2002年中国大陆电影:ABB ACS5000中压变频器在重庆珞璜电厂的应用分析

文章转自http://www.chuandong.com/publish/tech/application/2008/12/tech_3_16_12185.html

摘要：针对国内的电力迅猛发展，为进一步节能减排，提出了在电厂应用中压变频。本文介绍了冷凝泵在电厂的运行工况，分析了水泵的变频节能原理。对珞璜电厂的变频改造提出了系统方案，包括系统的动力方案和系统的控制方案。着重介绍了ACS5000中压变频器的拓扑结构、技术特点和控制方式。最后通过电厂的实测数据证明了ACS5000中压变频系统具有很高的系统动、静态性能，净节电率超过40%。
关键字：中压变频器；ACS5000；直接转矩控制；IGCT；电厂；冷凝泵

Application Analysis of ABB ACS5000 MV Drives in Luohuang Power Plant
Guan Eryong1, Peng Jingtao2, Jin Shi1, Wu Shaobin2
1. ABB Beijing drive systems Co., Ltd. 100015
2. Chongqing Luohuang Power Plant of Huaneng group 402283
Abstract：For the domestic development of electrical power, MV （medium voltage） drives are proposed in power plant to deeply save energy. This paper introduces the operation condition of condensation pump and saving principle with MV drives. A system scheme including system power scheme and system control scheme, is put forward to retrofit the Luohuang power plant. This paper presents in detail the topology configuration, technical feature and control scheme of ACS5000 MV drives. According to the data in real running derived from power plant, ACS5000 MV drives is verified to be with excellent static and dynamic performance, and also save energy much more than 40%.
Keyword：MV drives；ACS5000；DTC；IGCT；Power plant；Condensation pump
1.引言（Introduction）
    随着国民经济的蓬勃发展，对于电力的需求日益增加，全国电力工业一直保持着快速增长的势头。截至2006年底，我国电力工业全国发电装机容量达到6.22亿千瓦，同比增长20.3%。火电达到4.84亿千瓦，约占总容量77.82%，同比增长23.7%；而这一数字到2007年底已经达到了7.13亿千瓦，预计到今年年底，全国电力装机容量将突破8亿千瓦，而其中火电机组将占到78%[1]。
    随着大批电源项目的相继建成投产，电力供需形势进一步缓和，发电设备利用小时数大幅回落。从2006年开始，全国加快电源结构调整，优化节能环保经济调度，加大科学、精细和对标管理实施力度，电力行业节能降耗取得持续进展。2006年全国供电煤耗为366克/千瓦时，比2005年降低4克/千瓦时；电网输电线路损失率比去年减少0.1个百分点，降为7.08%。
    由于电力生产的特殊性，决定了电力生产系统中的各种设备需要根据最大生产能力来进行配置，而不能根据平均的电力需求配置系统[2]。在电力生产中，电力生产的最大生产能力是是根据主机（锅炉、汽轮机和发电机）的出力决定的，辅机（各种风机、水泵及其驱动电机、电气控制调节系统等）是根据主机的情况配置的。在设计过程中均考虑一定的裕量，因此造成在实际运行中，多少风机和水泵均需要调节。传统的流量调节方式是节流，但是存在反应慢、调节精度低、能耗大等问题，而中压变频因其调节性能优良、节能效果好等因素，正逐渐应用到电厂中风机、水泵等流量调节中[3-4]。
    通过近几年的中压变频应用情况的统计分析可以看出，发电厂中冷凝泵辅机具有很大的变频节能空间和应用前景。
2.运行工况（Operation condition）
    凝结水系统采用中压凝结水精处理系统，每台发电机设2×100％容量立式凝结水泵，其中一台运行，一台备用。为节能降耗，降低厂用电率，2008年8月对凝泵进行了中压变频器控制改造，选用ABB的变频器。通过收集和反复的方案论证，为了追求最大的节能效果，同时方便运行操作和检修维护，凝泵改变频采用一拖二的控制方式，即一台发电机的两台凝泵共用一台变频器，通过6个旁路刀闸来切换。
    中压变频器与6KV开关连接，为了充分保证系统的可靠性，变频器加装工频旁路刀闸。当凝泵电机变频运行时，凝泵进口调门开度全开，其水量通过改变凝泵电机转速来调节；当变频器故障时，发出跳变频器支路开关的指令，同时自动切换到备用凝泵的工频运行，恢复凝泵进口调门的调节功能，同时变频器转入检修；当变频器故障处理好后，可以启变频器带一台凝泵电机，这时另一台凝泵工频运行，等变频器达到一定转速后，再停工频运行的凝泵。
    机组正常运行要保持一台凝泵运行，同时考虑变频器故障时凝泵之间的切换，改造后既要保留原来的切换逻辑，还要考虑变频切工频及工频切变频等各种运行方式，相应增加了凝泵控制系统的控制逻辑。原来凝结器控制是通过调门来维持水位，改变频后要由变频器来控制水位，在低转速时还得靠调门来协助变频器维持水压，以确保低旁减温等重要用途的需要。
3.水泵变频节能原理（Energy saving principle）
3.1. 扬程特性
    扬程是单位重量的水通过水泵所获得的能量。在工程应用中，常常体现为液体上扬的高度[3]。
    以管路中的阀门开度不变为前提，表明在某一转速下，水泵的扬程与流量之间的关系特性为 ，称之为扬程特性。如图1中的曲线1、2所示。扬程反映了水泵出水流量的大小对供水扬程的影响，即水泵的出水流量越大，则管道中的摩擦损耗以及增大流速所需要的扬程也越大。故供水扬程将越小。扬程特性与转速有关，即水泵的转速下降，其供水能力也下降，扬程特性曲线也将下移，如图1中的曲线2所示。
3.2. 管阻特性
    管阻是阀门和管道系统对水流的阻力，其与管路的直径和长度、管路各部分的阻力系数，以及液体的流速等因数有关[3]。
    以水泵的转速不变为前提，表明阀门在某一开度下，供水扬程与流量之间的关系的曲线 ，称之为管阻特性，如图1中的曲线3、4所示。
    管阻特性实际上是管道系统的负载特性，他表明为了在管路内得到一定量的流量，水泵必须提供的扬程。如果供水扬程小于静扬程，将不能供水。
    当阀门关小时，管阻系数将增加，管阻也将增大，在扬程相同的情况下，流量将减小，管阻特性曲线将上扬，如图1中的曲线4所示。

    扬程特性和管阻特性的交点，称之为供水系统的工作点，如图1中的A、B、C、D点，在这一点上，供水系统既符合了扬程特性，又符合了管阻特性，因此供水系统处于平衡状态，系统可以稳定运行。
    如果水泵上采用中压变频后，根据工艺的要求，通过改变水泵的转速来改变扬程特性，而管道阀门保持全开放状态，管阻特性如曲线3所示保持不变，这样就可以使供水系统达到新的平衡，就可以达到节能的目的[3]。
4.系统方案（System scheme）
    利用电厂现有的设备（冷凝泵电机和凝结水泵，见表1和2），对系统进行改造，没有单独修建机房，同时也没有配备空调系统，完全采用ABB变频器本身的散热系统。电气控制方式采用DCS集中控制；采用一拖二控制的旁路，设置两个旁路刀闸柜。控制电源采用交流220VAC，两路供电，自动切换。 

4.1. 系统动力方案
    系统采用一拖二工频/变频手动旁路的方案，系统主电路原理图见图2。该方案是由六个高压隔离开关QS1～QS6组成（见下图）。其中QS1和QS4,QS2和QS5电气互锁；QS2和QS3,QS5和QS6机械互锁。如果两路电源同时供电，M1工作在变频状态，M2工作在工频状态时，QS4和QS5、QS3分闸，QS1、QS2和QS6处于合闸状态；M2工作在变频状态，M1工作在工频状态时，QS1和QS2、QS6分闸，QS4、QS5和QS3处于合闸状态；如果检修变频器，QS3和QS6可以处于任一状态，其它隔离开关都分闸，两台负载可以同时工频运行；当一路电源检修时，可以通过分合隔离开关使任一电机变频运行。

4.2. 系统控制方案
变频系统受DCS系统控制，主要接口信号如下：
1）. 变频器与旁路柜需要提供的开关量输出30路
（a） 变频器待机状态指示：表示变频器高压上电自检正常，具备启动条件。
（b） 变频器运行状态指示：表示变频器正在运行。
（c） 变频器控制状态指示：节点闭合表示变频器控制权为现场远程控制；节点断开表示变频器控制权为本地变频器控制。
（d） 变频器轻故障指示：表示变频器产生报警信号。
（e） 变频器重故障指示：表示变频器发生重故障，立即关断输出切断高压。
（f） 1#电动机高压合闸允许指示：变频器自检通过或系统处于工频状态正常，具备上高压条件，闭点有效，允许1#高压开关操作。
（g） 2#电动机高压合闸允许指示：变频器自检通过或系统处于工频状态正常，具备上高压条件，闭点有效，允许2#高压开关操作。
（h） 旁路柜隔离开关合闸指示：表示该操作隔离开关已处于合闸状态。每台隔离开关二路共8路节点。
（i）旁路柜隔离开关分闸指示：表示该操作隔离开关已处于分闸状态。每台隔离开关二路共8路节点。
（j）1#电动机在旁路状态：表示QS2工频状态合闸，电动机处于工频旁路状态。
（k）2#电动机在旁路状态：表示QS4工频状态合闸，电动机处于工频旁路状态。
以上所有数字量采用无源接点输出，定义为接点闭合时有效。除特别注明外，接点容量均为AC220V、3A/DC48V，3A。
2）. 变频器应提供模拟量输出2路：
（a） 变频器输出转速百分比（0～1500rpm）
（b） 变频器电机电流（0～600A）
变频器提供2路4～20mADC的电流源输出（变频器供电），带负载能力均为250Ω。
3）. 需要提供给变频器的模拟量1路：
（a） 变频器转速给定值
现场提供1路4～20mADC二线制电流源输出（DCS供电），带载能力为250Ω，4～20mADC对应转速低高限，呈线性关系。
4）. 需要提供给变频器的开关量有3路：
（a） 启动指令：干接点，最小1S最大3S脉冲闭合时有效，变频器开始运行。1路
（b） 停机指令：干接点，脉冲闭合时有效，变频器正常停机。1路
（c） 急停指令：干接点，脉冲闭合时有效，变频器立即停机关断输出。1路
5）. 变频器与其他电气设备接口
变频器给高压开关柜的有4路：
（a）高压紧急分断：变频器出现重故障时，自动分断高压开关，闭点有效。2路
（b）高压合闸允许：变频器自检通过或系统处于工频状态，具备上高压条件，闭点有效。2路
以上所有数字量采用无源接点输出，定义为接点闭合时有效。除特别注明外，接点容量均为DC110V，2.4A。
高压开关柜给变频器的状态信号2路：
    1#、2#高压开关分闸信号：高压开关处于分断时，辅助节点闭合；2个。
5.ACS5000中压变频器（MV drives）
    目前，主要的中压变频器拓扑结构有三种：1）串联H桥多电平结构[5-6]；2）中性点箝位（NPC）多电平结构[6-8]；3）电容箝位结构[6-8]。
5.1. 拓扑结构
    ACS5000变频器的拓扑结构为电压型9电平无熔断器（VSI-MF）设计逆变器。基于新一代功率半导体器件IGCT技术和电压源型九电平无熔断器设计使得ACS5000变频器具有与生俱来的高可靠性。基于直接转矩控制（DTC）技术的ACS5000变频器根据工艺的需求可提供精确的速度和转矩控制。其主电路拓扑结构见图3所示。

    从图中可以看出ACS5000是由三个相同的功率单元构成。功率单元是一种实现电力频率变换功能的电力半导体模块，是中压变频器不可或缺的重要组成部分。如下图4所示，该功率单元主要由三部分构成，分别是12脉冲供电部分（1）、直流环节部分（2）和单相H桥式逆变器部分（3）。其主要工作原理：功率单元外部提供的两个独立的三相交流电通过12脉冲供电部分后，变成具有12脉冲的脉动直流电。这种脉动的直流电经过直流环节部分的滤波和支撑后，形成稳定的直流电源从而馈电给单相H桥式逆变器部分。逆变器部分通过采用先进的空间矢量脉冲调制（SVPWM）模式，控制电力半导体器件的导通时序，产生了幅值和频率均可调的高质量的单相交流电。

    在该功率单元中，12脉冲供电部分是由两个6脉冲二极管供电单元串联而成，利用功率单元的前级变压器提供的两个交流电源的角度差，从而消除了电流中的低次谐波，降低了功率单元对电网的谐波干扰。这对改善用电设备对电网的谐波干扰具有重要作用。
5.2. 技术特点
ACS5000的技术主要具有如下特点：
●部件数量最少，可靠性最高
●多电平无熔断器拓扑结构，结合IGCT和DTC技术使得系统效率最高。
●功率密度最高，占地面积最小
●36-脉冲配置，最优化的电网友好性
●效率高，安装、调试及维护简单使得拥有的成本最低
●DTC， 无与伦比的控制性能
●适用于标准电机
IGCT功率半导体器件
    IGCT[7-8]是在GTO的基础上发展起来的新型复合型器件，兼有IGBT和GTO两者的优点，又克服了两者的不足，是一种较为理想的兆瓦级中压开关器件。具有低开关损耗、低通态损耗、无需缓冲电路、集成续流二极管、高可靠性等众多优点。
与IGBT相比，IGCT的通态压降更小，额定承受压降更高，通过电流更大；与GTO相比，IGCT的体积更小，便于和反并联二极管集成在一起，这样就大大的简化了电压源型逆变器的结构，提高了装置的可靠性。ABB公司推出的IGCT为单片器件，不再使用焊接或者键合导线，而是采用了独立的弹簧压力封装技术。这一技术使得器件对压力不对称的敏感程度大为降低。因此对器件安装所需的机械技术指标有更高的容差，同时允许更高的安装紧固压力。所有这些技术都大大提高了器件在高压大功率场合的可靠性。
无熔断器设计
    ACS5000是一种无需熔断器保护的中压交流变频器。其采用逆变器的IGCT 进行保护。与熔断器相比，IGCT 为功率部件提供了更加快速、可靠的保护。其关断时间为25微秒，比传统的快速熔断器快100倍。可以有效的故障控制在设备本体内，不会对上级电网或更高一级电网造成影响。
网侧友好性
    ACS5000的输入侧采用36脉冲二极管整流，对电网具有友好性。对电网侧的谐波完全满足IEEE-519和GB/T14549谐波标准。其网侧电压和电流波形如下图5所示。

隔离变压器
    由隔离变压器的几个副边绕组向变频器供电。为了36脉冲方式的相位移，要求使用多绕组变压器。变压器的另一个目的是提供足够的阻抗将网侧谐波限制在IEEE519-1992和GB/T14549-93所要求的限值范围内。对于36脉冲方式，隔离变压器有六个副边绕组，采用沿边三角形或曲折接法，满足36脉冲输入整流桥的要求。根据使用场所的具体要求，可采用单独安装的变压器，或对于小功率的可采用集成变压器。
输入整流桥
    输入整流桥向直流母排提供直流电压和电流，包括三套独立的串联12脉波整流桥。
安全接地开关
    为了确保运行维护人员对变频器进行维护时的人身安全。所有带高压电的柜门都与安全接地开关联锁，确保在进行维护之前供电电源已经切断，而且所储存的电能（例如直流回路电容组的电能）已经释放掉。安全接地开关闭合时，将直流母排上的正端、中性点和负端的母线接地。
长寿命直流电容器
    在直流回路中，使用了先进的、自愈式且环保的金属箔电容器，这种电容器是按照长寿命设计的。与不可靠且维护量大的电解式直流电容器设计相比，ABB利用该技术使其明显与众不同。直流回路电容对整流桥的输出进行滤波，使其成为低阻抗的电压源供逆变器工作。
di/dt电抗器
    变频器中有两个电抗器，用来限制输入到逆变器电路中相应的上、下两部分电流的上升率，以防止IGCT承受过高的di/dt。当直接接在直流回路上的一个IGCT导通时，从直流回路上吸取的电流迅速增加，在很短的时间内（几微妙），电抗器产生一个反电势阻止电流的增大，从而有效地限制了di/dt。
    与每个电抗器相关的二极管、电阻和电容器组将电抗器在上述过程中储存的能量释放掉，并且，当逆变器中IGCT在关断时，防止过高的电压加到IGCT上。
EMC滤波器
    逆变器的输出直接接到一组EMC滤波器上，该滤波器对逆变器的输出进行滤波并消除高频电压成分。这样大大地减少了加到电动机的电压的谐波含量，允许使用标准的电动机。所有dv/dt的影响也大大地削弱，因此电动机出线端的电压振荡问题也消除了。电机电压电流波形如图6所示。

电子控制装置
    ACS5000为全数字智能型变频器，其控制核心主要由两块电子线路板来完成：AMC-33电机与应用控制板和INT系统接口板。AMC-33负责逻辑运算、DTC电机模型计算以及与DTC算法相关的控制环的处理。INT负责产生IGCT门极触发信号和处理传动系统控制和保护的电压和电流信号。
    AMC-33主控板和INT接口板均采用DSP数字信号处理器（主频150MHz）和ASIC特殊应用集成电路，以满足高速和可靠的控制技术的工艺要求。系统采用光纤通讯以确保高水平的噪声抑制。
柜门机电联锁
    功率单元的柜门与接地开关以及主电路断路器机电联锁，从而保证只有在断开主电源，直流电容放电结束并且接地开关接地后，功率单元的柜门才能打开。同样，只有在关好柜门并且接地开关处于断开状态，才能闭合主回路断路器给变频器上电。
5.3. 控制方式
    ACS5000采用直接转矩控制技术[7-8]。直接转矩控制DTC（Direct Torque Control）系统，又称直接自控制系统DSR（德文Direkte Selbstregelung）。在转速环内，利用转矩反馈直接控制电机的电磁转矩，因而得名。
    直接转矩控制（DTC）是交流传动的一种独特的电机控制方式。逆变器的开关状态由电机的核心变量磁通和转矩直接控制。测量的电机电流和直流电压作为自适应电机模型的输入，该模型每25微秒产生一组精确的转矩和磁通的实际值。电机转矩比较器将转矩实际值与转矩给定调节器的给定值作比较，磁通比较器将磁通实际值与磁通给定调节器的给定值作比较。依靠来自这两个比较器的输出，优化脉冲选择器决定逆变器的最佳开关状态。
    DTC的控制周期为25μs，其响应速度是目前最好的交流传动的10倍，直流传动的100倍；而且具有高动态精度和静态精度，快速的转矩响应。零速满转距的高启动转距特性，适用于传送带设备和挤压机应用，高过载能力，适用于窑应用。
6.改造效果及性能评价（Result and evaluation）
    华能珞璜电厂＃5机凝泵变频器改造，于2008年8月11日开工，9月3日调试完成。9月10日开机，运行观察几天后，电厂发电部反映节能效果明显。
    现结合改造前和改造后凝泵电机的电流，来简要计算＃5机凝泵的节能效果。

    从表中可以看出，在发电机的负载不高于500MW情况下，凝泵变频器节电率高于都高于40%，既便发电机满发，节电率也高达34％。
    ＃5机变频器安装在三期汽机房内，没有专门修建房间，也没有配空调制冷，所以节电率是净的节电率。
    华能珞璜电厂一期机组（＃1机、＃2机）和二期机组（＃3机、＃4机）都是成套引进法国ALSTOM的360MW机组，三期机组（＃5机、＃6机）是国产600MW机组。
    在＃5机凝泵变频器改造之前，电厂已经在一、二期机组的凝泵和引风机上进行了变频控制改造，都为变频器修建了专门的房间，配备了制冷空调。一个变频器房间的设计修建费用需10－15万元人民币，空调按凝泵电机容量的3％考虑，那么＃5机2200KW的电机，需配备30匹的空调，按市场价买三台10匹的空调，约需6万元人民币。
    假设机组年平均运行小时按5000小时计算，其中三分之二时间使用空调，那么30匹的空调空调耗电约20万度，折合人民币7万元。
再假设每年运行5000小时都是带500MW的负载，那么每年使用变频器的直接节电为426万千瓦时，折合人民币约150万元，这样只需一年半就能收回整个变频器改造项目的投资。
这样，＃5机凝泵变频器不修房间，不配空调，基建费用可省20万元人民币左右。每年节约空调运行耗电费用7万元，而变频器直接节电节约的费用高达150万元人民币。
7.结论（Conclusion）
    发电厂中的辅机是很重要的发电设备。通过对华能珞璜电厂中的冷凝泵采用ABB ACS5000中压变频应用情况的统计分析可以看出，发电厂中冷凝泵辅机具有很大的变频节能空间和应用前景，尤其是国产机组，国内设计院考虑的容量较保守，裕量较大，所以国产机组的辅机变频改造的节能空间很大。本案例对电厂的冷凝泵进行的变频改造，根据现场的实际运行测量结果表明：动静态性能大幅度提升，节能效果明显，节电率超过40%。

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作者简介：
官二勇（1980～），男，硕士，工程师，专业电力电子与电力传动，研究方向：高压大功率变频器及风力发电技术。在《中国电机工程学报》、《电工技术学报》等国内一级期刊和在“电力电子学专家会议”（Power Electronics Specialist Conference）等国际会议上发表或合作论文20多篇，持有国家发明专利2项。
彭劲涛（1966～），男，学士，高级工程师，专业电力系统及其自动化，主要从事电厂继电保护、电测工作。其负责完成的“大型进口火力发电机组励磁调节系统改造”，荣获2007年度重庆市电力科学技术三等奖。
金  石（1980～），男，学士，工程师，专业电气工程及其自动化，主要从事中压变频器的销售和技术支持工作。
伍绍斌（1969～），男，硕士，高级工程师，专业热工自动化，主要从事电厂热控工作。