发电厂高压变频设计探讨

王继工，高 波

(江苏省电力设计院，江苏 南京 211102)

随着厂网分离、发电企业市场化程度的加剧，运行综合厂用电率已成为发电厂考核的重要指标，直接关系到电厂的经济效益和企业竞争力。对于多数火电机组，其厂用电占发电量的4%～7%，主要负荷为火电机组的辅机设备。而针对辅机的变频改造可显著地降低厂用电成本，且具有重大经济效益。变频器在降低厂用电率的同时，保证机组安全、可靠的运行正在成为电厂十分关注的问题。因此，高压变频电动机的安全稳定运行，成为保障电厂安全的关键，具有重要的现实意义。

1 高压变频电动机工作性能

1.1 发电厂中高压变频的特点

高压变频接线的电动机一类是用于调速，一类是用于节能。在发电厂中应用高压变频的电动机，主要是通过变频调速用于节能，其运行的频率范围一般小于50 Hz，其负载类型主要为恒转矩（T=C），二次方减转矩T∝n2[1]。

电厂内运煤皮带、空气压缩机电动机在变频的情况下，当运行频率在 20～50Hz 时，转矩 T∝（U/f）2，而U/f=C是个常数，所以电动机是以恒转矩调速的。当运行频率低于或等于20 Hz时，由于低频时定子绕阻的压降不可忽视，表现为输出转矩减少，所以变频器都要有低频区电压补偿。

电厂内风机、泵类的负载，其空气或液体在一定的速度范围内所产生的阻力矩大致与转速n的平方成正比。随着转速的减小，转矩T按转速n的2次方减小。这种负载所需功率P与转速n的3次方成正比。所需风量、流量减小时，利用变频器通过调速可以大幅度地节约电能。

在1000 MW的机组中，常有8000 kW及以上大电动机的方案。在校验起动电压降时会遇到不满足起动要求的情况，变频起动则是除调速与节能之外，高压变频器一种新的用途。通过采用减小基础频率，提高启动矩转的办法，使得电压上升的速度加快，有效的获得更大的起动转矩上升倍数。

1.2 高压变频器的谐波干扰

高压变频器的谐波干扰主要体现在输入侧电流及输出侧电流、电压。不同型式的高压变频器，其波型中的谐波含量、次数及幅值都不一样。

江苏省电力设计院 《发电厂辅机变频干扰机理分析及解决方案计算研究》课题组对江苏省5家火力发电厂的高压变频器进行了运行测试，对测试数据进行了仿真计算和分析小结。

（1）早期的直接串联电流型变频器及高压二电平、三电平电压源型变频器，元器件少，元件耐压高。虽然有滤波器但这类装置的输入输出侧，在谐波方面，特别是11，13，23，25次谐波电流畸变率均大过国家标准数倍，也引发过电动机振动超标。其输入侧电流、输出侧电压、输出侧电流如图1—3所示。从图1—3发现，波形畸变严重。

图3 高压三电平型变频器输出侧电流波形

（2）单元级联多电平变频器，采用多个独立的低压功率单元串联实现高压输出，由于采用了移相变压器，二次侧多组绕组延边三角接法，每组绕组与原边的线电压均按一定的相位差排列，使得输入侧的谐波电流折算到变压器一次侧时相互抵消，大大改善输入侧的电流波型，基本上消除了变频器对电网的谐波污染。输出侧由于是电压叠加的原理，每个功率单元输出电流的谐波均被抑制在很小的范围，串联的级数越多，输出电流谐波出现次数越高、数值越小，基本可以忽略不计。输出电压为多个功率单元迭加所得，谐波很小。所以很多制造厂将其称为“完美无谐波”变频器，对电动机和动力电缆的选型也无特殊要求。其输入侧电流、输出侧电压、输出侧电流如图4—6所示。

综上所述，为减少电厂内谐波污染，保证厂用电母线电压质量，保证微机保护安全可靠运行，保护电动机的绝缘性能，宜选择单元级联多电平变频器。

2 高压变频调速系统的设计方法与注意事项

2.1 高压变频调速系统的接线

高压变频系统通常由高压电源进线设备、变频器、高压真空接触器和电动机构成，考虑到某些辅机运行的不可间断性，还要配备工频旁路。一旦变频器出现严重故障或例行检修维护时，投入工频旁路，以保证辅机工频拖动，不影响机组正常运行。其系统接线主要有以下几种。

2.1.1 一拖一接线

带手动旁路的系统接线如图7所示。工频与变频运行的切换必须是在停机后进行。带自动旁路的系统接线如图8所示。工频与变频切换可以自动进行。值得注意的是，受电动机容量影响，若图8中高压熔断器改为高压断路器，由于高压接触器的额定短时耐受电流值低，需校核其热稳定值。

2.1.2 一拖二接线

一种典型的一拖二变频系统接线如图9所示。

此接线的特点为每台电动机为单独的工频回路供电，继电保护无需切换。由于变频运行时，变频器已限制了通过接触器-KM!、2的故障电流，所以不论高压侧采用F-C或断路器方案，此方案均不要考虑工频与变频运行方式切换的接触器-KM!、2动、热稳定。

2.2 高压变频系统的继电保护

不带旁路的单一回路供电的高压变频器，不论电动机大小，建议继电保护按供电回路选择综合保护装置。电动机保护交由变频器处理，一般情况下，变频器回路电流超过设定值时会自动关断，因此，2 MW及以上的电动机可不设差动保护。

单一回路供电带旁路的高压变频器，变频运行电动机保护交由变频器来处理，电源回路由综合保护装置来保护，由于需兼顾旁路运行，综合保护装置应选用电动机保护型式。对于大于2 MW及以上的电动机，在工频运行时，需要设立差动保护，差动保护由高压开关柜内电流互感器（TA）与电动机中性点TA构成的差动电流回路实现。建议差动保护设置单独的综合保护装置，当变频运行时应闭锁差动保护。

对一拖二的三电源回路供电回路，工频供电回路继电保护按常规电动机配置，变频回路电动机继电保护交由变频器处理。对于大于2 MW及以上的电动机回路，其差动保护的装设同上。

2.3 高压变频系统设计注意事项

2.3.1 高压变频器的使用误区

应当认识到高压变频器与软起动器是不同的。软起动器归类为降压起动器，电磁转矩T∝U2。虽然也是利用降低电压而降低起动电流，但电磁转矩随电压降低成平方的关系下降，同样的荷载下延长起动时间，据相关显示延长起动时间3～5倍以上。采用高压变频器可以简化工艺系统的调节环节，但完全取代工艺系统调节环节，在现阶段是不经济、不合理的。高压变频器工作频率在20～50 Hz范围是合适的，但如果长期工作在低频状态，对于电动机是不利的。应注意工艺专业滥用变频装置的倾向。

2.3.2 高压变频器的节能计算

当电动机负载率长期在40%以下，或运行频率在20 Hz以下时，由于电动机自带风扇通风量减少，会产生电动机过热，使绝缘受损，这时应配置其它独立冷却方式。在高压变频器的节能计算中，还应包括为满足装置运行环境增加的空调设备，这些设备是按变频器额定工况下的发热量选择，一般占到变频器额定容量的3%～7%。

2.3.3 抑制高压变频器的谐波干扰

对于高压变频器的型式，现阶段建议选择单元级联多电平变频器。在同样的额定电压下，每组的串联的功率单元越多，则谐波可能发生的次数高、数值小，影响可以忽略。当一段母线上所接变频负荷的总容量不大于电源容量的10%时，一般谐波干扰不会影响供电的质量。

高压变频器距电动机越近越有利减轻谐波的干扰。控制电缆应采用屏蔽电缆。当控制电缆与高压变频装置输出侧的电动机电缆平行长度在1～10 m，其间距离应大于0.3 m。若两者平行长度大于10 m时，其间距应大于0.3×平行长度/10 m。变频器内部的接地应与柜体的接地分开，经与柜体绝缘的接地母排汇总后，通过单芯绝缘电缆就近直接与接地网相连。

2.3.4 高压变频器的“飞车起动”功能

电动机转子在旋转状态下的变频器起动即 “飞车起动”功能。由于在电厂中大型风机、水泵的转动惯量都很大，惰走时间很长。当电网原因、误操作或随机干扰使变频器掉电又重新上电，这时电动机的转子还处于旋转状态，若变频器无“飞车起动”功能，则所带电动机不能及时恢复运行，将使工艺系统联锁瓦解和机组停运。

在高压变频装置“一拖多”的接线中，只要出现“工频切变频”情况，同样要求高压变频器必须具有“飞车起动”功能。因此高压变频器设备选择时，特别注意应要求其具有“飞车起动”功能。

3 结束语

通过多年来的工程实践，在不断总结的基础上，本文所介绍的设计方法、注意事项已在包括华能巢湖电厂、华润南热电厂、国信新海电厂、华电句容电厂在内的多个1000 MW，600 MW级电厂中得以应用。有效地降低了厂用电率、避免了谐波干扰，在满足工艺各种运行工况的前提下，保证了高压变频器安全正常的运行。

在工程设计中，只有认真了解工艺的运行要求，正确地选择高压变频器，确定系统接线方案，选择好配套的电器设备参数，在布置上避开电磁干扰的影响，才能使用好高压变频，获得更大的效益。

[1]张选正，张金远.变频器应用技术与实践[M].北京：中国电力出版社，2010.