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)中的幾種應用形式及在火力發(fā)電廠的節(jié)能、軟起動及控制中的應用前景。
20世紀90年代，交流變頻調速技術及裝置在我國有了突飛猛進的發(fā)展，由于變頻調速在頻率范圍、動態(tài)響應、低頻轉矩、轉差補償、功率因數(shù)、工作效率等方面是以往的交流調速方式無法比擬的，因此在眾多行業(yè)有了廣泛的應用，并且在節(jié)約能源、改善工藝、提高生產效率等方面發(fā)揮了巨大作用，取得了巨大經濟效益。但是，變頻調速技術在電力系統(tǒng)尤其在火力發(fā)電廠中的應用還非常有限。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，也為交流變頻調速技術的推廣應用提供了廣闊的空間。當前，阻礙變頻調速技術在高壓大容量傳動中推廣應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速技術技術含量高、難度大、成本也高，但一般風機水泵等節(jié)能用調速裝置都要求低投入高回報，從而造成經濟效益上的難題。這兩個世界性難題阻礙了高壓大容量變頻調速技術的推廣應用，因此如何解決高壓供電和用高技術生產出低成本的變頻器是當前世界各國相關行業(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。各公司采用的技術不盡相同，但歸納起來主要有兩種：一是采用多重化技術，再就是采用新開發(fā)的高耐壓功率器件?，F(xiàn)以比較有代表性的兩種產品加以介紹。
1.1 多重化技術的應用
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品均采用了多重化技術。所謂多重化技術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纖維實現(xiàn)控制和通信。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(xiàn)完美無諧波變頻。其基本原理如下：
圖1 多重化變頻器拓撲圖
圖1為6 kV高壓大容量變頻器的拓撲圖，它是由多個低壓功率單元串聯(lián)而成，由低壓PWM變頻單元疊加達到高壓輸出的目的。圖2為變頻器的結構原理圖，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，所對應的線電壓為6 kV（當每相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，因此可形成相當于30脈沖的整流由于多重化可消除各單元產生的大多數(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，在整個負荷范圍內網(wǎng)側功率因數(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 多重化變頻器結構圖
圖3為低壓功率單元的結構原理圖，它是由低壓IGBT構成的三相輸入單相輸出的脈寬調制型（PWM）變頻器，電壓輸出0～690 V可調和頻率 0～120 Hz可調。其輸出電壓為三電平即1，0，－1，每相5個單元疊加就可產生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 功率單元結構原理圖
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)為采用多重化技術和一般三電平技術變頻器的輸出諧波比較，可見采用多重化技術的變頻器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98%以上，包括輸入隔離變壓器在內的整個變頻系統(tǒng)的效率也高達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 高耐壓開關器件的應用
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，使這些器件的耐壓很難達到直接應用于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器件并以傳統(tǒng)的交流變頻器結構研制開發(fā)了自己的高壓變頻器。現(xiàn)以有代表性的西門子公司產品SIMOVERT MV系列為例進行簡要介紹SIMOVERT MV系列變頻器采用傳統(tǒng)的交—直—交變頻器結構，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構圖。由圖4可以看出，該系列變頻器采用傳統(tǒng)的電壓型變頻器結構，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構圖
由于變頻器的整流部分是非線性的，會產生高次諧波，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，其初級繞組結成三角形，次級繞組一組結成三角形，一組結成星形，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)側諧波被更進一步抑制。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到最佳的工作狀態(tài)，隨著轉速的降低，工作效率和功率因數(shù)都會相應降低。這是該類型高壓變頻器的缺點所在，因而限制了其應用。
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，因而可以實現(xiàn)電動機的4象限傳動方案，即可以進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格的電力系統(tǒng)有著比較大的應用前景，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。采用高耐壓開關器件的變頻器體積小，可靠性相對較高，但不可否認的是其比較嚴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。所以在應用過程中應根據(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動電機，實現(xiàn)變頻調速。此種方式整體效率高，當電廠輔機電機容量在1 MW時應用較合適。當電機容量較小時（小于700 kW），相當于“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)變頻調速，再用輸出變壓器升壓至6 kV，以控制電機調速。此種方式較適合中等或中等偏下功率電機的應用（100～1500 kW），所以價格比較合理，調速平穩(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。采用多重化技術的變頻器或高耐壓開關器件的變頻器均可，選擇面相對較寬。
2.4 高—低—低方式
當電機的功率在500 kW以下時，最好的方法是選用新的低壓電機（如國產380 V電機）取代原有高壓電機。經輸入降壓變壓器降壓后，用低壓變頻器直接控制調速。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 變頻調速技術在火力發(fā)電廠中的應用前景
3.1 火電廠中的節(jié)能應用
目前，在中國電源結構中，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備中，風機水泵類負載占絕大部分。由于各電廠調峰力度的加大，這些設備的負荷變化范圍很大，所以必須實時調節(jié)風機水泵的流量。目前調節(jié)流量的方法多為節(jié)流閥調節(jié)，由于這種調節(jié)方法僅僅是改變了通道的通流阻抗，而驅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務之急。采用變頻調速技術對這些輔機設備進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力和機械應力，致使籠條（或導條）和端環(huán)在很高的應力作用下疲勞斷裂。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用非常廣泛，由于直接起動所造成的電動機燒毀和轉子斷條事故，屢屢發(fā)生，給主機設備的安全經濟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用
交流變頻調速技術在最近幾年有了很大的發(fā)展，特別是矢量控制技術的應用，使得交流電力拖動逐步具備了寬的調速范圍、高的調速精度、快的動態(tài)響應以及在四象限做可逆運行等良好的技術性能，在調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速改為變頻調速后，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和價格上還存在許多難題，但是隨著電力電子技術和變頻調速技術的不斷發(fā)展，相信高壓變頻技術及變頻裝置都將會有很大的發(fā)展，這一技術的推廣應用將為火力發(fā)電廠在節(jié)能降耗、提高經濟效益、提高上網(wǎng)電價的競爭力方面發(fā)揮巨大的作用。