摘要：本文介紹了國產多電平高壓變頻器的原理及其在建設兵團奎屯電廠中的應用情況，結果表明，對電廠循環泵設備進行變頻改造后，節能效果非常明顯，并提高了設備和系統的安全可靠性，改善了水泵和電機的使用壽命。
關鍵詞：高壓變頻器 節能

1 引言
隨著國民經濟的持續發展，能源問題日益的突出，節能問題愈來愈受到重視。據統計，目前全國各類電機年耗電量約占全國總發電量的65%，而其中大功率風機、泵類是年耗電量約占工業總耗電量的50%，zui大限度地降低風機、泵類等設備的耗電量對于節能具有重要意義。
建設兵團新疆奎屯電廠二廠裝機容量為2×250MW。在循環供水系統中，是由循環水泵實現水資源的循環利用的，經熱交換后的熱水進入冷卻設施進行冷卻，使其水溫降至允許值，然后又重復將冷卻水輸入凝汽器而循環使用。由于系統水位基本上是穩定的，故循環水泵的揚程也基本穩定，而其容量按計算水量確定。兩臺機組使用共有循環水管供水，配備4臺功率為176KW循環水泵，配套電機為250KW/6KV及220KW/6KV各兩臺。
在變頻改造前，水量調節是通過調節水泵閥門的開度來實現，水泵及電動機運行在低效率工作區，能源浪費嚴重，同時由于奎屯電廠屬于獨立電網，工頻直接啟動對電動機和電網的沖擊都很大，并容易造成電機籠條松動、有開焊斷條的危險。
基于以上原因，奎屯電廠決定對機組循環水泵進行了變頻改造，通過考察，zui后選擇廣東明陽龍源電力電子有限公司型號為MLVERT-D06/320的變頻器對兩臺250KW/6KV電機進行“一拖二”改造。

2 高壓變頻器的組成和原理
MLVERT-D系列高壓變頻器是廣東明陽龍源電力電子有限公司生產的具有自主知識產權，無電網污染的調速系統，采用的結構為多單元串聯，輸出為多電平移相式PWM方式。特別適合于風機、泵類工業應用現場，已經被廣大工業用戶接受和充分認可。下面以6kV系列為例說明其原理，變頻器主電路結構見圖1。

圖1 高壓變頻器主電路原理圖
該高壓變頻器具有運行穩定、調速范圍廣、輸出波形正弦好、輸入電流功率因數高、效率高等特點，對電網諧波污染小，總體諧波畸變THD小于4%，直接滿足IEEE519-1992的諧波抑制標準，功率因數高，不必采用功率因數補償裝置，輸出波形好，不存在諧波引起的電機附加發熱和轉矩脈動、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問題，不必加輸出濾波器，就可以使用普通的異步電機。
2.1 輸入變壓器
MLVERT-D06系列高壓變頻器的輸入側隔離變壓器采用移相式變壓器，變壓器原邊繞組為6kV，副邊共18個繞組分為三相。每個繞組為延邊三角形接法，分成6個不同的相位組，分別有±5o、±15o、±25o移相角度，形成36脈波的二極管整流電路結構。每個副邊繞組接一個功率單元，這種移相接法可以有效地消除35次以下的諧波。對電網諧波污染小，直接滿足IEEE519-1992的諧波抑制標準。
2.2 功率單元
如圖1，電網送來的三相6KV/50HZ交流電經輸入變壓器降壓后給功率單元供電，功率單元為三相輸入，單相輸出的交直交PWM電壓源型逆變器結構，相鄰功率單元的輸出端串接起來，形成Y接結構，實現變壓變頻的直接輸出，6kV輸出電壓每相由6個額定電壓為580V的功率單元串聯得到，輸出相電壓3480V，線電壓可達6kV。
每個功率單元采用電壓源型結構，直流環節為濾波電容，電機所需的無功功率由電容提供，而不需要和電網交換，變頻器輸入功率因數高，可保持在0.96以上，且在整個速度范圍段內基本保持不變，不需采用功率因數補償裝置。
每個功率單元通過光纖通訊接收主控系統發送的調制信息以產生負載電機需要的電壓和頻率，而功率單元的狀態信息也通過光纖反饋給主控系統，由主控系統進行統一控制。該光纖是模塊與主控系統之間的*連接，因而每個功率單元與主控系統是*電氣隔離的。
2.3 高壓變頻器PWM技術
高壓變頻器的PWM技術是變頻器研究中一個關鍵技術，它不僅決定功率變換的實現與否，而且對變頻器輸出電壓波形的質量，電路中有源和無源器件的應力，系統損耗的減少與效率的提高等方面都有直接的影響。
MLVERT-D06系列高壓變頻器采用了移相式多電平PWM技術，它是傳統的兩電平PWM技術的擴展，它的本質是PWM技術與多重化技術的有機結合。這里以2單元串聯的高壓變頻器為例說明其基本原理，圖2給出了2單元串聯高壓變頻器其中一相的串聯示意圖。

圖2 兩個功率單元串聯示意圖
圖3給出了移相式多電平PWM調制的波形圖。圖中兩個功率單元的載波互差180度相位角，2個載波調制同一信號波，調制方法是，當信號波大于三角載波時，給出導通控制信號；相反則給出關斷控制信號。圖3中每個功率單元兩個半橋上下橋臂開關管互補導通和關斷，驅動 、 、 、 開關器件的驅動信號、由此產生的兩個功率單元輸出電壓波形以及合成電壓波形如圖所示。

圖3 載波移相多電平PWM調制
由圖3得出，對于6功率單元串聯高壓變頻器，各單元采用共同的調制波信號，各載波的相位相互錯開載波周期的1/6，對每個功率單元進行SPWM控制，通過載波的移相，使得每個功率單元輸出的PWM脈沖相互錯開，這樣在疊加后，使輸出波形為多電平（相電壓13種電平，線電壓25種電平輸出），同時輸出波形的等效開關頻率達到單元開關頻率的6倍，大大改善輸出波形，減少輸出諧波，使輸出電壓非常接近正弦波。同時輸出電壓的每個電平臺階只有單元直流母線電壓大小，dv/dt很小，對電機沒有危害，不必設置輸出濾波器，就可以使用原有的電機。其輸出波形如圖4所示。

圖4 高壓變頻器的輸出電壓和電流波形

3  循環水泵變頻改造方案
3.1 變頻器選型
改造的循環水泵是兩臺雙側布置，甲乙兩臺水泵均采用調節閥門開度的方式控制流量，由于電機設計時冗余較大，加上流量控制采用閥門調節引起的阻力損耗，電能的浪費特別嚴重，影響機組的經濟運行。
一般情況下，變頻器容量應不小于電動機容量，這樣能滿足電機在額定出力內進行不同轉速的調節。在現實生產工作中，根據實際運行工況來選擇合適的變頻器容量，既能滿足生產需要，又能節省變頻器投資及減少配套設施。奎屯電廠循環水泵的配套電機功率為6KV/250KW，為了滿足50Hz時滿負荷運行要求，為其配備了容量為320kVA的變頻器以滿足各種工況下不同轉速調節的要求。
3.2 系統方案
對電廠循環水泵的變頻改造遵循了“zui小改動，zui大可靠性，*經濟性”原則，為兩臺循環水泵電機進行了“一拖二”改造，此方案的優點是兩臺電機可以其中任何一臺變頻運行，另外一臺工頻運行或工頻備用，電機的變頻方案示意圖如圖5所示。
圖5 循環水泵變頻方案示意圖
圖5中工頻旁路系統由兩個高壓柜組成，每個高壓柜內有3個高壓隔離開關，其中刀閘QS1、QS2 與QS3，QS4、QS5與QS6 有機械互鎖，不能同時合；QS1與QS4、QS5，QS4與QS1、QS2 有電氣互鎖，不能同時合。進行變頻改造后，循環水泵的閥門開度保持全開，基本不需要改變。根據實際所需的水量，由DCS系統通過PID調節，輸出4～20mA模擬電流信號送給變頻器，變頻器通過調節輸出頻率改變電機的轉速，達到調節流量的目的，滿足運行工況的要求。
同時，變頻改造后電機在啟動和調節過程中，轉速平穩變化，沒有出現任何沖擊電流，解決了電機啟動時的大電流沖擊問題，消除了大啟動電流對電機、傳動系統、主機及管道的沖擊應力，大大降低維護保養費用。

4 節能分析
4.1 節能原理
根據水泵工作原理與運行曲線，我們可以得到圖6中的100％轉速運行曲線，這條曲線配合水泵在不同流量運行時的特性曲線（阻抗曲線）可以得到在未應用變頻調速情況下使用閥門調節控制流量、壓力。
理論上，全流量工作時，采用變頻器和閥門調節時，輸入的功率一致，其功率為AI0K包圍的面積，當水泵運行點由A（100％流量）點移動到B點（80％流量）時，如果采用閥門調節控制時，電動機的功率為BH0L包圍的面積，但是采用變頻器拖動水泵后，由于特性的改變，其輸入功率為EJ0L包圍的面積，其節能效果為：BHJE包圍的面積。因此在理論上，采用變頻器改造水泵后，將會取得很好的節能效果。

圖6 水泵閥門調節與變頻調節運行曲線圖

由流體力學可知流量Q與轉速n的一次方成正比，壓力H與轉速n的平方成正比，軸功率Ps與轉速n的立方成正比，即Q ∞ n，H ∞ n²，Ps ∞ n³。
當所需要的流量減少，水泵轉速降低時，其軸功率按轉速的三次方下降。如所需流量為額定流量的80%，則轉速也下降為額定轉速的80%，那么水泵的軸功率將下降為額定功率的51.2%；當所需要流量為額定流量的50%時，水泵的軸功率將下降為其額定功率的12.5%。當然轉速降低時，效率也會有所降低，同時還應考慮控制裝置的附加損耗等影響。
4.2 效益
MLVERT-D06/320.A變頻器自2005年在建設兵團新疆奎屯電廠投運以來，運行良好，達到了改造的目的。
根據變頻改造前后的運行記錄，在變頻改造前，每一班8小時，耗電為2000KWh；變頻改造后，每一班8小時，耗電為1400KWh，變頻改造后相比改造前節能達30％。按照年平均運行300天計算，年節電可達：（2000－1400）×3×300＝54萬度，經濟效益十分可觀。
變頻改造以后，循環泵調節閥門一直處于全開狀態，對其維護量大大減少。變頻啟動時電機轉速從0逐漸平穩的升到所需轉速，沒有任何沖擊，電流從零開始上升，不會超過額定電流，解決了電機啟動時的大電流沖擊問題，消除了大啟動電流對電機、傳動系統和主機的沖擊應力，大大降低日常的維護保養費用，延長了電機、水泵壽命。

5 結束語
對奎屯電廠1＃機組循環水泵實施了變頻改造后，節約了大量的電能，改善了工藝過程，電機實現了軟啟動，延長設備的使用壽命，減少維修量，取得了預期的效果。
“十一五”規劃中明確提出了要“突出抓好在電廠等行業中的節能工作”及重點工程“電機系統節能 在煤炭等行業進行電動機拖動風機、水泵系統優化改造”。高壓變頻器的推廣使用對于建設節約型社會具有重大意義。