罗克韦尔自动化变频器中压变频器在威海电厂中的应用

引言
2003年以来我国面临着严峻的资源压力，“煤、电、油”全面告急，近八成省份拉闸限电，能源瓶颈正成为制约国民经济可持续增长的最主要因素。泵与风机是全国通用的耗电量较大的设备，在火电厂中应用极广。据统计，全国火电厂的平均厂用电率约为7％～8％，其中泵与风机的耗电量占厂用电的75％左右。目前我国使用的泵与风机的效率，多数比工业先进国家的同类产品的效率低5％～10％；而泵与风机的实际运行效率普遍比工业先进国家低10％～30％[1]。因此积极开展泵与风机的节能降耗，对于促进国民经济持续发展、缩小与工业发达国家的差距，提高电力企业经济效益，增强市场竞争力，都具有现实和深远的意义。
1、设备概况及存在问题
华能威海电厂二期2×300MW机组为国产引进型N300-16.7/538/538中间再热凝汽式汽轮机组；凝结水泵为沈阳水泵厂生产9LDTNA-4型，电机为YLS560型，额定功率1000kW，电压6000V，电流114A，转速1486r/min。机组正常运行时，两台凝结水泵一台运行，一台备用。当运行泵故障时，备用泵自启并投入运行。凝结水通过凝结水泵升压后，流经各低压加热器和凝结水主、副调节阀最后到达除氧器。凝结水主、副调节阀的开度由除氧器实际水位和给定值、给水流量和凝结水流量构成的除氧器水位控制回路（单冲量或三冲量）调节控制。机组正常运行时凝结水主、副调节阀的开度如表1所示。由表1可以看出凝结水泵长期处于极度节流状态，造成能量大量浪费，效率极低。
表1 部分负荷下的凝结水主、副调节阀开度


2、变频调速的节能原理
交流变频调速技术是一门新兴的技术。它以其卓越的调速和起制动性能、显着的节电效果以及广泛的适用性，而被公认为是一种最有前途的交流调速方式，代表了电气传动发展的主流方向[2]。现在，交流变频调速技术发展很快，已由原来的常规控制方式PAM(Pulse Amplitude Modulation)， 即改变电压源和电流源的幅值进行输出控制，发展到现在的PWM(Pulse Width Modulation)，即靠改变脉冲宽度调制电压输出波形和SPWM调速方式（正弦波脉宽调制）。目前最为理想的调制方式应属空间矢量控制，它近似模拟了直流电机的调速性能，可与直流电机的调速行为相媲美，是一种较为理想的调速方式[3]。


由式2可知，功率与转速的三次方成正比，降低转速可以大幅度地降低功率。例如，泵的转速为额定转速的80％，则功率为额定功率的51.2％，可见功率下降了48.8％。因此，变频调速为高效变频调节，远远优于节能调节。
3、工程方案介绍及调试中出现的问题处理
3.1方案介绍：
经过分析对比我厂、黄岛电厂、龙口百年电力等使用的不同厂家变频器性能（A-B、西门子和罗宾康）和存在问题，发现A-B变频器系统简单，可靠性高[5]，拥有良好的售后服务，完全符合我厂的环境和技术要求。因此决定在2005年＃3机组凝结水泵变频改造中使用罗克韦尔自动化公司的产品。根据我厂地理环境和设备特性，决定采用加拿大Rockwell Automation公司生产的A-B PowerFlex7000中压风冷式变频器、刀闸旁路柜（三把刀闸）、控制电源配电箱和山特6kVA UPS电源各一台。
变频器型号：A-B PowerFlex7000 B型风冷（CSI-PWM）
功率：1000kW
电流：120A
输入：6000VAC 50Hz
输出：0～6000VAC 0～70Hz
⑴变频调速系统的结构、保护配置和电气一次接线图
变频器由高压主回路和低压控制回路两部分组成。
高压主回路：三相6000V进线电源经过对称门极换流型晶闸管SGCT组成的输入整流器（PWM整流器）开关器件将交流变成直流，再经过滤波直流电抗接到 SGCT组成的逆变器，以脉宽调制方式，将直流变成交流，通过电机滤波电容，将几乎完美的正弦电流电压波形送给电机，并根据除氧器水位调节指令，来调整电压及频率，实现节能的目的。高压主回路如图1所示。
低压控制回路：交流控制电源由两路电源供电，可自动切换，输出为变频器刀闸柜控制电源、变频器风机电源和单相UPS供电电源（为变频器控制部分提供不间断电源）。

图1 #3A凝结水泵变频器高压主回路
除氧器水位控制回路：除氧器水位是机组运行监控的重要参数之一。凝结水泵变频改造前，当给水流量小于25％，T1切换器选中N侧，除氧器水位采用单冲量调节，调节器PID1的输出直接控制调节阀的开度；当给水流量大于25％，T1切换器选中Y侧，除氧器水位采用三冲量调节，调节器PID2的输出加上给水流量信号，作为调节器PID3的给定值，并与凝结水流量比较，经过比例积分运算后，输出控制调节阀的开度。凝结水泵变频改造后，仅三冲量信号输出至变频器，再由变频器内部控制单元输出调整电压及频率，进而控制凝结水泵电机转速，满足除氧器水位调节要求。凝结水泵变频改造前后除氧器水位控制回路如图2所示。

图2 ＃3A凝结水泵变频改造前后除氧器水位控制回路
变频器一次接线：电源接自6kVIIIA段母线，开关编号为6519，经工频/变频刀闸转换柜输出至变频器，可实现“工频”或“变频”方式运行。电气一次接线图如图3所示。

图3 ＃3A凝结水泵变频器电气一次接线
保护配置：
a 电气保护：6519开关设有速断、负序、低电压和接地保护，均动作于跳闸。其中速断、负序和接地保护动作后联跳变频器。变频器本身设有低电压保护。6519开关设有变频器故障联跳其出口压板，即变频器投运前，投入“变频器联跳6519开关”出口压板；由“变频”改“工频” 运行前，解除“变频器联跳6519开关”出口压板。6519开关保护定值采用工频、变频通用定值，变频器投入、退出无须对保护定值进行修改。
b 热控联锁：＃3A凝结水泵变频运行需全开凝结水至除氧器调节阀，所以凝结水母管压力最低低至0.846MPa（目前，调节阀总操开度为47％，此时B阀全开，A阀全关），为了保证＃3B凝结水泵低水压不动作（工频运行时定值为1.8 MPa），将定值修改为低于0.6MPa，联动备用泵，母管压力0.7 MPa时热控光字牌报警。变频器跳闸，联关凝结水至除氧器调整门总操至25%（因目前机组运行，无法对DPU数据进行修改，故待停机后修改，修改后调节阀总操将全开）。其它热控保护不变。
⑵我厂使用的A-B PowerFlex7000变频器技术特点：
是罗克韦尔自动化公司的第三代中压电流型变频器，结构简单、体积小、技术先进、系统可靠、使用方便和性价比高。变频器装置如图4所示。
a 采用先进的CSI-PWM及测速反馈的完全矢量控制技术。输入与输出端均无变压器；母线电感具有电流限制作用，可靠地进行短路电流保护，功率单元无半导体熔断器。变频调节精度高，范围广，效率高达95％以上。

图4 PowerFlex7000变频器
b 性能优越、可靠性高。对电网电压波动具有极强的适应能力，±10％可以满载输出，可以承受30％的电网电压下降而继续运行。瞬时失电可满载运行5个周期不跳闸，轻载时间更长。可实现四象限运行（正反旋转方向和再生制动）和飞速启动，能量回馈电网。不需额外的滤波器即可通过电机端的电容器消除电机在高频运行时的主要谐波成分，从而向电机提供接近正弦波形的电流和电压，符合IEEE-519-1992谐波标准。无dv/dt的产生，降低了电机噪音和对散热及绝缘强度的要求，电机不需降额或改装使用。对输出电缆无长度要求。
c 使用方便。变频器可在输出不带电机的情况下进行空载测试，也可在没有6kV高压的情况下，用低电压进行空载测试。采用创新的功率单元模块化设计，光纤传输。可从机架上抽取、移动和变换，所有单元可以互换，更换单元不需特殊工具便可在15分钟之内完成。滤网可多次冲洗且不变形、不失效，运行中也可方便拆装更换。
d 保护全面。变频器具有过压、欠压、缺相、变频器和电机过载、变频器过热、输出接地和短路、高压柜门保护连锁等保护，能联跳输入侧6kV开关，开关也可联跳变频器。
e 具有通用的控制接口和友好的操作员界面。与机组DCS系统配合可自动或手动远方操作也可就地启停和调节。就地控制装置如图5所示。大画面文字图形显示操作员终端菜单引导屏幕，完成诸如设置、监控、诊断、报警等各种变频操作及显示常用变量诸如电压、功率、转速和累计时间等。操作员界面如图6所示。

图5 就地控制装置
图6 操作员界面
3.2调试中出现的问题处理
a 风压：
在设置中，将变频器的“备用风机功能”的参数由“N0”改为“YES”，即启动备用风机功能（此变频器没有#2风机，在此为虚拟风机，仅利用XIO板上备用风机的接点切换功能，#1、#2风机实现互相备用）。然后，在变频器的XIO板上，进行J2-7和J2-9端子的短接，J2-6和J2-8端子的短接。短接后，#1风机和#2风机的控制实际上是并联的，同时控制#1风机的运行。
修改后效果：当380V风机电源进行切换时，#1风机电源暂时消失，风压下降，此时变频器由于启动了备用风机自投功能，XIO板上#2风机的接点自动闭合，保证风机接触器闭合，确保风机继续运行。此时，变频器只发报警，不发故障信号，变频器继续运行。
b 触摸屏参数状态显示：
转速条形显示额定速度只有实际速度的50％，显示软件升级后，可消除此问题。
c 旁路输出刀闸报警：
调试过程中，“旁路输出刀闸断开”报警在变频器工作时一直发生，实际变频器旁路刀闸工作正常。这是由于软件逻辑错误造成的，此报警目前已屏蔽。软件升级后可消除。
4、节能效果分析
目前，＃3机组凝结水系统仅＃3A凝结水泵改为变频运行，待条件成熟后将采用“一拖二”方式或者再配置一台变频器，具体采用哪种方式根据节能情况决定。
＃3A凝结水泵相同负荷时工频、变频运行的实时功率和额定功率如图7所示。#3机组周五、周六和周日负荷曲线（2005-4-15至2005-4-17）如图8所示。

图7 ＃3A凝结水泵相同负荷时工频、变频运行的实时功率和额定功率
按机组年运行7200小时（300天），以图8给出的负荷曲线作为典型日负荷曲线，根据图7给出的＃3A凝结水泵相同负荷时工频和变频运行的实时功率，可以算出应用变频调速年节电188.1680 万kWh以上。
按电价0.397元/kWh计算，年节电费合计：188.1680*0.397＝74.7万元
投资回收期T：
T＝投资额/年节电费＝280/74.7＝3.75年
其中：投资额包括A-B变频器、刀闸旁路柜、控制电源配电箱、UPS电源、劳务费和建设费用等。

图8 ＃3机组周五、周六和周日负荷曲线（2005-4-15至2005-4-17）
2005年以来，山东东部电网负荷比较紧张，2005-4-15至2005-4-17负荷率为82.03％（下半年500kV青州站投产后，负荷率将会下降），远远高于2004年全年负荷率。2004年＃3机组发电量为171158.04万kWh，可用小时为7838.62h，则年负荷率为72.78％，可以计算出平均负荷为218.35MW，运用插值法计算此负荷凝结水泵变频运行节约功率为391.9kW，节能率＝391.9/1000＝39.19％。不同负荷时凝结水泵变频器的节能率如图9所示。
根据2004年负荷率修正后的投资回收期T：
T＝投资额/年节电费＝280/(391.9*7838.62*0.397/10000)＝2.29年

图9 不同负荷时凝结泵变频器的节能率
因运行中DPU数据无法修改，所以以上数据均为调节阀总操开度为47％时的功率。在对DPU修改后，调节阀总操全开，预计凝结水泵变频实时功率将在以上相同负荷时变频实时功率的基础上减少约80kW，所以投资回收期会比以上计算回收期更短，约为1.907年，节能率更高。
可见，应用A-B变频器可以在凝结水泵变频改造中取得可观的经济效益，负荷率越低，取得的经济效益就越高。在新机组建设和老机组改造中，A-B PowerFlex7000变频器将在节能降耗方面具有广阔的应用前景。