本文簡單介紹了高壓變頻器的發(fā)展現(xiàn)狀,，分析了兩種高壓變頻器的基本原理及組成。概括介紹了變頻器在高壓供電系統(tǒng)中的幾種應(yīng)用形式及在火力發(fā)電廠的節(jié)能,、軟起動及控制中的應(yīng)用前景,。


20世紀(jì)90年代，交流變頻調(diào)速技術(shù)及裝置在我國有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展,，由于變頻調(diào)速在頻率范圍,、動態(tài)響應(yīng)、低頻轉(zhuǎn)矩,、轉(zhuǎn)差補償,、功率因數(shù),、工作效率等方面是以往的交流調(diào)速方式無法比擬的,，因此在眾多行業(yè)有了廣泛的應(yīng)用，并且在節(jié)約能源,、改善工藝,、提高生產(chǎn)效率等方面發(fā)揮了巨大作用,，取得了巨大經(jīng)濟(jì)效益。但是,，變頻調(diào)速技術(shù)在電力系統(tǒng)尤其在火力發(fā)電廠中的應(yīng)用還非常有限,。隨著電力行業(yè)改革的不斷深化，廠網(wǎng)分開,、競價上網(wǎng)等政策的不斷實施,，降低廠用電率，降低發(fā)電成本提高電價的競爭力,，成為各火力發(fā)電廠追求的目標(biāo),，也為交流變頻調(diào)速技術(shù)的推廣應(yīng)用提供了廣闊的空間。當(dāng)前,，阻礙變頻調(diào)速技術(shù)在高壓大容量傳動中推廣應(yīng)用的主要難題有兩個：一是我國火力發(fā)電廠中大功率電動機供電電壓高（3～10 kV）,，而變頻器開關(guān)器件的耐壓水平較低，造成電壓匹配上的難題,；二是高壓大容量變頻調(diào)速技術(shù)技術(shù)含量高,、難度大、成本也高,，但一般風(fēng)機水泵等節(jié)能用調(diào)速裝置都要求低投入高回報,，從而造成經(jīng)濟(jì)效益上的難題。這兩個世界性難題阻礙了高壓大容量變頻調(diào)速技術(shù)的推廣應(yīng)用,，因此如何解決高壓供電和用高技術(shù)生產(chǎn)出低成本的變頻器是當(dāng)前世界各國相關(guān)行業(yè)的競爭熱點,。

1 高壓變頻器的發(fā)展概況

目前美國羅賓康（ROBICON）公司、AB公司,，瑞典ABB公司及德國西門子等公司的高壓變頻器產(chǎn)品采用不同措施較成功地解決了高耐壓,、大容量這一難題。各公司采用的技術(shù)不盡相同,，但歸納起來主要有兩種：一是采用多重化技術(shù),，再就是采用新開發(fā)的高耐壓功率器件。現(xiàn)以比較有代表性的兩種產(chǎn)品加以介紹,。

1.1 多重化技術(shù)的應(yīng)用

以美國羅賓康公司的HARMONY系列變頻器為代表,，包括我國北京先行和凱奇兩家公司的產(chǎn)品均采用了多重化技術(shù)。所謂多重化技術(shù)就是每相由幾個低壓PWM功率單元串接組成,，各功率單元由一個多繞組的隔離變壓器供電,，以高速微處理機和光導(dǎo)纖維實現(xiàn)控制和通信。該技術(shù)從根本上解決了一般6脈沖和12脈沖變頻器產(chǎn)生的諧波問題,，可實現(xiàn)完美無諧波變頻,。其基本原理如下：

圖1 多重化變頻器拓?fù)鋱D

圖1為6 kV高壓大容量變頻器的拓?fù)鋱D，它是由多個低壓功率單元串聯(lián)而成,，由低壓PWM變頻單元疊加達(dá)到高壓輸出的目的,。圖2為變頻器的結(jié)構(gòu)原理圖,，各個功率單元由輸入隔離變壓器的二次隔離線圈分別供電，每個功率單元額定電壓為690 V,，每相5個單元串聯(lián),，因此相電壓為3.45 kV，所對應(yīng)的線電壓為6 kV（當(dāng)每相4個功率單元,，每個單元額定電壓為480V,，輸出線電壓為3.3 kV）。給功率單元供電的二次線圈在繞制時互相存在一個 12°（電角度）的相位差,，實現(xiàn)輸入多重化,，因此可形成相當(dāng)于30脈沖的整流由于多重化可消除各單元產(chǎn)生的大多數(shù)諧波，對電網(wǎng)的污染可降到很低,，并且諧波無功造成的功率因數(shù)降低減到最小,，在整個負(fù)荷范圍內(nèi)網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)均可保持在0.95以上，不需要配備改善功率因數(shù)的電容器,。

圖2 多重化變頻器結(jié)構(gòu)圖

圖3為低壓功率單元的結(jié)構(gòu)原理圖,，它是由低壓IGBT構(gòu)成的三相輸入單相輸出的脈寬調(diào)制型（PWM）變頻器，電壓輸出0～690 V可調(diào)和頻率 0～120 Hz可調(diào),。其輸出電壓為三電平即1,，0，－1,，每相5個單元疊加就可產(chǎn)生11種不同的電壓等級（±5,，±4，±3,，±2,，±1，0）,。因此線電壓即可形成23脈沖的電壓波形,，諧波極大減少。變頻器輸出電壓非常接近正弦波形,，大大降低了du／dt脈動對電動機繞組的沖擊,，減少了電動機的諧波損耗，電機可不降低額定容量使用,，同時對電纜的絕緣也無特殊要求,。

圖3 功率單元結(jié)構(gòu)原理圖

表1 多重化變頻器與三電平變頻器輸出諧波含有率對比表 %

表1所列數(shù)據(jù)為采用多重化技術(shù)和一般三電平技術(shù)變頻器的輸出諧波比較，可見采用多重化技術(shù)的變頻器19次以下的諧波幾乎完全消除,，所以不需任何輸出濾波器,，從本質(zhì)上就能提供正弦波電壓輸出，而且即使在低速時也能保持很好的輸出正弦波形，不需配置輸出濾波器,，因此消除了因諧波造成的電機振動、噪音和溫升等問題,。由于諧波大為減少,，由諧波引起的電動機功率因數(shù)和效率的損失也大為減少，所以變頻部分效率高達(dá)98%以上,，包括輸入隔離變壓器在內(nèi)的整個變頻系統(tǒng)的效率也高達(dá)96%以上,。該類型變頻器適合于高—高方式，由于采用低壓功率器件,，所以工作可靠,，并且諧波含量極低，對電網(wǎng)影響小,，適合于功率在 1 MW以上的電廠輔機應(yīng)用,。其缺點是造價昂貴，占用空間大,，安裝較困難,，不過羅賓康公司已經(jīng)研制出新一代的小型變頻器，這一矛盾有望解決,。

1.2 高耐壓開關(guān)器件的應(yīng)用

變頻器中常用的開關(guān)器件多為IGBT,、GTR、GTO等,，由于制造水平及原材料的原因,，使這些器件的耐壓很難達(dá)到直接應(yīng)用于6 kV的電壓，因此許多國家的企業(yè)開始研制開發(fā)新材料及新的高耐壓器件,。最近幾年來ABB公司與三菱公司合作開發(fā)的IGCT（ETO）,，西門子研制的HV—IGBT等耐壓可達(dá)4.5 kV。西門子,、ABB公司,、GE公司和Cegelec公司等分別采用專門研制的高耐壓開關(guān)器件并以傳統(tǒng)的交流變頻器結(jié)構(gòu)研制開發(fā)了自己的高壓變頻器。現(xiàn)以有代表性的西門子公司產(chǎn)品SIMOVERT MV系列為例進(jìn)行簡要介紹SIMOVERT MV系列變頻器采用傳統(tǒng)的交—直—交變頻器結(jié)構(gòu),，整流部分采用12脈沖或24脈沖二極管整流器,，逆變部分采用三電平PWM逆變器。圖4為SIMOVERT MV系列變頻器的原理結(jié)構(gòu)圖,。由圖4可以看出,，該系列變頻器采用傳統(tǒng)的電壓型變頻器結(jié)構(gòu)，通過采用耐壓較高的HV—IGBT模塊,，使得串聯(lián)器件數(shù)減少為12個,，隨著元件數(shù)量的減少，成本降低，方案變得簡潔,，從而使柜體尺寸更小,，可靠性更高。

圖4 SIMOVERT MV系列變頻器的原理結(jié)構(gòu)圖

由于變頻器的整流部分是非線性的,，會產(chǎn)生高次諧波,，此高次諧波將使電網(wǎng)的電壓和電流波形發(fā)生畸變，對電網(wǎng)造成污染,。圖4所示的 SIMOVERT MV系列變頻器的12脈沖整流原理接線圖中,，三相橋式整流相當(dāng)于六相整流，現(xiàn)將兩組三相橋式整流電路用整流變壓器聯(lián)系起來,，其初級繞組結(jié)成三角形,，次級繞組一組結(jié)成三角形，一組結(jié)成星形,，得到DycDdo的連接組別,，整流變壓器次級2個繞組的線電壓相同，但2個繞組的線電壓相位相差 30°,，這樣5次,、7次諧波在變壓器的初級將會有180°的相移，因而能夠相互抵消,，同樣17,、19次也相互抵消。這樣經(jīng)過2個整流橋的串聯(lián)疊加后,，即可得到12波頭的整流輸出波形,，比6個波頭更平滑，并且每橋的整流二極管耐壓降低一半,。采用12相整流電路減少了特征諧波含量,，由于N＝KP±1（P為整流相數(shù)，K為自然數(shù),，N為特征諧波的次數(shù)）,，所以網(wǎng)側(cè)特征諧波只有11、13,、23,、25等。同理采用24脈沖整流電路網(wǎng)側(cè)諧波被更進(jìn)一步抑制,。兩種選擇方案均可使輸入功率因數(shù)在整個功率范圍內(nèi)保證在0.95以上,，不需功率因數(shù)補償電容器。SIMOVERT MV系列變頻器的逆變部分采用傳統(tǒng)的三電平方式,，所以不可避免地會產(chǎn)生比較大的諧波分量,，這是三電平逆變方式所固有的,。因此SIMOVERT MV系列變頻器的輸出側(cè)需要配置輸出濾波器才能用于通用的電動機，否則必須配用西門子的專用電動機,。同樣由于諧波的影響,，電動機的功率因數(shù)和工作效率都會受到一定的影響，只有在額定運行點處才能達(dá)到最佳的工作狀態(tài),，隨著轉(zhuǎn)速的降低,，工作效率和功率因數(shù)都會相應(yīng)降低。這是該類型高壓變頻器的缺點所在,，因而限制了其應(yīng)用,。

另外,，SIMOVERT MV系列變頻器的一個特色是可以提供有源前端（AFE）,，AFE也采用三電平技術(shù)，因而可以實現(xiàn)電動機的4象限傳動方案,，即可以進(jìn)行雙向電動和能量反饋制動運行,。如圖5所示為有源前端的整流器，由于 AFE反并聯(lián)了12個反饋二極管,，因此可提供直流環(huán)節(jié)富余能量回饋電網(wǎng)的通路,。有源前端的引入為該系列變頻器在交流傳動的應(yīng)用提供了較大的空間。

圖5 有源前端（AFE）原理圖

兩種類型的高壓變頻器各有優(yōu)缺點,，多重化變頻器能夠提供無諧波的變頻,，在對諧波要求比較嚴(yán)格的電力系統(tǒng)有著比較大的應(yīng)用前景，但其缺點目前來說是比較明顯的,，即變頻器體積大,，安裝不便，造價高,，這成為影響其推廣使用的一大難題,。采用高耐壓開關(guān)器件的變頻器體積小，可靠性相對較高,，但不可否認(rèn)的是其比較嚴(yán)重的諧波污染及對電動機的特殊要求,，若考慮輸出濾波器的因素，其造價也不低,。所以在應(yīng)用過程中應(yīng)根據(jù)實際需求選用性能價格比較高的變頻器,。

2 變頻器在6 kV供電系統(tǒng)中的使用方式

由于整套系統(tǒng)的要求各不相同，各地所用電動機的額定電壓,、額定功率也就不同,，所以選用的變頻器和整個系統(tǒng)的組成方式也各不相同。為了很好地滿足系統(tǒng)的需求,，應(yīng)該根據(jù)實際情況選用性能價格比較好的變頻器和系統(tǒng)組成方式,。對于6 kV供電系統(tǒng)，變頻器的應(yīng)用有如下幾種方式。

2.1 高—高方式

用額定電壓為6 kV的高壓PWM電壓型變頻器直接驅(qū)動電機,，實現(xiàn)變頻調(diào)速,。此種方式整體效率高，當(dāng)電廠輔機電機容量在1 MW時應(yīng)用較合適,。當(dāng)電機容量較小時（小于700 kW）,，相當(dāng)于“大馬拉小車”，再采用6 kV高壓變頻器,，價格就顯得比較高了,。

2.2 高—低—高方式

用輸入變壓器將6 kV高壓降為600 V（或460V），用低壓電流源型變頻器實現(xiàn)變頻調(diào)速,，再用輸出變壓器升壓至6 kV,，以控制電機調(diào)速。此種方式較適合中等或中等偏下功率電機的應(yīng)用（100～1500 kW）,，所以價格比較合理,，調(diào)速平穩(wěn)、使用可靠,，缺點是增加輸出升壓變壓器,，系統(tǒng)效率略微降低，且占地面積大,。適合的變頻器選擇范圍比較寬,。

2.3 高—中—中方式

如果將6 kV的高壓電機改裝成3 kV電機，就可使用3 kV的變頻器,，提高系統(tǒng)效率,，降低投資費用，而性能與直接控制方式相同,。采用多重化技術(shù)的變頻器或高耐壓開關(guān)器件的變頻器均可,，選擇面相對較寬。

2.4 高—低—低方式

當(dāng)電機的功率在500 kW以下時,，最好的方法是選用新的低壓電機（如國產(chǎn)380 V電機）取代原有高壓電機,。經(jīng)輸入降壓變壓器降壓后，用低壓變頻器直接控制調(diào)速,。此方案性能良好,，變頻器即使加上新電機的成套費用，比其他方式還要低,，而且不含高壓器件,，維修使用方便，變頻器選擇范圍很大,。

3 變頻調(diào)速技術(shù)在火力發(fā)電廠中的應(yīng)用前景

3.1 火電廠中的節(jié)能應(yīng)用

目前,，在中國電源結(jié)構(gòu)中,，火電占74%（發(fā)電量占80%），水電占25%（發(fā)電量占19%）,，核電僅占1%左右,，因此火電機組及其輔機設(shè)備的節(jié)能工作是非常重要的?；鹆Πl(fā)電廠中的各種動力設(shè)備中,，風(fēng)機水泵類負(fù)載占絕大部分。由于各電廠調(diào)峰力度的加大,，這些設(shè)備的負(fù)荷變化范圍很大,，所以必須實時調(diào)節(jié)風(fēng)機水泵的流量。目前調(diào)節(jié)流量的方法多為節(jié)流閥調(diào)節(jié),，由于這種調(diào)節(jié)方法僅僅是改變了通道的通流阻抗,，而驅(qū)動源的輸出功率并沒有改變，所以浪費了大量能源,。尤其現(xiàn)在電力行業(yè)改革不斷深化,，廠網(wǎng)分開,、競價上網(wǎng)政策的開展實施,，降低廠用電率、降低發(fā)電成本提高出廠電價的競爭力,，就成為各個電廠的當(dāng)務(wù)之急,。采用變頻調(diào)速技術(shù)對這些輔機設(shè)備進(jìn)行改造是非常適合的，而且節(jié)能非常明顯,。例如大慶華能新華發(fā)電廠1997,、1998年分別在4、5號灰漿泵400 kW電動機和5號爐2臺1 250 kW電動機上采用變頻器,，至今運行良好,，每臺變頻器年節(jié)約資金在35萬元以上。

3.2 火電廠中的軟起動應(yīng)用

直接起動的交流電機因起動電流大（通常為5～7倍的額定電流）,，在很短的起動過程中,，籠型繞組或阻尼繞組將承受很高的熱應(yīng)力和機械應(yīng)力，致使籠條（或?qū)l）和端環(huán)在很高的應(yīng)力作用下疲勞斷裂,。直接起動時的大電流還會在繞組端部產(chǎn)生很大電磁力,，使繞組端部變形和振動，造成定子繞組絕緣的機械損傷和磨損,，而導(dǎo)致定子繞組絕緣擊穿,。起動時的大電流還會造成鐵心振動，使鐵心松弛,，引起電動機的發(fā)熱,。在火力發(fā)電廠中,，高壓大容量交流異步電動機應(yīng)用非常廣泛，由于直接起動所造成的電動機燒毀和轉(zhuǎn)子斷條事故,，屢屢發(fā)生,，給主機設(shè)備的安全經(jīng)濟(jì)運行帶來很大的威脅，因此大容量異步電動機采用軟起動方式,，對于延長電動機使用壽命,，減少對電網(wǎng)的沖擊，保證正常生產(chǎn)是非常必要的,。由于電動機在變頻起動過程中可實現(xiàn)高起動轉(zhuǎn)矩并且平滑無沖擊,，所以采用變頻器作為軟起動裝置是非常合適的。

3.3 變頻器在電廠控制中的應(yīng)用

交流變頻調(diào)速技術(shù)在最近幾年有了很大的發(fā)展,，特別是矢量控制技術(shù)的應(yīng)用,，使得交流電力拖動逐步具備了寬的調(diào)速范圍、高的調(diào)速精度,、快的動態(tài)響應(yīng)以及在四象限做可逆運行等良好的技術(shù)性能,，在調(diào)速性能方面已可與直流拖動相媲美。因此在電廠中,，不僅在節(jié)能和軟起動方面需要變頻器,，許多需要精確控制流量、壓力及液位的場所都可以采用變頻器,。例如,，石家莊熱電廠13號鍋爐給粉機由滑差調(diào)速改為變頻調(diào)速后，煤粉的供給更加均勻,，鍋爐的燃燒更加穩(wěn)定,。

4 綜述

目前高壓變頻器雖然在技術(shù)和價格上還存在許多難題，但是隨著電力電子技術(shù)和變頻調(diào)速技術(shù)的不斷發(fā)展,，相信高壓變頻技術(shù)及變頻裝置都將會有很大的發(fā)展,，這一技術(shù)的推廣應(yīng)用將為火力發(fā)電廠在節(jié)能降耗、提高經(jīng)濟(jì)效益,、提高上網(wǎng)電價的競爭力方面發(fā)揮巨大的作用,。