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摘 要： 本文着重介绍HARSVERT-A高压串联多电平型高压变频器在广东省粤电集团云浮发电厂的应用情况，对其节电情况进行对比，说明高压变频装置的应用前景。
关键词： 多电平 高压变频器 应用分析
广东粤电集团云浮电厂现有4台发电机组，其中1、2＃机组装机容量为125MW，3、4#机组装机容量为135MW。改造前1、2＃炉送风机采用挡板调节，风道压流损失严重，为了节能降耗、提高机组调节性能，我厂经多方考察认证，我们决定采用运行成熟、技术先进的变频调速方式进行改造。变频装置安装方便，只需在原断路器与电机之间串联变频装置即可，无需对负载和电机做任何改动。首先对1＃机组两台送风机进行试验改造。2006年10月份，在#1炉甲、乙侧送风机上安装了两台HARSVERT-A06/130型高压变频器。通过变频调速，实现了电机转速连续无级调速，调速范围宽，调节精度高，效率高，实现了电机的软启动，减少了启动冲击及设备磨损。正常运行后，可靠性高，基本上无维护量。通过对引风机进行变频改造而达到节能增效的目的。
1．HARSVERT-A06/130型高压变频装置原理
（1）高压变频器原理简介
HARSVERT-A06/130型变频装置采用多电平串联技术，6kV系统结构如图1，由移相变压器、功率单元和控制器组成。系统采用7＋1冗余结构，当有1级模块旁路时，系统仍能输出额定电压满负荷运行。6kV系列有24个功率单元，每8个功率单元串联构成一相。
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| 图1：高压变频调速系统结构图 | 每个功率单元结构上完全一致，可以互换，其电路结构如图2，为基本的交-直-交单相逆变电路，整流侧为二极管三相全桥，通过对IGBT逆变桥进行正弦PWM控制，可得到如图3所示的波形。
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| 图2：功率单元电路结构 |
图3：单元输出的PWM波形 | 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48脉冲整流方式；这种多级移相叠加的整流方式可以大大改善网侧的电流波形，使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，类似常规低压变频器。
输出侧由每个单元的U、V输出端子相互串接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，可得到如图4所示的阶梯PWM波形。这种波形正弦度好，dv/dt小，可减少对电缆和电机的绝缘损坏，无须输出滤波器就可以使输出电缆长度很长，电机不需要降额使用，可直接用于旧设备的改造；同时，电机的谐波损耗大大减少，消除了由此引起的机械振动，减小了轴承和叶片的机械应力。
当某一个单元出现故障时，通过使图2中的软开关节点K导通，可将此单元旁路出系统而不影响其他单元的运行，高压变频器可持续降额运行；如此可减少很多场合下停机造成的损失。避免了由于一个大功率高压开关器件的故障而导致的整机故障。保证了多电平变频器的可靠性。
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| 图4：变频器输出的相电压阶梯PWM波形 | （2）该产品部分功能介绍
①N+1单元冗余系统。所有功率单元正常时，电压调制系数比正常的标准设备略低，当有单元出现故障旁路时，则自动提升调制系数，旁路一级时仍能够满电压输出。
②单模块旁路技术。每相8个模块串联，当一个功率模块故障旁路时，与之对应的同级模块仍继续工作，通过中心点偏移技术使输出电压平衡，电压输出能力为95.6%，比同级旁路时输出电压大大提高。
③掉电3秒不停机功能。在高压变频器高压失电3秒内，高压变频器自动减速继续运行，3秒内恢复高压变频器从最后运行频率开始恢复运行，3秒内高压未恢复变频器停机，20秒内高压恢复变频器自动执行飞车启动。
④低电压延时保护功能。电网电压波动在＋15～－35％U0之间，高压变频器能够实施有效的低电压延时保护功能，保证系统的可靠性。
⑤高压掉电恢复自动重启功能：为避免电网短时失电对企业生产造成影响，HARSVERT-A高压变频器具备来电自启动功能。当电网电压消失后，高压变频器紧急停机，如果在20秒内电源恢复（时间可设置），高压变频器会进行自动启动，恢复停机前的运行状态。
⑥任意转速旋转启动。为了适应国内电网波动大，现场主动力电源母线段切换的要求，系统提供旋转中再启动功能。从而在电网电压波动超过＋15～－35％U0情况下，系统能够提供有效过、欠压保护；在电网恢复正常后，自动搜索跟踪电动机转速按照设定曲线恢复正常运行状态，保证机组安全运行不跳闸。在现场主动力电源母线段切换过程中，系统自动识别网侧电压变化，系统保护不停机；待电网电压恢复后，自动启动设备运行至给定频率值，满足现场对设备的高可靠性要求。为了满足不同现场对旋转中再启动功能的需求，系统提供完备的参数设定功能，保证系统动作有效，保护得当。真正适应现场运行工况要求。
2.变频改造方案简介
#1炉送风机是两台双侧布置，高压变频改造前送风机的风量调节由人工调节挡板来实现。送风机及其电机参数如下：
电动机参数
型号：Y500-4-6 额定电流：118.8A
额定功率：1000kW 额定频率：50Hz
额定电压：6kV 额定转速：990r/min
 为了充分保证系统的可靠性，高压变频器同时加装工频旁路装置，当高压变频器异常时，停止运行，电机可以直接手动切换到工频下运行。工频旁路由3个高压隔离开关QS1、QS2和QS3组成（如图5，QF为我厂原有高压开关）。其中QS2、QS3为双投隔离开关的两组刀，在机械上实现互锁。变频运行时，QS1和QS2闭
合，QS3断开；工频运行时，QS3闭合，QS1和QS2断开。
为了实现高压变频器故障的保护，高压变频器对6kV开关QF进行联锁，一旦高压变频器故障，高压变频器跳开QF开关。工频旁路时，高压变频器应允许QF开关合闸，撤消对QF开关的跳闸信号，使电机能正常通过QF开关合闸工频启动。
高压变频调速系统内置西门子S7－200PLC，与现场DCS接口灵活方便。正常运行时，启动、停机操作，频率调整由DCS控制，同时高压变频器状态实时反馈给DCS系统。
3.高压变频器运行节能效果测试情况：
（1）高压变频器参数
| 型号 |
HARSVERT-A06/130 |
输入电压 |
6kV |
| 额定电流 |
130A |
额定功率 |
1000kW | （2）电机参数
| 额定功率 |
1000kW |
额定电压 |
6kV |
| 额定转速 |
990rpn |
额定电流 |
118.8A | （3）节能计算
通过流体力学的基本定律可知：风机、泵类设备均属平方转矩负载，其转速n与流量Q，压力H以及轴功率P具有如下关系：Q∝n ，H∝n2，P∝n3；即，流量与转速成正比，压力与转速的平方成正比，轴功率与转速的立方成正比。即当电机转速降为额定转速的80％时，调速系统（高压变频器＋电机）从电网侧吸收功率约降为额定转速时的51％，因此，若工艺要求系统风量下降即送风机转速下降时，节能效果十分明显。
在相同运行方式及相同工况下进行测试，数据如下：
高压变频器投运前后电机实际电流的变化
| 机组负荷 |
变频前 |
变频后 |
节电率 |
| 125MW |
70A |
48A |
25% |
| 100MW |
55A |
29A |
40% | 比较高压变频器改造前后，送风机电机实际消耗功率，在机组125MW负荷时，计算节电约为25％，当机组负荷为100MW，计算节电率约为40％。经统计投运前、后两个月送风机单耗，节电率为27.7％，按现行上网电价，18个月可收回全部投资。
4.空水冷却器简介
考虑广东地区夏天气温较高，利德华福为高压变频器配备了空水冷却器，保证设备安全运行。
空水冷却器外形如图6所示。从高压变频器出来的热风，经过风管连接到内有固定水冷管的散热器中，散热器中通过温度低于33℃的凉水，热风经过散热片后，将热量传递给冷水，变成冷风从散热片吹出，热量被循环冷却水带走，保证高压变频器室内的环境温度不高于40℃。
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| 图6：空水冷却器外形图 | 现场一台高压变频器配置两台空冷器（如图7），单台故障时不会对系统产生较大影响。从实际应用情况看，室内温度能控制在30℃左右，效果明显。
经综合计算比较，空水冷却方式的费用约为空调冷却方式的50％。
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| 图7：空冷器与变频器布局图 | 5.结束语
高压变频装置由于其节能效果明显，特别是在低负荷时更为显著，采用变频调速后，实现了电机的软启动，延长电机的寿命，送风机挡板全开，消除了入口风道原有的喘振，也减少了风道的磨损。良好的节能效果和调节性能，具有广阔的推广应用前景。
本厂两台设备自投运以来，运行非常可靠，未出现任何故障。完全可以说，本次我厂送风机高压变频改造项目是成功的。
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