ROBICON高压变频调速系统在发电厂的应用

    从目前高压变频器的一般使用情况来看，对风机类负载平均节电可达30%，因而，无论是在新建项目中，还是在技改项目中，高压变频系统的投入和使用，是非常有效的节能手段。另外，在大容量风机、水泵等设备上采用高压变频器调节风量（水量），比节流调节风量（水量）和其他变转速调节方式（如液力耦合器调速和电动机串级调速）具有效率高、调节精度高、响应速度快、调节线性度好、运行可靠等优点，可以优化工艺、提高自动投入率。

    1．变频器选择

    发电厂采用高压变频调速以节能降耗、提高经济性为主要目的。在节约厂用电、减少设备磨损、延长设备使用寿命的同时，收到改善调节品质，提高自动投入率等其他安全经济效益。要求高压变频调速装置的引入能够提高设备系统的可靠性，而不是降低了系统的可靠性。为此要求高压变频器能够适应电厂各种正常和异常使用工况，例如电源电压的波动和负荷的急剧变化、环境中的粉尘等环境条件。

   (1)高压变频器的主回路结构选择。目前世界上的高压变频器不像低压变频器那样具有统一的主回路结构，主要原因是受限于目前功率器件的电压等级。如何满足高压使用的要求，国内外各变频器生产厂商推出不同的高压变频器的主电路拓扑结构，因此其主电路结构不尽一致，必然会带来变频器产品在性能指标上的差异。对于不同的使用要求，首先应该选择适合的主回路结构。对于电厂重要辅机的高压变频装置，在性能指标满足要求的前提下，应优先选择高可靠性的产品。如结构简单、使用器件少，或采用了冗余设计的产品等。

   (2)三电平变频器的输出电压选择。三电平逆变器的结构简单、体积小、成本低、使用功率器件数量最少（12只），避免了器件的串联，提高了装置的可靠性指标。根据目前IGCT及高压IGBT的耐压水平，三电平逆变器的最高输出电压等级为4.16kV，当输出电压要求6kV时，采用12个功率器件已不能满足要求，必须采用器件串联，除了增加成本外，必然会带来均压问题，失去了三电平结构的优势，并且会大大影响系统的可靠性。若采用9kV耐压的IGCT，则三电平变频器可直接输出6kV，但是谐波及du/dt也相应增加，必须加强滤波功能以满足THD指标。在9kV耐压的器件出现之前，对于6kV高压电动机，可采用Y/△改接的办法，将Y形接法的6kV电动机改为△接法，线电压为3.47kV，采用3.3kV或4.16kV输出的变频器即能满足要求，同时也满足了IGCT电压型变频器对电动机的绝缘等级提高一级的要求，因此这个方案是比较经济合理的。但在进行Y/A改接后，电动机电压与电网电压不一致，无法实现旁路功能，当变频器出现故障时，又要保证生产的正常进行，必须首先将电动机改回Y形接法，再投入6kV电网。为此，电动机的Y/△改接应通过Y/△切换柜实现，以便实现旁路功能。

    还有一种方法是在逆变器输出侧再加一套升压变压器，实现6kV电压直接输出。一般认为，升压变压器会增加变频器装置的投资，同时增加0.3%左右的损耗。

   (3)高压变频器功率选择和变频器的过载能力。选择变频器功率要综合考查输出功率和输出电流应与电动机的额定功率和额定电流相匹配。变频器的过载能力一般比较差，例如某进口变频器对过载保护设置为120%额定负载下允许运行1min；电流达到150%额定负载时，过载保护立即动作。在选择变频器时，如果瞬时负载超过了变频器的过载耐量，即使变频器与电动机容量相当，也应选择大一等级的变频器。这一点对于风机类负载尤其要引起重视。

   (4)变频器的加速、减速和制动性能。对变频器的加速、减速和制动性能要求与负载性质、调整要求有关。不同结构原理的变频器，加速、减速和制动性能有较大区别，应根据负载特性设定加速、减速参数和选择制动方式。

    2．变频调速系统的设计

   (1)旁路设计。大型火力发电厂要求辅机设备具有高可靠性。从理论上讲，合理采用旁路设计可以使系统可靠性提高。美国罗宾康( ROBICON)公司生产的变频器，在单个功率单元故障时，可以将故障单元旁路掉，整套系统继续运行。在国内电厂的工程实际中，也多数采用手动切换到旁路工频运行方式的设计，当整套变频器故障停运时，实现旁路工频运行。而采用备用／旁路开关自动切换的方式实现变频到工频的切换，在系统设计中应注意以下事项：

   1)自动切换的元件必须采用断路器。

   2)因用于实现自动切换功能的断路器始终带电运行，必须设有防止断路器误操作的连锁装置。

   3)增设自动切换功能应不降低系统的可靠性。

   (2)厂用电的电压波动。变频器对输入电压的要求比较苛刻。电压幅值或频率变化均有可能造成变频器异常。而发电厂的厂用电由于其用电负荷的特殊性，引起厂用电电压波动的因素较多，在变频器选用时应考虑到发电厂厂用电的特殊性。造成发电厂厂用电电压大幅波动（下降）和频率变化有以下3种常见工况：

   1)备用电源自投。在考虑慢速切换的情况，电压下降到额定电压的20%～40%以下，时间为1～1.5s。

   2)电动机启动及自启动造成高、低压母线电压下降。对于高温高压电厂，设计上保证高压母线自启动，母线电压不低于额定电压的65%；高、低压母线串联自启动，低压母线电压不低于额定电压的55%。

   3)短路的影响。按继电保护的后备保护动作1.5s切除故障考虑，故障期间母线电压降低。

    因此，在变频器选择和参数设置上，考虑最恶劣的情况，应做到在以上三种工况下变频器能够相对持续稳定运行，变频器和高压开关不应跳闸。

   (3)变频器的使用环境和冷却通风设计。高压变频器要求户内安装，对安装地点的环境要求比较高。高压变频室的设计应参照高压配电室的设计规定。同时高压变频器自身的功率损耗比较大、高压变频室必须解决设备散热问题。高压变频器（成套设备）的效率，在达到额定负载时，一般为96.5%~ 97%。可以认为最大发热功率为额定容量的3%~ 3.5%。以1台1800kVA的变频器为例，理论最大发热功率为：1800×3.5%= 63  (kW)。在变频器安装设计中，应把变频器通风设计列为重点考虑的内容。

    由于高压变频器发热量大、设备本身带有冷却风机，因此变频器和隔离变压器冷却风机出口宜直接排向室外，从而避免冷、热风在高压变频室内混合。高压变频室冷风入口应加装合适的滤网，并定期清理、更换。