大功率风机水泵调速节能运行的技术经济分析（3）

大功率风机水泵调速节能运行的技术经济分析（3）  
  摘要：指出了发电厂风机水泵调速运行的必要性和巨大的节能潜力；讨论了各种调速方式的优缺点，并作出了详细的技术经济分析。
  关键词：风机；水泵；液力耦合器；变频调速；串级调速；无刷双馈电机
  Techno? economics Analysis of Energy Saving for
  Adjusting Speed of Blower and Water Pump in Power Plant
  XU Fu-rong
  Abstract:This paper introduces the necessity of adjusting speed saving energy of blower and water pump in the power plant and the large latent capacity of saving energy; It also introduces the advantages and disadvantages of various methods for adjusting speed and make a detail techno-economics analysis.
  Keywords:Blower; Water pump;Fluid coupler;Variable frequeney adjusting speed;Cascade adjusting speed;Brushless double? fed machine  
  4  风机水泵的高效调速节能方案
      由电机学原理可知，交流电动机的同步转速n0与电源频率f1、磁极对数P之间的关系式为：
      n0=60f1/P(r/min)
      异步电动机的转差率s的定义式为：
      s=(n0－n)/n0=1－n/n0
      则可得异步电动机的转速表达式为：
      n=n0(1－s)=(1－s)60f1/P
      可见，要调节异步电动机的转速，可以通过下述三个途径实现：
      ——改变定子绕组的磁极对数P（变极调速）；
      ——改变供电电源的频率f1（变频调速）；
      ——改变异步电动机的转差率s调速。
      改变定子绕组磁极对数调速的方法称为变极调速；改变电源频率调速的方法称为变频调速，都是高效调速方法。而改变异步电动机转差率的调速方法则称为能耗转差调速（串级调速除外），它是一种低效的调速方法，因为调速过程中产生的转差功率都变成热量消耗掉了，上一章提到的绕线式电机转子串电阻调速和定子调压调速就属于这种调速方式。
  4．1  变极调速
      改变电动机定子的极对数，可使异步电动机的同步转速n0=60f1/P改变，从而改变异步电动机的转速n。大中型异步电动机采用变极调速时，一般采用双速电动机。变极调速通常只用于鼠笼式异步电动机，而不用于绕线式异步电动机。这是因为鼠笼型电动机转子的极对数是随着定子的极对数而变的，所以变极调速时只要改变定子绕组的极对数就行了，而绕线式电动机变极时必须同时改变定子绕组和转子绕组的极对数，这就使得变极复杂多了。
      用于风机水泵调速节能的双速电机一般不采用4／2、8／4等倍极比的双速电机，而采用6／4、8／6、10／8极的双速电机，这与风机水泵的调速范围一般不需要很大有关。另外，对于非倍极比的双速电动机在极数比较小时（如8／6、10／8、12／10极等），由不同的绕组接线方式，分别近似为平方转矩型、恒转矩型和恒功率型三种特性的双速电机。由于叶片式泵与风机在管路静扬程或静压为零的情况下，近似为平方转矩负载，所以应选用平方转矩型特性的双速电机，以便在高速及低速运行时都有较高的效率与功率因数，具有更为显着的节能效果。
      双速电机的优点是调速效率高，可靠性高，投资省。其缺点是有级调速，不能在整个调速范围内保证高效运行，有时还要配合节流调节手段调节流量，增加了部分节流损耗。双速电动机在变速时电力必须瞬间中断，对电动机及电网都有冲击作用；高压电动机若需经常进行变速切换时，其切换装置的安全可靠性尚需进一步完善和提高。
  4.2  变频调速
      由上述可知，通过改变电动机供电电源频率的方法而达到调节电动机转速的调速方式称为变频调速。变频调速用的变频器是由可关断的功率器件如：GTO、GTR、IGBT、IGCT等，再加上控制、驱动、保护电路等组成的。变频器的种类按变流和控制方式可分为电流型变频器、电压型变频器、PWM变频器、空间电压矢量控制变频器和直接转矩控制变频器等，按主电路结构形式又可分为多重化变频器及多电平变频器等。
      由于发电厂风机水泵的电动机功率都很大，一般采用3kV、6kV供电，所以必须采用高压变频器进行调速运行。与低压变频器不同，目前高压变频器尚无成熟的、一致性的拓扑结构，限于目前有限电压耐量的功率器件，又要面对高压使用条件，而国内外各变频器生产厂商又各有高招，因此主电路拓扑结构不尽一致，但都较成功地解决了高耐压、大容量这一难题。如美国罗宾康（ROBICON）公司生产的第三代完美无谐波变频器；罗克韦尔（AB）公司生产的BULLETIN1557和PowerFlex7000变频器；瑞典ABB公司生产的ACS1000变频器；德国西门子公司生产的Simovert变频器；意大利ANSALDO公司生产的SILCOVERTTH变频器；以及日本的三菱、富士公司生产的完美无谐波变频器和国内的凯奇公司、先行公司、利德华福公司和成都佳灵公司生产的高压变频器等。归纳起来主要有两类：一类是采用低耐压器件的多重化技术；另一类是采用高耐压器件的多电平技术。
  4.2.1  多重化技术
      所谓多重化技术就是每相由几个低压PWM功率单元串联组成，各功率单元由一个多绕组的隔离变压器供电，用高速微处理器实现控制和以光导纤维隔离驱动。多重化技术从根本上解决了一般6脉冲和12脉冲变频器所产生的谐波问题，可实现完美无谐波变频。图12为6kV变频器的主电路拓扑图，每相由5个额定电压为690V的功率单元串联，因此相电压为690V×5=3450V，所对应的线电压为6kV。每个功率单元由输入隔离变压器的15个二次绕组分别供电，15个二次绕组分成5组，每组之间存在一个12°的相位差。图13中以中间△接法为参考（0°），上下方各有两套分别超前（＋12°、＋24°）和滞后（－12°、－24°）的4组绕组。所需相差角度可通过变压器的不同联接组别来实现。
  
图12  多重化变频器拓扑图
  dth=349>
图13  五功率单元串联变频器的电气连接
      图12中的每个功率单元都是由低压绝缘栅双极型晶体管（IGBT）构成的三相输入，单相输出的低压PWM电压型逆变器。功率单元电路见图14。每个功率单元输出电压为1、0、－1三种状态电平，每相5个单元叠加，就可产生11种不同的电平等级，分别为±5、±4、±3、±2、±1和0。图15为一相合成的正波输出电压波形。用这种多重化技术构成的高压变频器，也称为单元串联多电平PWM电压型变频器。采用功率单元串联，而不是用传统的器件串联来实现高压输出，所以不存在器件均压的问题。每个功率单元承受全部的输出电流，但仅承受1/5的输出相电压和1/15的输出功率。变频器由于采用多重化PWM技术，由5对依次相移12°的三角载波对基波电压进行调制。对A相基波调制所得的5个信号，分别控制5个功率单元A1～A5，经叠加可得图15所示的具有11级阶梯电平的相电压波形，它相当于30脉波变频，理论上19次以下的谐波都可以抵消，总的电压和电流失真率可分别低于1.2％和0.8％，堪称完美无谐波（HARMony）变频器。它的输入功率因数可达0.95以上，不必设置输入滤波器和功率因数补偿装置。变频器同一相的功率单元输出相同的基波电压，串联各单元之间的载波错开一定的相位，每个功率单元的IGBT开关频率若为600Hz，则当5个功率单元串联时，等效的输出相电压开关频率为6kHz。功率单元采用低的开关频率可以降低开关损耗，而高的等效输出开关频率和多电平可以大大改善输出波形。波形的改善除减小输出谐波外，还可以降低噪声、du/dt值和电机的转矩脉动。所以这种变频器对电机无特殊要求，可用于普通的笼型电机，且不必降额使用，对输出电缆长度也无特殊限制。由于功率单元有足够的滤波电容，变频器可承受－30％电源电压下降和5个周期的电源丧失。这种主电路拓扑结构虽然使器件数量增加，但由于IGBT驱动功率很低，且不必采用均压电路、吸收电路和输出滤波器，可使变频器的效率高达96％以上。
  图14  功率单元电路
  
图15  五功率单元串联输出电压波形
  4.2.2  多电平技术
      我国标准规定中压电压等级为6kV和10kV，若直接变频，即使用4.5kV～6kV耐压的功率器件，仍需串联使用，使器件数量增加，电路复杂，成本加大，可靠性大为降低。为了避免功率器件的串、并联使用，世界上很多公司致力于开发高耐压、低损耗、高速度的功率器件。如西门子公司研制的HV－IGBT耐压可达4.5kV，ABB公司研制的新型功率器件——集成门极换流晶闸管（IGCT），耐压可达6kV，并在致力于研制耐压9kV的IGCT器件。在研制高耐压器件的同时，对变频器的主电路拓扑的研究也有所突破，典型的例子——多电平技术就是使用有限耐压的功率器件，直接应用于6kV电压的主电路拓扑技术。图16是ABB公司ACS1000型12脉波输入三电平高压变频器的主电路结构图。
      整流部分采用12脉波二极管整流器，逆变部分采用三电平PWM逆变器。由图16可以看出，该系列变频器采用传统的电压型变频器结构，通过采用高耐压的IGCT功率器件，使得器件总数减少为12个。随着器件数量的减少，成本降低，电路结构简洁，从而使体积缩小，可靠性更高。
  图16  三电平IGCT变频器主电路结构图
      若采用6kV耐压的IGCT，变频器输出电压可达4.16kV，采用5.5kV耐压的IGCT，变频器输出电压可达3?5kV，将Y型接法的6kV中压电动机改为△接法，刚好适用此电压等级，同时也满足了IGCT电压型变频器对电机的绝缘等级提高一级的要求，因此这个方案可能是最经济合理的。若要输出6kV电压，还必须进行器件串联。由于变频器的整流部分是非线性的，产生的高次谐波将对电网造成污染。为此，图16所示的ACS1000系列变频器的12脉波整流接线图中，将两组三相桥式整流电路串联起来，整流变压器初级绕组接成三角形，次级绕组一组接成三角形，另一组接成星形，两个次级绕组的线电压相同，但相位则相差30°，这样5次、7次谐波在变压器的初级将会有180°的相移，因而能够互相抵消，同样的17、19次谐波也会互相抵消。这样经过2个整流桥的串联叠加后，即可得到12脉波的整流输出波形，比6脉波更平滑，并且每个整流桥的二级管耐压可降低一半。采用12相整流电路减少了特征谐波含量，由于N=KP±1(P为整流相数、K为自然数、N为特征谐波次数)。所以网侧特征谐波只有11、13、23、25次等。如果采用24脉波整流电路，网侧谐波将更进一步被抑制。两种方案均可使输入功率因数在全功率范围内保证在0.95以上，不需要功率因数补偿电容器。
      变频器的逆变部分采用传统的三电平方式，所以输出波形中不可避免地产生比较大的谐波分量，这是三电平逆变方式所固有的。输出线电压波形见图17。因此在变频器的输出侧必须配置输出滤波器才能用于普通的笼型电动机。同样由于谐波的原因，电动机的功率因数和效率都会受到一定的影响，只有在额定工况点才能达到最佳的工作状态，随着转速的降低，功率因数和效率都会相应降低。
  图17  三电平PWM变频器输出线电压波形图
  4.2.3  两种类型变频器的性能比较
      现对多重化变频器（CSML）和三电平(中性点钳位)变频器（NPC）进行性能比较，两种高压变频器各有优缺点，分别体现在以下各方面：
      1）器件数量
      以6kV输出电压等级的变频器为例，采用NPC方式，逆变器部分需36个耐压为3?3kV的高压IGBT，或者采用24个耐压为5kV的IGCT。采用CSML方式，需要15个功率单元，共计60个耐压为1.7kV的低压IGBT。从器件的数量上看，CSML方式要多于NPC方式，但CSML方式采用的是低压IGBT，相对于高压功率器件而言，低压器件的技术更加成熟、可靠，成本也较低。
      2）均压问题
      均压问题（包括静态均压和动态均压）是影响高压变频器可靠性的重要因素，采用NPC方式，当输出电压等级较高（如6kV）时，单用12个器件不能满足耐压要求，必须采用器件直接串联，器件直接串联必然带来均压问题，失去三电平结构在均压方面的优势，大大影响系统的可靠性。采用CSML方式，不存在均压问题，唯一存在的问题是当变频器处于快速制动时，电动机处于发电制动状态，机械能转化为电能，导致单元内直流母线电压上升，各单元的直流母线电压上升程度可能存在差异，但这个问题很容易解决，通过检测功率单元直流母线电压，当任何单元的直流母线电压超过某一阈值时，自动延长减速时间，以防止直流母线电压“泵升”，即所谓的过电压失速防止功能，这种技术在低压变频器中被广泛采用，非常成功。
      3）对电网的谐波污染和功率因数
      由于CSML方式输入整流电路的脉波数超过NPC方式，前者在输入谐波方面的优势是明显的，因此在综合功率因数方面也有一定的优势。
      4）输入波形
      NPC方式输出相电压是三电平，线电压是五电平。而6kV等级的CSML方式输出相电压为11电平，线电压为21电平。而且，后者的等效开关频率（6kHz）大大高于前者，所以后者在输出波形质量方面优势也是明显的。
      5）du/dt
      NPC方式的输出电压跳变台阶为高压直流母线电压的一半，对于6kV输出变频器而言，为4kV左右，CSML方式输出电压跳变台阶为单元的直流母线电压，不会超过1kV，所以二者在输出du/dt方面的差距也是明显的。
      6）系统效率
      就变压器与逆变电路而言，NPC方式和CSML方式的效率非常接近，但考虑到输出波形质量的差异，若采用普通电机，前者必须设置输出滤波器，后者不必。而滤波器的存在大约会影响效率0.5％左右。若采用特殊变频电机，两种变频器的效率基本接近，但由于输出波形方面的优势，采用CSML方式时，电机运行效率相对较高。但由于IGBT导通压降大，器件效率较低，而IGCT损耗较小，器件效率较高。
      7）四象限运行
      NPC方式当输入采用对称的PWM整流电路时，可以实现四象限运行，可用于轧机、卷扬机等设备；而CSML方式则无法实现四象限运行，只能用于风机、水泵类负载。
      8）冗余设计
      NPC方式的冗余设计很难实现。而CSML方式可以方便地采用功率单元旁路技术和冗余功率单元设计方案，大大地有利于提高系统的可靠性。
      9）可维护性
      除了可靠性以外，可维护性也是衡量高压变频器优劣的一个重要因素，CSML方式采用模块化设计，更换功率单元时只要拆除3个交流输入端子和两个交流输出端子，以及一个光纤插头，就可抽出整个单元，十分方便。而NPC方式就不那么方便了。
      综上所述，三电平电压型变频器结构简单，且可做成四象限运行的变频器，应用范围较宽。如电压等级较高时，采用器件直接串联，带来均压问题，且存在输出谐波和dv/dt等问题，一般要设置输出滤波器。在电网对谐波失真要求较高时，还要设置输入滤波器。多重化PWM电压型变频器不存在均压问题，且在输入谐波输出谐波及dv/dt等方面有明显的优势，但只能二象限运行。
      从负载类型而言，对于风机、水泵等一般不要求四象限运行的设备，CSML变频器有较大的应用前景；对轧机、卷扬机等要求四象限运行的设备而言，适合采用NPC型变频器。从电压等级来看，在目前的电力电子功率器件的耐压水平下，考虑到器件串联带来的均压问题，6kV以上电压等级（含6kV），宜优先考虑CSML方式。
  4.2.4  变频调速系统的主要优缺点
      主要优点是：
      1）调速效率高变频调速的特点是在频率变化后，电动机仍在该频率的同步转速附近运行，基本上保持额定转差率，转差损失不增加。变频调速时的损失，只是在变频装置中产生的变流损失，以及由于高次谐波的影响，使电动机的损耗有所增加，相应效率有所下降。综上所述，变频调速是一种高效调速方式。图18为采用典型的电流型变频器、PWM型变频器及电压型变频器时变频器效率ηV、电动机及调速装置综合效率ηZ及电源功率因数cosφ特性指标的实测值示例。
  
图18  变频调速电动机的特性指标（实测）
  (a) 电流型变频器   (b) PWM型变频器   (c) 电压型变频器
      2）调速范围宽一般可达10∶1（50～5Hz）或20∶1（50～2.5Hz）。并在整个调速范围内均具有较高的调速装置效率ηV。所以变频调速方式适用于调速范围宽，且经常处于低转速状态下运行的负载。
      3）必要时，变频装置可以退出运行，改由电网直接供电。这对于泵或风机的安全经济运行是很有利的。如万一变频装置发生故障，就退出运行，不影响泵与风机的继续运行；又如在接近额定频率（50Hz）范围工作时，由变频装置调速的经济性并不高，变频装置可退出运行，由电网直接供电，改用节流等常规的调节方式。
      4）变频装置可以兼作软起动设备，即通过变频装置将电动机起动到某一转速，再由工频电源切换变频装置，把电动机加速到全速。
      变频调速主要缺点是：
      1）目前，变频调速技术在高压大容量传动推广应用中存在的主要问题有两个：一个是我国发电厂辅机电动机供电电压高（3～10kV），而功率开关器件耐压水平不够，造成电压匹配上的问题；二是高压大功率变频调速装置技术含量高、难度大，因而投入也高，而一般风机水泵节能改造都要求低投入，高回报，从而造成经济效益上的问题。这两个问题是它应用于风机水泵调速节能的主要障碍。
      2）电流型变频器输出电流的波形和电压型变频器输出电压的波形均为非正弦波形，从而产生的高次谐波，对电动机和供电电源会产生种种不良影响：如使电动机附加损耗增加、温升增高，从而使电动机的效率和功率因数下降，出力受到限制，噪声增大以及对无线电通信干扰增大等；同时，高次谐波会引起电动机转矩产生脉动，其脉动频率为6kf(k=1，2，3…)，当转矩脉动频率较低并接近装置系统的固有频率时，可能产生共振现象。因此，装置系统必须注意避免在共振点附近运行。如采用PWM变频器或采用多重化技术的电流型和电压型变频器，其输出波形大为改善，高次谐波大大减少，使这个问题可以得到大大的改善。
  4.2.5  火电厂辅机电动机全功率变频调速节能方案
      我国标准中压电压等级为6kV和10kV，火电厂中压辅机电动机以6kV居多，少数小容量机组有3.3kV电压等级。除电动给水泵以外，大量的风机和水泵电动机的容量都在500～2000kW以下，额定电流仅100～200A左右或更小，若采用高压变频器，器件的电流利用率很低，出现“大马拉小车”的现象，投资偏高，不合理。建议开发1.7kV、2.2kV、3.3kV、4.16kV等级的中压电动机，简化变频器、降低造价、提高可靠性。由此在变频器前需加一台网侧降压变压器将6kV电压降为所需的电压等级，虽然增加了投资，但可形成多脉波整流，对减轻网侧谐波污染有利。
      1）高—低—低方案
      当电机的功率在800kW以下时，最好的方案是选用新的低压电机（如国产380V，660V电机）取代原有的高压电机，经输入降压变压器降压后，用低压变频器直接驱动电机调速。此方案性能优越，低压变频器技术成熟，不含高压器件，维护使用方便，变频器选择余地很大，投资最低。
      2）高—低—高方案
      当电机的功率在800～1500kW，用输入变压器将6kV高压降为600V（或460V），用低压电流型变频器变频后再用一台升压变压器升压至6kV，驱动电机调速。此种方案价格比较合理，调速平稳，使用可靠。缺点是增加了输出升压变压器，而升压变压器是一台变频变压器，与试制变频电机一样，须研究整个调频范围内的各种技术参数的变化问题。另外由于变频器的输出不是正弦波，所以存在谐波问题、直流分量问题，总之存在一连串的技术问题，不是可以轻易解决的。并且系统设备增加，不仅效率降低，成本增加，占地面积也大。一台升压变压器与一台同容量的电机价格差不多，而且变频器容量还要大一些。因此不如更换一台电压匹配的电机更为合算。
      3）高—中—中方案
      对于电机功率在1000～2500kW，如果将6kV高压电机改为1.7kV、2.2kV、3.3kV或4.16kV的中压电机，（如果是6极以上的高压电机还可以简单地将绕组由串联改为并联，花很少的费用把原来的电机改为中压电机，而且对旧电机的绝缘有利），就可使用高耐压的功率器件如4?5kV的IGBT或5?5kV的IGCT，不串不并用6只或采用三电平技术用12只组成变频器，成本低，可靠性高，也提高了系统的效率。也可选用采用多重化技术的单元串联式变频器，但其在3kV电压下，输出波形上已无优势。
      4）高—高方案
      若功率在3000kW以上，且电压在6kV或更高时，则首选方案应是采用多重化技术的单元串联式高压变频器。但只适用于象风机、水泵类不需要四象限运行的负载，若需四象限运行，如轧机、卷扬机设备等，则应考虑可四象限运行的变频器方案。该方案除使成本成倍增加外，而且电机的绝缘问题也总是让人放心不下，因为电压型变频器有对电机绝缘提高一级的要求，不考虑这个问题有可能会出事，因为现役电机大多存在不同程度的绝缘老化问题。（待续）