變頻技術在水電廠的應用及經濟性分析

摘 要：隨著能源需求的不斷增長以及環境保護意識的日益提高，水電廠作為一種清潔、可再生能源的發電方式，正受到越來越多的關注和重視。各類風機、泵組是電廠必不可少的輔助設備，但是，傳統水電廠風機、泵組等輔助設備在運行過程中存在著一系列能源浪費問題，如效率不高、負載調節能力有限等，這些問題直接提升了電廠用電量，降低了水電廠的運行經濟性和效益指標。因此，為了有效提高電廠經濟運行效率，降低運行成本，作為一種先進的電力調速技術——變頻技術，被引入到水電廠中，并取得了顯著效果。本文主要對變頻技術在水電廠的應用及經濟性進行探究，以供參考。

關鍵詞：變頻技術；水電廠；應用；經濟性

變頻技術是一種通過改變電源頻率來控制電機轉速的技術，通過控制電機的頻率和電壓，實現對電動機轉速的精確調節，從而使水電廠風機、泵組等輔助設備能夠根據實際負載需求靈活調整輸出功率，從而提高運行經濟性。不僅如此，該技術還能有效減少水電廠的能耗，延長設備壽命，降低維護成本。因此，變頻技術在水電廠中的應用具有重要意義[1]。

一、變頻技術的工作原理和特點

（一）工作原理

變頻技術的原理基于電動機的工作原理及電力系統的特點。在水電廠中，通常采用交流電動機作為主要的動力設備，而交流電動機的運行速度與供電電源的頻率成正比，通過改變電源頻率，就能對電動機轉速進行精確調節，以實現對水電站輔助設備電動機輸出功率的控制。變頻技術的核心部件就是變頻器，這是一種能夠實現電源頻率調節的電子設備，通過將輸入的交流電源轉換為直流電源，并經過逆變器將直流電源再次轉換為可調節頻率和電壓的交流電源，以此來對電動機進行精確控制，通過調節變頻器的輸出頻率及電壓，就能對電動機轉速、負載進行實時調節，以滿足不同工況下的需求。將變頻技術應用于水電廠中，能夠對輔助設備中風機、泵組等進行精確控制，從而提高系統的運行效率，同時也能實現水電廠系統的智能化管理，提高設備利用效率，降低能源消耗，實現可持續發展的目標[2]。

（二）特點

變頻技術具有寬頻調節范圍、高效節能的特點，傳統的固定頻率控制方式受限于固定的電源頻率，無法適應不同負載條件下的電機運行需求，而變頻技術能夠對電機轉速進行無級調節，范圍廣泛，可根據實際情況進行精確調控，確保設備穩定運行。通過對電力系統中的頻率進行調節，變頻技術還能實現對電機轉速的精準控制，從而使電機在不同負載條件下運行時都能保持高效率，這種精確控制能夠最大限度地減少能源浪費，提高整個水電廠的能源利用率，并降低生產成本。在水電廠中，電機的啟動、停止與調速等操作都需要快速響應，以確保設備運行的安全穩定。變頻技術能夠對電機進行實時監控，響應速度較快，控制精度較高，能夠及時調整電機運行狀態，從而有利于水電廠的正常運行。

二、變頻技術在水電廠的應用

（一）變頻技術在水電廠溫度控制系統中的應用

水電廠運行時各部位的溫度是保證安全、穩定、長期運行的關鍵參數，需要保持在一個穩定的范圍。目前采用的冷卻媒介通常是水、空氣和氫氣（大型水電機組和火電廠應用較多）這三種。在常規的冷卻方式下，只要機組運行就將冷卻系統所有設備投入，系統進入最大負荷運行，冷卻能力直接達到最大狀態。而實際情況是機組各部位溫度受外部環境、機組即時工況影響很大，絕大多數情況，并不需要機組冷卻系統直接進入最大負荷狀態運行，以避免能源浪費。引入變頻技術后，控制系統通過對機組各部位溫度的實時監控，并通過PLC進行趨勢預判計算，合理控制冷卻系統電機的轉速，或者是控制冷卻系統投入運行設備的臺數，從而在滿足運行溫度要求的前提下實現節能降耗的目的。在實際應用過程中，變頻器PLC需要根據各部位的運行特性、工況要求進行精準確定溫度范圍，確保冷卻系統能夠在各種工況下都能保持穩定運行。除了精細的設計以外，變頻技術還可以通過多種智能控制算法，進一步優化水輪機的運行。比如采用模糊邏輯控制算法，能夠根據水流情況、負載要求實時調整變頻器的輸出功率，提高水輪機的響應速度；結合故障診斷系統，能夠實時監測水輪機的運行狀態，及時發現并解決潛在問題，進一步提高水電廠的安全可靠性[3]。

（二）變頻技術在流量、壓力控制系統中的應用

水電廠除了對溫度控制有需求之外，對流量、壓力控制也有廣泛需求，比如冷卻水流量、壓力，軸承潤滑油流量、壓力，主軸密封水流量、壓力，技術供水流量、壓力等等。泵組、風機是水電廠中用于輸送流體的關鍵設備，其運行穩定性直接影響水電廠的運行效益。利用變頻技術對泵組進行控制，不僅能提高泵組的運行效率，還能有效降低能耗，延長設備使用壽命。傳統的泵組控制方式常采用啟停方式進行控制，同時為了提升安全系數，還具備一定的溢流量，這種方式容易造成設備在啟動過程中產生沖擊，損壞設備，并增加能耗，長期的溢流也是一種能源的浪費。采用變頻技術可以對電機轉速進行調節，以此來控制水泵流量、壓力，實現平穩啟停，提高泵組的運行效率，通過設置不同的參數和曲線，可以根據實際需要調整泵組的運行狀態，實現智能化管理。例如根據水壓、流量等參數實時監測水泵的運行狀態，并自動調整電機的轉速，以達到最佳的運行效果，從而有助于提高泵組的運行效率，減少人為操作的誤差，進一步提高設備的安全穩定。不僅如此，由于泵組在運行過程中通常會面臨不同的負載需求，而傳統的固定頻率控制方式無法根據實際負載情況進行調整，容易導致能源浪費。采用變頻技術，可結合實際負載情況，對電機轉速進行動態調整，使水泵始終處于最佳運行狀態，最大限度地降低能耗，節約能源成本。

（三）變頻技術在運行操作過程中的應用

運行人員對設備的倒閘操作是電廠的一種常規的任務，也是電廠運行方式變更的必要過程。期間運行人員近距離面對帶電設備，人身安全和設備風險成倍增加，特別是在進行一些刀閘倒換操作的過程中，尤其對操作技巧和人員經驗要求更高，一個不慎就可能造成不可挽回的損失。引入變頻技術后，通過系統集成的PLC對整改操作過程進行控制，根據操作類型的不同，精準地控制操作過程中的每一個階段，確保每一個階段都符合技術規范要求，從而達到提高操作安全性的要求。比如對隔離刀閘進行分閘操作時，要求在刀閘動靜出頭分開時快速動作，以利于熄滅電弧。電弧熄滅后為保證操作機構和設備安全，對操作的可靠性和穩定性也有要求，而且整個操作過程只有幾秒和十幾秒的時間，工作人員很難做到精準控制，而采用變頻技術后，可以通過PLC內置的程序對電機轉速進行精準控制，從而達到確保設備和人身安全的目的。

三、變頻技術在水電廠應用的經濟性分析

（一）投資成本分析

第一，變頻技術引入的初期投資成本。引入變頻技術的初期投資主要包括設備購置費用、安裝調試費用以及培訓費用等方面。其中，設備購置費用是引入變頻技術最為直接的成本，包括變頻器、傳感器、控制系統等設備的采購成本，這些設備的選擇將直接影響水電廠的運行效果，所以，在選擇供應商與設備型號時，需要謹慎考慮。安裝調試費用包括設備安裝、系統調試以及軟件配置等方面的費用，這些費用在引入變頻技術時同樣不容忽視。為了確保水電廠的運行人員能夠熟練掌握技術，還需對其進行相關培訓，這也屬于初期投資的一部分。除此之外，引入變頻技術后，需要定期對設備進行檢修與維護，以保證其穩定運行。這部分成本包括人力成本、備件更換成本、維護工具等，需要在此之前進行詳細規劃。

第二，變頻技術帶來的節能效益。通過應用變頻技術，水電廠可以實現電機啟動時的軟啟動，避免了傳統啟動方式帶來的電壓或電流沖擊，有效保護了電機及配電設備，延長了設備的使用壽命，并且變頻技術還能根據實際負載情況動態調整電機的輸出功率，避免傳統固定頻率運行時頻繁啟動造成的能耗浪費，大大提高了設備的運行效率。不僅如此，變頻技術在水電廠中的應用還能實現多臺電機的協調運行，通過智能控制系統實時監測各個電機的運行狀態，使其保持在最佳工作狀態，從而提高整個系統的運行效率，減少能耗損失，尤其是在水電廠這種需要長時間穩定運行的場景下，通過合理的變頻技術調控，可以使系統整體運行更加穩定可靠，進一步降低能耗成本[4]。

（二）運行維護成本分析

第一，變頻技術對水電廠運行維護的影響。由于變頻技術能夠根據實際情況調整電機的運行速度，使得電機在部分負載運行時能夠降低功率損耗，提高能源利用率。與傳統的啟停調速方式相比，變頻技術能夠減少電機的啟動次數，延長設備壽命，降低維護成本。同時變頻技術還能與多臺電機進行聯動控制，協調各個設備之間的運行，能夠提高整個水電廠的協同效率，從而降低水電廠的運行成本。通過對電機的運行狀態進行實時檢測，變頻技術還能及時發現設備運行異常，預防設備故障的發生。變頻技術也可以對電機進行精準的保護控制，避免出現電機過熱、過載等問題，保障Wup828YAfVgg30N7/MExWw==了設備的安全運行。因此，變頻技術的應用，不僅提高了水電廠的生產效率，還能降低設備維護成本，從而在經濟上具有顯著優勢。

第二，變頻技術帶來的運行成本節約。傳統的恒速運行方式在負載波動大或需求變化較快時會導致能源浪費或設備壽命縮短等問題，而變頻技術則可以根據實際需求調節電機的轉速，使設備在最佳工作狀態下運行，以減少維護成本。另外，變頻技術還能實現能量回收和再利用，通過將制動過程中產生的能量反饋到電網或其他設備中，以降低能源浪費，提高整體能源利用效率，這種節能減排的做法不僅符合環保要求，還能在一定程度上減少水電廠的運行成本。

（三）綜合經濟性分析

第一，投資回報率（ROI）分析。投資回報率是評估投資項目盈利能力的重要指標，能夠幫助投資者判斷投資是否值得，以及投資回報的速度如何。在水電廠中引入變頻技術，可以極大地提高設備的運行效率，從而影響投資回報率的計算。計算引入變頻技術后水電廠的凈現值（NPV）是ROI的基礎。凈現值是將未來現金流折現至今的結果，可以反映項目的凈收益情況。引入變頻技術后，水電廠每年可節省的能源成本、維護費用以及提高生產效率所帶來的額外收益等，都會影響凈現值的計算。投資回報率的計算公式為：ROI=（凈收益/投資成本）×100%。在水電廠中引入變頻技術的投資成本，包括設備采購費用、安裝調試費用及培訓等方面的支出，而凈收益則是指引入變頻技術后每年的節省成本與額外收益減去投資成本后的剩余收益。值得注意的一點是，投資回報率并不僅僅是一個靜態數字，而是隨著時間變化的，水電廠中的設備會隨著運行時間的增加而逐漸老化，可能會影響到變頻技術的效果。所以，在進行ROI分析時，需要考慮到長期的運營情況，并對不同情況進行靈活調整。

第二，凈現值（NPV）分析。凈現值是評估一個項目或投資的現金流量是否能夠產生積極回報的關鍵工具，特別適用于長期投資項目的評估。在進行凈現值分析時，需要明確投資的各項成本及收益。一般來講，投資成本包括設備采購費用、安裝調試費用、運營維護費用等，而收益則主要體現在節約的能源成本、發電效率所帶來的額外收益等方面，通過對這些現金流量進行詳細核算，可以得出一個凈現值的數值。水電廠引入變頻技術后，凈現值的計算將考慮到多個因素，如變頻設備的價格、使用壽命、能源節約效果等，對此，需建立合理的財務模型，以對未來的現金流量進行合理估算，從而得出一個較為準確的凈現值。凈現值的正負將直接反映出引入變頻技術對水電廠經濟性的影響，如果凈現值為正，意味著該投資項目有望帶來正向回報，并且具有投資的價值。相反，如果凈現值為負，意味著該投資項目可能無法實現預期的經濟效益，需要重新評估或調整投資方案。

第三，內部收益率（IRR）分析。內部收益率是指項目投資的資金成本與項目未來現金流的折現值相等時的折現率，即使得凈現值為零的折現率。由于水電廠屬于長期投資項目，其內部收益率需要能覆蓋項目的整個生命周期，包括設備更新、維護與運營等方面的費用，同時也要考慮市場變化、政策調整等風險因素對項目收益的影響，以保證項目的可持續發展。在進行內部收益率分析時，還需結合其他財務指標進行綜合評估，如凈現值、投資回收期等，通過比較不同指標的結果，能夠全面地評估水電廠應用變頻技術的經濟性，為決策提供科學依據。

結束語

大型變頻器具有較高的轉換效率以及良好的穩定性，能夠快速適應水電廠的高功率需求。隨著智能化技術的快速發展，大型變頻器還將具備更多的智能功能，如自適應調節、遠程控制等，使得水電廠的運行朝著智能化、高效化的方向發展。與此同時，水電廠還將積極探索多能源混合發電系統，并結合變頻技術實現多源能源的協調運行，通過將水電、風電、光伏等多種能源進行有效整合，可以更好地平衡能源供需關系，提高系統靈活性。變頻技術在這種多源能源混合系統中的應用將發揮關鍵作用，實現不同能源之間的協同運行，進一步提高整個發電系統的效率。

在水電廠中，變頻技術的應用已經成為提高發電效率、降低能耗的重要手段。在經濟性分析方面，引入變頻技術雖然需要一定的投資成本，但是，通過提高發電效率，降低能耗，將會帶來顯著的經濟效益。因此，隨著科技的不斷進步以及變頻技術的快速發展，變頻技術在未來的水電行業中發揮著越來越重要的作用，為推動清潔能源發展、實現綠色發展目標打下堅實基礎。

參考文獻：

[1]王明發.基于智能技術的水電廠電氣自動化控制方法[J].電子技術與軟件工程，2021（02）：140-141.

[2]李建華，張同慶，范沿沿，等.變頻技術在循環風機中的應用案例分析[J].集成電路應用，2023，40（04）：303-305.

[3]周江晨.水電廠自動化系統的智能化改造研究[J].智能城市，2021，7（11）：163-164.

[4]馬成偉.智能技術應用在水電廠電氣自動化中的研究[J].水上安全，2023（16）：7-9.

作者簡介：吳承華（1977.05－），男，漢族，江西進賢人，本科，工程師、經濟師、高級技師，研究方向：水電站運行、燈泡貫流式電站運行管理、安全管理、設備管理。