摘要：随着电力生产成本不断增长，发电企业采取种种措施节能降耗，高压变频器以其可观的节能效果而被广泛推广使用。改造后的高压变频器节能效果明显，调节性能优越，同时提高了机组运行的安全和可靠性。基于此，本文主要对通过高压变频改造降低发电厂用电率进行分析探讨。
关键词：高压变频改造；发电厂用电率；降低
1、设备概况
我发电厂总装机容量960MW，为2×150MW（一期）+2×330MW（二期）的循环流化床机组，一、二期机组分别于2006年、2011年投产。电厂既是产能大户，同时也是耗能大户。近年来，节能减排的呼声日益高涨，各行各业节能减排工作也开展得如火如荼。变频技术在这种背景下应运而生，并得到了长足发展和广泛应用。我发电厂的单机容量相对较小，供电煤耗较高，厂用电高，只有节能降耗才能提高企业的竞争力，高压电机变频技术提供了很好的节能降耗渠道。
2、变频技术的节能原理
变频器是利用电力半导体器件的通断作用将电源的频率由工频变换为另一频率的电能控制装置。我们现在使用的变频器主要采用“交—直—交”方式（VVVF变频或矢量控制变频），即先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。
高压电机变频调速通过改变输入到交流电机的电源频率，从而达到调节交流电动机转速的目的。根据电机学原理，交流异步电动机转速由下式确定:
式中：n—电动机转速；
f—输入电源频率；
s—电动机转差率；
p—电机极对数。
由式（1）可知，电动机的输出转速与输入的电源频率、转差率、电机的极对数有关。交流电动机的直接调速方式主要有：
（1）变极调速（调整p）；
（2）转子串电阻调速或串级调速或内反馈电机（调整s）；
（3）变频调速（调整f）。
其中高压电机变频调速的优点多，得到了广泛的应用。根据流体力学的基本定律可知：泵(或风机)类设备均属平方转矩负载，其转速n与流量Q、压力（扬程）H以及轴功率P具有如下关系:
式中：Q1、H1、P1—风机（或水泵）在n1转速时的流量、压力（或扬程）、轴功率；Q2、H2、P2—风机（或水泵）在n2转速时的相似工况条件下的流量、压力（或扬程）、轴功率。由式（2）、式（3）、式（4）可知，风机（或水泵）的流量与其转速成正比，压力（或扬程）与其转速的平方成正比，轴功率与其转速的立方成正比。当风机转速降低后，其轴功率随转速的三次方降低，驱动风机的电机所需的电功率亦可相应降低。当风机原用进口挡板节流调节时，如果原选型余量大，此时若改用降低转速调节出力，是非常节能的。从上述分析可见，调速是风机、水泵节能的重要途径。
3、高压电机变频器的应用
3.1应用高压变频器的辅机
我厂一、二期分别为2台机组，每台机组有各8台，共有32台高压电机进行了高压变频改造，分别为锅炉的A、B引风机，A、B一次风机，A、B二次风机，汽机的A、B凝结水泵。
3.2高压电机变频器的接入方式
高压电机变频器接入电机系统方式有多种，我发电厂采用“一拖一带自动工频旁路”和“一拖二带手动工频旁路”2种方式。
3.2.1“一拖一带自动工频旁路”的接入方式
锅炉的引风机、一次风机、二次风机，因为风机变频功率非常大（风机变频额定容量为220kVA），功率一般在1000—2000kW，采用高压HI VERT-Y 06/220变频器。这种变频器的功率器件数量为15个，可靠性比较高，逆变单元采用4只IGBT，使用的功率器件较少，成本较低，体积较小，电流波形好。采用此变频器，完全能满足现场生产要求，是目前较为经济合理的改造方案。
3.2.2“一拖二带手动工频旁路”的接入方式
为节约建设成本，同时兼顾可靠性和经济性，凝结水泵采用“一拖二带手动工频旁路”的接入方式。
正常运行时，一台凝结水泵为变频运行方式，另一台为工频旁路备用，当运行中变频器故障跳闸，则自动联启备用的工频泵运行，保障了系统的正常运行。当变频器处理好以后，也可以将原工频备用泵切换为变频运行方式。该种变频器接入方式灵活性较好。
4、采用变频器后经济效益分析统计
厂用电率是发电厂重要的经济指标之一，降低厂用电率可以降低发电成本，提高发电厂的经济效益，泵和风机电动机这类大功率高压电气备，往往能耗大，效率低，直接影响厂用电率的高低。对于泵和风机，流体流量与转速一次方成正比，转矩与转速的二次方成正比，而功率与转速的三次方成正比，转速降低，电机功耗将以三次方速率下降，因此变频器的节电效果非常显著。如果流量由10%降到70%，则转速降到70%，压力降到49%，而电动机的功耗降到34.3%，理论上节能65.7%。如果原本采用风门、阀门调节，流量降低、压力增加，电机功率减少5%，这样，变频调速比风门、阀门类调节节能60%左右。
我厂节电对比分析：
2011年未改造前参数：
1、双机运行厂用电率为：2011年4月份，10.5566%。
2、单机运行时厂用电率为：2011年2月份，10.619%。
3、2011年前三季度的平均厂用电率为：10.5684%。
2012年改造后参数：
1、双机运行厂用电率为：2012年9月份，厂用电率8.4174%比改造前10.5566%降低2.1392%。
2、单机运行时厂用电率为：2012年1月份，厂用电率8.2527%比改造前10.619%降低2.3663%。
3、2012年前11个月的平均厂用电率为8.5416%比改造前10.5684%降低2.0268%。
2013年改造后参数：
1、双机运行厂用电率为：2013年8个月，厂用电率9.1010%比改造前10.5566%降低1.4556%。
2、单机运行时厂用电率为：2013年2个月，厂用电率9.5780%比改造前10.619%降低1.041%。
3、2013年前11个月的平均厂用电率为9.163%比改造前10.5684%降低1.4054%。
除了节能效益外，对于不同负载，还有一些间接的效益，主要有:
1、提高功率因数：变频器电压经滤波后其负载特性发生变化，对电网来说，变频器呈阻性（不用变频器时，电机对电网来说呈感性，功率因数低），这样就会提高了功率因数，减少无功消耗。
2、软启动：一般电机的启动方式有降压启动（如星三角启动）和全压启动。以这些启动方式启动时电流都比较大，一方面对电网造成严重的冲击，还会对电网容量要求过高，对设备的使用也极为不利；另一方面大的启动电流会消耗较大的电能。变频器具有软启动的优点，启动电流可从很小开始，不仅减少对电网的冲击，同时减少启动时的耗能和设备的故障率。
3、延长设备寿命：使用变频器可使电机转速变化沿泵和风机的加减速特性曲线变化，没有应力负载作用于轴承上，延长了轴承的寿命。同时有关数据说明，机械寿命与转速的倒数成正比，降低转速可成倍地提高寿命，使用费用自然就降低了。
4、降低噪音：采用变频调节后，由于通过调节电机转速实现调节，调整门全开，管道锤击和共振造成系统管道上噪音、振动都大为减少, 改善了运行人员工作环境。
应用变频器的节能效果不能一概而论。当原设计为节流调节流量且辅机调节裕量较大时，改为变频调节后节能效果较好；如果原设计辅机裕量不大，基本在全出力状态运行时，则改为变频节能效果不理想；对同一台辅机，应用变频技术后，在接近额定转速（全出力）时节能效果不大，在低转速（低负荷）下节能效果很好。当风机转速降低后，其轴功率随转速的三次方降低，驱动风机的电机所需的电功率亦相应降低。
5、结语
随着变频技术日趋成熟，产品质量的显著提高，高压变频将会在工业领域得到更广泛的应用。在火力发电行业可以广泛应用于风机和泵类，应用后节能30%-40%，从目前国产高压变频改造费用情况来看，节能效益回收期在1.5-2年不等。
参考文献：
［1］徐甫荣.发电厂辅机节能改造技术方案分析［J］.电气传动自动化，2004，(1):1～2.
［2］刘玉宁.电厂厂用电率及其对策［J］.东方电气评论，2002，(9):158～159.
论文作者:李玉宏
论文发表刊物:《电力设备》2018年第3期
论文发表时间:2018/6/11
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