ABB ACS5000中壓變頻器在重慶珞璜電廠的應用分析
發布時間：2019-08-02 10:20:59來源：
ABB ACS5000中壓變頻器在重慶珞璜電廠的應用分析
1.引言（Introduction）隨著國民經濟的蓬勃發展，對于電力的需求日益增加，全國電力工業一直保持著快速增長的勢頭。截至2006年底，我國電力工業全國發電裝機容量達到6.22億千瓦，同比增長20.3%。火電達到4.84億千瓦，約占總容量77.82%，同比增長23.7%；而這一數字到2007年底已經達到了7.13億千瓦，預計到今年年底，全國電力裝機容量將突破8億千瓦，而其中火電機組將占到78%[1]。
隨著大批電源項目的相繼建成投產，電力供需形勢進一步緩和，發電設備利用小時數大幅回落。從2006年開始，全國加快電源結構調整，優化節能環保經濟調度，加大科學、精細和對標管理實施力度，電力行業節能降耗取得持續進展。2006年全國供電煤耗為366克/千瓦時，比2005年降低4克/千瓦時；電網輸電線路損失率比去年減少0.1個百分點，降為7.08%。
由于電力生產的特殊性，決定了電力生產系統中的各種設備需要根據比較大生產能力來進行配置，而不能根據平均的電力需求配置系統[2]。在電力生產中，電力生產的比較大生產能力是是根據主機（鍋爐、汽輪機和發電機）的出力決定的，輔機（各種風機、水泵及其驅動電機、電氣控制調節系統等）是根據主機的情況配置的。在設計過程中均考慮一定的裕量，因此造成在實際運行中，多少風機和水泵均需要調節。傳統的流量調節方式是節流，但是存在反應慢、調節精度低、能耗大等問題，而中壓變頻因其調節性能優良、節能效果好等因素，正逐漸應用到電廠中風機、水泵等流量調節中[3-4]。
通過近幾年的中壓變頻應用情況的統計分析可以看出，發電廠中冷凝泵輔機具有很大的變頻節能空間和應用前景。
2.運行工況（Operation condition）
凝結水系統采用中壓凝結水精處理系統，每臺發電機設2×100％容量立式凝結水泵，其中一臺運行，一臺備用。為節能降耗，降低廠用電率，2008年8月對凝泵進行了中壓變頻器控制改造，選用ABB的變頻器。通過收集和反復的方案論證，為了追求比較大的節能效果，同時方便運行操作和檢修維護，凝泵改變頻采用一拖二的控制方式，即一臺發電機的兩臺凝泵共用一臺變頻器，通過6個旁路刀閘來切換。
中壓變頻器與6KV開關連接，為了充分保證系統的可靠性，變頻器加裝工頻旁路刀閘。當凝泵電機變頻運行時，凝泵進口調門開度全開，其水量通過改變凝泵電機轉速來調節；當變頻器故障時，發出跳變頻器支路開關的指令，同時自動切換到備用凝泵的工頻運行，恢復凝泵進口調門的調節功能，同時變頻器轉入檢修；當變頻器故障處理好后，可以啟變頻器帶一臺凝泵電機，這時另一臺凝泵工頻運行，等變頻器達到一定轉速后，再停工頻運行的凝泵。
機組正常運行要保持一臺凝泵運行，同時考慮變頻器故障時凝泵之間的切換，改造后既要保留原來的切換邏輯，還要考慮變頻切工頻及工頻切變頻等各種運行方式，相應增加了凝泵控制系統的控制邏輯。原來凝結器控制是通過調門來維持水位，改變頻后要由變頻器來控制水位，在低轉速時還得靠調門來協助變頻器維持水壓，以確保低旁減溫等重要用途的需要。
3.水泵變頻節能原理（Energy saving principle）
3.1. 揚程特性
揚程是單位重量的水通過水泵所獲得的能量。在工程應用中，常常體現為液體上揚的高度[3]。
以管路中的閥門開度不變為前提，表明在某一轉速下，水泵的揚程與流量之間的關系特性為 ，稱之為揚程特性。如圖1中的曲線1、2所示。揚程反映了水泵出水流量的大小對供水揚程的影響，即水泵的出水流量越大，則管道中的摩擦損耗以及增大流速所需要的揚程也越大。故供水揚程將越小。揚程特性與轉速有關，即水泵的轉速下降，其供水能力也下降，揚程特性曲線也將下移，如圖1中的曲線2所示。
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3.2. 管阻特性
管阻是閥門和管道系統對水流的阻力，其與管路的直徑和長度、管路各部分的阻力系數，以及液體的流速等因數有關[3]。
以水泵的轉速不變為前提，表明閥門在某一開度下，供水揚程與流量之間的關系的曲線 ，稱之為管阻特性，如圖1中的曲線3、4所示。
管阻特性實際上是管道系統的負載特性，他表明為了在管路內得到一定量的流量，水泵必須提供的揚程。如果供水揚程小于靜揚程，將不能供水。
當閥門關小時，管阻系數將增加，管阻也將增大，在揚程相同的情況下，流量將減小，管阻特性曲線將上揚，如圖1中的曲線4所示。
圖1 揚程特性和管阻特性
Fig.1 Head and ducting resistance characteristics
揚程特性和管阻特性的交點，稱之為供水系統的工作點，如圖1中的A、B、C、D點，在這一點上，供水系統既符合了揚程特性，又符合了管阻特性，因此供水系統處于平衡狀態，系統可以穩定運行。
如果水泵上采用中壓變頻后，根據工藝的要求，通過改變水泵的轉速來改變揚程特性，而管道閥門保持全開放狀態，管阻特性如曲線3所示保持不變，這樣就可以使供水系統達到新的平衡，就可以達到節能的目的[3]。
4.系統方案（System scheme）
利用電廠現有的設備（冷凝泵電機和凝結水泵，見表1和2），對系統進行改造，沒有單獨修建機房，同時也沒有配備空調系統，完全采用ABB變頻器本身的散熱系統。電氣控制方式采用DCS集中控制；采用一拖二控制的旁路，設置兩個旁路刀閘柜。控制電源采用交流220VAC，兩路供電，自動切換。
表1 凝泵電機參數
Tab.1 motor parameter of condensation pump
Tab.1 motor parameter of condensation pump
表2 凝結水泵參數
Tab.2 Condensation pump parameter
Tab.2 Condensation pump parameter
4.1. 系統動力方案
系統采用一拖二工頻/變頻手動旁路的方案，系統主電路原理圖見圖2。該方案是由六個高壓隔離開關QS1～QS6組成（見下圖）。其中QS1和QS4,QS2和QS5電氣互鎖；QS2和QS3,QS5和QS6機械互鎖。如果兩路電源同時供電，M1工作在變頻狀態，M2工作在工頻狀態時，QS4和QS5、QS3分閘，QS1、QS2和QS6處于合閘狀態；M2工作在變頻狀態，M1工作在工頻狀態時，QS1和QS2、QS6分閘，QS4、QS5和QS3處于合閘狀態；如果檢修變頻器，QS3和QS6可以處于任一狀態，其它隔離開關都分閘，兩臺負載可以同時工頻運行；當一路電源檢修時，可以通過分合隔離開關使任一電機變頻運行。
圖2 系統主電路原理圖
Fig.2 System main circuit schematic diagram
Fig.2 System main circuit schematic diagram
4.2. 系統控制方案
變頻系統受DCS系統控制，主要接口信號如下：
1）. 變頻器與旁路柜需要提供的開關量輸出30路
（a） 變頻器待機狀態指示：表示變頻器高壓上電自檢正常，具備啟動條件。
（b） 變頻器運行狀態指示：表示變頻器正在運行。
（c） 變頻器控制狀態指示：節點閉合表示變頻器控制權為現場遠程控制；節點斷開表示變頻器控制權為本地變頻器控制。
（d） 變頻器輕故障指示：表示變頻器產生報警信號。
（e） 變頻器重故障指示：表示變頻器發生重故障，立即關斷輸出切斷高壓。
（f） 1#電動機高壓合閘允許指示：變頻器自檢通過或系統處于工頻狀態正常，具備上高壓條件，閉點有效，允許1#高壓開關操作。
（g） 2#電動機高壓合閘允許指示：變頻器自檢通過或系統處于工頻狀態正常，具備上高壓條件，閉點有效，允許2#高壓開關操作。
（h） 旁路柜隔離開關合閘指示：表示該操作隔離開關已處于合閘狀態。每臺隔離開關二路共8路節點。
（i）旁路柜隔離開關分閘指示：表示該操作隔離開關已處于分閘狀態。每臺隔離開關二路共8路節點。
（j）1#電動機在旁路狀態：表示QS2工頻狀態合閘，電動機處于工頻旁路狀態。
（k）2#電動機在旁路狀態：表示QS4工頻狀態合閘，電動機處于工頻旁路狀態。
以上所有數字量采用無源接點輸出，定義為接點閉合時有效。除特別注明外，接點容量均為AC220V、3A/DC48V，3A。
2）. 變頻器應提供模擬量輸出2路：
（a） 變頻器輸出轉速百分比（0～1500rpm）
（b） 變頻器電機電流（0～600A）
變頻器提供2路4～20mADC的電流源輸出（變頻器供電），帶負載能力均為250Ω。
3）. 需要提供給變頻器的模擬量1路：
（a） 變頻器轉速給定值
現場提供1路4～20mADC二線制電流源輸出（DCS供電），帶載能力為250Ω，4～20mADC對應轉速低高限，呈線性關系。
4）. 需要提供給變頻器的開關量有3路：
（a） 啟動指令：干接點，比較小1S比較大3S脈沖閉合時有效，變頻器開始運行。1路
（b） 停機指令：干接點，脈沖閉合時有效，變頻器正常停機。1路
（c） 急停指令：干接點，脈沖閉合時有效，變頻器立即停機關斷輸出。1路
5）. 變頻器與其他電氣設備接口
變頻器給高壓開關柜的有4路：
（a）高壓緊急分斷：變頻器出現重故障時，自動分斷高壓開關，閉點有效。2路
（b）高壓合閘允許：變頻器自檢通過或系統處于工頻狀態，具備上高壓條件，閉點有效。2路
以上所有數字量采用無源接點輸出，定義為接點閉合時有效。除特別注明外，接點容量均為DC110V，2.4A。
高壓開關柜給變頻器的狀態信號2路：
1#、2#高壓開關分閘信號：高壓開關處于分斷時，輔助節點閉合；2個。
5.ACS5000中壓變頻器（MV drives）
目前，主要的中壓變頻器拓撲結構有三種：1）串聯H橋多電平結構[5-6]；2）中性點箝位（NPC）多電平結構[6-8]；3）電容箝位結構[6-8]。
5.1. 拓撲結構
ACS5000變頻器的拓撲結構為電壓型9電平無熔斷器（VSI-MF）設計逆變器。基于新一代功率半導體器件IGCT技術和電壓源型九電平無熔斷器設計使得ACS5000變頻器具有與生俱來的高可靠性。基于直接轉矩控制（DTC）技術的ACS5000變頻器根據工藝的需求可提供精確的速度和轉矩控制。其主電路拓撲結構見圖3所示。
圖3 變頻器主電路拓撲結構
Fig.3 Converter topology configuration
Fig.3 Converter topology configuration
從圖中可以看出ACS5000是由三個相同的功率單元構成。功率單元是一種實現電力頻率變換功能的電力半導體模塊，是中壓變頻器不可或缺的重要組成部分。如下圖4所示，該功率單元主要由三部分構成，分別是12脈沖供電部分（1）、直流環節部分（2）和單相H橋式逆變器部分（3）。其主要工作原理：功率單元外部提供的兩個獨立的三相交流電通過12脈沖供電部分后，變成具有12脈沖的脈動直流電。這種脈動的直流電經過直流環節部分的濾波和支撐后，形成穩定的直流電源從而饋電給單相H橋式逆變器部分。逆變器部分通過采用先進的空間矢量脈沖調制（SVPWM）模式，控制電力半導體器件的導通時序，產生了幅值和頻率均可調的高質量的單相交流電。
圖4 功率單元電路圖
Fig.4 Power cell circuit diagram
Fig.4 Power cell circuit diagram
在該功率單元中，12脈沖供電部分是由兩個6脈沖二極管供電單元串聯而成，利用功率單元的前級變壓器提供的兩個交流電源的角度差，從而消除了電流中的低次諧波，降低了功率單元對電網的諧波干擾。這對改善用電設備對電網的諧波干擾具有重要作用。
5.2. 技術特點
ACS5000的技術主要具有如下特點：
●部件數量比較少，可靠性比較高
●多電平無熔斷器拓撲結構，結合IGCT和DTC技術使得系統效率比較高。
●功率密度比較高，占地面積比較小
●36-脈沖配置，比較優化的電網友好性
●效率高，安裝、調試及維護簡單使得擁有的成本比較低
●DTC， 無與倫比的控制性能
●適用于標準電機
IGCT功率半導體器件
IGCT[7-8]是在GTO的基礎上發展起來的新型復合型器件，兼有IGBT和GTO兩者的優點，又克服了兩者的不足，是一種較為理想的兆瓦級中壓開關器件。具有低開關損耗、低通態損耗、無需緩沖電路、集成續流二極管、高可靠性等眾多優點。
與IGBT相比，IGCT的通態壓降更小，額定承受壓降更高，通過電流更大；與GTO相比，IGCT的體積更小，便于和反并聯二極管集成在一起，這樣就大大的簡化了電壓源型逆變器的結構，提高了裝置的可靠性。ABB公司推出的IGCT為單片器件，不再使用焊接或者鍵合導線，而是采用了獨立的彈簧壓力封裝技術。這一技術使得器件對壓力不對稱的敏感程度大為降低。因此對器件安裝所需的機械技術指標有更高的容差，同時允許更高的安裝緊固壓力。所有這些技術都大大提高了器件在高壓大功率場合的可靠性。
無熔斷器設計
ACS5000是一種無需熔斷器保護的中壓交流變頻器。其采用逆變器的IGCT 進行保護。與熔斷器相比，IGCT 為功率部件提供了更加快速、可靠的保護。其關斷時間為25微秒，比傳統的快速熔斷器快100倍。可以有效的故障控制在設備本體內，不會對上級電網或更高一級電網造成影響。
網側友好性
ACS5000的輸入側采用36脈沖二極管整流，對電網具有友好性。對電網側的諧波完全滿足IEEE-519和GB/T14549諧波標準。其網側電壓和電流波形如下圖5所示。
圖5 電網側電壓電流波形
Fig.5 Network voltage and current waveform
Fig.5 Network voltage and current waveform
隔離變壓器
由隔離變壓器的幾個副邊繞組向變頻器供電。為了36脈沖方式的相位移，要求使用多繞組變壓器。變壓器的另一個目的是提供足夠的阻抗將網側諧波限制在IEEE519-1992和GB/T14549-93所要求的限值范圍內。對于36脈沖方式，隔離變壓器有六個副邊繞組，采用沿邊三角形或曲折接法，滿足36脈沖輸入整流橋的要求。根據使用場所的具體要求，可采用單獨安裝的變壓器，或對于小功率的可采用集成變壓器。
輸入整流橋
輸入整流橋向直流母排提供直流電壓和電流，包括三套獨立的串聯12脈波整流橋。
安全接地開關
為了確保運行維護人員對變頻器進行維護時的人身安全。所有帶高壓電的柜門都與安全接地開關聯鎖，確保在進行維護之前供電電源已經切斷，而且所儲存的電能（例如直流回路電容組的電能）已經釋放掉。安全接地開關閉合時，將直流母排上的正端、中性點和負端的母線接地。
長壽命直流電容器
在直流回路中，使用了先進的、自愈式且環保的金屬箔電容器，這種電容器是按照長壽命設計的。與不可靠且維護量大的電解式直流電容器設計相比，ABB利用該技術使其明顯與眾不同。直流回路電容對整流橋的輸出進行濾波，使其成為低阻抗的電壓源供逆變器工作。
di/dt電抗器
變頻器中有兩個電抗器，用來限制輸入到逆變器電路中相應的上、下兩部分電流的上升率，以防止IGCT承受過高的di/dt。當直接接在直流回路上的一個IGCT導通時，從直流回路上吸取的電流迅速增加，在很短的時間內（幾微妙），電抗器產生一個反電勢阻止電流的增大，從而有效地限制了di/dt。
與每個電抗器相關的二極管、電阻和電容器組將電抗器在上述過程中儲存的能量釋放掉，并且，當逆變器中IGCT在關斷時，防止過高的電壓加到IGCT上。
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EMC濾波器
逆變器的輸出直接接到一組EMC濾波器上，該濾波器對逆變器的輸出進行濾波并消除高頻電壓成分。這樣大大地減少了加到電動機的電壓的諧波含量，允許使用標準的電動機。所有dv/dt的影響也大大地削弱，因此電動機出線端的電壓振蕩問題也消除了。電機電壓電流波形如圖6所示。
圖6 電機電壓電流波形
Fig.6 Motor voltage and current waveform
Fig.6 Motor voltage and current waveform
電子控制裝置
ACS5000為全數字智能型變頻器，其控制核心主要由兩塊電子線路板來完成：AMC-33電機與應用控制板和INT系統接口板。AMC-33負責邏輯運算、DTC電機模型計算以及與DTC算法相關的控制環的處理。INT負責產生IGCT門極觸發信號和處理傳動系統控制和保護的電壓和電流信號。
AMC-33主控板和INT接口板均采用DSP數字信號處理器（主頻150MHz）和ASIC特殊應用集成電路，以滿足高速和可靠的控制技術的工藝要求。系統采用光纖通訊以確保高水平的噪聲抑制。
柜門機電聯鎖
功率單元的柜門與接地開關以及主電路斷路器機電聯鎖，從而保證只有在斷開主電源，直流電容放電結束并且接地開關接地后，功率單元的柜門才能打開。同樣，只有在關好柜門并且接地開關處于斷開狀態，才能閉合主回路斷路器給變頻器上電。
5.3. 控制方式
ACS5000采用直接轉矩控制技術[7-8]。直接轉矩控制DTC（Direct Torque Control）系統，又稱直接自控制系統DSR（德文Direkte Selbstregelung）。在轉速環內，利用轉矩反饋直接控制電機的電磁轉矩，因而得名。
直接轉矩控制（DTC）是交流傳動的一種獨特的電機控制方式。逆變器的開關狀態由電機的核心變量磁通和轉矩直接控制。測量的電機電流和直流電壓作為自適應電機模型的輸入，該模型每25微秒產生一組精確的轉矩和磁通的實際值。電機轉矩比較器將轉矩實際值與轉矩給定調節器的給定值作比較，磁通比較器將磁通實際值與磁通給定調節器的給定值作比較。依靠來自這兩個比較器的輸出，優化脈沖選擇器決定逆變器的比較佳開關狀態。
DTC的控制周期為25μs，其響應速度是目前比較好的交流傳動的10倍，直流傳動的100倍；而且具有高動態精度和靜態精度，快速的轉矩響應。零速滿轉距的高啟動轉距特性，適用于傳送帶設備和擠壓機應用，高過載能力，適用于窯應用。
6.改造效果及性能評價（Result and evaluation）
華能珞璜電廠＃5機凝泵變頻器改造，于2008年8月11日開工，9月3日調試完成。9月10日開機，運行觀察幾天后，電廠發電部反映節能效果明顯。
現結合改造前和改造后凝泵電機的電流，來簡要計算＃5機凝泵的節能效果。
表3 變頻改造前后的技術數據
Tab.3 Electrical data before and after retrofit
Tab.3 Electrical data before and after retrofit
從表中可以看出，在發電機的負載不高于500MW情況下，凝泵變頻器節電率高于都高于40%，既便發電機滿發，節電率也高達34％。
＃5機變頻器安裝在三期汽機房內，沒有專門修建房間，也沒有配空調制冷，所以節電率是凈的節電率。
華能珞璜電廠一期機組（＃1機、＃2機）和二期機組（＃3機、＃4機）都是成套引進法國ALSTOM的360MW機組，三期機組（＃5機、＃6機）是國產600MW機組。
在＃5機凝泵變頻器改造之前，電廠已經在一、二期機組的凝泵和引風機上進行了變頻控制改造，都為變頻器修建了專門的房間，配備了制冷空調。一個變頻器房間的設計修建費用需10－15萬元人民幣，空調按凝泵電機容量的3％考慮，那么＃5機2200KW的電機，需配備30匹的空調，按市場價買三臺10匹的空調，約需6萬元人民幣。
假設機組年平均運行小時按5000小時計算，其中三分之二時間使用空調，那么30匹的空調空調耗電約20萬度，折合人民幣7萬元。
再假設每年運行5000小時都是帶500MW的負載，那么每年使用變頻器的直接節電為426萬千瓦時，折合人民幣約150萬元，這樣只需一年半就能收回整個變頻器改造項目的投資。
這樣，＃5機凝泵變頻器不修房間，不配空調，基建費用可省20萬元人民幣左右。每年節約空調運行耗電費用7萬元，而變頻器直接節電節約的費用高達150萬元人民幣。
7.結論（Conclusion）
發電廠中的輔機是很重要的發電設備。通過對華能珞璜電廠中的冷凝泵采用ABB ACS5000中壓變頻應用情況的統計分析可以看出，發電廠中冷凝泵輔機具有很大的變頻節能空間和應用前景，尤其是國產機組，國內設計院考慮的容量較保守，裕量較大，所以國產機組的輔機變頻改造的節能空間很大。本案例對電廠的冷凝泵進行的變頻改造，根據現場的實際運行測量結果表明：動靜態性能大幅度提升，節能效果明顯，節電率超過40%。
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