变频器在庄河发电厂凝泵电机上的应用

徐淑新，朱红玉，吕广飞

(1.国电庄河发电厂，辽宁大连 116431;2.内蒙古电科院，内蒙古包头 014040)

0 引言

国电电力大连庄河发电厂2×600MW超临界机组，2007年投产。随着辽宁电网火电装机容量的快速增长，2台机组经常运行在有功功率300～400MW工况下。高压厂用电为6kV电压等级，全部6kV风机类及泵类电机额定功率都是按照机组有功功率600MW工况下设计的并留有一定的裕量。在机组低负荷时各电机依然以额定转速输出额定功率，所以要通过调节管道入口或出口的挡板、阀门开度来降低给风量及给水量，大量的能源都消耗在挡板、阀门的截流过程中，同时挡板、阀门的材料及维修人力消耗也较大。随着变频技术的快速发展，应用变频器调节，可使电机按着发电机实际负荷需要的给风量及给水量降低转速运行而输出较小的功率，可节约大量的电能并减少阀门和挡板的损坏。

1 凝结水泵高压电机变频器的选型

目前，电力系统中运行的高压变频器一般可以分为国产和进口两种类型，进口品牌主要以三菱、ABB、西门子为主，而国产品牌较多，生产区域集中在北京、福建、广东等地。国产的高压变频器多以串联多重化技术为基础，部分开始采用IGBT器件，适合节能调速;功率等级较低，一般不超过3500kW。

通过认真研究，从产品质量、性能、售后服务及改造成本等综合考虑，确定采用北京利得华福电气技术有限公司HARSVERT－A系列变频器。变频器主要技术参数见表1。

表1 变频器主要技术参数

2 变频器的工作原理

2.1 系统原理

HARSVERT－A06/240高压变频器由移相变压器、功率单元和控制器组成。有15个功率单元，每5个功率单元串联成一相。每个功率单元结构上完全一致，可以互换，通过对IGBT逆变桥进行正弦PWM控制。输入侧由移相变压器给每个单元供电，移相变压器的副边绕组分为三组，构成42脉冲整流方式，这种多级移相叠加的整流方式大大改善了电网侧的电流波形，使其负载下的网侧功率因数接近1。另外，由于变压器副边绕组的独立性，使每个功率单元的主回路相对独立。输出侧由每个单元的U/V输出端子相互串联而成星型接法给电机供电，通过对每个单元的PWM波形进行重组，得到阶梯PWM波形。

控制器核心由高速单片机来实现，精心设计的算法可以保证电机达到最优的运行性能。控制器还包括1台内置的PLC，用于柜体内开关信号的逻辑处理，以及与现场各种操作信号和状态信号的协调，增强了系统的灵活性。控制器结构上采用VME标准箱体结构，各控制单元板采用EPGA、GPLD等大规模集成电路和表面焊接技术可靠性高。另外，控制器与功率单元之间采用光纤通讯技术，具有级高的安全性，同时具有很好的抗电磁干扰性能。

2.2 主要特点

(1)可保证低电压穿越时，凝结水泵电机不停机。辽宁电网连续发生在电网故障电压下降时，并网发电厂辅机变频器停止运行造成机组停机事故，为此辽宁电网公司对并网发电厂变频器提出了防止低电压穿越时防止误动的改造通知，以保证电网的安全稳定运行。本装置在低电压－10% ～－35%时延时20s跳闸。由于电网电压恢复时间远远小于20s，所以可保证低电压穿越时凝结水泵电机不停机。另外6kV主电源欠压时可不停机，自动降转速，电压正常后再恢复到原来速度。

(2)装置采用 U/f=C控制方式，通过调整PWM系数调整C的大小。由于泵类负载是典型的平方转矩负载，低速下负载非常小，并与转速的平方成正比。所以电机转速低时，电机输入端的电压按比例降低，消耗的电功率大大降低。启动电流小于电机的额定电流，电机启动时间可连续可调，减少了对电网影响。

(3)变频器工控机装有全中文操作的监控软件，可在本机就地操作也可远程操作。功能设定、参数设定、故障查询、运行记录查询等均采用全中文的WINDOWS操作界面。

3 变频器的安装与调试

3.1 变频器的安装

变频器功率管是大功率控制原件，发热量较大，随环境温度的升，高变频器的故障率急剧上升，必须严格控制变频室温度在0℃ ～40℃之间。因此变频室应封闭，为保证环境温度及湿度，安装了3台空调，二用一备，并配有温度计和湿度计。动力电缆和控制电缆应分层铺设，电气控制电缆要两端屏蔽接地;热控控制电缆在DCS控制柜侧单端接地。

3.2 变频器的调试

通过工控机完成以下系统功能设置:运行方式选择手动方式，给定频率完全由用户手动设定;启动方式选择为正常启动，此时变频器开环运行于设定频率;运行方式选择为开环运行模式，变频器的运行频率由外部DCS模拟信号直接给定;频率设定选择为模拟给定，接受外部DCS模拟信号，经过模数处理后得到给定频率;上位机控制选择远方DCS控制;柜门联锁设置为允许，高压变频调速系统运行时打开柜门报警，可维持运行而不跳闸。

通过工控机完成以下参数设置:超温设置，设置模块温度跳闸值80℃为当模块温度超过此值时，即发出超温跳闸;变频器输出的最低频率为30Hz，最高频率为50Hz;加速时间设置太短则电机加速过程容易过流，所以根据实际工况调整为130s;减速时间太短可能导致过流及功率单元过电压故障，所以根据实际工况调整为150s;电机参数设置，输入电机实际的额定电流、额定功率、电机级数。

3.3 调试的重点检查内容

(1)变频装置输出电流谐波实测数值为1.4%，实际检测凝结水泵运行确保没有谐振及异音。

(2)变频装置对电网反馈的电流谐波的实测值为1.8%，观察6kV其他高压厂用电机及负载的运行情况。

(3)严格防止变频与工频并列运行，如果运行不当将变频器输出的变频电压串入6kV厂用电将造成严重事故，所以要对各开关互锁逻辑进行严密的试验。QS1和QS2互锁:QS1和QS2只能有一个刀闸处于合位，电气、机载双重闭锁;QS1合闸后应闭锁QF1开关;QS2合闸后应闭锁QF3开关。

(4)变频器重故障时退出变频运行方式自动转为工频运行方式，凝结水系统能满足运行工况。

4 凝结泵变频改造后运行方式

4.1 电气一次系统运行方式

庄河电厂每台机组配有2台2000kW的凝结水泵电机，1台电机可满足机组满载下凝结水系统的运行。电气一次系统包括:凝结水系统高压开关QF1/QF2/QF3、真空接触器 KM1/KM2、变频器、变压器QS1/QS2刀阐。正常电机运行在变频方式，变频器故障时自动切换到另一台电机工频运行方式。如甲电机变频运行时，乙电机工频备用状态:QF1处停电状态，QS2分闸位;合 QS1，合 KM1，合 QF2，启动变频器，甲电机变频运行，QF3热备用状态。当甲电机变频运行故障时变频器发出故障指令跳开QF2、KM2，联合QF3乙电机工频运行。乙电机变频运行时，甲电机工频备用状态。

4.2 继电保护运行方式

工频运行时，QF1开关、QF3开关配置电动机保护。为实现变频运行时电动机保护退出运行，变频器故障自动切换到工频运行时电动机保护自动投入，由KM1、KM2开关辅助接点控制QF1开关、QF3开关保护的投退。由于变频运行时，电机中性点的变频电流流入差动继电器，使得差动继电器一直处于动作状态，误发动作信号，所以在电动机保护装置软件中做了逻辑修改，变频工作状态时，差动保护退出工作变频运行时，QF2配置变压器保护装置1台，保护范围伸到变频器变压器低压侧。电动机保护由变频器内设的保护来实现。

4.3 凝结水系统运行方式

变频器运行时，通过调节凝结泵转速调节凝结水流量，控制除氧器水位。旁路门关闭，其他调门置于全开位置。工频运行时，在低负荷阶段采用旁路调节阀控制除氧器水位，达到一定负荷后采用除氧器水位调节阀来控制除氧器水位。

4.4 DCS 逻辑控制

凝结水泵变频器作为凝结水控制系统DCS的一个执行器，最终需要由DCS实现凝结水系统高压开关 QF1/QF2/QF3、真空接触器 KW1/KW2、除氧器水位的控制。

5 经济效益分析

庄河电厂1号机组凝结水泵电机变频改造于2009年8月完成，2号机组凝结水泵电机变频改造于2009年10月完成。通过实际计量，我们取没有进行变频改造前的一组数据和变频改造后的数据进行对比，其结果见表2。

表2 凝结水泵电机变频改造前后对比分析

从表2可知，凝结水泵电机变频改造后，电厂每发1万kW·h电量，可节约用电11kW·h。变频室内安装2台15kW空调，冬天温度低时可以退出运行。按每年360天一直在运行计算空调消耗电量为259200kW·h，按年发电60亿kW·h计算可以节电6340800kW·h，按照上网电价0.42元/kW·h计算，年节约费用266.3万元，效益显著。

6 结语

国电电力大连庄河电厂2台机组凝结水泵电机变频改造后，运行稳定，节能效果显著。变频器在电厂凝结水泵上的应用，说明国产高压变频设备是成熟可靠的，要想保证改造后系统的可靠运行，变频器必须运行在清洁、通风良好、干燥的室内。可对电厂运行在非满负荷区间的其他泵类、风机进行综合分析，在保证谐波污染不造成电能质量超标、机械设备运行区间不发生异常振动的前提下进行变频改造。变频器在发电厂要运行良好，用户的使用、调试、维护也是非常关键的，必须引起高度重视。

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