高压变频器的拓扑结构及其在火力发电厂的应用

高压变频器的拓扑结构及其在火力发电厂的应用

初奇 葛勒 宫照坤

华能沁北发电有限责任公司 河南济源 459012

摘要：高压变频器在火电厂中起着重要的影响，承担着火电厂工作闭环中相当重要的一节。高压变频器的出现为火电厂带来了效率提升，经济和能源损耗上做出了非常大的节省。目前高压变频器已经变成火电厂的标配，但是依然有一些注意事项需要阐述。在下文中就针对此情况作出了深入研究，在高压变频器的提速上也做了深入探讨。文中在高压变频器拓扑结构上做出了详细的分析，以及未来整体发展方向以及高压变频器的前景也提出了相应的观点。

关键词：高压变频器 拓扑结构 火力发电厂 提升速度

一.高压变频器的研究现状与未来研究方向

火电厂中一直存在着大量的资源浪费以及电动机的低效率工作情况，对此调整其问题的关键已经成为了刻不容缓的事情。针对实际情况发现低效率主要原因，就是在大电流及其对绕组的过大电磁力引起。

根据电学的原理我们可知电机的转速与定子频率，转差率和定子极对数息息相关。所以高压变频器的调速方法也要针对这三点做出提升，现有的提升方法大致有如下几类。转子串电子调速，变定子电压调速，变定子频率调速等。根据过往研究可以得出结论，交流电动机变频技术是国内最好的给电气传动提升方法。它不但在节能上有着明显的改善还在调速后各细节上也有着显著提升，这一点上在高压大容量风机上已经得到了论证。

高压变频器中输入和输出在6～10kV的变频器是一种开发难度比较高的产品，要攻陷其的技术难度也颇大。但是它又涉及到电动机和微电子技术等多领域产品的生产力的提升，开发其的难点有两点。首先是高压变频器需要高电压的持续供电，而且如何串联也是不小的挑战。最后就是研发难度大，成本太高。而且高压变频器主要应用场景是风机水泵的节能运行，并且由节能费来回收成本。

我国火电厂目前采用的高压变频器选用的是6kV的电压等级，水泵也是由6kV笼型异步电动机进行驱动。这样做有着非常明显的优点，其一就是可以将设备维护及其成本降到最低，在采购上也是非常明显的地理优势。其二是在安装系统上能够节省人力资源，运行上也更省力。其三就是出现问题以后，不至于造成大规模电路崩塌。最后能够有力管理工厂用电的统一，在安全性上有着非常重要的体现。

二.高压变频器拓扑结构和不同类型优缺点

高压变频器的拓扑结构在种类上还是有着一点区别的，其主要有两个种类。首先是采用了可改变的升降式变频器，通常被称为间接高压变频器。其工作有点是可灵活改变数值，操作方便。最后一种是只能够单一模式的变压器，常被称为直接变频器。其特点是只能输出“高-高”式变频器，经过市场多年发展以及用户需求的进步已经逐渐被市场淘汰。经过市场的大浪淘沙可以明显的感觉到，未来高压输出的变频器是火电厂今后主要的设备。

高压变频器主电路一向都采用“交-直-交”式结构，选用的也是输入变压器。多重化整流的部分的可控可以实现四象限的运行方式，但除了可控也可以实行不可控的选择。按照相关规定的其谐波要求，要做到THD大于百分之五（包括百分之五）。并且至少要采用18脉冲整流，否则要添加相应的滤波器。这种结构又成电流源型结构和电压源型结构，都是变频器的基本结构。其本质上优缺点都非常明显，优点为操作简单方便操作，缺点是对于单管的耐压有着极强的要求。根据研究需要，电流源型结构暂不在论文中讨论

电压源型变频器主要又三电平或者多电平的结构和H-桥结构，其主开关器件使用了H-IGBT;IGCT和IEGT。这种结构的缺点是不能单独使用需要配上输出滤波器，并且需要针对我国市场环境做出专门的6kV的高频变压器。其优点是可以使用小容量的管子进行输出高电压的工作，电路结构比较简单。国内对此也有着很多研究成果，发明出了使用两个电压4.5kV,电流630A的IGCT串联的三电平结构，让变频器的价格能够被市场所接受。

三.高压变频器在火电厂应用前景及其特点

在实际的应用中，火力发电厂的水泵类负载都是由6kV的电动机驱动的。这些电机在火力发电厂中占总耗电量的五分之四，面对发电机组的容量越来越大的情况，驱动辅机的电动机容量也会随之增加。根据相关理论知识可知，压头和转速的平方成正比;轴功率和转速的立方成正比；风机水泵的流量和转速成正比。如果要选择采用高压变频器来拖动风机水泵，会给实操带来很多优点。

（1）调速范围宽，调速精度高，系统的动态响应。

（2）真正实现软起动和软制动，减少对水泵、电机的机械冲击和管道阀门的磨损，能够有效做到节省维修费用，延长设备的使用寿命。

（3）改造调试的周期变短，能够降低资源浪费。

（4）因为输入的功率变高了，所以提高了整体的系统的有效效率。

（5）可以通过简单的操作实现机组对于系统控制的自动化。

（6）在故障状态下，可以切换至工频运行不会造成经济的过大影响。

最后根据相关实验可知，采用高频变压器以后其节点效率提升至百分之十五到百分之四十五之间，投资回报的时间周期也提升至两三年左右。

四.高压变频器的重要参数与拓扑种类区分

虽说电机调速是风机水泵的节能有效途径，但是电机调速也不是万能的，有一些风机水泵就无法使用此方法。对于其机器各项参数都基本稳定的情况下，是可以采用风机和高效的节能电机来提高系统的工作效率。但是对于配置不合理或者长期处于低负荷状态的情况，这种方法改变不了什么，尝试重新配上新的电机能够对此类机器达到节能的目的。对于不间断的运行或者需要不停修改负荷的机器而言，换成高压变频调速系统能够提高节能的效果。

其风机水泵类的高压频变技术有着如下特点：调速的精度要求不高，负载非常平稳，调速的范围也不是很大，大致在百分之五十至百分之百。调速范围时需要对于开机组的机械临界避开就好，只要开环即可满足控制的需求。

高压变频器有着非常多的拓扑结构，又有着很多生产厂家将产品吹嘘的五花八门。对于这个问题只要注意两点即可，第一是主要技术的指标第二是可靠性。前者包括效率，功率因素，高频轴电流，对自家电网电压波动的适应性，对于火电厂环境温度和湿度的具体要求等。后者即生产厂家的信誉，以及服务态度和售后服务是否明确等都应该在购买流程的考虑范围之内。

结论

面对目前高压变频器没有统一的产品型号，以及拓扑结构也不统一的前提。不同的拓扑结构的高频变压器都有着独特的结构和各自的优缺点，相应也对应着非常多的使用场所。面对火力发电厂的风力水泵需要节能的情况，对其应用高压变频调速系统后可以节约大量能源已经成为板上钉钉的事实，也是反复试验的有效结论。面对实际需求以及火力发电厂所面临的实际情况来进行努力分析，才能够达到满足风力水泵的需求和实现最快速增长的效率的直接目的。也能够给予研发者们最及时的反馈，让研发者收到市场需求以后进行深入的研发工作。

参考文献

【1】吴晓明 《浅谈高压交流变频调速度技术在火力发电厂的应用》科学中国人 2016.03

【2】陶英川 《开关变压器软启动装置在火力发电厂高压电机上的应用》能源与节能 2020.4

【3】张云飞 《高压频、变频技术在火电厂中的节能应用》科学技术创新 2020.01