变频调速控制技术在电厂热工控制中的应用

内蒙古能源发电投资集团有限公司锡林热电厂 孙守江

变频调速控制技术在电厂热工控制中的应用

内蒙古能源发电投资集团有限公司锡林热电厂 孙守江

通过对变频调速技术的发展历程进行描述，对变频调速控制进行分析，探讨变频调速控制技术在电厂热工控制中的运用，通过变频调速控制技术在电力系统中有效提升工艺及控制性能，实现节能降耗的目的。

变频调速控制技术；电厂；热工控制

引言

给水泵、送风机、循环水泵、凝结泵、引风机、磨煤机等电机体系，作为发电机组安全稳定、节能经济的主要系统，成为电厂用电系统中尤为关键的负荷设施，是电厂内主要的耗费对象。发电机组容量不断提升，对辅机设施功率性能的要求逐渐提升，高能耗、调节性能差、响应慢的状况束缚了发电机组安全高效运转的主要制约因素。对于电厂热工控制当中耗能较大、流量严重、执行器响应速度迟缓、协调非线性尤为严峻、设施故障率较高等现象，通过有效的高压变频调速控制方式对电厂热工控制系统进行调整，显著提升水泵、风机等电机的调节功能，以提高其运转当中的安全性与可靠性，保障发电机组安全进行电能生产，加快电厂在绿色环保技术中完成节能降耗，以体现出低碳环保的形态。

1 变频调速技术的发展历程

变频调速技术涵盖了电工、电力、电子、信息与控制等不同范畴。由于电力电子技术的不断发展，计算机技术及自动控制技术的不断提高，变频调速技术有着突飞猛进的发展。交流变频调速传动填补了直流电机的不足，展现出交流电机自身的特质，且较好的弥补了交流电机调速性能的不足。交流变频调速技术通过其高超的调速性能，良好的节能效果，及在国民经济范畴的普遍运用，而被看做最具前途的交流调速形式，体现出电气流动发展的主流方位。变频调速技术可以提升控制性能、节能降耗、提高产品的产量及品质。变频调速理论已成为较为完善的科学体系，变成一项独立的项目[1]。

上世纪作为电力电子变频技术从产生至发展的黄金时期。其理论最初产生于上世纪20年代，到了60年代，随着电力电器的发展，令变频调速控制技术朝着实用角度发展。在70年代，随着工业发达国家石油危机的发生，令其加大人力、财力、物力投入，并对高效率变频器进行分析，令变频调速控制技术获得良好的发展。在80年代，变频调速已变成产品化，其性能持续攀升，激发了交流调速的优越性，大量使用于工业各部门，且有一部分代替了直流调速。到了90年代，因为新型电力电子器件随之发展，性能随之提升，计算机技术大量应用，较大提升了变频调速控制技术的性能，加快了变频调速控制技术的发展，令其在调速范围、调速准确度、驱动能力、动态响应、功率因素、输出性能、运转效率及使用便利性方面显著提升了其余常规交流调速形式，其性能指标也已超出了直流调速系统，从而取缔了直流调速系统。当前，交流变频调速通过其特有的性能受到各个行业的瞩目，在高新技术发展运用中处处展现出变频调速技术的强大性，变频调速技术获得了良好的经济效益。

2 变频器的类别及特征

2.1 变频器

变频器是将电源转变为不同频率的交流电源，以完成电动机变速运转的设施。

2.2 低压变频调速的特征

低压变频输出电压在380至650V，输出功率在0.75至400kW,工作频率在0至400Hz,其主电路均通过交、直、交电路，而且具备良好的一致性的拓扑构造。低压变频调速技术十分稳定，不具有高压器件，使用尤为便利，且控制电路结构便捷，成本较低，机械特征具有较强的硬度，可以确保一般传动在平滑调速方的需求，可是低压变频的运行力矩较低，因为本身的优势，低压变频调速技术被大量运用。

2.3 高压变频器的类别

高压变频调速技术在上世纪90年代被快速发展，成为目前电力电子技术的重要发展动向之一。高压变频调速技术主要通过电厂锅炉引风机及送风机、给水泵等方式进行高压变频系统运转。

2．3．1 高、低、高类

通过输入变压器将6kV的高压降至600V或460V，通过低压变频器完成变频调速，再通过输出变压器调至6kV。这一方式不可过1000kW的电动机调速，由于效率较低，技术落后，并占有较大面积，因此需配备滤波器。

2．3．2 高、高类

通过6kV的额定电压高压变频器对电动机进行直接驱动，完成变频调速，可是在系统电压较高并功率开关器件抗压过低时，需通过串联方式的功率开关器件数量较多，逆变器耗损过大，系统可靠性及效率下降。这类方法从总体而言，技术较为先进，可靠性强，效率较高，结构简易，符合大容量电动机。在电动机处于1000kW左右时较为符合，但由于其需配备滤波器，因此较难维护，投资过大。

2．3．3 高、低、低类

通过新的低压电动机代替原本高压电动机，通过输入变压器进行降压，再通过低压变频进行调速控制技术。但由于其工期较长，占地较大，因此需将电动机进行更换。

2．3．4 多电平类

多电平功率更换在当前高压变频中较为适中，此类别与其他几种类别的主要差别在于功率器件开关频率显著降低。其工作原理为：通过切分高电压，令其转变为多个低压电平，之后再通过多电平功率逆变器重合为正弦电压波形，以此提高电平数量，合成阶梯波形级数越多，合成电压则越少产生畸变，因此，国外将其称为完美无谐波的交流功率变换器。其能够完美的运用常规低压功率开关器件完成变频调速技术，并在本质上将谐波及EMI问题进行解决，无需设定输出滤波器，则能够使用在一般异步电动机中。可由于其运用的功率开关器数额过多，功率时常变更，使得变频控制系统过于繁琐。

2.4 变频调速技术的技术特征

2．4．1 经济性较高

运用变频调速装置，需谨慎抉择对象。针对负荷变化过大的电动机，采用变频调速装置具有显著的节电效果。关于负荷变化不大的电动机，通过变频调速装置后，不仅无法显著节电，还会提高中间环节及耗费。针对工艺及控制需求较高之处而言，可通过相符的变频调速装置进行[2]。

2．4．2 调速特征良好

变频调速的精度较高，具有较强的可靠性，转矩较大，功能较强，操控简便，远远优于以往所有调速方法。变频器调速范畴在0至100%连续可调。加/减速时间为0.1至3200s，可依照负载状况设定。频率输出则为0至120Hz，可依照电动机状况设定。频率精度为±0.5%。可是，转速调节范畴无需过大，且需超出额定转速的一半，最佳值为70%至100%之间。在转速低于额定转速的40%至50%时，泵类及风机的效率明显降低，通过变频调速较为浪费。

2．4．3 节能效益较好

变频器可以节省10%至70%的电量，能够通过以下几点进行节电：首先，软启动，通常交流电动机的启动电流是电动机额定电流的6至7倍，变频调速启动电流低于电动机额定电流。其次，节约设计冗余，通常设计均通过运用时的极端状况，所以均会预留设计冗余，一旦余量较大，构成大马拉小车的状况。变频调速能够将这方面冗余节约下来。再次，能够调速节电。最后，功率因数较高，大多处于0.95以上，节约无功，降低变压器负担[3]。

3 电厂热工过程的类别

3.1 单元机组负荷

单元机组负荷是一个尤为繁琐的过程，具备了时变性、非线性及多个不确定状态共存的繁琐耦合过程。依照单元机组负荷过程的特征，能够查看到创建正确数学模型较为艰难。

3.2 过热汽温

过热汽温指的是电厂热工在蒸汽温度掌控方面，透过对减温水量进行调节，对电厂热工蒸汽温度进行掌控。过热汽温过程大多具有较大的控制惯性及时间滞后性，并且过热气温工程的动态特点会由于热工过程状态转变而产生变动。

3.3 锅炉燃烧系统

锅炉燃烧系统属于多个变量结合的耦合繁琐过程。对于锅炉燃烧系统运转过程而言，会引发众多燃烧因素，通过这些影响因素的作用，精确测量锅炉燃烧系统的燃烧率变成尤为不易解决的问题。

3.4 锅炉水位掌控

锅炉汽包在供水当中，需将锅炉汽包的蒸汽载荷与供水量保持在平衡状态。锅炉水位虽为锅炉运转中主要的控制参数，可是由于锅炉汽包供水当中具有较多影响锅炉水位展现数据的因素，尤其是锅炉水位系统处在过低负荷状况下时间滞后性较为严重，最终令相应控制方式的效果不够充分。

3.5 制粉系统

制粉系统对于电厂热工控制方面具有辅助作用。可由于制粉系统与锅炉燃烧过程相同，因此均为电厂热工的主要控制系统。当前我国在电厂中大多通过钢球磨中存储式制粉系统，由于其在时间上具有滞后性，因此为多个控制因素耦合的多变量非线性的事变系统。可是，由于制粉系统在运转中具有机械能量互换、热量互换乃至物质相互流动等繁琐过程，在这些繁琐过程内产生控制变量时，会形成制粉系统内其他控制变量产生改变，因此，控制制粉系统尤为艰难。

在我国，当前许多电厂在燃烧系统、供水系统、制粉系统乃至辅助设施控制系统当中，绝大多数使用DDZ系列的电动执行器进行掌控。但DDZ系列的电动控制器通过一只关及一只开的继电器输出节点对电机的正转及反转进行控制。因为继电器在输出脉冲的宽度方面无法调整，所以控制对象较易产生过调状况，令控制系统产生正当现象。但由于使用的制动器为机械制动设施，在产生多个刺激抱闸以后，用在减速中的设置则会产生明显的磨损现象。

4 变频设施的整体需求

4.1 变频设施容量的选择

变频调速设施的进入则属于供电回路内进入了设施，令回路的可靠性显著减少。所以，需要便于操控，并且适用范围较广。可靠性应较高，能够面对不同恶劣环境及系统。需具有较强的耐用性。变频设施自身能耗应较低，尽可能降低高损耗。尽量降低周边污染。维护需便利，降低维护时间及造价。设施需便捷，造价不可过高。

4.2 变频设施安装后对机电保护方案及整定的影响

(1）加装变频设施时，工频回路需正常备用。在变频回路产生问题时，工频回路需正常运转，提高可靠性。

(2）加装变频设施后，则为在回路内设置了缓冲设置，启动电流会从较大值降到额定电流，降低冲击，确保点击设施，但其启动时间会相对延长。

(3）强化变频器抗干扰能力，需将变频设施通过穿金属管的方式于外界一切联系控制电缆的电缆进行敷设，以便屏蔽效果达到最佳状态。

(4）因为变频设施自身具备保护能力，一旦设施端部产生相间短路，则会即刻自动完成变频设施的软切断，所以能够简化继电保护功能。

5 变频调速控制技术在电厂热工控制中的应用

汽包锅炉给水控制的工作是为了确保给水量及锅炉蒸发量确保平衡，主要展现在以下方面：确保汽包水位处于正常范畴中，确保积水量的稳定性。给水系统透过调节设施自动控制变频器的工作频率调整供水量，变频调速控制技术在热工控制内给水系统中的运用主要为现行反馈的自动控制系统[4]。

变频调节给水系统的自动控制回路通过单级三冲量的方式，变频调节给水系统可以接受以下三种信号：汽包水位、蒸汽流量、给水流量，而输出信号主要调整给水量。变频调节给水系统内将汽包水位设定成被调整量。因为汽包水位大多通过蒸汽流量及给水流量，因此变频调节给水系统大多针对这些流量给予调控。

变频调节给水系统内的蒸汽流量信号是前馈信号，给水流量信号身为反馈信号，以此建立前馈、反馈调节系统。变频调节给水系统通过三台调水设施，所有调水设施控制一个调节回路，在调水设施中将给水流量、汽包水位、蒸汽流量等信号通过加权后作为综合测量信号运用。之后将综合测量信号发送到其他调水设施当中。将综合测量信号与水位给定信号对比，一旦发生计算误差则透过调水设施解决，输出模拟信号直接掌控变频器的频率，以此调整给水设施[5]。

6 结束语

由于电力电子技术理论的研究的不断加深，工程实践应用的不断完善，令高压变频器能够在调节性、响应性等不同技术性能中获得较大提升。电厂高压以此风机变频调速进行设置，由于其投资较低，并且节能效果显著，大多在1至2年中可以将投资成本完全收回。对于火力发电行业而言，水泵、风机等一些辅机符合类别过多，功率较大，需有效融合辅机系统各类工况特点有效选择变频器进行节能升级，提升辅机设施运转的高效稳定性及调速正确可靠性，保证发电机组安全、节能，保障发电运转更为高效稳定。

[1]史恩才,叶辉．变频器节能技术在风机和水泵上的应用[J]．机电信息,2010(17):43-45．

[2]卞清．专用变频调速器研究与设计[D]．广西工学院,2010:1-59．

[3]薛原．变频技术在重庆发电厂烟风系统节能改造中的研究与应用[D]．重庆大学,2012:1-69．

[4]李爱娟,郭喜燕,杨志平．电厂表面式给水加热器瞬态特性模拟与分析[J]．现代电力,2011(03):75-79．

[5]崔利,康静秋,张学宏．火电厂热工技术监督中发现的问题及其解决措施[J]．热力发电,2010(01):89-91．

孙守江（1976-），男，中级工程师，研究方向：热控。