10MW级高压变频器在600MW机组给水系统中的应用

一、项目现状

1、概况

国电河北某发电公司现有600MW火力发电机组两座，采用单元制运行结构。每台锅炉给水系统配备有凯士比生产的机组满发流量50%的电动变速给水泵三台，采取两用一备方式运行。给水泵系统由前置泵、电动机、液力耦合器、给水泵本体组成。其工艺流程是将除氧器水箱出来的三根低压给水管分别经前置泵、给水泵增压后汇管进高压加热器、锅炉省煤器、等加热设备，进入汽水分离器维持液位稳定运行。该系统工艺流程如图一所示。

图一、给水系统工艺流程图

为保证锅炉运行处于安全状态，目前机组通过调节给水泵液耦输出转速的方式改变给水流量，控制汽水分离器液位稳定。给水泵液力耦合器配有增速齿轮，使涡轮的转速高于原动机的转速，在这个较高的转速值下往降低转速的范围内调速运行。机组在350MW及以下低负荷时，单台给水泵运行;350MW以上高负荷时，两台给水泵并联运行，液耦调速器输出转速在69%~91%之间调节，系统无给水调门。

2、液力耦合器调速系统存在的问题

2.1 给水泵采用液耦传动调速运行，传动损失大、系统效率低，造成大量能源浪费。

2.2 液耦调速器属柔性连接驱动，采用勺管开度调节时系统响应速度慢、调节死区大、线性度差。

2.3 液耦调速器采用高压传动油工作，在机械能传递过程中产生大量热量损失。

2.4 10MW级高压给水泵直接启动过程中，5~8In峰值电流对电网冲击明显。

解决上述问题的重要手段之一，是采用目前高效、节能、并广泛应用的高压变频器电子调速方式替代液力耦合器的机械调速方式。利用高压变频器替换目前给水泵液耦调速控制，满足给水系统工艺调节需求的情况下，降低给水泵组的厂用电率耗能水平。这样，不仅改善和提高系统调节性能，而且提高系统运行效率、降低给水泵电耗，为降低电厂用电率提供了良好的途径。

二、技术方案的选择

目前，600MW机组锅炉给水泵组的动力系统具有功率大、无其它第三方调速手段、不能够带载直启、技术安全可靠性要求高等特点。如果采用变频调速技术进行节能改造，变频器调速的优点是调速效率高，启动能耗低、调速范围宽、可实现无级调速，动态响应速度快、死区小、操作简便，且易于汽包水位PID调节策略实现。变频改造系统宜采用简单的一对一直联拖动结构。

由于给水泵设备原先使用液力耦合器实现给水泵的启动、调速等功能;现改用高压变频调速控制后，结合系统结构考虑有以下两种方案可选择：

方案一：将液力耦合器保留不变，勺管开度至100%输出，实现传动和增速作用。变频器通过电气特性控制电动机转速实现给水泵的流量调节。这种方法的弊端是，没有拆除液力耦合器，对液力耦合器的维护同样存在;同时由于液力耦合器本身的效率问题，仍存在一定的节能率下降。

方案二：拆除液力耦合器，更换为增速齿轮箱实现刚性传递联接;解决系统机械力矩传递中的效率损失问题。由于需重新制作更换机械设备，工程改造周期长，设备投入和停机损失均较大。因此，在实际操作中存在一定的实施问题。

鉴于上述情况，结合国电河北某电厂的实际情况，拟采用方案一的改造方式予以论证是实施。

三、技术方案

1、一次动力系统方案

主动力系统方案为两台给水泵使用两台变频器一拖一的方式。原3#给水泵工频备用的方式不变，仍处于备用模式。具体系统结构原理如图二所示。

图二、一次动力系统原理图

其中，QF表示高压开关、TF表示高压变频器、QS表示高压隔离开关，M表示给水泵电动机;QF10、QF20、QF30、QF31、M为现场原有设备。正常运行时QF11、QF12、QF21、QF22处于合闸状态，将变频器输出与电动机连接。当给水泵或电动机需要进行检修时，停止变频器运行，并将高开隔离开关柜手车拉出断开位，确保运行及检修安全。变频器对输出侧电动机提供过压、欠压、过流、过载、速断、缺相、接地等完全电动机保护功能，可省去中性电柜和差动保护装置的变频条件应用。

当变频器故障检修时，给水泵可以切换为工频运行，开关状态为：QF11、QF12、QF21、QF22在断开位，QF13、QF23在闭合位。

2、二次系统控制

该系统经变频改造后，原电气系统中电动机差动保护回路取消，电动机过载、过流、过压、欠压、缺相、速断、接地等保护功能由变频器实现。液力耦合器的转速调节指令与转速反馈信号接至变频器侧用于变频器转速调节。其它有关液力耦合器的控制监测信号取消，原有DCS给水系统控制策略不变。

为确保系统的安全可靠性，系统采用分级、分段、模式识别的多重保护措施，确保保护有效不拒动、不误动、保护适当有效。该系统保护主要包括：

1) 变频器上口输入高压开关QF1配备变压器综合保护装置对变频器实施保护;

2) 变频器输入侧配备过流、过载、接地、缺相、过电压、欠压、变压器过热保护;

3) 变频器输出侧配备过流、速断、过载、缺相、过电压、欠压、单元过热等保护;

本技术方案提供HARSVERT系列完美无谐波系列高压变频器。该系列变频采用若干个低压PWM变频功率单元串联的方式实现直接高压输出。变频器具有对电网谐波污染小，输入功率因数高，输出波形质量好，不存在谐波引起的电机附加发热、转矩脉动、噪音、dv/dt及共模电压等问题的特性，不必加输出滤波器，就可以适用于普通异步电机等优势

四、10MW级超大功率高压变频技术要点

1、关键器件选择

高压变频器内部的主要逆变部分，采用的是德国优质品牌第四代IGBT芯片和PRIMEPACK封装技术生产的高性能IGBT，其技术优势主要体现在：

1) 第四代IGBT改善了IGBT的动作特性，使之比第三代IGBT的动作更加柔软;

2) 第四代IGBT在不产生严重电压尖峰毛刺的情况下可以适应更小的驱动电阻，实现了较第三代IGBT更低的开关损耗;

3) 第四代IGBT增强了的芯片的温度特性，可以运行于150℃，最高耐受温度为175℃,而第三代IGBT只能运行于125℃，最高耐受仅为150℃;

4) 第四代IGBT与第三代IGBT拥有一样的短路耐受能力，可以保证工作的安全可靠;

5) 第四代IGBT与第二代第三代IGBT相比较，在功率循环寿命方面表现优异，具体如下表：

6) 第四代IGBT保持了第三代IGBT的正温度特性，易于并联。

2、器件均流问题

由于单只IGBT芯片的通流能力有限，大功率产品通常采用IGBT并联来提高输出电流能力。IGBT本身具有正温度系数，具有自均流能力，适合并联。为了保证设备的可靠性，元器件首先在容量计算时提高设计裕量系数，近似两倍的余量。

采用动态均流和静态均流技术，降低IGBT的饱和压降Vce(sat)、反并联二极管的正向压降Vf对静态均流效果的影响;以及IGBT的跨导gfs和栅极-发射级阈值电压Vge_th、反并联二极管的反向恢复特性对动态均流效果的影响。

3、器件散热问题

在超大功率变频器中，发热功率密度远大于常规变频器，采用常规的散热结构无法满足高密度散热的需要。为此我们采用特殊的散热结构及布局设计，提高散热功率密度，优化热场分布，以避免IGBT结温过高导致器件损坏。

4、大电流电磁噪声抑制问题

IGBT开关动作时，在母排寄生电感上产生的尖峰电压是造成IGBT损坏的一个主要原因。该电压正比于工作电流、寄生电感、反比于IGBT动作时间。由于IGBT动作时间在不同电流下变化很小，在设备电流增大时，尖峰电压将随之等比例增加。IGBT并联的主电路结构造成线路感抗差异，这些感抗的不同将严重影响IGBT的动态工作特性，采用对称型主电路结构，大电流噪声得到有效抑制。

五、节能效益分析

在600MW锅炉给水系统中采用高压变频调速取代液力耦合器调速方式后，液力耦合器的效率稳定在97%，液耦损失减到了最低水平。通过变频调速的应用，给水泵驱动系统的效率得到提高。系统传动效率和功率传递关系如下图四所示。

图四、变频改造后效率与功率传动示意图

给水系统经变频改造后，在不同负荷条件的功耗计算数据如下表一所示。

由上述数据分析可知，在600MW机组锅炉给水系统超大功率设备应用条件下，采取高压变频器调速替代液力耦合器调速方式，仍可取得良好的节能效果和显著的节能收益。对进一步降低机组厂用电率水平具有切实意义。

参考文献：倚鹏.高压大功率变频器技术原理与应用.北京:人民邮电出版社，2008.