1 前言
　　寧夏大唐國際大壩發(fā)電公司安裝的2臺600MW空冷火力發(fā)電機組，原靜葉可調式軸流引風機擬改為高壓變頻無級調速，不但實現了對鍋爐負壓的精確調整，同時也在節(jié)能降耗、提高電廠經濟效益、減少對設備的磨損、降低維護成本等方面拓展開了新局面。此次工程全部由國內自主設計、引風機廠用電率由0.9%下降至0.63%。項目當前是國內發(fā)電廠應用功率最大的高壓變頻系統(tǒng)設施，且全部自主建設、自主制造、自主調試、自主運行管理，并擁有國內領先水平的高壓變頻調速系統(tǒng)。（圖1、2為合康變頻器運行現場）
　　引風機變頻改造后，每臺機組日均發(fā)電量1050萬度電時，調速系統(tǒng)（6KV 4500KW），實現了國內高壓變頻領域在靜葉可調式軸流風機上的可靠使用，并具有良好的節(jié)能效益。此次改造，不但為發(fā)電廠靜葉可調式軸流引風機在高壓變頻改造領域方面積累了寶貴的經驗，也為西北地區(qū)其它相同等級發(fā)電廠高壓變頻的節(jié)能改造建設提供了借鑒。
　　2  HIVERT-Y06/545的高壓變頻器技術指標(性能)簡介
　　一般高壓變頻器安裝標準為海拔1000米以下。這與空氣的密度有關，海拔1000米以下空氣的密度基本維持不變，但隨著海拔高度的升高，空氣變得越來越稀薄，高壓變頻器冷卻能力有所下降。鑒于此，在海拔比較高的地區(qū)需選用有足夠富裕量的高壓變頻器，否則就會頻繁出現過流、過載、過熱等跳閘現象。另外一個原因是空氣較稀薄的地區(qū)，易發(fā)生擊穿放電現象。
　　針對高海拔使用現狀，選用額定功率為HIVERT-Y06/545（4500KW）的高壓變頻器，能有效解決高海拔變頻器降容問題。
　　高壓變頻器中所有的PCB電路板，均做了三防漆處理，三防漆可以為PCB電路板提供更好的抗灰塵、抗潮濕、抗霉變、耐腐蝕和抗振動的超強保護。同時三防漆還可以對電路和組件起到保護作用，防止它們直接放電和增大爬電距離。
　　由于高海拔的影響，裸露于外的銅排在棱角、尖銳處容易出現尖峰放電現象。高壓變頻所有銅排均做過鍍鎳、鍍鉻處理，以防止銅排表面氧化，影響通流能力。同時將所有的銅排棱角、尖銳做特殊的打磨處理，避免出現尖峰放電問題。
　　鑒于高海拔地區(qū)因空氣稀薄易出現空氣直接擊穿的問題，改造者在6KV高壓變頻設計中，將所有的電氣間隙及爬電距離統(tǒng)一按照10KV系統(tǒng)進行設計、配置，有效避免了此類問題的出現。

表1 通用高壓變頻與HIVERT-Y06/545技術參數對比情況

　　3控制系統(tǒng)概述 
　　3.1控制系統(tǒng)的選用——雙核DSP控制系統(tǒng)
　　主控板采用高速DSP，完成對電機控制的所有功能，運用正弦波空間矢量方式產生脈寬調制的三相電壓指令。通過通訊口與人機界面主控板進行交換數據，提供變頻器的狀態(tài)參數，并接受來人機界面主控板的參數設置。
　　人機界面采用高速DSP，提供友好的全中文操作界面，負責信息處理和與外部的通訊聯系，可選上位監(jiān)控而實現變頻器的網絡化控制。通過主控板和IO接口板通訊傳來的數據，計算出電流、電壓、功率、運行頻率等運行參數，提供表計功能，并實現對電機的過載、過流告警和保護。通過通訊口與主控板連接、IO接口板連接，實時監(jiān)控變頻器系統(tǒng)的狀態(tài)。
　　雙DSP控制系統(tǒng)，無需人工控機，具備功耗小，發(fā)熱量小，軟件簡單，實時性好，可靠性高等特點。速度高達納秒級，比工控機的響應速度快幾十倍，杜絕了變頻器死機問題。
　　3.2控制方式選用——無速度傳感矢量控制技術
　　在轉子磁場定向的同步旋轉坐標系下，定子電流可分解為兩個獨立的分量：勵磁電流分量與轉矩電流分量。在控制轉子磁通恒定的前提下，電機轉矩與定子電流的分量成正比。從而實現了轉子磁通和轉矩的解耦控制。這樣，在轉子磁場定向的坐標系下，矢量控制就是把定子電流中的勵磁電流分量與轉矩電流分量分解成兩個垂直的直流變量，分別進行控制。通過坐標變換重建的電動機模型就可等效為一臺直流電動機，從而可以實現直流電動機那樣進行轉矩和磁通控制。

圖1 無速度傳感矢量控制原理圖

　　4 HIVERT高壓變頻主電路構造原理 
　　HIVERT系列高壓變頻器采用交-直-交直接高壓（高-高）方式，主電路開關元件為IGBT。由于IGBT耐壓所限，無法直接逆變輸出6kV，且因開關頻率高、均壓難度大等技術難題無法完成直接串聯。HIVERT變頻器采用功率單元串聯，疊波升壓，充分利用常壓變頻器的成熟技術，因而具有很高的可靠性。圖2為6kV系列典型主電路圖。

圖2 HIVERT-Y高壓變頻器6kV系列主電路圖

　　隔離變壓器為三相干式整流變壓器，風冷，有使用壽命長、免維護等優(yōu)點。變壓器原邊輸入可為任意電壓，Y接；副邊繞組數量依變頻器電壓等級及結構而定， 6kV系列為18個，延邊三角形接法，為每個功率單元提供三相電源輸入。
　　為了最大限度抑制輸入側諧波含量，同一相的副邊繞組通過延邊三角形接法移相，繞組間的相位差由下式計算：
　　移相角度 =   60°/每相單元數量 
　　由于為功率單元提供電源的變壓器副邊繞組間有一定的相位差，從而消除了大部分由單個功率單元所引起的諧波電流，所以HIVERT變頻器輸入電流的總諧波含量（THD）遠小于國家標準5%的要求，并且能保持接近1的輸入功率因數。

圖3 6kV系列電壓疊加圖

　　三相輸出Y接，得到驅動電機所需的可變頻三相高壓電源。圖3為6kV（六單元）、變頻器系列的電壓疊加示意圖。

圖4 6kV系列單元輸出及相電壓波形示意圖

　　圖4為六個580VAC功率單元串聯時，每個功率單元輸出的電壓波形及其串聯后輸出的相電壓波形示意圖，可以得到6～0～-6共13個不同的電壓等級。增加電壓等級的同時，每個等級的電壓值大為降低，從而減小了dv/dt對電機絕緣的破壞，并大大削弱了輸出電壓的諧波含量，圖5為6kV六單元變頻器輸出的Uab線電壓波形實錄圖，峰值電壓為8.5kV。因為電機電感的濾波效果，輸出電流波形更優(yōu)于電壓波形，圖5`即為輸出電流Ia的實錄波形圖，峰值電流130A。電壓等級數量的增加，大大改善了變頻器的輸出性能，輸出波形幾乎接近正弦波。  

圖5 輸出線電壓波形                        圖5` 輸出電流波形

　　功率單元原理見圖6，輸入電源端R、S、T接變壓器二次線圈的三相低壓輸出，三相二極管全波整流為直流環(huán)節(jié)電容充電，電容上的電壓提供給由IGBT組成的單相H形橋式逆變電路。
 

圖6 功率單元原理圖

　　5改造后效益概述
　　5.1降低設備損耗，延長設備使用壽命
　　靜葉可調軸流式風機的工作原理：氣體被進風箱均勻的吸入，通過前導器改變氣流的流量和氣流的預定方向。轉動葉輪上的葉片對氣流沿圓周方向向上做功，提高了氣流的壓力能和動能。同時，氣流在流道形狀收縮的葉片子午面上得到加速。通過靜子（后導葉）和擴壓器將一部分氣體的動能轉化為靜壓能的軸流式通風機。前導器是一組不隨風機轉動的葉片，安裝在風機工作輪的前面，用來改變風機入口風流的速度。葉片角度可根據要求調節(jié)，用來變化風機的特性曲線。
　　原控制方式中通過改變風機靜葉的角度來調節(jié)風量盡管比一般采用控制入口擋板開度來實現風量的調節(jié)有一定的節(jié)能效果，但是節(jié)流損失仍然很大，特別是低負荷時節(jié)流損失更大。其次靜葉調節(jié)動作遲緩，造成機組負荷相應遲滯。異步電動機在啟動時啟動電流一般達到電機額定電流的5-7倍，對廠用電形成沖擊，同時強大的沖擊轉矩對電機和風機的使用壽命存在很大不利影響。
　　在此次高壓變頻系統(tǒng)改造中，預先測定靜葉可調軸流式風機在最高效率區(qū)時最大靜葉開度值作為變頻運行時的風門開度。由于變頻運行時，風機效率曲線平行位移，最高效率區(qū)時最大靜葉可以保證在變頻運行時，風機始終處于最佳效率區(qū)。其流量與轉速的一次方成正比，壓力與轉速的平方成正比，軸功率與轉速的三次方成正比，當風機轉速降低后，其軸功率隨轉速的三次方降低，驅動風機的電機所需的電功率有效降低。采用變頻調速后可以實現對引風機電機轉速的線性調節(jié)，通過改變電動機轉速使爐膛負壓、鍋爐氧量等指標與引風機風量維持一定的關系。
　　5.2有效避免機械共振、風機喘震
　　高壓大容量風機應用高壓變頻改造后，由固定轉速運行方式進入變速運行方式，設備的運行狀態(tài)發(fā)生了很大的變化。同時由于風機廠家設計時，基本按固定轉速方式設計及測試，在變頻運行時可能會帶來機械共振，風機喘震等問題。所以高壓大容量風機在高壓變頻改造時，對可能出現的問題給予足夠的重視。
　　在此次高壓變頻系統(tǒng)改造中，重點關注此問題。高壓變頻系統(tǒng)參數中設置有共振頻率跳轉設置，共有2對頻率跳轉設置，可設定頻率跳轉起始頻率點及恢復頻率點，能使電機避開共振點運行，讓風機不喘震。
　　在實際設備投運過程中，DCS操作人員通過DCS遠端從0-50HZ逐漸調整轉速，間隔為1HZ，每個頻率點運轉1分鐘，同時測試人員在風機本體附近測試風機的震動，記錄在各頻率段的震幅值內。
　　通過現場實際操作檢測，在各頻率段，風機各項震動值基本處于正常范圍之內。由于引風機實際運行中，運行頻率會較高，同時為避免變頻在低頻區(qū)的轉矩波動問題，在DCS參數操作盒中設定最低運行頻率，保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。
　　5.3提高鍋爐系統(tǒng)的綜合效益對比
　　目前電廠引風機風量為入口靜葉調節(jié)方式，調解精度差、效率低，特別是近幾年寧夏電網的負荷峰谷差越來越大，頻繁的調峰任務使部分輔機仍然運行在工頻狀態(tài)下，造成大量電能流失。
　　四臺引風機節(jié)能改造前，按2010年利用小時數6453，負荷率82.58%，運行平均電流為272A計算，全年耗電量為6055.75萬KWh，按2010年發(fā)電煤耗309.82g/KWh折算，耗用標煤18762噸。
　　為了提高鍋爐系統(tǒng)的綜合經濟性以及降低能耗，需對兩臺鍋爐、四臺引風機電機進行變頻調速改造，利用高壓變頻調速技術改變設備的運行速度，以實現各運行工況所需風壓、風量，達到節(jié)約電能，提高鍋爐出力和效率的作用。
　　具體方法是：優(yōu)化引風機風量及爐膛負壓控制系統(tǒng)，增加四臺引風機高壓變頻裝置，并設置旁路裝置，使引風機電機可在工頻、變頻兩種狀態(tài)下運行，同時與引風機靜葉調節(jié)相配合，適合鍋爐各個運行工況，達到節(jié)能目的。
　　鍋爐引風機系統(tǒng)技術改造能耗基礎數據
　　制造廠設計值：引風機電流497 A（額定電流）
　　改造前能耗數據：引風機電流272A（負荷率82.58%）
　　改造后能耗數據：引風機電流225A（負荷率82.58%）
　　鍋爐引風機系統(tǒng)技術改造項目節(jié)能量測算公式
　　計算時間段：1年
　　引風機裝機臺數：4
　　引風機改造后節(jié)約標煤量
　　=1.732×電壓×（電流變化量）×功率因數×年利用小時×發(fā)電煤耗率×4
　　鍋爐引風機系統(tǒng)技術改造項目節(jié)能量計算過程
　　計算時間段：1年
　　引風機裝機臺數：4
　　引風機改造后節(jié)約標煤量
　　=1.732×電壓×（電流變化量）×功率因數×年利用小時×發(fā)電煤耗率×4
　　=1.732×6KV×（272-225）A×0.83×6453×309.82g/kWh×4
　　=3242噸
　　表2 變頻改造效益分析對比

　　備注:以上計算采用平均負荷計算方式,所有計算數據均以單臺引風機為計算基礎.
　　6 結束語
　　通過HIVERT高壓變頻器改造后的實際運行情況來看，該設備運行比較穩(wěn)定、調速操作簡單、維護方便，給操作人員和維護人員帶來了很大方便，在高產穩(wěn)產、降低能耗和安全環(huán)保等方面發(fā)揮了很大作用，達到了設計預期效果，并創(chuàng)造了良好的經濟效益，值得在廣大發(fā)電領域推廣和使用。