变频器在火力发电厂中的应用

变频器在火力发电厂的应用分析专题
目录
1. 概述 1
2. 基本原理 1
2.1. 基本构成 1
2.2. 变频器的分类 2
2.3. 变频器的优点、缺点 2
2.4. 适用范围 3
3. 技术经济比较 4
3.1. 对于本工程一次风机的运行特性分析 4
3.2. 与其他调速方式的技术经济比较 7
3.3. 高压变频器不同方案的技术经济比较 8
3.4. 结论 9
4. 电磁兼容 9
4.1. 高压变频器对电网的影响 9
4.2. 高压变频器对电机的影响 10
4.3. 采取措施 11
5. 变频器在设计上的考虑 11
5.1. 变频器安装地点 11
5.2. 变频器的电缆选择 11
5.3. 电动机的散热问题 11
5.4. 低电压保护 12
5.5. 电源切换 12
5.6. 变频器一次电源的设计 12
1. 概述
随着电力系统厂网分家，电厂发电竞价上网的实施，在燃煤电厂的设计上，不仅要考虑在建设时降低初投资和缩短建设周期，而且降低电厂的运行成本也成为了一个重要的考虑因数。

比如适当的提高控制水平，虽然在初期增加了投资，但是一可以减少人员，二能够更好的控制运行指标，降低煤耗，最终从电厂整个寿命期考虑是经济的。

在电气设计中，厂用电率是一个重要的指标，目前主要靠工艺优化设计，降低设备耗电来降低厂用电率。

电气专业虽然通过电气网络设计和设备选择的优化也能降低厂用电率，但效果不明显。

国外电厂的厂用电指标与国内电厂相比，明显要低。

经调查了解到，主要是在辅机的经济运行方面存在差距。

国外电厂的风机水泵已纷纷增设调速装置，而国
内除少量汽动给水泵、液力耦合器及双速电机外，其他风机、水泵基本采用定速驱动。

定速驱动在机组负荷偏低时，效率会降低，而调速驱动则能一直保持较高效率。

在各种调速手段中，变频器技术是一种特点比较突出，效率高的一项调速技术。

变频器技术作为一种新兴的技术，随着电力电子技术的发展而兴起。

它通过控制频率来控制转速，调节输出功率，提供了优秀的节能效应。

该技术目前已经在其他行业如石油、化工得到广泛的应用。

在电力行业也有广阔的应用前景，而且在国外电厂也得到了广泛的应用。

它的主要优点可以概括为两方面：节能和工艺控制性能。

对于火力发电厂来说，合理的采用变频器可以降低厂用电率和提高全厂的工艺控制水平。

2. 基本原理
变频器是建立在电力电子技术的基础上，通过大功率电力电子元件进行整流，然后再逆变为所要求频率的交流电。

基本原理类似于UPS装置，只不过输出要求不同，变频器追求的是与电动机相关的频率、转矩和功率等的控制。

2.1. 基本构成
变频器基本构成如图1所示，由整流器、逆变器、主机质量环节和控制电路组成。

图1 变频器的基本构成
电网侧变流器I是整流器，作用是将三相交流电整流为直流电。

负荷侧变流器II是逆变器，是通过控制电力电子元件的通/断，得到任意频率的三相交流电输出。

中间直流环节：因为逆变器的负荷一般为异步电动机，在中间直流环节设置储能元件（电容器或电抗器）缓冲无功功率交换。

此部分称为中间直流环节或主机直流储能环节。

控制电路完成对电力电子元件通/断的控制、整流器电压/电流的控制以及各种保护功能。

目前变频器多采用微处理器实现控制，通过软件提供了越来越完善的功能。

2.2. 变频器的分类
按直流电源的性质分类可分为电流源型和电压源型。

按输出调节方式可分为：PAM脉冲幅值调节方式和PWM脉冲宽度调节方式。

按控制方式可分为：U/f控制、转差频率控制和矢量控制。

2.3. 变频器的优点、缺点
a. 优点
1. 节能
风机和泵类实际所需输出功率随着机组发电量的降低而降低，但由于采用风门或阀门控制，电机的很大一部分功率损耗在风门或阀门上。

如电厂作为调峰电厂，经常会出现低于额定出力运行的情况，会有较严重的风门和阀门压流损失，如果采用变频技术，根据国内外的统计，平均可节电约20～60%之间。

2. 提高控制特性
因为变频器直接调节电动机的输出来控制相关工艺量，具有响应速度快、中间环节少、控制精度高等优点，另外变频器调速具有对设备冲击小的特性，减少设备维护量，延长设备寿命。

3. 降低启动电流倍数
采用变频器可以改善电动机的起动特性，启动电流可控制在1.2倍额定电流以下，实现软起动，可以减少对电动机和开关的冲击，延长开关、电机及其被驱动设备的寿命，基本上杜绝了启动电机造成设备损坏而引起减负荷或停机情况的发生。

同时起动电流倍数的降低，对于电气设备的选择也提供了方便。

b. 缺点
1. 初投资较大
变频器尤其是高压变频器价格较高，如，本工程中一次风机，
6kV,4X1000kW，其配套一拖一变频器价格约为4x75万元；凝结水泵，
6kV,4X1000kW，其配套一拖二变频器价格约为2x85万元；循环水泵，
6kV,4X1800kW，其配套一拖一变频器价格约为4x135万元;低压电动给水泵，
380V,1X160kW,其配套一拖一变频器价格约为万元（此为北京利得华福公司报价）。

再加上由于变频器柜体尺寸很大，发热量也很大，需要增加土建和暖通的投资。

2. 对电网有谐波干扰
由于变频器电源侧有整流元件，会在电源侧产生谐波干扰。

2.4. 适用范围
本工程中，我们将继续推广变频器在本工程中的应用范围，使电厂在生产过程中达到最大可能的节能减排、创造经济效益的目的。

一般而言，在电厂内适用变频器负荷包括风机、水泵、输煤皮带等。

主要负荷举例如下：
一次风机、凝结水泵；
空压机；
深井泵、生活水泵、低压电动给水泵；
除渣冲洗水泵、渣浆泵、排浆泵；
在本工程中主要推荐在一次风机、凝结水泵、循环水泵和低压电动给水泵上使用变频器。

全厂共需要11套高压变频器，具体列表如下（数量为二期扩建两台机组所需）：
3. 技术经济比较
3.1. 对于本工程中风机的运行特性分析
如果仅从节电方面考虑，变频调速用于离心风机和水泵时具有较高的节电效率。

本工程中一次风机为离心风机，以其为例进行经济技术比较，其它的6kV、380V离心风机、水泵可以此作为参考。

目前在热机专业进行风机选择时，由于很难计算出管网的阻力，并考虑到长期运行过程中可能发生的各种问题，一般都考虑了一定的风量裕度和风压裕度。

而且由于风机的型号和序列是有限的，一般往大机号上靠。

所以，电站锅炉一次风机的风量和该风压富裕度达20％～30％是比较常见的。

如本工程一次风机选择为1000kW，按可能裕度为25％计算，在额定出力下，其所需的轴功率为750kW。

由于风机的容量按最大工况选择，风机的风量和风压的富裕度以及机组的调峰运行导致风机的实际运行工况点与风机设计高效点相偏离，从而使风机运行效率大幅度下降。

在不同调节方式下的耗电特性见下图
图2 风机在不同调节方式耗电特性比较
根据流体机械的相似规律，风机的流量Q，压头H，轴功率P与转速n之间有如下比例关系：
亦即：
所以按以上公式计算出在机组不同出力下，对应的一次风机轴功率见下表：
机组出力
一次风机轴功率(电功率)
％
100% 750
80% 384
60% 162
40% 48
注：风量需求按正比于机组出力考虑。

当然上面只是理论计算，未考虑管道系统阻力R的影响。

实际上的电机输出功率要大于上面给出的值。

但是我们已经可以看出在大部分情况下，风机需要功率要小于风机电机的额定功率，但在电厂运行中，在不同机组出力下，风机的功率并没有太大的变化，究其原因，是因为采用风门调节方式，大量的能量损耗在风门上，影响风机的效率。

两者之间的不同可以从下图中看出：
图3 调节风机工作点的方法
a) 风门控制时特性 b) 调速控制时特性
r：管路阻抗＋节流阻抗
风门调节通过增加管道的阻抗控制风量，存在很大的风门损耗，所以效率就会降低。

下图是不同调节方式下的风机效率。

图4 不同调节方式下的风机效率
3.2. 与其他调速方式的技术经济比较
a) 技术比较
变频器与其他调速技术比较，除变频器外，在发电厂中使用的工艺调节方式有风门（阀门）调节、液力耦合调节、双速电动机方式（星／三角变换）。

风门（阀门）调节是目前使用最广泛的调节手段，通过调节风门（阀门）的开度调节流量和压力。

具有结构简单、设备投资少的优点。

但这种方式有一个明显的缺点，即运行时风门（阀门）损耗大，尤其是在低出力运行情况下。

液力耦合调节是一种利用液体（多数为油）的动能来传递能量的叶片式传动机械。

具有以下优点：无级调速，调速范围大；工作可靠，能长期无检修工作，寿命长；工作平稳。

缺点增加初投资，增加安装空间；所带设备无法达到电动机的最大转速；调节延时长；还是存在很大的损耗，而且当液力耦合器故障时，风机／水泵也无法投入。

双速电动机通过改变绕组的接线以改变电动机的阻抗和极数，调节电动机的出力。

这种调节方式结构简单，但是出力调节不连续，只适用于一些特定场合。

b) 经济比较
经济比较主要是考虑能在多长时间内收回投资，因为采用变频器在开始时投资相对较多，它的优势在于运行和维护费用低。

增加投资包括以下几点：
变频器投资；
电动机投资：变频器对于电动机要求与一般电动机不同，应采用变频电动机，相对费用要高一些；
土建投资：因为变频器屏外形尺寸较大、安装套数较多，需要修建变频器室；
运行和维护费用的节省包括：
电费；
减少电机及其驱动设备的冲击可减少设备的维护费用。

3.3. 高压变频器不同方案的技术经济比较
因为高压变频器价格很贵，所以变频器的接线有很多方案，一般有4种，分别为：
1)采用6kV变频器、6kV电机方案，即高压方案。

2)将6kV降为3kV，采用3kV变频器、3kV电机方案，即中压方案。

3)将6kV降为1kV以下，采用低压变频器、低压电机方案，即高低方案。

4) 将6kV降为1kV以下，采用低压变频器，然后将电压升至6kV，采用6kV 电机方案，即高低高方案。

其中第2方案，虽然采用3kV变频器价格低于6kV变频器，但总体上价格优势不明显，一般不考虑。

第4方案相对于第3方案，多了一升压变压器，增加了设备投资，而且多一个损耗环节，降低效率，一般仅在改造时考虑，新建电厂不应考虑此方案。

对于第1和第3方案，如果设备允许的话，应采用第3方案，因为第3方案采用低压变频器，投资明显降低，可减少达40%，可以减少投资回收期。

当电机功率较大，超过700kW时，需要采用第一方案。

根据一次风机的电机功率选择，采用高高方案。

使用变频器的技术经济比较见下表：
根据一次风机节能效率按30％考虑，电机年运行小时5500小时，上网电价0.285元/度：
一台一次风机每年节约电费：
300x5500x0.285=470250元
一台一次风机变频器投资回收年限：
89／47=1.89年
一台一次风机变频器15年总节约费用：
47x15=705万元
3.4. 结论
6kV离心风机、水泵采用变频器可以在2～3年内通过节约电费收回成本。

380V离心风机、水泵由于变频器本身每kW价格比6kV要低，可降低初期投资，收回成本周期将更短。

因此建议工艺在条件允许时，推荐采用变频调速技术。

4. 电磁兼容
变频器的输入和输出端采用功率换相元件，均会产生高次谐波，所以应考虑对电网和电动机影响。

4.1. 高压变频器对电网的影响
对于电网，电网谐波污染的控制标准较为普遍的有IEEE519-1992，和
GB/T14549-93《电能质量公用电网谐波》。

变频器对电网产生的影响主要取决于整流电路结构。

谐波干扰：
6和12脉冲整流器输入谐波失真较高，需要设置谐波滤波器或其他谐波抑制措施。

更高脉冲的整流器输入，因产生的谐波可满足标准的要求，可不设置谐波滤波器。

如果整流器采用PWM控制，输入电流基本为正弦波，可不设置谐波滤波器。

功率因数：
电流源型变频器一般输入功率因数较低，而且会随着转速的降低线性下降，往往需要设置功率因数补偿装置，同时起到抑制谐波的作用。

电压源型变频器由于可以从中间的滤波电容提供无功，输入侧的功率因数可保持在0.96以上（指基波功率因数，考虑谐波的话，总体功率因数应由下降）。

对于全控型PWM功率因数可保持接近于1的良好性能。

甚至能做到超前功率因数，对电网起到部分无功补偿的作用。

单元串联多电平PWM功率因数在整个调速范围内可达到0.95以上。

4.2. 高压变频器对电机的影响
输出谐波的电动机的影响
输出谐波引起的问题包括：电动机额外发热导致电动机降额使用、波形失真，增加电动机的峰值电压，影响绝缘、转矩脉动等。

输出du/dt的电动机的影响
随着PWM和快速开关电力电子元件的使用，变频器输出的du/dt相对也越来越大。

过高的du/dt相当于在电动机的线圈反复施加陡度很大的冲击电压，会造成电动机的绝缘损坏。

共模电压和轴电流的电动机的影响
由于输出电压不能保证对称，在电动机中性点会产生对地电压，加上基波电压，使电动机的对地电压比一般电动机的要高。

同时高频共模电压对地会形成对地漏电流，影响功率电路安全。

通过绕组与转子之间的分布电容的漏电流还会经过轴承影响轴承寿命。

电缆选择和电动机设计的问题
由于上述的对电动机的影响，电动机设计相对也有一些特殊的要求，比如为提高低频时的散热能力，设计具有独立电源的冷却系统；采用绝缘轴承等。

4.3. 采取措施
首先应采用高性能的变频器，具有较好的电磁兼容特性。

其次当不能满足电源的要求时，应加装滤波器或隔离变压器。

而当输出不能满足电动机的要求时，也需要增加出口滤波器。

5. 变频器在设计上的考虑
因为变频器在设计中还属于新设备，本身的一些特点需要在设计中考虑，而且运行经验不多，在设计中有很多方面无法考虑周全。

下面是我们对部分问题提出的一些建议。

5.1. 变频器安装地点
变频器外形尺寸较大，一次风机高压变频器安装于机组排水槽上变频器室；循环水泵电机变频器和凝结水泵变频器安装于汽机房6.3米层A~B排14~16柱之间。

具体布置详见投标图纸“高压变频器平面布置图”（图号：AF2009026-I-D-13）
高压变频器发热量很大，因此变频器考虑采用装设风道将其热风直接排到室外，并在建筑物内根据需要设置空调。

5.2. 变频器的电缆选择
变频器到电动机之间的电缆选择要注意以下几点：
第一要考虑谐波的影响，对于高频分量，集肤效应增强，增加电缆的实际电阻，增加发热量。

第二当电动机在低频运行时，虽然输出功率降低，变频器输出电压也会降低，有可能电流还会上升。

因此根据实际的应用情况，电缆截面选择可以放大一级。

5.3. 电动机的散热问题
对于低压采用自带风机冷却的电动机，在工作频率低于30Hz时，冷却风机的转速降低，散热能力也随之减弱，有可能引起电动机的过热。

所以如果电机的调速范围低于30Hz，要求选择自然冷却或独立冷却的方式，或在电机设计上应适合于变频调速应用场合的变频电机。

5.4. 低电压保护
变频器对于电源的一定的要求，输入电压不能超出变频器的工作电压范围，否则变频器就会停止工作。

而目前的厂用电动机低电压保护设计中，一次风机为一类负荷，当电压低于45～50％额定电压达9秒后断开电动机，并启动备用电机。

如果保护按此整定，当变频器停止工作时，低电压保护还没有反映；当低电压保护动作时，电动机失去电源的实际时间已经超过9秒，甚至电动机已经长时间失电而低电压还没有动作的情况发生。

这就有可能引起工艺系统的停顿，进而造成全厂停机。

因此装设变频器的电动机只设置低电压保护是不合适的。

根据风机的实际工作情况设计，应当在变频器停止工作一段时间以后，应断开该电动机，并启动备用设备。

5.5. 电源切换
现在300MW机组的6kV工作段均装设厂用电源快切装置，当工作电源发生故障时，能快速切换到备用电源，保证机组的正常运行。

目前快切装置都能保证在0.1s内完成快速切换，如果不能成功，则可能转到慢切。

在电源切换过程中，由于电压的跌落和恢复，变频器发生电压低停止工作，然后恢复电压后再投入工作的
情况。

当变频器再次投入运行时，由于电动机尚在惰转状态，如果为了减少变频器对电动机冲击，变频器应有能够跟踪电机的转速，实现平滑重起动的功能。

5.6. 变频器一次电源的设计
对于高压变频设备，应该设置旁路开关，考虑当变频器故障时，可以断开变频器，通过旁路向电动机供电，保证机组的继续运行。

一拖一高压变频器一次电源回路可设置如下：
本工程一拖二凝结水泵变频器接线方案设计如下：。