高压变频器在绥化中盟热电厂热网循环系统中的应用

0 引言

绥化市现有建筑面积831.4 万m2，2006 年绥化中盟热电厂投产，可实现集中供热640万m2。

绥化中盟热电厂是绥化市目前唯一的热电联产的燃煤电厂，含2 台B25-8.83/0.294 背压机和1 台CC25-8.83/0.98/0.294 双抽凝汽机，配2 台25 MW发电机和1台30 MW 发电机。还建有4 台130 t/h高温高压循环流化床蒸汽锅炉和2台116 MW 循环流化床热水锅炉，配套建设17.87 km 一级热力网、20.5 km二级热力网和32 个热力站，建设蒸汽热力网4.51 km。

该工程全年生产能力为供热量523.2伊104 GJ，其中供采暖416.9伊104 GJ，供工业用汽106.27伊104 GJ，发电量为39.89伊104 MW·h。

热力网的稳定主要取决于锅炉、热网循环系统和管线。锅炉安全、稳定的经济运行一般遵循“一守三动”的控制原则，即主要是以风、灰、煤相互配比来完成锅炉的经济性燃烧。而热网循环系统主要保证水循环稳定和压力恒定，即控制好水位达到安全运行的目的。

供热负荷变化时需要调节水量，如果通过调节泵的出口阀门的开度来实现，实际上是靠压损来减少给水流量，而电机的出力并没有变化。所以热网循环泵最佳方案就是采用变频器进行调速，这样就可以将出口阀门全部打开，通过调节转速来控制流量，可以方便地调整机组的供热量，这样具有非常大的节能潜力。2006年10月绥化市中盟热电厂实现了对热网循环泵的电机进行变频调速。

1 高压变频器的原理

哈尔滨九洲公司Power SmartTM系列高压变频器采用交-直-交直接高压(高-高)方式，它主要由输入切分变压器、功率单元柜和控制单元柜三部分组成。

主电路开关器件为IGBT。由于IGBT耐压所限，无法直接逆变输出10 kV，所以变频器采用功率单元串联，叠波升压，充分利用常压变频器的成熟技术，因而具有很高的可靠性。Power SmartTM系列高压变频器典型系统原理框图如图1所示。

隔离变压器为三相干式整流变压器，变压器一次输入为10 kV，Y 接;二次绕组数量27 相，延边三角形接法，为每个功率单元提供三相电源输入。为了最大限度抑制输入侧谐波含量，同一相的二次绕组通过延边三角形接法移相，绕组间的相位差即移相角度= 60毅/每相单元数量。由于为功率单元提供电源的变压器二次绕组间有一定的相位差，从而消除了大部分由单个功率单元所引起的谐波电流，所以Power SmartTM系列高压变频器输入电流的总谐波含量(THD)远小于国家标准5%的要求，并且能保持接近1的输入功率因数。图2为变频器输入电流波形实录，电流峰值136 A，几近完美的正弦波。

变频器输出是将多个三相输入、单相输出的低压功率单元串联叠波得到。如额定输出641 V功率单元9个串联时产生5 770 V相电压，相邻单元之间的脉冲在时间上相差1/9个开关周期，单元串联叠加后的相电压共有19(2伊9+1)个不同的电平，输出线电压为10 kV。

由于增加了电压波形的电平数使电压的波形接近正弦，从而减小了dv/dt 对电机绝缘的破坏，并大大削弱了输出电压的谐波含量，图3 为10 kV变频器输出的Uab线电压波形实录图，峰值电压为14.1 kV。

因为电机电感的滤波效果，输出电流波形更优于电压波形，图4 即为输出电流Ia的实录波形图，额定电流96 A。

变频器控制单元由控制器(包括三块光纤板，一块信号板，一块主控板)及外围保护电路构成，如图1所示。主控制器的结构为单元组合式，其核心为双DSP 的CPU 单元，通过总线与接口板和相控A、B、C板互通信息。CPU板根据操作命令、给定信号及其它输入信号，计算出控制信息及状态信息。相控A、B、C板接受来自CPU 板的控制信息，产生PWM控制信号，经电/光转换器向功率单元发送控制信号。来自功率单元的应答信号在相控A、B、C 板中转换成电信号，予处理后送CPU板处理。状态信息可通过接口板和接口子模板送出。

功率单元是一种H桥式变换器，由输入切分变压器的二次绕组供电。经整流、滤波后，由来自主控制器的光信号，经光/电转换，在控制信号处理电路中产生IGBT的驱动信号或故障时的旁通信号，经过相应的驱动电路后，以PWM方法控制4 个IGBT，输出可变频、变压的交流电。多台功率单元串联叠加后可输出50 Hz、线电压10 kV 的三相交流电，以驱动交流电动机。功率单元中的状态信息将被收集到应答信号电路中进行处理，集中后经电/光转换器变换，以光信号向主控制器发送。当有故障信息时，主控制器将发出控制信号，干预功率单元的运行，如封锁、旁通等。

2 系统主回路方案

中盟热电厂热网循环泵采用变频器为一拖一控制方案。变频器接于电压为10 kV的主动力电源系统，用于电动机的变频调速。为了增加运行安全性，变频器另加一套旁路系统，设计的主回路结构方案如图5所示。

此设计是采用手动隔离刀闸式旁路系统，原理是采用3个高压隔离开关QS1、QS2和QS3。要求QS2和QS3闭合时QS1不能闭合，在机械上互锁。变频运行时，QS2和QS3闭合，QS1断开;工频运行时，QS1闭合，QS2和QS3断开。为了实现变频器故障保护，变频器对用户现场高压断路器QF进行连锁，一旦变频器出现故障，变频器发出跳闸信号，跳开断路器QF。电机工频运行时，变频器允许QF 合闸，撤消对QF 的跳闸信号，使电机能正常通过QF合闸工频启动。

3 应用高压变频器带来的节能效应

根据电机的参数以及现场工况和运行的经验，最终确定热网循环水泵的电机配套变频器选用型号

为Power Smart10000-A/096，变频器额定电流为96 A，同电机额定容量匹配，完全满足现场负载运行的要求。

热网循环泵工频运行时，电机电流约为75 A左右;变频运行时，频率在40 Hz时的电流约为60 A。

绥化中盟热电厂热网循环水泵3 号机组，电机参数如表1所列，水泵参数如表2所列。哈尔滨九洲公司高压变频调速装置额定电压为10 kV，额定功率1 600 kW。在相同的运行时间内，工频运行时，有功电耗72 000 kW·h，无功电耗21 921 kvar·h，总出水量313 632 m3，功率因数0.875，平均单耗在229.5，运行成本较高。在变频调速正常运行后，有功电耗33590kW·h，无功电耗9 321 kvar·h，总出水量235 224 m3，功率因数0.96，平均单耗降至142.8。节电率在35%左右，节能降耗效果非常显著。

热网循环水泵节电费用，按全年运行3 600 h(5个月)的日负荷分布统计，使用变频调速热网循环水泵，与通过调节出水口阀门相比较，经计算，全年可以节电1 020 500 kW·h。按发电成本电价0.20 元/kW·h计算，1 020 500 kW·h 伊0.20元/kW·h=204 100元。

4 高压变频器增加GPRS功能

九洲公司的Power SmartTM系列高压变频器增加了GPRS 功能。此项功能是九洲公司Power SmartTM系列高压变频器所特有的功能。GPRS工作流程如图6所示。

GPRS 是(Gerneral Packet Radio Service)的英文缩写，中文译为通用无线分组业务，MA8-9ib是使用在机器对机器(Machine-to-Machine)应用的完整无线解决方案，它是利用“分封交换”(Packet-Switched)的概念所发展出的一套无线传输方式。所谓的分封交换就是将Date 分装成许多独立的封包，再将这些封包一个一个传送出去，形式上有点像寄包裹，采用分封交换的好处是只有在有资料需要传送时才会占用频宽，而且可以以传输的资料量计价。在硬件上MA8-9ib 提供了工业标准的RS-232/RS-485 接口，可以直接与触摸屏通过串口连接。并配合即插即用方式，让变频器透过TCP/IP方式经由GPRS网络及Internet 与公司的监测系统连结。

由于GPRS 使用了“分组”的技术，所以免受断线的影响。此外，相对于GSM的9.6 kb/s的访问速度而言，GPRS拥有171.2 kb/s的访问速度;在连接建立时间方面，GPRS只需要极短的时间就可以访问到相关请求;GPRS对于网络资源的利用率相对较高。

GPRS功能强大、用途广泛，提供安全、透明的传输信道。变频器增加GPRS功能可经由GPRS网络与远程变频器进行数据传输，有效地使公司和用户方面进行双向沟通，以便使变频器更加长期有效地运行。

5 结语

绥化市中盟热电厂对热网循环的电机进行变频调速改造后，有以下的优越性。

1)节能效果非常显著按全年5 个月供暖时间算，每年可节约运行成本20万元。

2)减少了对电网的冲击工频起动时，启动电流达到额定电流的6~7 倍，甚至更高，这对接于该母线上的负荷都会造成冲击。采用变频器调节后，系统实现软启动，电机启动电流很小，启动时间相应延长，对电网的冲击很小，同时减轻了起动机械转矩对电机的机械损伤，从而有效地延长了电机的使用寿命。

3)工作强度降低由于变频器采用触摸屏操作，使操作界面变得人性化，变频器与运转设备之间实现联锁控制，以及相应的保护及故障报警，操作工作由手动转变为监控，大大降低了劳动强度，提高了生产效率，为优化运营提供了可靠保证。

4)维护量减少采用变频调速后，可以避免因通过调节阀门控制使泵过多偏离额定工作区而引起的振动。通常情况下，变频调速系统的应用主要是为了降低泵的转速，由于启动缓慢及转速的降低，相应地延长了许多零部件，特别是密封件以及轴承的寿命。

5)成本减少使用GPRS进行远程维护及诊断，减少了现场维护成本。