本文簡單介紹了高壓變頻器的發(fā)展現(xiàn)狀，分析了兩種高壓變頻器的基本原理及組成。概括介紹了變頻器在高壓供電系統(tǒng)中的幾種應(yīng)用形式及在火力發(fā)電廠的節(jié)能、軟起動(dòng)及控制中的應(yīng)用前景。


20世紀(jì)90年代，交流變頻調(diào)速技術(shù)及裝置在我國有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，由于變頻調(diào)速在頻率范圍、動(dòng)態(tài)響應(yīng)、低頻轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)差補(bǔ)償、功率因數(shù)、工作效率等方面是以往的交流調(diào)速方式無法比擬的，因此在眾多行業(yè)有了廣泛的應(yīng)用，并且在節(jié)約能源、改善工藝、提高生產(chǎn)效率等方面發(fā)揮了巨大作用，取得了巨大經(jīng)濟(jì)效益。但是，變頻調(diào)速技術(shù)在電力系統(tǒng)尤其在火力發(fā)電廠中的應(yīng)用還非常有限。隨著電力行業(yè)改革的不斷深化，廠網(wǎng)分開、競價(jià)上網(wǎng)等政策的不斷實(shí)施，降低廠用電率，降低發(fā)電成本提高電價(jià)的競爭力，成為各火力發(fā)電廠追求的目標(biāo)，也為交流變頻調(diào)速技術(shù)的推廣應(yīng)用提供了廣闊的空間。當(dāng)前，阻礙變頻調(diào)速技術(shù)在高壓大容量傳動(dòng)中推廣應(yīng)用的主要難題有兩個(gè)：一是我國火力發(fā)電廠中大功率電動(dòng)機(jī)供電電壓高（3～10 kV），而變頻器開關(guān)器件的耐壓水平較低，造成電壓匹配上的難題；二是高壓大容量變頻調(diào)速技術(shù)技術(shù)含量高、難度大、成本也高，但一般風(fēng)機(jī)水泵等節(jié)能用調(diào)速裝置都要求低投入高回報(bào)，從而造成經(jīng)濟(jì)效益上的難題。這兩個(gè)世界性難題阻礙了高壓大容量變頻調(diào)速技術(shù)的推廣應(yīng)用，因此如何解決高壓供電和用高技術(shù)生產(chǎn)出低成本的變頻器是當(dāng)前世界各國相關(guān)行業(yè)的競爭熱點(diǎn)。

1 高壓變頻器的發(fā)展概況

目前美國羅賓康（ROBICON）公司、AB公司，瑞典ABB公司及德國西門子等公司的高壓變頻器產(chǎn)品采用不同措施較成功地解決了高耐壓、大容量這一難題。各公司采用的技術(shù)不盡相同，但歸納起來主要有兩種：一是采用多重化技術(shù)，再就是采用新開發(fā)的高耐壓功率器件?，F(xiàn)以比較有代表性的兩種產(chǎn)品加以介紹。

1.1 多重化技術(shù)的應(yīng)用

以美國羅賓康公司的HARMONY系列變頻器為代表，包括我國北京先行和凱奇兩家公司的產(chǎn)品均采用了多重化技術(shù)。所謂多重化技術(shù)就是每相由幾個(gè)低壓PWM功率單元串接組成，各功率單元由一個(gè)多繞組的隔離變壓器供電，以高速微處理機(jī)和光導(dǎo)纖維實(shí)現(xiàn)控制和通信。該技術(shù)從根本上解決了一般6脈沖和12脈沖變頻器產(chǎn)生的諧波問題，可實(shí)現(xiàn)完美無諧波變頻。其基本原理如下：

圖1 多重化變頻器拓?fù)鋱D

圖1為6 kV高壓大容量變頻器的拓?fù)鋱D，它是由多個(gè)低壓功率單元串聯(lián)而成，由低壓PWM變頻單元疊加達(dá)到高壓輸出的目的。圖2為變頻器的結(jié)構(gòu)原理圖，各個(gè)功率單元由輸入隔離變壓器的二次隔離線圈分別供電，每個(gè)功率單元額定電壓為690 V，每相5個(gè)單元串聯(lián)，因此相電壓為3.45 kV，所對應(yīng)的線電壓為6 kV（當(dāng)每相4個(gè)功率單元，每個(gè)單元額定電壓為480V，輸出線電壓為3.3 kV）。給功率單元供電的二次線圈在繞制時(shí)互相存在一個(gè) 12°（電角度）的相位差，實(shí)現(xiàn)輸入多重化，因此可形成相當(dāng)于30脈沖的整流由于多重化可消除各單元產(chǎn)生的大多數(shù)諧波，對電網(wǎng)的污染可降到很低，并且諧波無功造成的功率因數(shù)降低減到最小，在整個(gè)負(fù)荷范圍內(nèi)網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)均可保持在0.95以上，不需要配備改善功率因數(shù)的電容器。

圖2 多重化變頻器結(jié)構(gòu)圖

圖3為低壓功率單元的結(jié)構(gòu)原理圖，它是由低壓IGBT構(gòu)成的三相輸入單相輸出的脈寬調(diào)制型（PWM）變頻器，電壓輸出0～690 V可調(diào)和頻率 0～120 Hz可調(diào)。其輸出電壓為三電平即1，0，－1，每相5個(gè)單元疊加就可產(chǎn)生11種不同的電壓等級（±5，±4，±3，±2，±1，0）。因此線電壓即可形成23脈沖的電壓波形，諧波極大減少。變頻器輸出電壓非常接近正弦波形，大大降低了du／dt脈動(dòng)對電動(dòng)機(jī)繞組的沖擊，減少了電動(dòng)機(jī)的諧波損耗，電機(jī)可不降低額定容量使用，同時(shí)對電纜的絕緣也無特殊要求。

圖3 功率單元結(jié)構(gòu)原理圖

表1 多重化變頻器與三電平變頻器輸出諧波含有率對比表 %

表1所列數(shù)據(jù)為采用多重化技術(shù)和一般三電平技術(shù)變頻器的輸出諧波比較，可見采用多重化技術(shù)的變頻器19次以下的諧波幾乎完全消除，所以不需任何輸出濾波器，從本質(zhì)上就能提供正弦波電壓輸出，而且即使在低速時(shí)也能保持很好的輸出正弦波形，不需配置輸出濾波器，因此消除了因諧波造成的電機(jī)振動(dòng)、噪音和溫升等問題。由于諧波大為減少，由諧波引起的電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)和效率的損失也大為減少，所以變頻部分效率高達(dá)98%以上，包括輸入隔離變壓器在內(nèi)的整個(gè)變頻系統(tǒng)的效率也高達(dá)96%以上。該類型變頻器適合于高—高方式，由于采用低壓功率器件，所以工作可靠，并且諧波含量極低，對電網(wǎng)影響小，適合于功率在 1 MW以上的電廠輔機(jī)應(yīng)用。其缺點(diǎn)是造價(jià)昂貴，占用空間大，安裝較困難，不過羅賓康公司已經(jīng)研制出新一代的小型變頻器，這一矛盾有望解決。

1.2 高耐壓開關(guān)器件的應(yīng)用

變頻器中常用的開關(guān)器件多為IGBT、GTR、GTO等，由于制造水平及原材料的原因，使這些器件的耐壓很難達(dá)到直接應(yīng)用于6 kV的電壓，因此許多國家的企業(yè)開始研制開發(fā)新材料及新的高耐壓器件。最近幾年來ABB公司與三菱公司合作開發(fā)的IGCT（ETO），西門子研制的HV—IGBT等耐壓可達(dá)4.5 kV。西門子、ABB公司、GE公司和Cegelec公司等分別采用專門研制的高耐壓開關(guān)器件并以傳統(tǒng)的交流變頻器結(jié)構(gòu)研制開發(fā)了自己的高壓變頻器?，F(xiàn)以有代表性的西門子公司產(chǎn)品SIMOVERT MV系列為例進(jìn)行簡要介紹SIMOVERT MV系列變頻器采用傳統(tǒng)的交—直—交變頻器結(jié)構(gòu)，整流部分采用12脈沖或24脈沖二極管整流器，逆變部分采用三電平PWM逆變器。圖4為SIMOVERT MV系列變頻器的原理結(jié)構(gòu)圖。由圖4可以看出，該系列變頻器采用傳統(tǒng)的電壓型變頻器結(jié)構(gòu)，通過采用耐壓較高的HV—IGBT模塊，使得串聯(lián)器件數(shù)減少為12個(gè)，隨著元件數(shù)量的減少，成本降低，方案變得簡潔，從而使柜體尺寸更小，可靠性更高。

圖4 SIMOVERT MV系列變頻器的原理結(jié)構(gòu)圖

由于變頻器的整流部分是非線性的，會(huì)產(chǎn)生高次諧波，此高次諧波將使電網(wǎng)的電壓和電流波形發(fā)生畸變，對電網(wǎng)造成污染。圖4所示的 SIMOVERT MV系列變頻器的12脈沖整流原理接線圖中，三相橋式整流相當(dāng)于六相整流，現(xiàn)將兩組三相橋式整流電路用整流變壓器聯(lián)系起來，其初級繞組結(jié)成三角形，次級繞組一組結(jié)成三角形，一組結(jié)成星形，得到DycDdo的連接組別，整流變壓器次級2個(gè)繞組的線電壓相同，但2個(gè)繞組的線電壓相位相差 30°，這樣5次、7次諧波在變壓器的初級將會(huì)有180°的相移，因而能夠相互抵消，同樣17、19次也相互抵消。這樣經(jīng)過2個(gè)整流橋的串聯(lián)疊加后，即可得到12波頭的整流輸出波形，比6個(gè)波頭更平滑，并且每橋的整流二極管耐壓降低一半。采用12相整流電路減少了特征諧波含量，由于N＝KP±1（P為整流相數(shù)，K為自然數(shù)，N為特征諧波的次數(shù)），所以網(wǎng)側(cè)特征諧波只有11、13、23、25等。同理采用24脈沖整流電路網(wǎng)側(cè)諧波被更進(jìn)一步抑制。兩種選擇方案均可使輸入功率因數(shù)在整個(gè)功率范圍內(nèi)保證在0.95以上，不需功率因數(shù)補(bǔ)償電容器。SIMOVERT MV系列變頻器的逆變部分采用傳統(tǒng)的三電平方式，所以不可避免地會(huì)產(chǎn)生比較大的諧波分量，這是三電平逆變方式所固有的。因此SIMOVERT MV系列變頻器的輸出側(cè)需要配置輸出濾波器才能用于通用的電動(dòng)機(jī)，否則必須配用西門子的專用電動(dòng)機(jī)。同樣由于諧波的影響，電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)和工作效率都會(huì)受到一定的影響，只有在額定運(yùn)行點(diǎn)處才能達(dá)到最佳的工作狀態(tài)，隨著轉(zhuǎn)速的降低，工作效率和功率因數(shù)都會(huì)相應(yīng)降低。這是該類型高壓變頻器的缺點(diǎn)所在，因而限制了其應(yīng)用。

另外，SIMOVERT MV系列變頻器的一個(gè)特色是可以提供有源前端（AFE），AFE也采用三電平技術(shù)，因而可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的4象限傳動(dòng)方案，即可以進(jìn)行雙向電動(dòng)和能量反饋制動(dòng)運(yùn)行。如圖5所示為有源前端的整流器，由于 AFE反并聯(lián)了12個(gè)反饋二極管，因此可提供直流環(huán)節(jié)富余能量回饋電網(wǎng)的通路。有源前端的引入為該系列變頻器在交流傳動(dòng)的應(yīng)用提供了較大的空間。

圖5 有源前端（AFE）原理圖

兩種類型的高壓變頻器各有優(yōu)缺點(diǎn)，多重化變頻器能夠提供無諧波的變頻，在對諧波要求比較嚴(yán)格的電力系統(tǒng)有著比較大的應(yīng)用前景，但其缺點(diǎn)目前來說是比較明顯的，即變頻器體積大，安裝不便，造價(jià)高，這成為影響其推廣使用的一大難題。采用高耐壓開關(guān)器件的變頻器體積小，可靠性相對較高，但不可否認(rèn)的是其比較嚴(yán)重的諧波污染及對電動(dòng)機(jī)的特殊要求，若考慮輸出濾波器的因素，其造價(jià)也不低。所以在應(yīng)用過程中應(yīng)根據(jù)實(shí)際需求選用性能價(jià)格比較高的變頻器。

2 變頻器在6 kV供電系統(tǒng)中的使用方式

由于整套系統(tǒng)的要求各不相同，各地所用電動(dòng)機(jī)的額定電壓、額定功率也就不同，所以選用的變頻器和整個(gè)系統(tǒng)的組成方式也各不相同。為了很好地滿足系統(tǒng)的需求，應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況選用性能價(jià)格比較好的變頻器和系統(tǒng)組成方式。對于6 kV供電系統(tǒng)，變頻器的應(yīng)用有如下幾種方式。

2.1 高—高方式

用額定電壓為6 kV的高壓PWM電壓型變頻器直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速。此種方式整體效率高，當(dāng)電廠輔機(jī)電機(jī)容量在1 MW時(shí)應(yīng)用較合適。當(dāng)電機(jī)容量較小時(shí)（小于700 kW），相當(dāng)于“大馬拉小車”，再采用6 kV高壓變頻器，價(jià)格就顯得比較高了。

2.2 高—低—高方式

用輸入變壓器將6 kV高壓降為600 V（或460V），用低壓電流源型變頻器實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速，再用輸出變壓器升壓至6 kV，以控制電機(jī)調(diào)速。此種方式較適合中等或中等偏下功率電機(jī)的應(yīng)用（100～1500 kW），所以價(jià)格比較合理，調(diào)速平穩(wěn)、使用可靠，缺點(diǎn)是增加輸出升壓變壓器，系統(tǒng)效率略微降低，且占地面積大。適合的變頻器選擇范圍比較寬。

2.3 高—中—中方式

如果將6 kV的高壓電機(jī)改裝成3 kV電機(jī)，就可使用3 kV的變頻器，提高系統(tǒng)效率，降低投資費(fèi)用，而性能與直接控制方式相同。采用多重化技術(shù)的變頻器或高耐壓開關(guān)器件的變頻器均可，選擇面相對較寬。

2.4 高—低—低方式

當(dāng)電機(jī)的功率在500 kW以下時(shí)，最好的方法是選用新的低壓電機(jī)（如國產(chǎn)380 V電機(jī)）取代原有高壓電機(jī)。經(jīng)輸入降壓變壓器降壓后，用低壓變頻器直接控制調(diào)速。此方案性能良好，變頻器即使加上新電機(jī)的成套費(fèi)用，比其他方式還要低，而且不含高壓器件，維修使用方便，變頻器選擇范圍很大。

3 變頻調(diào)速技術(shù)在火力發(fā)電廠中的應(yīng)用前景

3.1 火電廠中的節(jié)能應(yīng)用

目前，在中國電源結(jié)構(gòu)中，火電占74%（發(fā)電量占80%），水電占25%（發(fā)電量占19%），核電僅占1%左右，因此火電機(jī)組及其輔機(jī)設(shè)備的節(jié)能工作是非常重要的?；鹆Πl(fā)電廠中的各種動(dòng)力設(shè)備中，風(fēng)機(jī)水泵類負(fù)載占絕大部分。由于各電廠調(diào)峰力度的加大，這些設(shè)備的負(fù)荷變化范圍很大，所以必須實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)水泵的流量。目前調(diào)節(jié)流量的方法多為節(jié)流閥調(diào)節(jié)，由于這種調(diào)節(jié)方法僅僅是改變了通道的通流阻抗，而驅(qū)動(dòng)源的輸出功率并沒有改變，所以浪費(fèi)了大量能源。尤其現(xiàn)在電力行業(yè)改革不斷深化，廠網(wǎng)分開、競價(jià)上網(wǎng)政策的開展實(shí)施，降低廠用電率、降低發(fā)電成本提高出廠電價(jià)的競爭力，就成為各個(gè)電廠的當(dāng)務(wù)之急。采用變頻調(diào)速技術(shù)對這些輔機(jī)設(shè)備進(jìn)行改造是非常適合的，而且節(jié)能非常明顯。例如大慶華能新華發(fā)電廠1997、1998年分別在4、5號灰漿泵400 kW電動(dòng)機(jī)和5號爐2臺(tái)1 250 kW電動(dòng)機(jī)上采用變頻器，至今運(yùn)行良好，每臺(tái)變頻器年節(jié)約資金在35萬元以上。

3.2 火電廠中的軟起動(dòng)應(yīng)用

直接起動(dòng)的交流電機(jī)因起動(dòng)電流大（通常為5～7倍的額定電流），在很短的起動(dòng)過程中，籠型繞組或阻尼繞組將承受很高的熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力，致使籠條（或?qū)l）和端環(huán)在很高的應(yīng)力作用下疲勞斷裂。直接起動(dòng)時(shí)的大電流還會(huì)在繞組端部產(chǎn)生很大電磁力，使繞組端部變形和振動(dòng)，造成定子繞組絕緣的機(jī)械損傷和磨損，而導(dǎo)致定子繞組絕緣擊穿。起動(dòng)時(shí)的大電流還會(huì)造成鐵心振動(dòng)，使鐵心松弛，引起電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱。在火力發(fā)電廠中，高壓大容量交流異步電動(dòng)機(jī)應(yīng)用非常廣泛，由于直接起動(dòng)所造成的電動(dòng)機(jī)燒毀和轉(zhuǎn)子斷條事故，屢屢發(fā)生，給主機(jī)設(shè)備的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行帶來很大的威脅，因此大容量異步電動(dòng)機(jī)采用軟起動(dòng)方式，對于延長電動(dòng)機(jī)使用壽命，減少對電網(wǎng)的沖擊，保證正常生產(chǎn)是非常必要的。由于電動(dòng)機(jī)在變頻起動(dòng)過程中可實(shí)現(xiàn)高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩并且平滑無沖擊，所以采用變頻器作為軟起動(dòng)裝置是非常合適的。

3.3 變頻器在電廠控制中的應(yīng)用

交流變頻調(diào)速技術(shù)在最近幾年有了很大的發(fā)展，特別是矢量控制技術(shù)的應(yīng)用，使得交流電力拖動(dòng)逐步具備了寬的調(diào)速范圍、高的調(diào)速精度、快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)以及在四象限做可逆運(yùn)行等良好的技術(shù)性能，在調(diào)速性能方面已可與直流拖動(dòng)相媲美。因此在電廠中，不僅在節(jié)能和軟起動(dòng)方面需要變頻器，許多需要精確控制流量、壓力及液位的場所都可以采用變頻器。例如，石家莊熱電廠13號鍋爐給粉機(jī)由滑差調(diào)速改為變頻調(diào)速后，煤粉的供給更加均勻，鍋爐的燃燒更加穩(wěn)定。

4 綜述

目前高壓變頻器雖然在技術(shù)和價(jià)格上還存在許多難題，但是隨著電力電子技術(shù)和變頻調(diào)速技術(shù)的不斷發(fā)展，相信高壓變頻技術(shù)及變頻裝置都將會(huì)有很大的發(fā)展，這一技術(shù)的推廣應(yīng)用將為火力發(fā)電廠在節(jié)能降耗、提高經(jīng)濟(jì)效益、提高上網(wǎng)電價(jià)的競爭力方面發(fā)揮巨大的作用。