毛吉亮
河南省电力勘测电力设计院 河南 郑州 450007
【摘要】 为了提高发电厂尤其是燃煤发电厂竞争能力，实现节能增效的目标，火力发电厂内的凝结水泵、引风机、疏水泵等普遍采用高压变频调速技术降低厂用电率。本文就高压变频器的结构形式、容量选择、接线方式、变频电机差动保护配置以及对低电压穿越能力的措施等方面逐一进行了阐述。
1、前言
国家发改委会组织编制的《“十一五”十大重点节能工程实施意见》中，将电机系统节能工程列为重点节能工程之一，提出要“推广变频调速、永磁调速等先进调速技术，改善风机、泵类电机系统调节方式，逐步淘汰闸板、阀门等机械节流调节方式”。 因此，根据国家能源政策的相关要求，新建火力发电厂考虑对泵、风机等大容量高压辅机设备运用先进的节能调节技术具有重要的现实意义，它直接影响到电厂的经济效益和企业竞争力。
2、电机调节方式的选择
在火力发电厂中常用的传统工艺调节方式有阀门调节、液力耦合调节、双速电动机调节，较先进的调节方式有内反馈串级调速、变频调速、永磁调速等，下面就各种调节方式简述一下其基本原理、特性及优缺点。
1）阀门调节
阀门调节是目前广泛应用的调节手段，通过调节阀门的开度来调节流量和压力，多用于水泵（或离心式风机），具有结构简单、设备投资少等优点。但这种方式属于机械调节，存在较大的节流损耗，尤其是在低出力运行情况下。
2）液力耦合调节
液力耦合调节是一种利用液体的动能来传递能量的叶片式传动机械，通过调节液力耦合器中勺管的工作位置来改变耦合器流道中循环液体的充满程度，实现被驱动端的无级调速。该调节方式调速范围大，工作可靠，能长期无检修工作，寿命长，工作平稳；但其所带设备无法达到电动机的最大转速、调节延时长、存在较大的损耗，而且当液力耦合器故障时，水泵也随之无法投入使用。
3）双速电机方式
双速电动机是通过改变异步电动机的极对数实现变极调速，即通过改变定子绕组的连接方法来改变定子旋转磁场磁极对数，从而改变电动机的转速，达到改变电动机出力的目的。
这种调速方法结构简单，但只有高、低两档调节，不能实现无极平滑调速。一般仅用于需根据季节来调速的循环水泵。
4）内反馈串级调速
内反馈调速是一种将交流电机的部分转子转差功率移出来，以电的形式反馈到交流电机定子调节绕组的一种特殊调速方式。内反馈串级调速系统由内反馈串级调速电机及配套的控制装置构成，通过对附加电势幅值的控制调节，改变转子电势和转差率，从而实现调速。
内反馈调速系统的启动电流是额定电流的2.5～3倍，而电机的启动电流一般只是电机额定电流的4～7倍，这种调速方式是不能实现软启动的，启动时会造成对电网的冲击，而高压变频器则可以完全实现软启动。
5) 变频调速
变频调速是应用电力电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来达到控制交流电动机转速和输出功率的目的，从而达到较好的节能效果。变频器利用大功率电力电子元件进行整流，然后再逆变为所要求频率的交流电。
变频器通过直接调节电动机的输出来控制相关工艺量，具有响应速度快、中间环节少、控制精度高等优点；另外变频器调速具有对设备冲击小的特性，能够有效减轻相关设备的损耗，减少设备维护量，延长设备的使用寿命。
6) 永磁调速
永磁调速是一种新式的、非接触的传动和调速技术。永磁调速的原理遵循“楞次定律”，当电机带动导体盘旋转时与安装在负载端的永磁盘产生切割磁力线运动，进而在导体盘中产生涡流，该涡流在导体盘周围生成反应磁场，从而带动永磁盘旋转，实现能量的空中传递。
由于国内永磁调速仍处于研究及初步应用阶段，技术方案不够成熟，容量偏小，试验及应用暂时都局限于较小容量泵和风机。
随着研究的深入和设备的开发，这也是一种极具有应用价值的调速方式。
3、变频调速系统的保护配置
3.1变频器本体保护
目前，国内外高压变频器厂家对变频器、变压器本身提供的保护配置基本一致。变频回路开关柜综合保护只作为高压电缆的主保护及变频器的后备保护，变频器厂家成套的移相/隔离变压器以及电动机的主保护功能由变频器自带保护实现。
3.2变频供电回路保护
变频供电回路综合保护装置的保护范围为高压开关柜至变频器的高压电缆，同时兼作变频器的后备保护，因此其保护类型应根据变频器结构类型选择。当变频器输入侧设置移相/隔离变压器时，宜配置变压器综合保护；当变频器输入侧为滤波电抗/电容器时，宜配置馈线保护。
3.3工频供电回路保护
工频供电回路综合保护装置的保护范围为高压开关柜至电动机的高压电缆以及电动机本体，故应配置电动机综合保护；其主要保护功能有速断保护、负序保护、零序过流保护、长启动保护、过热保护、堵转保护、低电压保护等。
3.4变频兼工频供电回路的保护配置
根据《火力发电厂变频调速系统设计导则》相关规定，当变频器设有旁路且变频供电和工频供电为同一回路时，电源回路的保护装置宜分别设置。此时，高压开关柜内需要装设两台综合保护装置，分别为电动机综合保护与变压器综合保护。在不同的运行工况下，两套综保由运行人员根据需求选择投入或退出。
3.5变频回路差动保护的实现
根据《火力发电厂厂用电设计技术规定》，2000kW及以上的电动机应装设差动保护，用于保护电动机绕组内及引出线上的相间短路故障。常规电动机差动保护采集的是高压开关柜内CT和电动机中性点CT的电流，当回路中间设置变频器时，两处CT电流的相位、幅值、频率相差会很大，从而导致差动保护误动。因此，差动保护采集电流应改为变频器输出侧CT和电动机中性点CT的电流。
目前电力系统中常规电流互感器的各种交流参数测试均在工频50Hz下进行，因此在非工频情况下的其运行可靠性无法保证。根据电磁式互感器的工作原理，在电压一定的情况下，频率和磁通成反比的关系；因此频率越小，互感器通过的磁通越大，导致互感器更容易饱和。在低频情况下，传统的工频互感器极容易发生饱和，大量的实验测试、EMTP仿真以及来自电厂的实际应用都印证了这个结论。因而，变频回路电流互感器宜采用具有宽频特性的新型互感器，比如罗可夫斯基空心线圈电流互感器，这种CT线圈不含铁芯，不会出现磁饱和问题，频率响应范围宽。
3.6变频器对低电压穿越的保护措施
目前，火电厂均配置大量辅机且常常处于低负荷和变负荷运行状态，通过对辅机加装变频器，可以有效提高节能效益。然而，低压辅机如给煤机、给粉机等，由于负载较重且不具备自动工频切换旁路，在发生电压跌落时，变频器会闭锁停机，从而引发电厂锅炉停炉、机组停机事故，对电网的安全稳定运行产生重大影响。东北电网发生的几起由系统低电压故障造成火电机组跳机的事故，最后查明都是因为给煤机（给粉机）变频器动力电源和控制电源低电压特性不能躲过电网低电压穿越而造成的。
对于安装有变频器的高压辅机，只要变频器具有失压自启动功能，就可以保证连续运行。高压变频器应对低电压穿越的保护措施有：
1）、变频器控制电源采用UPS供电；UPS电源为在线式，供电持续时间不小于5分钟，该装置由变频器厂家成套。
2）、变频器主电源和控制电源允许失电时间0～10 秒可设定；失电后，变频器仍保持失电前的控制方式，来电后变频器自动恢复失电前的运行状态运行，而不需要手动复位或调整。
3）、变频器具有短时断电后转速跟踪再启动功能。当变频器设置了再启动功能后，在低电压穿越区，变频器可以停止输出但不跳闸，此时电机处于自由制动状态，转速逐渐降低；待电源电压恢复正常后，变频器将按照“跟踪电动机转速再启动”方式重新输出电流，这样就可以躲过电源电压的瞬间波动。
4、总结
在电力改革不断深化、政府大力提倡建立节约型社会的政策环境下，应用高新技术节能降耗，降低厂用电率和发电成本，逐步成为发电企业提升竞争力的重要手段之一。在众多节能方法中，高压变频器的运行效果最为明显，为火电厂的可持续发展提供了良好保障。国内高压变频的技术标准和设计规范都已完备，为高压变频器的推广应用奠定了基础。发电厂降低厂用电技改方案中，变频调速日益成为应用推广项目之一。
参考文献
[1] 《火力发电厂厂用电设计技术规定》 DL/T 5153-2014。
[2] 《火力发电厂变频调速系统设计导则》 DL/T 5521-2016。
[3] 《大型汽轮发电机组一类辅机变频高、低压穿越技术规范》国家电网2013。