高压变频器在火电厂应用中对电气设计产生的影响

摘 要 火力发电厂采用高压变频器后对电气专业设计产生的影响，提示电气设计人员在高压变频器使用中，应注意的变频器安装问题、保护配置问题、厂用电切换问题等。

【关键词】高压变频器 保护配置 厂用电切

目前，我国火力机组的平均煤耗为350g/kWh，比发达国家高30-50g/ kWh，而厂用电率的高低是影响供电煤耗和发电成本的主要因素之一。按照现在的火力发电机组发电能力进行分析，三百兆瓦机组的主力发电厂，厂用电占其年发电量的7%。风机、水泵等负载的用电量占比例则达到了30%多，而6kV以上风机的耗电量还会进一步增加。相关研究发现提高风机系统和水泵系统运行效率的节电率大约在30%以上。至少可以降低20%的厂用电量，厂用电率下降1～2%。随着科学的发展，技术的进步，高压变频技术日趋成熟，发电企业为了节能降耗，减少发电成本，高压电动机的变频调速应用日趋广泛。

火电厂中，主要的耗能设备为风机和水泵。在非智能控制模式下，其一般处于连续低负荷运行状态，而且多采用定速驱动，水泵通过出口阀门调节流量，风机通过进口风门（静叶）调节能量，都存在着严重的节流损耗。而在机组处于调峰变负荷模式下，由于二者的运行偏离高效率运行点，存在严重的资源浪费问题。相关调查结果表明，我国兆瓦以上机组锅炉高压辅机大部分的运行效率都不高于70%。低于50%的占20%左右，在发电利用小时不足的地区，此现象更为明显。由于目前的机组负荷普遍偏低，辅机设备效率就更低了，大量能源白白浪费。因而很有必要对电厂高压辅机设备进行降耗节能改造，以此来实现相应节能降耗的目的，且对促进经济增长起到一定的促进作用，合理的转变经济增长模式。

当前，为了适应节能的号召，进一步降低厂用电，火力发电厂的凝结水泵、一吃风机、二次风机、引风机等高压电机广泛加装高压变频器，高压电动机加装变频器后，对火电厂的电气设计中，包括对所接母线电压、厂用二次保护、高压厂用电源切换、高压变频器的安装等带来影响。下面以某电厂一、二次风机电机变频改造经验进行分析总结，避免由于采用高压变频器后，对厂内电气部分带来的技术问题。

1 变频调速和节能的原理

对风机采用挡板控制进行风量控制的效率较低，容易导致能源浪费问题。因而一些火电厂开始采用转速调节方式进行节能，这种调节方式有多种，其中变频调速方式应用频率最高。

采用变频器进行控制风量有多方面的优点，其也是一种常用的变频节能技术，以下对其原理进行具体论述。

1.1 风机的参数和特征

1.1.1 风机的基本参数

风量Q：其表示一定时间内流过风机的空气量（立方米每秒）；

风压H：其表示空气流过时产生的压力，每立方米空气接受的风机的总能量就是风机的全压，其主要包括静压Hg和动压Hd两部分；

功率P：其含义为风机工作有效总功率；

效率η：也就是风机的有用功和额定功率的比值，其主要和风机的轴功率损耗有关，可以通过此参数来衡量风机工作的优劣，风机效率有多种，可以依据其工作方式及参数，而划分为如下几种：

全压效率ηt=QHt/P

静压效率ηg=QHg/P

1.1.2 风机的特性曲线

和风机性能有关的曲线有多种，主要包括：

H-Q曲线：其具体表示在转速一定情况下，风压与风量的对应关系；P-Q曲线：表示在转速不变情况下，功率与风量的关系；η-Q曲線：其表示在同样条件下，风机的效率特性

各种类型的风机，在转速不同情况下，相应的H-Q曲线存在一定的差异，

根据风机相似方程：

风机在运行过程中，如果转速出现了变化，且转速从n变到n，则存在如下关系：

根据以上关系可知，风量与转速成正比；轴功率与转速之间存在正相关关系。

1.1.3 管网风阻特性曲线

当管网的风阻R固定情况下，若风量与通风阻力的关系是固定的，则风量与通风阻力K的关系可以通过下式描述

K=RQ2

式中：

K-表示通风阻力，Pa；

R-风阻，（kg/m2）

Q-风量，（m3/s）

K-Q的关系也就是风阻特性曲线，可以通过其对风机性能进行描述。

进一步分析可知风阻的K-Q曲线与管网阻力曲线存在一个交点，其也就是风机的工况点M。而风机在不同转速n、n时的K-Q曲线与R风阻特性曲线相交的工况点分别为M及M，与R1风阻曲线相交的工况点为M1及M1。

1.1.4 电动机容量计算

风机在运行过程中，其相应的电机输出轴功率可以表示如下：

P=QP/（ηTηF）

式中：

ηT-风机的效率

ηF-传动装置的效率。

1.2 风机的节电方法及节能原理

分析以上关系可知，风机负载转矩与转速的二次方存在正相关关系，而轴功率与转速的三次方也存在同样的关系，因而可以通过调节风机的转速而起到调节能耗。

以下主要是采用挡板阀门及变频调速方式进行转速调节，且分析对应的能耗变化情况，从而帮助理论上理解变频调速方式下的节能原理。

（1）当流量Q=1情况下，通过风机挡板和变频器进行调速时用到的功率将会一致，这两种方式可以根据需要选择。

（2）当流量从Q=1变为0.7情况下，通过风机挡板进调速对应的输入功率可通过BI0L所包围的面积进行描述，而在变频模式下则通过DG0L包围的面积表示，前者明显大于后者的。

（3）当流量变为Q=0.5时，则通过风机挡板调节对应的功率通过CJ0P包围的面积进行描述，而变频模式下对应的为EF0P包围的面积，前者也明显大于后者的。

根据以上分析可知变频调速技术时比采用风门挡板调速用到的能量也明显少很多，因而可以看出变频调速的节能效果更好。

根据风机理论，风机运行过程中，其流量可通过阀门或者挡板进行调节，而起到节能的目的，其输入功率的计算公式为：

Pnn=P*Hnn*Qnn

其中：Hnn=U-（U-1）Q2nn

U为系统流量为零时压力极值

据此可以看出，风门挡板时的风机输入功率可以通过下式表示：

Pnn=P*Hnn*Qnn=P*[U-（U-1）Q2nn]*Qnn

式中：Pnn为某个状态下的输入功率标么值；Qnn为某个状态下的流量标么值；P为额定状态下的输入功率。

1.3 采用变频调速时的功率计算

接着对异步电机功率进行分析，这种电机的转数可表示为n=60f（1-s）/p

这几个参数之间的关系如下：

流量和转速正相关；压力和转速平方正比例功率和转速立方正比例

假设：额定流量为Q0，额定功耗为P0；功耗为Pg.in；则可以在以上分析基础上确定出如下关系：

P0：n03=Pg.in：n13

所以采用变频器调速后，变频器的输入功率为：

考虑变频器和电机效率后，输入功率为：

式中：

P0-被拖动的电机的轴功率

η1-被拖动的电机效率

η2-变频器效率

综上所述，引风机实际运行转速越低、节电功率成3次方的增加，也就是说节能的空间越显著、效益越高。

2 高压变频器容量的选择

变频器容量的选择，主要以电动机容量及所驱动的负载进行核定，技术指标主要是电机功率（kW）、输出容量（kVA或kW）、额定输出电流（A）、输入、输出电压（kV），一般输出电压以电机额定电压选择，额定输出电流为变频器可以连续输出的最大交流电流有效值，输出频率对于不同的负载有不同的要求，一般大容量变频器调整范围在0～50HZ，即转速调整范围在0～额定转速之间。

3 使用高压变频器后电动机保护的新问题

3.1 装设纵联差动保护

根据《火力发电厂厂用电技术设计规定DL-T 5153-2002》， 2MW及以上的高压异步电动机应该进行差动保护，在出现相间短路故障情况下起到保护绕组的目的；对2MVA及以上的变压器应进行纵联差动保护，且在保护装置接线时选择三相三继电器式接线模式，以满足响应速度要求。如图1所示。

说明：QF1：10KV高压断路器；QF2：变频器旁路断路器；QF3：变频器高压输入断路器；QF4：变频器输出断路器。

目前，此种电机在设计过程中一般都设置了继电保护装置，且大部分的电机都选择了微机型综合保护装置，这些装置都安装在电动机开关柜中，而保护电流分别取自互感器和开关柜。

3.2 现场电动机加装变频器所采用的改造方式

这种类型的改造方式多为工变频互切方式，当变频器故障时，自动检同期切换为旁路带电机的工频运行方式；在工频运行方式下，合环切换为变频运行方式，达到不停风机切换的方式。保护配置：当电机在工频模式下，常规高压保护能够满足电动机运行时的保护配置使用要求；当电动机在变频模式下，则考虑到线路中设置的变频器装置，而变频器的输入电流和频率不存在直接关系，而如果依据常规高压电动机的保护配置，则可能无法实现相关保护功能。因而对变频模式下的电机而言，不可以将变频器纳入差动保护的范围，主要是对电机单独保护。差动保护模式下，相应起始端电流互感器应置于变频器的输出端。

3.3 现场解决方案

正常变频运行时，高压变频器后的电气设备由变频器的保护装置进行保护，10kV开关柜到高压变频器之间的高压设备，包括高压电缆和变频器中的变压器，由10kV高压开关柜的变压器保护装置进行保护。变频转工频运行后，变频器的保护装置退出，由10kV高压开关柜的电动机保护装置和电动机差动保护装置保护高压电缆及电机等电气一次设备，因此，整定保护定值的时候要注意保护范围的问题。

4 高压变频器接入高压厂用，对母线电压的影响

当高压变频器未接入厂用母线时，母线电压计算方法：

Um：电动机正常启动的母线电压

U0：厂用母线的空载电压

X：變压器的电抗

S：合成负荷

其中：S=S1+Sq

S1为电动机启动前，厂用母线上的负荷，Sq为电动机的启动容量。

其中：Kq为电动机的启动电流倍数；Pe为电机的额定功率；η为电机额定效率；cosα为电机的功率因数。

高压变频器接入厂用母线之前，电机工频启动时，一般电机启动电流为额定电流5～7倍；当启用变频器启动时，高压变频器具备软启动的功能特性，一般启动电流为额定电流的1.5～2倍。因此，可以理解为电机工频启动电流是变频启动电流的3～5倍。

目前国内主流高压变频器设计装有移相变压器，一般，在电动机启动时，移相变压器会产生4～6倍的过电流，因此，可以理解为电机变频启动电流是工频启动电流的4～6倍。

综上所述，在高变频器软启动和移相变压器的共同作用下，对母线冲击的电机启动电流基本不变，对厂用母线电压影响不大，对高厂变的容量设计影响可忽略不计。

5 控制逻辑的研究

风机采用高压变频器控制，主要考虑的是风机变频器故障，退出运行，切换至工频运行，或某一台风机故障，切换至另一台备用风机运行等各种对机组风量的影响，一般设计中，每台锅炉的两台风机各配备一台高压变频器，并在就地配置风机变频操作控制单元；为此外为了确保相关粉尘和室温的指标满足要求，还在风机的空隙间设置了相应的变频器设备间；

在主控制室DCS上设置了切换操作端，且通过其对变频器进进行各种控制操作。与此同时还设置了独立的变频器调节操作端，在运行过程中可以通过变频器调节操作端而起到转速调节目的。DCS系统根据锅炉炉膛压力、风量相关信号进行对应的风机转速控制，并据此来实现风机的控制和对锅炉炉膛压力调节的目的；

锅炉风机加装变频器以后，风机的调节方式也发生改变，而变为相应变频转速调节，这样可以显著的降低节流损失，且在一定程度上改善了风机运行的特性曲线，避免了一些低压压头差相关的问题，且有利于避免节流调节方式下系统阻力线不合理的问题。风机运行稳定性也明显提高，且风机在非稳定区运行时，出现叶片激振的缺陷也避免，这样还可以消除失速抢风现象，有利于提高设备的安全性。

为了适应电力生产的特殊需要，在变频调节过程风机变频器设置了“工频-变频”和“变频-工频”之类的功能，这样可以方便的切换，。而在也导致很大的波动。而通过450兆瓦负荷下的热态试验表明，在此种切换过程中还出现一定的正压，在不进行人为干预的情况下，相应的系统调节可以满足；工频切变频操作中，也不会对炉膛压力造成明显的影响。

6 变频器安装应注意的事项

高压变频器重点考虑变频器中电解电容及其他功率器件的散热问题，从节能的角度，一般采用水冷式散热，从变频器出来的热风，经过通风管道排放到散热器中，温度会有一定降低，而散热器中通过较低温度的水，热风经过散热片后，热量通过冷风从散热片吹出，这样就可以实现热量散出的目的，从而保证变频器控制室内是温度在合理的范围内。安装空冷器要求必须在密闭环境中，避免出现泄漏情况。流入空冷器的水应该满足一定要求，主要为酸碱度为7.0左右，无腐蚀性质的杂质，进水水压为0.3兆帕。但为防止因冷却水故障导致变频器退出运行，因此，一般建议，在变频器室中装设空调等降温设备，作为极热天气下满负荷运行时，室内温度较高的辅助手段。

7 结束语

综上所述，高压变频器改造，需要将前期的数据分析充分，并进行大量的调研和论证，综合考虑采用变频器对机组风量、炉膛压力及电气、热工的影响。随着高压变频技术的发展， 以及国家产业政策的支持，变频器的应用领域不断的扩大，变频技术在电力行业重要辅机设备上的推广，收到了显著的经济效益，也代表了今后更多行业节能技术的方向。

参考文献

[1]高压变频调速系统DHVECTOL-HI系列技术手册.四川：东方日立（成都）电控设备有限公司，2012.

[2]张燕賓.变频调速应用实践[M].北京：机械工业出版社，2004.

[3]张淼，冯垛生.变频器的应用与维护[M].广东：华南理工大学出版社，2009.

[4]高宝桐，高振华，吕长海.600MW火电机组锅炉引风机变频器改造效果分析[J].变频器世界，2009（03）：42-45.

[5]江承林.高压变频器在垃圾焚烧发电厂引风机节能中的应用[J].自动化博览，2016（05）：80-84+87.

作者简介

杜振海（1974-），男，四川省内江市人。工程师，四川白马循环流化床示范电站有限责任公司检修部电气专责工程师。

作者单位

四川白马循环流化床示范电站有限责任公司 四川省内江市 641005