— 工程技术部  郜学战 —

        随着电力行业改革的不断深化和发展，降低发电成本提高上网电价的竞争力，成为各电厂的首要经营任务。降低发电厂的厂用耗电率是发电企业降低发电成本的重要手段之一。火电厂机组中原设计中一次风机是由工频定速电机拖动，在运行中通过改变挡板开度的方法进行调节。一次风机根据机组的额定容量而设计制造的，只有在额定工况下才能在高效区运行，然而在实际运行中的很少机组能达到额定负荷率，在这样的情况下工作区域往往都偏离其高效工作区，设备的使用效率较低，增加了厂用耗电量。为了降低厂用电率，国电某电厂1#炉600MW机组采用湖北三环变频器（SH-HVF-Y6K/1650）对一次风机的2台电机进行了变频改造。

        一、国电某电厂一次风机概况

        该发电厂共有4*#600MW机组，其中1#炉配置2台一次风机，正常时并列运行，一次风机风量调节通过调节进口挡板的来实现对炉膛压力的控制。由于挡板节流损失大，运行效率低，而且在负荷经常变化时调节不及时等多方面原因导致浪费了大量电能。一次风机设计流量67m3/s，风机全压：9.2kPa；转速：1492rpm。

一次风机电动机型号参数

型号         AMA500L4A BAYH    

额定功率     1650kW

额定电压     6000V

额定电流     182A

功率因数     0.9

转速         1492 rpm

重量         10550kg

生产厂家     ABB

        二、主回路方案

        1机组一次风机电机进行变频调速改造，每台一次风机电机各用一套变频调速装置，变频装置为“一拖一”方式，一次风机变频改造主回路方案为了充分保证系统的可*性，变频器加装工频旁路装置。当变频器异常不能正常运行时，电机可以切换到工频运行状态下运行，以保证生产的需要；其原理图如下：

        QF为用户侧高压开关柜，由用户提供。隔离刀闸QS1、QS2和真空接触器KM1、KM2、KM3组成工频旁路柜，由供方与变频器配套提供。高压电源经用户开关柜高压开关QF到刀闸柜，经输入隔离刀闸QS1、真空接触器KM1到高压变频装置，变频装置输出经真空接触器KM2、出线刀闸QS2送至电动机；高压电源还可经真空接触器KM3直接起动电动机。

        工频旁路柜的作用是：一旦变频装置出现故障，即可自动断开KM1、KM2，将变频装置隔离，再自动合上KM3，在工频电源下起动电机运行。另外通过在远程DCS工作站或变频器触摸屏上手动实现工频启动；当变频器故障消除后，无需停下电机，可以直接在电机工频运行情况下切换到变频运行，即“飞车启动”，实现工频/变频的任意启动模式。

        KM2、KM3之间有电气互锁，同时QS2与KM3之间通过机械闭锁，防止误操作。电机及用户侧高压断路器QF保留用户原有设备。

        三、湖北三环变频器的系统构成

        一次风机变频改造选用湖北三环的SH-HVF-Y6K/1650变频调速器，变频调速系统柜体组成包括、变压器柜、功率单元柜、以及控制柜、旁路柜四部分组成。18个功率单元，每6个功率单元串联构成一相，每个功率单元结构上完全一致，可以互换，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。

        1、输入侧移相变压器

        输入侧移相变压器将网侧高压变换为副边的多组低压，各副边绕组在绕制时采用延边三角接法，相互之间有一定的相位差。

        移相变压器柜是一台特殊结构的干式整流变压器，H级绝缘，系统温度可达180℃。设有三相温度巡检仪，其原边通过高压开关柜内的高压隔离刀闸与6kV厂用段相连，而副边绕组则根据电压等级和变频功率单元的级数分为多组，与功率单元柜内的功率单元连接，为所有功率单元供电。

        2、功率单元

        功率单元是整台变频器实现变压变频输出的基本单元，整台变频器的变压变频功能是通过单个功率单元实现的，每个功率单元都相当于一台交-直-交电压型单相低压变频器。

        功率单元整流侧用二极管三相全桥进行不控全波整流，中间采用电解电容滤波和储能，输出侧为4只IGBT组成的H桥。

        3、单元串联多电平的输出结构

        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，中性点浮空。虽然每个功率单元输出的都是等幅PWM电压波形，但相互间有确定的相位偏移，通过串联叠加，可得到正弦阶梯状PWM波形。

       变频器采用这种单元串联的结构，使变频器可以实现单元旁路功能（该功能为选件），当某一个单元出现故障时，通过使功率单元输出端子并联的继电器K闭合，将此单元旁路出系统而不影响其他单元的运行，变频器可持续降额运行，可减少很多场合下突然停机造成的损失。

        需要特别注意的是，三环高压变频器采用的是机械旁路方式，而国内其他大部分高压变频器厂家采用的是电气旁路方式。三环高压变频器所用的机械旁路方式（后简称机械旁路）和其他厂家采用的电子旁路两者的根本区别如下：

        （1）机械旁路采用旁路模块来完成旁路，而电气旁路方式则往往采用可控硅/IGBT 等电子元件；

         （2）机械旁路的旁路执行机构是独立的部分，不管故障单元上驱动板/功率器件/通讯光纤等器件如何损坏，都不会影响旁路功能，可*性比较高；而电气旁路往往需要由单元驱动板来控制，当驱动板上任何元件发生问题，都将使得旁路功能陷于失控的危险状态，所以电子旁路的可*性差。
 

        4、控制系统

        变频器控制系统接收用户的控制指令（启动、停机、急停、频率给定等），对各功率单元进行触发、封锁、旁路等控制，使变频器提供相应的频率和电压输出。控制系统还对变频器各部件的状态（如各个功率单元、变压器、风机等）进行监控，提供故障诊断信息，实现故障的报警和保护。

        在现场应用中，控制系统负责与现场接口，提供阀门联动、自动调度等现场需要的控制功能。

为了实现控制部分和高压部分完全可*隔离，控制器与功率单元之间采用光纤通讯技术，系统具有极高的安全性，同时具有很好的抗电磁干扰性能。

       5、变频改造后工艺

        变频改造后，通过变频器与DCS的连接，实现远程控制，与DCS的接口信号如下：

      正常时，在控制室根据生产工艺和负荷调节高压变频器的目标给定频率（通过4～20mA信号输出到高压变频器）来调节风量。

      异常时，即变频器出现故障而又无法自动排除时，变频器可以断开K2和K3，将变频装置隔离，闭合旁路接触器K1，切换时间不大于5秒，使运行风机在工频电源下正常运行，以保证生产的安全运行。同时输出故障信号至中控室。

       6、改造后经济性分析

       国电某电厂通过对1#炉两台一次风机的变频改造，取得了显著的经济效益，降低了厂用电率，下表为变频前后的耗电对比情况。

  以上为在不同负荷时的节电率，由于发电机组经常处于变负荷运行状态，由上表数据可以看出，正常负荷节电率为20%左右，同时变频器在发电量越低时节电效果越明显。

        7、变频改造后间接效益

        在机组变负荷运行方式下，风机采用高效的变频调速驱动系统取代常规的定速驱动系统，节约大量的节流损耗，节电效果显著，潜力巨大。

        风机改用变频器后，在降低风机转速运行的同时，噪音可大幅度地降低，同时消除了因调节挡板控制风量而造成的管网内气流紊乱和风量调节不准确，以及管网振动和炉膛燃烧不稳等缺陷。

        使用高压变频器后，风机挡板不需要频繁调整，挡板开度保持在一个比较大的范围内，通过调节变频器的输出频率改变电机的转速，达到调节风量的目的，满足运行工况的要求。风机变频运行后，噪音、振动都将大为减小。

        由于变频调速驱动系统本身具有软起动功能，可使电厂风机实现软起动，避免了由于电动机直接起动引起的电网冲击和机械冲击，从而可以防止与此有关的一系列事故的发生。

        总结：

        设备自运行以来来，高压变频器所带的1＃炉600MW一次风机电机调速性能稳定，节能效果显著。另外由于实现软启动，避免了电机启动时对电网和机械的冲击，电网电压更加稳定，同时电机和风机的使用寿命得到延长。如果考虑到节省系统维护费的用及系统运行可*性的提高，综合经济效益更高。

        锅炉一次风机等风机类设备采用变频调速技术实现节能运行是我国节能的一项重点推广技术，受到国家政府的普遍重视，实践证明，变频器用于风机类设备驱动控制场合取得了显著的节电效果，是一种理想的调速控制方式。既提高了设备效率，又满足了生产工艺要求，并且因此而大大减少了设备维护、维修费用，还降低了停产周期。直接和间接经济效益十分明显，我们认为目前高压变频器正逐步取代其他调速方式成为首先的应用方式让用户认可，随着高压变频器的大规模应用，性价比不断提高，最终变频器将会成为电机调速的最佳选择。