淺談高壓變頻技術在大型多梯級提水泵站中的應用

曾樹人

（甘肅省景泰川電力提灌水資源利用中心，甘肅 白銀 730700）

1 高壓變頻技術理論概述

變頻器主要分為3 種：①通用變頻器，國際上將1 kV 以下的低壓變頻器叫做通用變頻器；②高壓變頻器，即超過3 kV 以上的全部變頻器；③中壓變頻器，即處在1～3 kV 范圍內的變頻器[1]。

對于變頻器的分類，倘若依據電壓等級與用途進行劃分，那么分為高壓變頻器與通用變頻器；倘若將中間環節有無直流作為劃分參考，那么分為交交變頻器與交直交變頻器；如果按照直流電源的不同性質進行劃分，那么分為電壓型變頻器與電流型變頻器[2]。

高壓變頻器不僅具有較高的電壓，而且具有較大的功率，在可靠性方面占據明顯優勢，是一種多樣化的技術。其電壓通常是3 kV、6 kV、10 kV；功率的范圍也是固定的，即400 kVA 以下、1 000 kVA 以下；復雜的技術較多，如電流型、三電平、電壓型等；具有良好的可靠性，對大功率電力電子器件具有積極作用，有效維護了其容量的穩定性，且在變頻器實際運行環節不會出現異常情況。此外，高壓變頻器通常應用在工礦企業，是此類企業不可缺少的重要設備，必然會要求其具有極強的可靠性，所以，可靠性的保證是高壓變頻器獲得認可的主要原因。可靠性的含義體現在兩個層面：第一個是部件與整機的可靠性，應用的過程中較為順利，平均無故障時間較長，即2 萬h；第二個與設備故障相關，其維修難度較小。對于高壓變頻器而言，之所以自身的可靠性強，主要是因為每個部件都十分穩定，以此形成最大程度的優化。

高壓變頻器的作用如下：①節能增效。促進風機和水泵的工作效率，有效調整風量，避免風量過小或者過大，并將水流量調整到合理范圍，不再需要采用傳統的調整方式，節能效果更加顯著。通常而言，在應用交流變頻調速的過程中，由于閥門的能量損失已經消失，并充分借助風機、水泵的作用，拉近與峰值效率的距離，因此能夠大幅度提高總效率。②軟啟動功能。無論是大型交流同步電動機，還是異步電動機，其起動方式無區別，有些情況下為直接起動，還有些情況下為降壓起動。在過程中電流較大，導致電網電壓與之前不同，即保持降低狀態，致使其他電氣設備無法暢通無阻運行，且電機主軸也將產生明顯變化，出現了嚴重的機械沖擊，很大概率發生疲勞斷裂的狀況，導致機械壽命縮短。如果電網容量較小，那么起動成功的概率明顯降低。而融入高壓變頻器之后，“軟”起動的目的實現，電機速度的起動時間為零。起動電流具有一定要求，不可超過額定電流的1.5 倍，主軸的平衡升速較為穩定，以選定的加速度為主[3]。變頻裝置的特性具有積極意義，促使起動和加速環節更加順利，避免電機受到起動帶來的嚴重干擾，進一步增強了電網的穩定程度，促使電機的使用壽命延長，機械的使用年限也明顯提升。

2 項目背景

景泰川電力提灌工程（以下簡稱“景電工程”）屬于甘肅省大型水利提灌工程項目，具有高揚程、多梯級、大流量等特征，作為典型的大Ⅱ型提灌工程項目，其同時跨越了不同省份[1]。20 世紀中后期，二期工程正式開工，隨著時間的推移順利投入使用。最開始設計的水流量是18 m3/s，隨后在此基礎上增加，即21 m3/s。而近年來，此工程受到客觀因素的干擾，水流量產生明顯改變，高峰值為25 m3/s，提水量也明顯大于之前。現階段，其總共修建了30 座泵站，裝機容量也明顯增加，為192 700 kW。

3 利用高壓變頻設備的必要性

通過上文可知，在供水環節，各個梯級泵站機組運行狀態不同，水流量也存在不用程度的差異性。雖然技術部門落實了控制水流工作，并將葉輪車削等技術應用于該環節，但最終效果依舊不夠理想，只能多次通過開機、關機處理在一定程度上改善相關問題。同時，景電工程的耗電規模明顯大于諸多工程，倘若想獲得健康的長遠發展，必須處理明顯的停機問題。分析如何降低運行成本，并真正實現此目的。

依據調查信息可知，景電工程每年的開機停機次數較多，為800～900 臺次，某些天的開停機操作能達到十幾臺次。此種行為存在明顯弊端，除了降低電極絕緣強度外，也加大了故障出現的可能性，能耗越來越高，同時縮短了機組使用壽命。任何一次檢修，都需花費相應成本，且費用呈現不斷增長的趨勢。依據目前現狀分析，應用高壓變頻設備的領域較多，泵出水量調控理論逐漸趨于成熟。但在黃河流域中具有差異性，可以實現高揚程、多梯級，同時引入高壓變頻設備的輸水泵站少之又少，因此在實際工作中并未彰顯出相關效用。建設泵站的過程中，大部分參數提供的數據都不準確，而且泥沙水質不可避免會破壞部件，在客觀環境的干擾下，景電工程只能安裝變頻設備，由此才可以打破低效率、高成本的局面，進一步提升安全性。

4 高壓變頻工作原理

高壓變頻機組，是指高壓變頻器的安裝工作完畢后，通過變頻技術調整流速，由于電源頻率具有差異性，所以對應電機轉速也各不相同，由此能夠使水泵運行狀態保持在合理范圍內。動機的同步轉速和電機運作速率、電機極對數的關系為n=60f/p。其中，n為動機的同步轉速，f為電機運作速率，p為電機極對數。從中可以判斷出，n與f之間呈現正向作用關系，在頻率不斷提升的情形下，電機的轉動速率持續上升[4]。而n與p之間為反向作用關系，電極極對數持續增長，電極轉動速率越小。但受到客觀因素的干擾，可以調整的極對速度是有限的，通常不超過3 種，而且與平滑調速要求具有一定偏差。應用高壓變頻模式屬于一項積極措施，可以使能耗降低。在控制電機速度的整個階段里，高壓異步電動機是主體，應用原理為調整供電頻率；在速度調整時期，功率低、效率高，所以受到工業領域的青睞，在實際工作中經常應用，也是最科學、有效的速度調整方法。

5 高壓變頻技術在景電工程中的應用分析

目前，景電工程進一步改進了相關項目，在國外采購了先進的變頻器，主要應用對象為二期工程項目。此類高壓變頻器體現出明顯的特殊性，其轉變電流的過程中以控制變壓器為途徑，隨后將三相可控硅整流技術作為應用手段，有效管理了電流，最后當晶體管以及逆變器全面發揮出自身功能后，形成了690 V 交流電。

5.1 有效調節泵站之間的不平衡流量

對于高壓變頻器，其調頻精度通常是0.01 Hz，在符合要求的基礎上能夠進行調整，主要以平滑方式為主[5]。只是在具體調頻階段內，倘若出現頻率過低的情況，水泵將不會繼續出水，所以應將實際情況作為參考重點，秉持科學合理的原則選出最有效的方式，調整范圍的影響因素是多樣的，其中之一為機組頻率。

5.2 減少資源浪費、提高效率

在調整水流的過程中，變頻技術的和高壓變頻器的應用頻率較高，有利于節能最大化的實現[6]。對安裝前后數據展開比較后，開停機頻率與之前不同，呈現出迅速下降趨勢，系統總耗電量同樣降低。

變頻技術的不斷應用，有效提升了資源利用率，促使整體運行效益更加理想；對物質損耗進行了合理控制，防止噪聲過大；打破了以往調水質量不足的局面，也提升了調水效率；省去了輸入諧波濾波器等裝置，避免花費成本較高。

5.3 提高運行的安全性、可靠性

變頻設備與軟啟動電動機要求無差異性，可以逐漸轉變到變頻模式。在低頻條件下啟動電機，不會出現巨大熱量，也降低了絕緣老化速率。同時，變頻機組在出水管道的作用也十分顯著，防止壓力、沖擊過大，從根本上解決了管道破裂等問題[7]。對比應用變頻調速技術的前后數據信息，可以知曉如果大規模泵站可以成功應用高壓變頻器，將會進一步提升調水規模的精準性，且不會帶來較為嚴重的諧波污染，能在改善輸入功率因數條件下，促使運作過程較為安全。

5.4 為實現“少人值守、無人值班”提供有力依據

在調水變頻調速系統的幫助下，可以全天性運作，當系統處在工頻狀態，且泵口壓力值與要求相一致后，那么使工頻機組處在工作狀態即可有效控制水量[8]。在此情況下，實現了自動管理水流量的目的，變頻系統的運轉不會超出規定范圍；接收到調度指令后，調整定值較為簡單，只需在機位上完成即可，防止調水精確性受到負面影響。從景電工程項目的角度分析，變頻調速系統的應用時間較長，其真正降低了能耗，每年節約的電能規模較大，即178 萬kW·h 以上。同時也有效解決了工頻電機頻繁啟停的問題，防止出現安全隱患，轉變了以往調水效率較低的局面。

5.5 是泵站現代化、自動化控制的重要環節

在大規模泵站中，變頻技術具有極為關鍵的作用，高壓變頻器也表現出較強的適用性，兩者的應用日益廣泛，再加上計算機技術水平的不斷提升，促進了PLC與變速調速技術的良好結合，避免泵站的作用受限。變頻調速系統具有性能良好、操作難度小、不易被影響等優點。隨著該系統的不斷應用，實現了多臺水泵同步運作的目的，彌補了傳統操作模式存在的不足之處。當融入網絡通信技術之后，可以知曉水泵機房的遠程數據，對此進行控制與維護，避免變頻器在實際操作中較為困難，使其工作的穩定性更強[9]。

6 結束語

通過實踐可以了解到，高壓變頻器除了具有良好的性能之外，在運作的過程中可靠性較強，其處在高效節能裝置管理的范圍內。高壓變頻器的穩定性較強，保障了風機和水泵的穩定工作狀態，不斷調整風量，促使風量處在正常范圍內，也可以調整水流量，避免水流量過大或過小，有效轉變了傳統的調整方式，節能效果更加顯著。通常而言，在應用交流變頻調速的過程中，由于閥門的能量損失已經消失，并充分借助風機、水泵的作用，因此拉近了與峰值效率的距離。在本文的研究中，景電工程的特征明顯，首先為梯級泵站多，其次為揚程高，在此環節采用變頻設備之后，有效解決了不同泵站水量差異化問題，避免機組頻繁啟停的現象屢屢出現，整個運行方式均呈現更加理想的狀態。綜上所述，河流域高揚程多梯級泵站需緊跟新時代步伐，認識到變頻調速技術的多種優勢，將其應用于實際工作中，促使中國大規模泵站調水技術獲得較大進步。