變頻技術在電廠高壓設備中的應用

李鈺

摘要：高壓變頻裝置不僅節能效果明顯，還實現了電機的軟啟動，延長了電機的壽命，減少了機械部分的磨損。但在運行可靠性上也存在不足，相繼出現了一些問題，影響了機組的安全運行，這就要求變頻器廠家和技術人員加大攻關，促進設備升級換代，來滿足電力企業安全運行和節能降耗的雙重目標，為企業可持續發展和創建節約型社會做出貢獻。

關鍵詞：變頻技術;電廠;高壓設備;應用

1目前高壓變頻技術的發展現狀

1.1高耐壓開關器件在高壓變頻技術中的應用分析

傳統的變頻調速器的開關器件種類主要包括GTO、GTR以及IGBT等，因制作工藝及制作材料限制，使其耐壓直接應用在6kV等高壓變頻器上很難實現，近年來，隨著變頻調速技術的不斷發展，Cegelec、ABB、GE以及西門子等公司都在傳統的交流變頻器的結構設計基礎上自行深入研制了專門的高耐壓開關器件。其中以西門子公司的SIMOVERTMV系列最具代表性。

1.1.1逆變部分采用的是三電平PWM模式

三電平PWM模式最大的特點是會產生較大的諧波分量，受較大的諧波分量影響，導致電動機只能在機械特定的定額運行點才能達到最佳工況，且電動機的工作效率以及功率因數也會隨著電動機轉速的降低而相應降低，影響電動機的工作穩定性。因此，若想SIMOVERTMV系列高壓變頻器可作為通用的電動機變頻器，必須在其輸出側配置相應的輸出濾波器，或者配置西門子自行研制的專用電動機，增加其穩定性。

1.1.2整流部分采用的整流器是12或24脈沖二極管

變頻調速器的整流部分呈現的是非線性結構，極易產生高次諧波進而會使電網的電流波形及其電壓發生畸變，造成電網諧波污染。

SIMOVERTMV系列高壓變頻器采用12或24脈沖二極管，可通過串聯疊合兩個整流橋即可整流輸出12波頭或24波頭的波形，而且相較6個波頭串聯更加平滑，也可降低1/2的每橋整流二極管的耐壓水平，也減少了高次諧波的含量。

1.1.3可提供AFE（有源前端）

在SIMOVERTMV系列高壓變頻器中可利用三電平技術配置AFE整流器。AFE整流器通過能量反饋機制以及雙向電動從而為直流環節提供富余能量開設電網回饋通路，可以為SIMOVERTMV系列高壓變頻器在交流傳動中開創更大的空間。

1.2多重化技術在高壓變頻技術中的應用

多重化技術主要是指每相電壓都是由幾個低壓PWM功率單元相互串聯而成，而每一個PWM功率單元的供電會通過一個多繞組隔離變壓器完成，并且通過光纖以及高速微處理機進行控制和通信。多重化技術最大的優勢在于可實現無諧波變頻處理。

1.2.1高壓（6kV）大容量變頻器拓撲圖

6KV的高壓大容量變頻器的主要結構是由多個低壓PWM功率單元組成，通過多個低壓功率單元的相互疊加從而輸出大功率高壓功率。

1.2.2低壓PWM功率單元的結構原理

低壓PWM功率單元主要是一種基本結構為IGBT模式組成，電壓由三相輸入，而輸出為單相形式的脈寬調制型變頻器。電壓的輸出范圍可在0～690V內進行調整，電壓的輸出頻率范圍可在0～120Hz變動，電壓輸出為1、0、-1三電平形式，每相5個低壓PWM功率單元相互疊加即可產生不同等級電壓，可極大的減少脈沖形成的諧波。

2高壓變頻器的種類

高壓變頻器的種類繁多，其分類方法也多種多樣。按中間環節有無直流部分，可分為交交變頻器和交直交變頻器;按直流部分的性質，可分為電流型和電壓型變頻器;按有無中間低壓回路，可分為高高變頻器和高低高變頻器;按輸出電平數，可分為兩電平、三電平、五電平及多電平變頻器;按電壓等級和用途，可分為通用變頻器和高壓變頻器;按嵌位方式，可分為二極管嵌位型和電容嵌位型變頻器等等。下面以兩種具有代表性的變頻器探討其優缺點

2.1高一低一高式高壓變頻調速體系

這種方案的結構是由于受功率元件耐壓級數的限定而推出的。早期電流型變頻器構成的高一低一高式高壓變頻調速體系在使用中產生了一些不安全因素，存在安全隱患。為管理這一問題，根據國家經貿委下達的高壓變頻調速技能創新項目，開發成了使用電壓型變頻器構成的高一低一高式高壓變頻調速體系。它具有如下優點：（1）不受電機電壓的限定，使用靈活。（2）具有較高的可靠性。（3）投資較少，成本低。（4）原有的老電機不需調換，避免不必要的浪費。經過一段時間的檢驗，本體系至今運行非常可靠，且操作方便、性能精良、節能效果顯著，這也是國內第一臺接納電壓型變頻器構成的高一低一高式高壓變頻的調速體系，它曾被國家經貿委譽為是經濟實用、運行可靠的高壓變頻調速體系。

2.2高一高式高壓變頻器

高高變頻器無需升降壓變壓器，功率器件在電網與負載設備之間直接構建變換器。由于功率器件耐壓問題難于解決，目前國際通用做法是采用器件串聯的辦法來提高電壓等級，其缺點是需要解決器件均壓和緩沖難題，技術復雜，難度大。但這種變頻器由于沒有升降壓變壓器，故其效率較高低高方式的高，而且結構比較緊湊。

3高壓變頻器使用于電廠的優勢和應用

就目前我國發電廠的高壓水泵、高壓電機而言，主要存在以下幾方面的問題。第一，運行方式落后，由于大多數老舊機組的高壓電機、高壓水泵仍使用定速驅動、閥門式擋板調節方式，在高負荷狀態下，因于調節方式的不靈活性，雖然設備在額定的功率下運行，但實際運行效率低下，能源損耗較大。第二，實際運行效率不高，設備運行工況下，高壓水泵和高壓電機的運行普遍偏離高效點，偏離最優的運行工況區域。高壓變頻器的使用，完美解決了這些問題。它是一種新型電力傳動調速技術，其技術和性能勝過其他任何一種調速方式，如傳統的降壓調速、變極調速、滑差調速等等。它以其顯著的節能效益、高清準的調速精度、寬泛的調速范圍、完善的繼電保護特性以及易于實現的自動通訊功能，得到了廣大用戶和市場的認可。且在運行的安全可靠、安裝使用、運維方面也有無可比擬的優勢，故已經成為企業采用高壓電機節能方式的首選。

綜上所述，高壓變頻器完全可以被廣泛應用于發電廠的高壓流化風機、一次風機、二次風機及各類水泵電機等高壓電機。特別對于啟停頻繁、工況變化多樣、轉速變化需求大的高壓電機有極大優勢，且高壓變頻器有利于促進發電廠自動化控制程度，提高設備繼電保護特性，有效減小設備機械損傷。高壓變頻器與常規工頻運行相配合，亦能實現設備的運行方式互備及高效轉換，降低發電廠廠用電率、達到可持續發展的目標。

結束語：

變頻調速技術及裝置在我國有著突飛猛進的發展，由于變頻調速在頻帶領域、動態相應、低頻轉矩、轉差補償、功率因數、效率等方面是過去的交換調速方法無法比擬的，因此在眾多行業有了廣泛的應用，并且在節能降耗、改善工況、提高生產效率等方面發揮了巨大作用，取得了巨大經濟效益。

參考文獻：

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