變頻調速技術在電力系統中的應用綜合分析
發布日期:2020-03-13 16:08 瀏覽次數:

【摘要】文章通過分析變頻調速技術的優勢和在各個方面的應用,以及對其未來發展趨勢的展望,對電力系統今后的發展提供一定的參考。電力行業的發展,越來越多的發電站建立起來,我國每年的電能消耗在總能源消耗中占據著相當大的比例,為了節約電能,避免資源浪費,必須采取新方法。而經過長期的發展,計算機技術逐漸成熟,已深入每一個行業,同時自動控制技術也有了相應的進步,在此背景下,交流調速技術也應運而生,解決了許多以往直流調速無法解決的問題,而變頻調速技術是其基本組成部分,在電力系統總發揮著不可代替的作用。

1、變頻調速技術概述

交流變頻調速技術在20世紀得到了迅速發展。這與一些關鍵性技術的突破性進展有關,它們是交流電動機的矢量控制技術、直接轉矩控制技術以及以微型計算機和大規模集成電路為基礎的全數字化控制技術等。

(1)矢量控制技術

矢量變換控制技術是西門子公司于1971年提出的一種新的控制思想和控制理論。它是以轉子磁場定向,采用矢量變換的方法實現定子電流勵磁分量和轉矩分量之間的解耦,達到對交流電動機的磁鏈和電流分別控制的目的,從而獲得了優良的靜、動態性能。迄今為止,矢量控制技術已經獲得了長足的發展,并得到了廣泛的應用。

(2)直接轉矩控制技術

繼矢量控制技術出現之后,1985年,德國的M.Depenblock提出了一種新型的高性能變頻調速技術――直接轉矩控制技術(DTC)。直接轉矩控制技術與矢量控制技術相比,其性能較高,采用電子磁場定向,不需要解耦電流,直接控制電動機磁鏈和轉矩,以使轉矩得到快速響應。而且電機參數和轉子參數對直接轉矩控制技術的影響不大,其工作原理比較簡單,很容易掌握,進一步發展和應用的前景相當廣闊。

(3)數字化控制技術

隨著科技的進一步進步和發展,數字化控制技術逐漸成為技術主流,符合現在時代發展的潮流。早期的矢量控制技術和直接轉矩控制技術在一定程度上無法滿足市場的需要,那么數字化控制技術應運而生,數字化控制技術可以快速運算和良好的控制精度問題,使得運轉噪音大大降低,大大縮短工作時間。而且使用數字化控制技術的變頻器的體積將大大減小,提高了信息處理的效率,實現了之前人工技術和模擬技術都無法實現的效果。

(4)PWM控制技術1964年,德國的A.Schnung等率先提出了脈寬調制(PWM-pulsewidthmodulation)變頻的思想,為近代交流調速系統開辟了新的發展領域。PWM控制技術通過改變矩形脈沖的寬度來控制逆變器輸出交流基波電壓的幅值,通過改變調制周期來控制其輸出頻率,從而在逆變器上同時進行輸出電壓幅值和頻率的控制。PWM技術簡化了逆變器的結構,能夠明顯的改善變頻器的輸出波形,降低電動機的諧波損耗,并減小轉矩脈動,同時提高了系統的動態響應性能。PWM技術還可用于整流器的控制,能夠實現輸入電流非常接近正弦,并可使電網功率因數為1,PWM整流器因而被稱為“綠色”變流器。目前,PWM技術已成為變頻器中應用*為廣泛的控制技術,交流電機調速性能的不斷提高在很大程度上是由于PWM技術的不斷進步。目前廣泛應用的是在規則采樣PWM的基礎上發展起來的準優化PWM法,即三次諧波疊加法和電壓空間矢量PWM法。在變頻電路拓撲結構方面,基于雙PWM技術的交—直—交變頻器和矩陣式變頻器,是變頻調速技術的****發展趨勢。

2、未來變頻技術發展趨勢

(1)間接高壓變頻器間接高壓變頻器也稱高—低—高型變頻器,它由輸入、輸出變壓器和低壓變頻器組成。輸入變壓器為降壓變壓器,它將高壓電源降至變頻器所允許的電壓,經低壓變頻器后,再經輸出變壓器即升壓變壓器升壓后,供給高壓電動機。高—低—高型高壓變頻器由于經歷兩次電壓變換,增加了電能損耗,影響了節能效果,并且占地面積大,還產生了大量的高次諧波,具有較明顯的缺陷。由于這種技術難度相對較低,投資相對較少,一般適用于功率小于200kW的高壓電動機。

(2)直接高壓變頻器

單元串聯多電平高壓變頻器單元串連多電平變頻器一般采用多重化技術,所謂多重化技術就是采用若干個低壓PWM功率單元串連的方式實現直接高壓輸出,其結構原理如圖1所示。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纖維實現控制和通信。這項技術由美國羅賓康公司發明并申請****,取名為“完美無諧波變頻器”。該技術從根本上解決了一般6脈沖和12脈沖變頻器產生的諧波問題,可實現完美無諧波變頻,具有對電網諧波污染小、輸入功率因數高、不必采用輸入諧波濾波器和功率因數補償裝置,不存在由諧波引起的電動機附加發熱和轉矩脈動、噪聲、共模電壓等問題。其輸出電壓為2kV、3kV和6kV,功率為800~5600kW。適合于功率在1MW以上的電廠輔機應用。其缺點是造價昂貴,占用空間大,安裝較困難。

(3)在開關器件方面,IGBT變頻器已成為20世紀90年代變頻調速技術的主流,在21世紀初相當長的一段時間內仍將是電氣傳動領域的主導變頻器。功率變換、驅動、檢測、控制、保護等功能的集成化促成了功率器件及變頻器的智能化,同時采用新電力電子器件IGBT、IEGT(集成發射式門極晶閘管)、GaAs(砷化鎵)、SiC(碳化硅復合器件)、光控IGBT及超導功率器件的新功能變頻器將會進一步研究開發。

采用高壓IGBT、IGCT的三電平大容量變頻器變頻器中常用的開關器件多為IGBT、GTR、GTO等。由于制造水平及原材料的原因,這些器件很難直接應用于6kV的電壓。*近幾年來,許多****開始研制開發新材料及新的高耐壓器件。ABB和西門子公司已開發出高耐壓開關器件,如ABB公司的IGCT(場控晶體管),耐壓值為39kV。西門子的HV-IGBT,耐壓值為56KV。

(4)西門子、ABB公司、GE公司和Cegelec公司分別采用專門研制的高耐壓開關器件并以傳統的交流變頻器的結構研制開發了自己的高壓變頻器,其中典型的產品如西門子公司的SIMOVERTMV系列變頻器。SIMOVERTMV系列變頻器采用傳統的電壓型變頻器結構,通過采用耐壓較高的HV-IGBT模塊,使得串連器件數減少為12個,可靠性更高,并且降低了成本,減小了柜體尺寸。由于SIMOVERT-MV系列變頻器的逆變部分采用傳統的三電平方式,如圖2所示,所以不可避免的會產生較大的諧波分量,這是三電平逆變方式所固有的。因此SIMOVERTMV系列變頻器的輸出側需要配置輸出濾波器才能用于通用的電動機。同樣由于諧波的影響,電動機的功率因數和工作效率都會受到一定的影響。這是該類變頻器的缺點所在,因而限制了其應用。目前,高壓變頻器正向著高可靠性、低成本、高輸入功率因數、高效率、低輸入輸出諧波、低共模電壓和低dv/dt等方向發展。此外,基于DSP技術的無速度傳感器矢量控制技術以及串聯功率單元的熱插拔、熱備份等技術為高壓大功率變頻器的發展提供了更為廣闊的空間。

(5)實現高水平的控制

基于電動機和機械模型的控制策略,有矢量控制、磁場控制、直接傳矩控制和機械扭振補償等;基于現代理論的控制策略,有滑模變結構技術、模型參考自適應技術、采用微分幾何理論的非線性解耦、魯棒觀察器,在某種指標意義下的*優控制技術和逆奈奎斯特陣列設計方法等;基于智能控制思想的控制策略,有模糊控制、神經元網絡、專家系統和各種各樣的自優化、自診斷技術等。

 

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圖1變頻控制實驗裝置

(6)開發清潔電能的變流器

清潔電能變流器,其實指的就是將變流器的功率因數調至為1,諧波分量應該盡可能低的出現,盡量不要出現在網側或者負載側,只有這樣,才能****程度地將對電網造成的損害值降到****,同時也可減少電動機的轉矩脈動,從而提高電動機的安全性,延長其使用壽命。對于那些中小容量的變流器,可通過提高開關頻率的方式來實現。而對于大容量變流器,如果開關頻率是固定值的情況下,可通過對電路結構的改變或者借助新的控制方式,來完成清潔電能的轉換工作。

3、變頻調速技術在電力系統中的應用

一是無功補償原理的作用:無功補償裝置裝設的目的是對供電效率進行提高,對供電環境進行改善,它將兩種負荷之間能量交換的原理給充分利用了起來,來對供電變壓器和輸送線之間的耗損進行補償,在供電系統中,無功補償裝置是不可獲取的一個組成部分;只有合理選擇了補償裝置,將其應用于電力系統中,才可以對電網功率因數進行有效的提高,對網絡耗損進行****限度的減少,促使電網質量得到有效提高。

在對無功補償裝置進行選擇時,通常是將分組投切的電容器以及電抗器應用過來,在一些特殊情況下,調相機以及靜止無功補償裝置也是不錯的選擇;滿足了無功平衡的要求,為了促使電壓質量標準的要求得以實現,還需要將調壓裝置應用過來。要將分層分區以及就地平衡的原則應用到電網的無功補償中,同時,還需要將變電站的無功調節能力給充分納入考慮范圍,并且將電壓優化以及功率因數給大力推廣開來,積極的應用先進的技術,如電網無功管理系統軟件等等,促使電網質量得到更加好的提高,促使電網更加安全可靠的運行。

二是變頻器負載標準:相較于變壓器和電動機的發熱時間,半導體器件的發熱時間往往較小,通常在計算時候都采用的是分鐘,如果出現了過載超溫問題,將會帶來很大的問題。因此,就需要嚴格規定負載條件。需要對變流器的運行種類進行劃分,****級額定輸出為電流完全輸出,過載情況不會出現;第二級為可以連續輸出基本負載電流,短時過載運行可以達到百分之五十;第三級到第六級過載則需要更長的時間。目前在市場上,一般只對第二級以及****級進行銷售。此外,還需要結合生產機械負載性能和調速范圍等要求,來對變頻器進行合理選擇。

變頻調速技術以其卓越的調速性能、完善的保護功能、顯著的節能效果和及易與自動控制系統接口實現自動調節等特點成為企業技術改造和設備節能降耗的一種行之有效的途徑。近幾年來,變頻調速技術在電力系統中的應用日益廣泛,在節能降耗、改善工藝等方面逐漸表現出其優越的性能。

(1)變頻調速技術在電力系統節能方面的應用節能是變頻器在電力系統中的主要應用領域。

美國、日本及西歐各國對火電廠用水泵和風機正大力推廣應用變頻調速方式。在美國和原蘇聯進行的一項獨立研究表明,用變頻調速傳動裝置代替傳統的無轉速調節電氣傳動裝置時,泵可節能25%,風機可節能30%。因此將變頻調速技術應用于風機、水泵等設備將會取得顯著的經濟效益。

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圖2水泵變頻控制圖

變頻調速技術在鍋爐給水泵傳動系統中的應用。

目前國內火電廠在給水傳動系統中應用變頻器還只是個別機組。例如大慶新華電廠在100MW調峰機組的2300kW給水泵上就采用了美國Robicon公司“完美無諧波”系列變頻器。據作者考察,國外發達****是把鍋爐給水泵傳動系統作為推廣應用變頻器的主要對象之一。例如美國EPRI在1984~1989年關于變頻器應用于電廠輔機可調速傳動現場試驗計劃,就把SierraPacific電力公司****邱吉爾電廠的一臺149kW的鍋爐給水泵傳動系統作為****對象。俄羅斯莫斯科電力研究院研制的3TBA系列功率元件串聯型高壓變頻器也首先應用于莫示瓦區域電廠200MW燃煤機組的5000kW鍋爐給水泵上。由此可見,鍋爐給水泵傳動系統也是火電廠利用變頻器進行節能改造的主要對象之一。

在鍋爐送引風機傳動系統中的應用。

目前國內火電廠在其輔機傳動系統中使用或正在安裝的6kV變頻器總臺數為87臺,總功率約為96400kW。其中鍋爐送引風機系統的變頻器約66臺,功率約為77000kW,占總臺數的76%,占總功率的80%?梢,鍋爐送引風機是目前電廠應用變頻調速技術進行節能改造的****和主要對象。變頻調速系統可控制引風機在****流量時,運行在比額定功率運行點低很多的運行點上,從而達到節能的目的。

(4)交流變頻調速技術在電力系統改善工藝,提高控制精度等方面也有實際應用。

交流電力拖動具備寬的調速范圍、高的調速精度、快的動態響應以及在四象限作可逆運行等良好的技術性能。因此在電力系統中,不僅在節能方面需要變頻器,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。

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圖3控制型變頻器

國內很多火電廠采用變頻調速技術對燃料控制系統進行改造,利用變頻器和鼠籠式異步電動機組成給粉機變頻調速系統。

由于變頻調速線性、穩定性好,能夠迅速改變進入爐膛的煤粉量,使機前壓力很快的穩定下來,并且調速穩定、線性度好、可靠性高、調速范圍寬,與上層燃料控制系統接口簡單易實現,改善了燃料控制系統的調節品質。在穩態工況下,主汽壓力在±0.1%MPa范圍內波動;在動態工況如以5%負荷升、降速率下改變10%負荷,主汽壓力在±0.2MPa范圍內波動。其動態調節品質和穩態運行性能均優于滑差調速控制。

4、結語

綜合以上分析可知,變頻調速技術自誕生以來就在諸多領域得到了廣泛的應用。而且隨著技術的不斷完善和成熟,在節約電能方面取得了良好效果。這是一門具備節能特點的高新技術,為適應不斷變化的電力系統,有必要進行推廣,并不斷提高整體水平,從而加快生產效率,提高產品質量。隨著電力電子器件制造技術、基于電力電子電路的電力變換技術以及各種控制技術的發展和完善,交流變頻調速技術將日趨成熟,并將成為未來交流調速的主流。交流變頻調速技術在電力系統中的應用表明其在節能降耗、改善工藝和提高控制精度等方面有著很好的應用前景。

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