此，國外將其稱為完美無諧波的交流功率變換器。其能夠完美的運用常規低壓功率開關器件完成變頻調速技術，并在本質上將諧波及EMI問題進行解決，無需設定輸出濾波器，則能夠使用在一般異步電動機中。可由于其運用的功率開關器數額過多，功率時常變更，使得變頻控制系統過于繁瑣。

2.4 變頻調速技術的技術特征

2．4．1 經濟性較高

運用變頻調速裝置，需謹慎抉擇對象。針對負荷變化過大的電動機，采用變頻調速裝置具有顯著的節電效果。關于負荷變化不大的電動機，通過變頻調速裝置后，不僅無法顯著節電，還會提高中間環節及耗費。針對工藝及控制需求較高之處而言，可通過相符的變頻調速裝置進行[2]。

2．4．2 調速特征良好

變頻調速的精度較高，具有較強的可靠性，轉矩較大，功能較強，操控簡便，遠遠優于以往所有調速方法。變頻器調速范疇在0至100%連續可調。加/減速時間為0.1至3200s，可依照負載狀況設定。頻率輸出則為0至120Hz，可依照電動機狀況設定。頻率精度為±0.5%。可是，轉速調節范疇無需過大，且需超出額定轉速的一半，最佳值為70%至100%之間。在轉速低于額定轉速的40%至50%時，泵類及風機的效率明顯降低，通過變頻調速較為浪費。

2．4．3 節能效益較好

變頻器可以節省10%至70%的電量，能夠通過以下幾點進行節電：首先，軟啟動，通常交流電動機的啟動電流是電動機額定電流的6至7倍，變頻調速啟動電流低于電動機額定電流。其次，節約設計冗余，通常設計均通過運用時的極端狀況，所以均會預留設計冗余，一旦余量較大，構成大馬拉小車的狀況。變頻調速能夠將這方面冗余節約下來。再次，能夠調速節電。最后，功率因數較高，大多處于0.95以上，節約無功，降低變壓器負擔[3]。

3 電廠熱工過程的類別

3.1 單元機組負荷

單元機組負荷是一個尤為繁瑣的過程，具備了時變性、非線性及多個不確定狀態共存的繁瑣耦合過程。依照單元機組負荷過程的特征，能夠查看到創建正確數學模型較為艱難。

3.2 過熱汽溫

過熱汽溫指的是電廠熱工在蒸汽溫度掌控方面，透過對減溫水量進行調節，對電廠熱工蒸汽溫度進行掌控。過熱汽溫過程大多具有較大的控制慣性及時間滯后性，并且過熱氣溫工程的動態特點會由于熱工過程狀態轉變而產生變動。

3.3 鍋爐燃燒系統

鍋爐燃燒系統屬于多個變量結合的耦合繁瑣過程。對于鍋爐燃燒系統運轉過程而言，會引發眾多燃燒因素，通過這些影響因素的作用，精確測量鍋爐燃燒系統的燃燒率變成尤為不易解決的問題。

3.4 鍋爐水位掌控

鍋爐汽包在供水當中，需將鍋爐汽包的蒸汽載荷與供水量保持在平衡狀態。鍋爐水位雖為鍋爐運轉中主要的控制參數，可是由于鍋爐汽包供水當中具有較多影響鍋爐水位展現數據的因素，尤其是鍋爐水位系統處在過低負荷狀況下時間滯后性較為嚴重，最終令相應控制方式的效果不夠充分。

3.5 制粉系統

制粉系統對于電廠熱工控制方面具有輔助作用。可由于制粉系統與鍋爐燃燒過程相同，因此均為電廠熱工的主要控制系統。當前我國在電廠中大多通過鋼球磨中存儲式制粉系統，由于其在時間上具有滯后性，因此為多個控制因素耦合的多變量非線性的事變系統?？墒牵捎谥品巯到y在運轉中具有機械能量互換、熱量互換乃至物質相互流動等繁瑣過程，在這些繁瑣過程內產生控制變量時，會形成制粉系統內其他控制變量產生改變，因此，控制制粉系統尤為艱難。

在我國，當前許多電廠在燃燒系統、供水系統、制粉系統乃至輔助設施控制系統當中，絕大多數使用DDZ系列的電動執行器進行掌控。但DDZ系列的電動控制器通過一只關及一只開的繼電器輸出節點對電機的正轉及反轉進行控制。因為繼電器在輸出脈沖的寬度方面無法調整，所以控制對象較易產生過調狀況，令控制系統產生正當現象。但由于使用的制動器為機械制動設施，在產生多個刺激抱閘以后，用在減速中的設置則會產生明顯的磨損現象。

4 變頻設施的整體需求

4.1 變頻設施容量的選擇

變頻調速設施的進入則屬于供電回路內進入了設施，令回路的可靠性顯著減少。所以，需要便于操控，并且適用范圍較廣。可靠性應較高，能夠面對不同惡劣環境及系統。需具有較強的耐用性。變頻設施自身能耗應較低，盡可能降低高損耗。盡量降低周邊污染。維護需便利，降低維護時間及造價。設施需便捷，造價不可過高。

4.2 變頻設施安裝后對機電保護方案及整定的影響

(1）加裝變頻設施時，工頻回路需正常備用。在變頻回路產生問題時，工頻回路需正常運轉，提高可靠性。

(2）加裝變頻設施后，則為在回路內設置了緩沖設置，啟動電流會從較大值降到額定電流，降低沖擊，確保點擊設施，但其啟動時間會相對延長。

(3）強化變頻器抗干擾能力，需將變頻設施通過穿金屬管的方式于外界一切聯系控制電纜的電纜進行敷設，以便屏蔽效果達到最佳狀態。

(4）因為變頻設施自身具備保護能力，一旦設施端部產生相間短路，則會即刻自動完成變頻設施的軟切斷，所以能夠簡化繼電保護功能。

5 變頻調速控制技術在電廠熱工控制中的應用

汽包鍋爐給水控制的工作是為了確保給水量及鍋爐蒸發量確保平衡，主要展現在以下方面：確保汽包水位處于正常范疇中，確保積水量的穩定性。給水系統透過調節設施自動控制變頻器的工作頻率調整供水量，變頻調速控制技術在熱工控制內給水系統中的運用主要為現行反饋的自動控制系統[4]。

變頻調節給水系統的自動控制回路通過單級三沖量的方式，變頻調節給水系統可以接受以下三種信號：汽包水位、蒸汽流量、給水流量，而輸出信號主要調整給水量。變頻調節給水系統內將汽包水位設定成被調整量。因為汽包水位大多通過蒸汽流量及給水流量，因此變頻調節給水系統大多針對這些流量給予調控。

變頻調節給水系統內的蒸汽流量信號是前饋信號，給水流量信號身為反饋信號，以此建立前饋、反饋調節系統。變頻調節給水系統通過三臺調水設施，所有調水設施控制一個調節回路，在調水設施中將給水流量、汽包水位、蒸汽流量等信號通過加權后作為綜合測量信號運用。之后將綜合測量信號發送到其他調水設施當中。將綜合測量信號與水位給定信號對比，一旦發生計算誤差則透過調水設施解決，輸出模擬信號直接掌控變頻器的頻率，以此調整給水設施[5]。

6 結束語

由于電力電子技術理論的研究的不斷加深，工程實踐應用的不斷完善，令高壓變頻器能夠在調節性、響應性等不同技術性能中獲得較大提升。電廠高壓以此風機變頻調速進行設置，由于其投資較低，并且節能效果顯著，大多在1至2年中可以將投資成本完全收回。對于火力發電行業而言，水泵、風機等一些輔機符合類別過多，功率較大，需有效融合輔機系統各類工況特點有效選擇變頻器進行節能升級，提升輔機設施運轉的高效穩定性及調速正確可靠性，保證發電機組安全、節能，保障發電運轉更為高效穩定。

[1]史恩才,葉輝．變頻器節能技術在風機和水泵上的應用[J]．機電信息,2010(17):43-45．

[2]卞清．專用變頻調速器研究與設計[D]．廣西工學院,2010:1-59．

[3]薛原．變頻技術在重慶發電廠煙風系統節能改造中的研究與應用[D]．重慶大學,2012:1-69．

[4]李愛娟,郭喜燕,楊志平．電廠表面式給水加熱器瞬態特性模擬與分析[J]．現代電力,2011(03):75-79．

[5]崔利,康靜秋,張學宏．火電廠熱工技術監督中發現的問題及其解決措施[J]．熱力發電,2010(01):89-91．

孫守江（1976-），男，中級工程師，研究方向：熱控。