國產高壓變頻器在發電廠凝結水泵上的應用(圖)
2005/8/3 14:59:53
北京利德華福電氣技術有限公司 供稿
1、前言：
北京大唐發電股份有限公司張家口發電廠位于河北省張家口市，始建于1988年，目前擁有八臺裝機容量各為300兆瓦的機組，總裝機為2400兆瓦，是華北地區第一大電廠。2002年，北京大唐發電股份有限公司通過國際招標，對大批設備進行變頻改造。北京利德華福技術有限公司作為高壓變頻器國內標段的唯一的中標者，為我廠提供了兩套HARSVERT-A06/130高壓變頻器，用于6＃、8＃機組的凝結水泵改造項目。目前6＃機組＃1凝泵變頻器已穩定運行了3個多月，運行穩定，節能效果明顯
2、凝結水泵的運行工況
在汽輪機內做完功的蒸汽在凝汽器冷卻凝結之后，集中在熱水井中，這時凝結水泵的作用是把凝結水及時地送往除氧器中。維持凝結水泵連續、穩定運行是保持電廠安全、經濟生產地一個重要方面。
監視、調整凝汽器內的水位是凝結水泵運行中的一項主要工作。在正常運行狀態下，凝汽器內的水位不能過高或過低。當機組負荷升高時，凝結水量增加，凝汽器內的水位相應上升。當機組負荷降低時，凝汽器內水位相應降低。
凝結泵電機為6KV/1000KW電機，設計時有一定裕量，每臺機組配備二臺凝結泵，一臺運行，一臺備用。
沒有使用變頻器之前，凝汽器內的水位調整是通過改變凝結水泵出口閥門的開度進行的，調節線性度差，大量能量在閥門上損耗。同時由于頻繁的對閥門進行操作，導致閥門的可靠性下降，影響機組的穩定運行。
使用高壓變頻器后，凝結水泵出口閥門基本不需要頻繁調整，閥門開度保持在一個比較大的范圍內，通過調節變頻器的輸出頻率改變電機的轉速，達到調節出口流量的目的，滿足運行工況的要求。
3、HARSVERT-A06/130型高壓變頻器原理及特點
Harsvert-A系列高壓變頻器是由北京利德華福電氣技術有限公司生產，具有自主知識產權，適合國內電網特性，符合國內用戶使用習慣的調速系統。該系統為電壓源型高壓變頻器，具有運行穩定、調速范圍廣、輸出波形好、輸入電流諧波低、功率因數高、效率高等特點，對電網諧波污染小，總體諧波畸變THD小于4%，直接滿足IEEE519-1992的諧波抑制標準，不必采用輸入諧波濾波器，功率因數高，不必采用功率因數補償裝置，輸出波形好，不存在諧波引起的電機附加發熱和轉矩脈動、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問題，不必加輸出濾波器，就可以使用普通的異步電機。
Harsvert-A系列高壓變頻器采用單元串聯多電平PWM拓撲結構（簡稱CSML）。由若干個低壓PWM變頻功率單元串聯的方式實現直接高壓輸出,高壓主回路與控制器之間為光纖連接，安全可靠；精確的故障報警保護；具有電力電子保護和工業電氣保護功能，保證變頻器和電機在正常運行和故障時的安全可靠。
電網電壓（6kV）經過副邊多重化的隔離變壓器降壓后給功率單元供電，功率單元為三相輸入，單相輸出的交直交PWM電壓源型逆變器結構，相鄰功率單元的輸出端串接起來，形成Y接結構，實現變壓變頻的高壓直接輸出，供給高壓電機。6kV輸出電壓每相有7個額定電壓為480V的功率單元串聯而成，輸出相電壓3450V，線電壓達到6kV左右，每個功率單元承受全部的電機電流，但只提供1/7的相電壓和1/21的輸出功率。
每個功率單元分別由輸入變壓器的一組副邊供電，功率單元之間及變壓器二次繞組之間相互絕緣，二次繞組采用延邊三角形接法，實現多重化，以達到降低輸入諧波電流的目的，即使在電動機電流出現不平衡的情況下，也能保證各相位組的電流基本相同，達到理想的諧波抵消效果。對6kV輸出電壓，給21個功率單元供電的21個二次繞組每3個一組，分為7個不同的相位組，互差60/7度電度角，形成42脈沖的整流電路結構，輸入電流波形接近正弦波，總的諧波電流失真低于4%，輸入功率因數可以達到0.95以上。
逆變器輸出采用多電平移相式PWM技術，同一相的功率單元輸出相同幅值和相位的基波電壓，但串聯各單元的載波之間互相錯開一定電角度，實現多電平PWM，輸出電壓非常接近正弦波。輸出電壓每個電平臺階只有單元直流母線電壓大小，所以dv/dt很小，功率單元采用較低的開關頻率，以降低開關損耗，且輸出電平數增加。6kV輸出電壓輸出相電壓為15電平，線電壓為29電平，輸出等效開關頻9KHz，電平數和等效開關頻率的增加有利于改善輸出波形，降低輸出諧波，由諧波引起的電機發熱、噪音、轉矩脈動等都大大降低，可以直接用于普通異步電機，不會產生輸出電纜較長時行波反射引起的浪涌電壓增加而造成電機絕緣破壞問題。
采用功率單元串聯，而不是功率器件串聯，器件承受的最高電壓為單元內直流母線的電壓，器件不必串聯，不存在器件串聯引起的均壓問題。直接使用低壓IGBT功率模塊，器件工作在低壓狀態，不易發生故障；6kv變頻器共使用42對1200V低壓IGBT，低壓IGBT門極驅動功率較低，驅動電路非常簡單，開關頻率很低，不必采取均壓電路和浪涌吸收電路，系統效率高，同時功率單元采用電容濾波的結構，總體技術成熟可靠。
變頻器可以承受30%的電源電壓下降而繼續運行，變頻器的6KV主電源完全失電時，變頻器可以在3秒內不停機，能夠全面滿足變頻器動力母線切換時不停機的需要。另外6KV主電源欠壓時可不停機，自動降額，電壓正常后再恢復到原來速度。
采用二極管不可控整流電路結構，變頻器對浪涌電壓的承受能力較強，雷擊或開關操作引起的浪涌電壓可以經過變壓器（變壓器的阻抗一般為8%左右）產生浪涌電流，經過功率單元的整流二極管，給濾波電容充電，濾波電容足以吸收進入到單元內的浪涌能量，另外變壓器一次側安裝了壓敏電阻浪涌吸收裝置，起到進一步保護作用。
功率單元采用模塊化結構，同一變頻器內所有功率單元結構上完全一致，可以互換，維修非常方便，更換功率單元只要拆除3個交流輸入端子和2個交流輸出端子，以及1個光纖插頭，就可抽出整個單元。當某一功率模塊發生故障時，用戶在5分鐘內，經過簡單的操作就可以用備用功率模塊進行更換，保證系統可靠運行，所有功率模塊均有兩個指示燈，一個是帶電指示，另一個是運行指示，模塊的運行狀態一目了然。
功率單元為多極模塊串聯，某個模塊發生故障時自動旁路運行，便于現場采取對應措施；即在每個功率單元輸出端之間并聯旁路電路，當功率單元故障時，封鎖對應功率單元IGBT的觸發信號，然后讓旁路SCR導通，保證電機電流能通過，仍形成通路。為保證三相輸出電壓對稱，在旁路故障功率單元的同時，另外兩相對應的兩個功率單元也同時旁路。對于6kv的變頻器每相由7個功率單元串聯而成，當每相1個單元被旁路后，每相剩下6個功率單元，輸出最高電壓為額定電壓的86%，輸出電流仍可達到100%，輸出功率仍可達到86%左右，對于水泵負載轉速仍可達92%以上，基本能維持生產要求，大大提高了系統運行的可靠性。
輸入干式變壓器免維護，可靠性高。變壓器的防護與變頻器共同防護為IP21防護外殼，可防止直徑大于12mm的固體異物及鼠、蛇、貓、雀等小動物進入，造成短路停電等惡性故障，為帶電部分提供安全屏障。
高效率(>96%)，輸入功率因數高(>0.95)，電流諧波少(<4%)，無須功率因數補償/諧波抑制裝置；輸出階梯正弦PWM波形，無須輸出濾波裝置，對電纜、電機絕緣無損害，電機諧波少，減少軸承、葉片的機械振動，輸出線可以長達1000米；減少配件的損耗，延長設備使用壽命，提高勞動生產效率。
高的調速精度和精確的輸出頻率分辨率(0.01HZ)，輸出頻率0.5Hz—120Hz連續可調，完全可以滿足電力機組生產工藝工況的要求；電機可實現軟啟動、軟制動，轉速自動控制；啟動電流小于電機的額定電流；電機啟動時間可連續可調，減少了對電網影響。
變頻器預裝具有自主版權的全中文操作和監控軟件，本機及遠程啟停操作、功能設定、參數設定、故障查詢、運行記錄查詢等均采用全中文的WINDOWS操作界面；配備12.1"彩色液晶觸摸顯示屏，可實現完整的通用變頻器參數設定功能，可打印輸出運行報表；調整觸摸式面板，可隨時顯示電壓及電流波形、頻率和電機轉速，可非常直觀地顯示電機在任何時間的實時狀態；具有很強的診斷、指示能力：可檢測變頻器各部分的運行狀態，完整的故障監測電路、精確的故障定位，所有的功率模塊均為智能化設計，當有故障發生時，將故障信息返回到主控單元中，主控單元會及時將主要功率元件IGBT關斷，保護主電路，同時在中文人機界面上精確定位顯示故障位置、類別，使故障點一目了然，適應于一般操作工人和維護人員的技能水平。
變頻器直接內置有PLC，易于改變控制邏輯關系，適應多變的現場需要；與機組的DCS系統實現真正的無縫接口。
采用外部模擬信號控制變頻器輸出頻率時(變頻器作為DCS的執行機構)，如果發生模擬信號掉線或短路時，變頻器可以提供報警信號，同時保持原有輸出頻率不變。
變頻器控制電源可接收交流220V和直流220V輸入，并配備有UPS，在控制電源發生故障時可以繼續運行，同時提供報警。
北京大唐發電股份有限公司張家口發電廠位于河北省張家口市，始建于1988年，目前擁有八臺裝機容量各為300兆瓦的機組，總裝機為2400兆瓦，是華北地區第一大電廠。2002年，北京大唐發電股份有限公司通過國際招標，對大批設備進行變頻改造。北京利德華福技術有限公司作為高壓變頻器國內標段的唯一的中標者，為我廠提供了兩套HARSVERT-A06/130高壓變頻器，用于6＃、8＃機組的凝結水泵改造項目。目前6＃機組＃1凝泵變頻器已穩定運行了3個多月，運行穩定，節能效果明顯
2、凝結水泵的運行工況
在汽輪機內做完功的蒸汽在凝汽器冷卻凝結之后，集中在熱水井中，這時凝結水泵的作用是把凝結水及時地送往除氧器中。維持凝結水泵連續、穩定運行是保持電廠安全、經濟生產地一個重要方面。
監視、調整凝汽器內的水位是凝結水泵運行中的一項主要工作。在正常運行狀態下，凝汽器內的水位不能過高或過低。當機組負荷升高時，凝結水量增加，凝汽器內的水位相應上升。當機組負荷降低時，凝汽器內水位相應降低。
凝結泵電機為6KV/1000KW電機，設計時有一定裕量，每臺機組配備二臺凝結泵，一臺運行，一臺備用。
沒有使用變頻器之前，凝汽器內的水位調整是通過改變凝結水泵出口閥門的開度進行的，調節線性度差，大量能量在閥門上損耗。同時由于頻繁的對閥門進行操作，導致閥門的可靠性下降，影響機組的穩定運行。
使用高壓變頻器后，凝結水泵出口閥門基本不需要頻繁調整，閥門開度保持在一個比較大的范圍內，通過調節變頻器的輸出頻率改變電機的轉速，達到調節出口流量的目的，滿足運行工況的要求。
3、HARSVERT-A06/130型高壓變頻器原理及特點
Harsvert-A系列高壓變頻器是由北京利德華福電氣技術有限公司生產，具有自主知識產權，適合國內電網特性，符合國內用戶使用習慣的調速系統。該系統為電壓源型高壓變頻器，具有運行穩定、調速范圍廣、輸出波形好、輸入電流諧波低、功率因數高、效率高等特點，對電網諧波污染小，總體諧波畸變THD小于4%，直接滿足IEEE519-1992的諧波抑制標準，不必采用輸入諧波濾波器，功率因數高，不必采用功率因數補償裝置，輸出波形好，不存在諧波引起的電機附加發熱和轉矩脈動、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問題，不必加輸出濾波器，就可以使用普通的異步電機。
Harsvert-A系列高壓變頻器采用單元串聯多電平PWM拓撲結構（簡稱CSML）。由若干個低壓PWM變頻功率單元串聯的方式實現直接高壓輸出,高壓主回路與控制器之間為光纖連接，安全可靠；精確的故障報警保護；具有電力電子保護和工業電氣保護功能，保證變頻器和電機在正常運行和故障時的安全可靠。
電網電壓（6kV）經過副邊多重化的隔離變壓器降壓后給功率單元供電，功率單元為三相輸入，單相輸出的交直交PWM電壓源型逆變器結構，相鄰功率單元的輸出端串接起來，形成Y接結構，實現變壓變頻的高壓直接輸出，供給高壓電機。6kV輸出電壓每相有7個額定電壓為480V的功率單元串聯而成，輸出相電壓3450V，線電壓達到6kV左右，每個功率單元承受全部的電機電流，但只提供1/7的相電壓和1/21的輸出功率。
每個功率單元分別由輸入變壓器的一組副邊供電，功率單元之間及變壓器二次繞組之間相互絕緣，二次繞組采用延邊三角形接法，實現多重化，以達到降低輸入諧波電流的目的，即使在電動機電流出現不平衡的情況下，也能保證各相位組的電流基本相同，達到理想的諧波抵消效果。對6kV輸出電壓，給21個功率單元供電的21個二次繞組每3個一組，分為7個不同的相位組，互差60/7度電度角，形成42脈沖的整流電路結構，輸入電流波形接近正弦波，總的諧波電流失真低于4%，輸入功率因數可以達到0.95以上。
逆變器輸出采用多電平移相式PWM技術，同一相的功率單元輸出相同幅值和相位的基波電壓，但串聯各單元的載波之間互相錯開一定電角度，實現多電平PWM，輸出電壓非常接近正弦波。輸出電壓每個電平臺階只有單元直流母線電壓大小，所以dv/dt很小，功率單元采用較低的開關頻率，以降低開關損耗，且輸出電平數增加。6kV輸出電壓輸出相電壓為15電平，線電壓為29電平，輸出等效開關頻9KHz，電平數和等效開關頻率的增加有利于改善輸出波形，降低輸出諧波，由諧波引起的電機發熱、噪音、轉矩脈動等都大大降低，可以直接用于普通異步電機，不會產生輸出電纜較長時行波反射引起的浪涌電壓增加而造成電機絕緣破壞問題。
采用功率單元串聯，而不是功率器件串聯，器件承受的最高電壓為單元內直流母線的電壓，器件不必串聯，不存在器件串聯引起的均壓問題。直接使用低壓IGBT功率模塊，器件工作在低壓狀態，不易發生故障；6kv變頻器共使用42對1200V低壓IGBT，低壓IGBT門極驅動功率較低，驅動電路非常簡單，開關頻率很低，不必采取均壓電路和浪涌吸收電路，系統效率高，同時功率單元采用電容濾波的結構，總體技術成熟可靠。
變頻器可以承受30%的電源電壓下降而繼續運行，變頻器的6KV主電源完全失電時，變頻器可以在3秒內不停機，能夠全面滿足變頻器動力母線切換時不停機的需要。另外6KV主電源欠壓時可不停機，自動降額，電壓正常后再恢復到原來速度。
采用二極管不可控整流電路結構，變頻器對浪涌電壓的承受能力較強，雷擊或開關操作引起的浪涌電壓可以經過變壓器（變壓器的阻抗一般為8%左右）產生浪涌電流，經過功率單元的整流二極管，給濾波電容充電，濾波電容足以吸收進入到單元內的浪涌能量，另外變壓器一次側安裝了壓敏電阻浪涌吸收裝置，起到進一步保護作用。
功率單元采用模塊化結構，同一變頻器內所有功率單元結構上完全一致，可以互換，維修非常方便，更換功率單元只要拆除3個交流輸入端子和2個交流輸出端子，以及1個光纖插頭，就可抽出整個單元。當某一功率模塊發生故障時，用戶在5分鐘內，經過簡單的操作就可以用備用功率模塊進行更換，保證系統可靠運行，所有功率模塊均有兩個指示燈，一個是帶電指示，另一個是運行指示，模塊的運行狀態一目了然。
功率單元為多極模塊串聯，某個模塊發生故障時自動旁路運行，便于現場采取對應措施；即在每個功率單元輸出端之間并聯旁路電路，當功率單元故障時，封鎖對應功率單元IGBT的觸發信號，然后讓旁路SCR導通，保證電機電流能通過，仍形成通路。為保證三相輸出電壓對稱，在旁路故障功率單元的同時，另外兩相對應的兩個功率單元也同時旁路。對于6kv的變頻器每相由7個功率單元串聯而成，當每相1個單元被旁路后，每相剩下6個功率單元，輸出最高電壓為額定電壓的86%，輸出電流仍可達到100%，輸出功率仍可達到86%左右，對于水泵負載轉速仍可達92%以上，基本能維持生產要求，大大提高了系統運行的可靠性。
輸入干式變壓器免維護，可靠性高。變壓器的防護與變頻器共同防護為IP21防護外殼，可防止直徑大于12mm的固體異物及鼠、蛇、貓、雀等小動物進入，造成短路停電等惡性故障，為帶電部分提供安全屏障。
高效率(>96%)，輸入功率因數高(>0.95)，電流諧波少(<4%)，無須功率因數補償/諧波抑制裝置；輸出階梯正弦PWM波形，無須輸出濾波裝置，對電纜、電機絕緣無損害，電機諧波少，減少軸承、葉片的機械振動，輸出線可以長達1000米；減少配件的損耗，延長設備使用壽命，提高勞動生產效率。
高的調速精度和精確的輸出頻率分辨率(0.01HZ)，輸出頻率0.5Hz—120Hz連續可調，完全可以滿足電力機組生產工藝工況的要求；電機可實現軟啟動、軟制動，轉速自動控制；啟動電流小于電機的額定電流；電機啟動時間可連續可調，減少了對電網影響。
變頻器預裝具有自主版權的全中文操作和監控軟件，本機及遠程啟停操作、功能設定、參數設定、故障查詢、運行記錄查詢等均采用全中文的WINDOWS操作界面；配備12.1"彩色液晶觸摸顯示屏，可實現完整的通用變頻器參數設定功能，可打印輸出運行報表；調整觸摸式面板，可隨時顯示電壓及電流波形、頻率和電機轉速，可非常直觀地顯示電機在任何時間的實時狀態；具有很強的診斷、指示能力：可檢測變頻器各部分的運行狀態，完整的故障監測電路、精確的故障定位，所有的功率模塊均為智能化設計，當有故障發生時，將故障信息返回到主控單元中，主控單元會及時將主要功率元件IGBT關斷，保護主電路，同時在中文人機界面上精確定位顯示故障位置、類別，使故障點一目了然，適應于一般操作工人和維護人員的技能水平。
變頻器直接內置有PLC，易于改變控制邏輯關系，適應多變的現場需要；與機組的DCS系統實現真正的無縫接口。
采用外部模擬信號控制變頻器輸出頻率時(變頻器作為DCS的執行機構)，如果發生模擬信號掉線或短路時，變頻器可以提供報警信號，同時保持原有輸出頻率不變。
變頻器控制電源可接收交流220V和直流220V輸入，并配備有UPS，在控制電源發生故障時可以繼續運行，同時提供報警。
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