高压变频调速技术在火电厂的应用研究

山西华阳集团新能股份有限公司发供电分公司第二热电厂 李小平

电作为生产生活中不可或缺的一部分，与人们的生活有千丝万缕的联系。近十年来，火电发电占到70%～75%，是目前我国最主要的发电方式之一，据国家统计局公开信息显示，我国2022年发电总量达到了83886亿kWh，与2021年相比实现了2.2%的增长，其中火力发电量为58531.3亿kWh。火力发电装机容量占比只有52%，但提供的电力占比却接近70%，火力发电仍是维持我国电力供应稳定的支柱，尤其在可再生能源难以满足需要时。

1 高压变频调速技术

1.1 高压变频技术的概况

高压变频调速技术采用单元串联多电平技术，或者IGBT元件直接串联高压变频器等技术，实现变频调速系统的高输出功率（功率因数＞0.9），同时消除对电网谐波的污染。对高压节电降耗作用明显，平均节电率在30%以上。单元串联多电平技术采用功率单元串联电压相加回路，采取变压器多绕组别分组分压整流单元均压，单元电平叠加，通过IGBT逆变桥进行正弦（PWM）控制，可得到单项交流输出，每个功率模块结构及电气性能上完全一致，可以互换[1]。

高压变频调速技术在许多发电厂中得到广泛应用，其中比较典型的有北京大唐发电公司陡河发电厂，包括125MW调峰机组风机变频调节，主要设备为1000kW/6kV风机变频器，大冶特钢第四炼钢厂70t交流电弧炉除尘风机变频调节，主要设备为1600kW/6kV除尘风机变频器等。

1.2 高压变频调速技术应用要求

1.2.1 高-高变频器及单元串联结构应用技术要点

在实际应用中，高压变频调速系统主要以“高-高”变换，“高-高”式变频器是一种采用高压且容量较大的gto或igbt功率元件组成的串联结构形式，无输出变压器，直接将高压电源转成直流，再逆变输出高压的过程。单元串联多电平拓扑为主的结构形式，其主体结构由许多功率模块按照一定的规则串联构成，高压输出主要由各组低压经过叠加产生的，由于其对电网谐波的污染性较小，输入电流谐波的畸变控制在4%以下，电网输入电压谐波畸变在2%以下，满足了谐波抑制的要求，由于输入功率因数高，输入谐波滤波器及功率因数补偿装置可不再使用。当输出波形质量满足要求，输出电流谐波畸变小于2%，避免了电机附加发热和转矩脉动、噪声、输出DV、共模电压等问题，3250kW/6kV高压变频系统由15个功率单元组合而成，其中每5个功率单元串联组成一相。

1.2.2 功率单元技术要点

高压变频调速系统中每个功率单元分别由输入变压器的一组副边进行供电，功率单元之间及变压器二次绕组之间必须处于绝缘状态，二次绕组通过延边三角形接法，达到多重化的效果，有利于输入谐波电流的降低。每个功率单元结构形式上是一致的，在使用过程中，可根据需要进行互换，系统为基本的单相逆变电路，整流侧为二极管三相全桥，IGBT逆变桥采用PWM控制方式，并有自动单元旁路功能。当功率单元内器件为单元直流母线电压时，此时，其承受的电压为高电压，在实际应用中，可以将低压功率器件直接进行使用，器件可不进行串联连接，因此均压问题在器件串联时不存在的。功率单元采用的低压IGBT功率模块，具有驱动电路简单，技术安全性、可靠性强，低压状态下使用，故障发生率低。

1.2.3 单元旁路技术要点

当单元旁路功能某个功率模块出现故障，自动旁路收到信号运行，变频装置无需停机，但应确保降低额定功率使用。并联旁路电路应在每个功率单元输出端之间，一旦出现功率故障，应立即封锁该功率单元的触发信号，并确保旁路SCR导通，保证电机电流正常运行，在一定程度上提高了系统运行的安全性。

2 高压变频调速系统的技术要点

高压变频调速的高频器为高-高结构，不需输出升压变压器，输出为单元串联移相式PWM方式。高压变频调速系统为一体化设计，包括输入干式隔离变压器，变频器等所有部件及内部连线，用户只需连接高压输入、高压输出、低压控制电源和控制信号线即可[2]。

在20%～100%的负载变化情况内达到或超过0.95的功率因数，并且电流谐波少，无须功率因数补偿/谐波抑制装置。无需滤波器变频器就可输出正弦输出电流和电压波形，对电机没有特殊的要求，可以使用普通异步电机，电机不必降额使用。具有软起动功能，没有电机启动冲击引起的电网电压下跌，可确保电机安全、长期运行。变频装置输出波形不会引起电机的谐振，转矩脉动小于0.1%。可避免风机喘振现象。变频器有共振点频率跳跃功能；变频装置对输出电缆无特殊要求，电机不会受到共模电压和dv/dt的影响；变频器可在输出不带电机的情况下进行空载调试，也可在没有6kV高压情况下用低压电进行空载调试。

控制系统采用全数字微机控制，有较强的自诊断功能，能对所发生的故障类型及故障位置提供中文指示，能在就地显示并远方报警，便于运行人员和检修人员能辨别和解决所出现的问题；在就地监控方式下，通过变频器上的触摸屏显示，可进行就地人工启动、停止变频器，可以调整转速、频率；就地控制窗口采用中文操作界面，功能设定、参数设定等均采用中文。卖方提供的变频装置支撑软件为汉化的比较新的正版软件。

变频器高压主回路与控制器之间为光纤连接，具有较高的通信速率和抗干扰能力，安全性好，转矩特性：0～50Hz恒转矩特性，额定转矩输出，转矩阶跃响应＜200ms。50Hz以上恒功率特性，比较大转矩与转速成反比下降。输出频率0～60Hz（根据电机情况可设定），变频器抗地震能力为7级，振动0.5G，临界速度可跳过（共2组，可任意设定）。

完整的故障监测电路、精确的故障报警保护，自带冷却风机，风机电源与控制电源分开取电，电源取自输入侧变压器，内置PLC，易于改变控制逻辑关系，适应多变的现场需要，可灵活选择现场控制/远程控制，可接收和输出0～10V/4～20mA工业标准信号，可根据用户需要内置PID调节器，完整的通用变频器参数设定功能，自备UPS，可维持30min，旋转再启动功能，单个功率单元故障时，输出电压仍可达到93%以上，在大多数情况下不影响负载的运行。

3 相关应用

3.1 输入、输出侧结构在实际中的应用

输入侧结构的应用。输入侧主要由移相变压器（H级绝缘）输送到每个单元供电，每个功率单元都承受全部的电机电流，1/5（1/8）的相电压，1/15（1/24）的输出功率。15（24）个单元在变压器上都有自己独立的三相输入绕组，二次绕组在实际中具有多重化的特点，并降低了输入电流的谐波成分。根据功率、电压等级的不同功率单元数也会随着变化，功率越大，电压等级越高单元数就越多。移相变压器的副边绕组分为三组构成30（48）脉冲整流方式，这种多级移相叠加的整流方式在一定程度上改善了网侧的电流波形，使其负载下的网侧功率因数接近1，输入电流谐波成分比较低，实测输入电流总谐波成分控制在5%内。

输出侧结构的应用。输出侧根据每个单元的U、V输出端子相相互串接而成的星形接法为电机提供电源，通过对每个单元的PWM波形进行重新组合后正弦度好，DV/DT小，减少对电缆和电机的绝缘损坏，无须输出滤波器输出电缆长度可达1000m，电机不需降额使用，在旧设备改造上应用较多，同时电机的谐波损耗减少，消除了由此引起的机械振动，减小了轴承和叶片的机械应力。

3.2 无速度传感器矢量控制技术应用

高性能异步电机调速系统在火电厂上得到广泛应用，速度传感器由于受到外界和自身因素的影响，在安装及维护、低速运行等环节上存在问题，对异步电机调速系统的安全性、可靠性等方面产生较大影响，无速度传感器异步电机的应用，克服了速度传感器存在一些弊端，在火电厂中得到有效利用。无速度传感器矢量控制变频器的矢量控制具有许多优点，例如高性能特点、传速快等。在实际应用中，通过获得有效运行速度信号是无速度传感器矢量控制的最重要环节。无速度传感器控制系统通过计算、参数识别，状态评估、间接测量等手段收集信号，根据电机定子进行电压、电流值的计算，结合收集信号速度，计算得到转子的运行速度，智能系统通过反馈的速度进行判断是否符合要求。

3.3 在节能上的应用

高压变频调速装置投入运行后，节流阀全部打开，采用远方自动恒水压控制方式，平时操作值班人员只需改变压力设定值，多数情况下，变频器运行在40Hz，功率270kW，高压输入电流不到30A，而50Hz定速运行时功率约530kW，高压输入电流60A。高压变频器是利用半导体器件的通断作用将工频变换为另一频率的电能控制装置。其是按一定规律改变脉冲列的脉冲宽度或幅度，以调节输出量和波形的，从而实现电压和频率的平滑变化。

根据电机学原理，交流转速由下式确定：n=（60/np）f（1-s），式中：n、f分别表示发电机转速、供电频率，Np、s分别为电动机极对数转差率。根据流体力学的基本定律可知，风机（或水泵）类设备均属平方转矩负载，其转速n与流量q、压力（扬程）h以及轴功率p具有如下关系：Q∞n、H∞T∞n2、P∞T×n×n3，式中：Q、H分别为风量、风压；N、T分别为转速，转矩；P为轴功率。由以上公式可知，风机（或水泵）的流量与其转速成正比，压力（或扬程）与其转速的平方成正比，轴功率与其转速的立方成正比。当风机转速降低后，其轴功率随转速的三次方降低，驱动风机的电机所需的电功率亦可相应降低。因此，调节转速是风机节能的重要途径[3]。

4 3250kW/6kV高压变频调速系统的优化设计

3250kW/6kV高压变频调速系统主要由控制柜、功率柜、变压器柜三大部分组成，其各个部分不仅继承了以前产品的优点，而且在产品外观、可靠性、模块设计、散热设计等各方面都做了一些改进，具有一些新的特点。

3250kW/6kV与2500kW/6kV高压变频调速系统的功率柜部分尺寸完全相同，这样就相当于把2500kW/6kV高压变频调速系统整流逆变部分的功率密度提高了30%。通过在设计上采用新的散热器（与2500kW/6kV使用的散热器外形尺寸相同，散热面积增大一倍），新型号的电解电容，IGBT等，成功地解决了电解电容的容量和功率模块的发热等一系列的问题，大大提高了系统的功率密度，减小了设备的体积，为变频器的现场应用提供了方便。

系统全部使用新的拼装机柜。拼装机柜不仅外观上更加美观，而且提高了机柜的强度，门与柜体间安装了新的压条式密封条，增强了门的密封性能，提高了系统的防护等级。通过将变压器柜底座密封，在变压器柜柜门上加装通风滤网，设计标准的散热风道等，使系统的防护等级从IP20提高到IP31，通过特殊设计，还可以达到IP42。

系统安装了更加友好的人机界面，并采用了低功耗、可靠性高的嵌入式人机界面。新的人机界面集成了变频器产品在各个行业的应用经验，针对各个不同的用户，只需根据现场的实际情况在界面中进行设置即可，不需要对程序进行改动，这样就避免了因为频繁改动程序而造成失误的可能，提高了软件的可靠性；新的嵌入式人机界面取消了老式工控机中的一些易损部件，例如CPU风扇与电源风扇等，并用闪存代替了硬盘存储器，使操作界面的可靠性更高，真正实现了免维护；系统采用微软公司的Windows CE操作系统代替了Windows 2000操作系统，使之更加适合变频器产品，进一步提高变频器产品的可靠性。

系统优化了电量的检测电路。高压变频调速系统需要检测输入、输出侧的电量参与控制和显示，在3250kW/6kV系统中，改变了原来的检测电路体积大、结构笨重的不足，提高了变频器低频运行时的检测精度，不仅提高了系统的性能，更为下一步高性能的变频器——矢量控制型高压变频调速系统的应用奠定了良好的基础。

综上所述，高压变频调速技术专业性较强，对操作人员技术要求高，在实际应用中严格按照相关操作规范作业，在实践中不断总结高压变频调速技术在火电厂应用的经验，优化设计，达到节能、降耗、减排、安全、安稳运行的效果。