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1、ABBACS5000中压变频器在重庆珞璜电厂的应用分析ABBACS5000中压变频器在重庆珞璜电厂的应用分析lihan导语：着重介绍了ACS5000中压变频器的拓扑构造、技术特点和控制方式。最后通过电厂的实测数据证实了ACS5000中压变频系统具有很高的系统动、静态性能，净节电率超过40%摘要：针对国内的电力迅猛开展，为进一步节能减排，提出了在电厂应用中压变频。本文介绍了冷凝泵在电厂的运行工况，分析了水泵的变频节能原理。对珞璜电厂的变频改造提出了系统方案，包括系统的动力方案和系统的控制方案。着重介绍了ACS5000的拓扑构造、技术特点和控制方式。最后通过电厂的实测数据证实了ACS5000中压变
2、频系统具有很高的系统动、静态性能，净节电率超过40%。关键字：中压变频器；ACS5000；直接转矩控制；IGCT；电厂；冷凝泵ApplicationAnalysisofABBACS5000MVDrivesinLuohuangPowerPlantGuanEryong1,PengJingtao2,JinShi1,WuShaobin21.ABBBeijingdrivesystemsCo.,Ltd.1000152.ChongqingLuohuangPowerPlantofHuanenggroup402283Abstract：Forthedomesticdevelopmentofelectricalpo
3、wer,MVmediumvoltagedrivesareproposedinpowerplanttodeeplysaveenergy.ThispaperintroducestheoperationconditionofcondensationpumpandsavingprinciplewithMVdrives.Asystemschemeincludingsystempowerschemeandsystemcontrolscheme,isputforwardtoretrofittheLuohuangpowerplant.Thispaperpresentsindetailthetopologyco
4、nfiguration,technicalfeatureandcontrolschemeofACS5000MVdrives.Accordingtothedatainrealrunningderivedfrompowerplant,ACS5000MVdrivesisverifiedtobewithexcellentstaticanddynamicperformance,andalsosaveenergymuchmorethan40%.Keyword：MVdrives；ACS5000；DTC；IGCT；Powerplant；Condensationpump1.引言Introduction随着国民经
5、济的蓬勃开展，对于电力的需求日益增加，全国电力工业一直保持着快速增长的势头。截至2006年底，我国电力工业全国发电装机容量到达6.22亿千瓦，同比增长20.3%。火电到达4.84亿千瓦，约占总容量77.82%，同比增长23.7%；而这一数字到2007年底已经到达了7.13亿千瓦，预计到今年年底，全国电力装机容量将打破8亿千瓦，而其中火电机组将占到78%1。随着大批工程的相继建成投产，电力供需形势进一步缓和，发电设备利用小时数大幅回落。从2006年开场，全国加快电源构造调整，优化节能环保经济调度，加大科学、精细和对标治理施行力度，电力行业节能降耗获得持续进展。2006年全国供电煤耗为366克/千
6、瓦时，比2005年降低4克/千瓦时；电网输电线路损失率比去年减少0.1个百分点，降为7.08%。由于电力消费的特殊性，决定了电力消费系统中的各种设备需要根据最大消费才能来进展配置，而不能根据平均的电力需求配置系统2。在电力消费中，电力消费的最大消费才能是是根据主机锅炉、汽轮机和发电机的出力决定的，辅机各种风机、水泵及其驱动、电气控制调节系统等是根据主机的情况配置的。在设计经过中均考虑一定的裕量，因此造成在实际运行中，多少风机和水泵均需要调节。传统的流量调节方式是节流，但是存在反响慢、调节精度低、能耗大等问题，而中压变频因其调节性能优良、节能效果好等因素，正逐渐应用到电厂中风机、水泵等流量调节中
7、3-4。通过近几年的中压变频应用情况的统计分析可以看出，发电厂中冷凝泵辅机具有很大的变频节能空间和应用前景。2.运行工况Operationcondition凝聚水系统采用中压凝聚水精处理系统，每台发电机设2100容量立式凝聚水泵，其中一台运行，一台备用。为节能降耗，降低厂用电率，2020年8月对凝泵进展了中压变频器控制改造，选用ABB的变频器。通过采集和反复的方案论证，为了追求最大的节能效果，同时方便运行操纵和检修维护，凝泵改变频采用一拖二的控制方式，即一台发电机的两台凝泵共用一台变频器，通过6个旁路刀闸来切换。中压变频器与6KV开关连接，为了充分保证系统的可靠性，变频器加装工频旁路刀闸。当凝
8、泵电机变频运行时，凝泵进口调门开度全开，其水量通过改变凝泵电机转速来调节；当变频器故障时，发出跳变频器支路开关的指令，同时自动切换到备用凝泵的工频运行，恢复凝泵进口调门的调节功能，同时变频器转入检修；当变频器故障处理好后，可以启变频器带一台凝泵电机，这时另一台凝泵工频运行，等变频器到达一定转速后，再停工频运行的凝泵。机组正常运行要保持一台凝泵运行，同时考虑变频器故障时凝泵之间的切换，改造后既要保存原来的切换逻辑，还要考虑变频切工频及工频切变频等各种运行方式，相应增加了凝泵控制系统的控制逻辑。原来凝聚器控制是通过调门来维持水位，改变频后要由变频器来控制水位，在低转速时还得靠调门来协助变频器维持水
9、压，以确保低旁减温等重要用处的需要。3.水泵变频节能原理Energysavingprinciple3.1.扬程特性扬程是单位重量的水通过水泵所获得的能量。在工程应用中，经常表达为液体上扬的高度3。以管路中的阀门开度不变为前提，说明在某一转速下，水泵的扬程与流量之间的关系特性为，称之为扬程特性。如图1中的曲线1、2所示。扬程反映了水泵出水流量的大小对供水扬程的影响，即水泵的出水流量越大，那么管道中的摩擦损耗以及增大流速所需要的扬程也越大。故供水扬程将越小。扬程特性与转速有关，即水泵的转速下降，其供水才能也下降，扬程特性曲线也将下移，如图1中的曲线2所示。3.2.管阻特性管阻是阀门和管道系统对水流
10、的阻力，其与管路的直径和长度、管路各局部的阻力系数，以及液体的流速等因数有关3。以水泵的转速不变为前提，说明阀门在某一开度下，供水扬程与流量之间的关系的曲线，称之为管阻特性，如图1中的曲线3、4所示。管阻特性实际上是管道系统的负载特性，他说明为了在管路内得到一定量的流量，水泵必须提供的扬程。假如供水扬程小于静扬程，将不能供水。当阀门关小时，管阻系数将增加，管阻也将增大，在扬程一样的情况下，流量将减小，管阻特性曲线将上扬，如图1中的曲线4所示。图1扬程特性和管阻特性Fig.1Headandductingresistancecharacteristics扬程特性和管阻特性的交点，称之为供水系统的工
11、作点，如图1中的A、B、C、D点，在这一点上，供水系统既符合了扬程特性，又符合了管阻特性，因此供水系统处于平衡状态，系统可以稳定运行。假如水泵上采用中压变频后，根据工艺的要求，通过改变水泵的转速来改变扬程特性，而管道阀门保持全开放状态，管阻特性如曲线3所示保持不变，这样就可以使供水系统到达新的平衡，就可以到达节能的目的3。4.系统方案Systemscheme利用电厂现有的设备冷凝泵电机和凝聚水泵，见表1和2，对系统进展改造，没有单独修建机房，同时也没有装备空调系统，完全采用ABB变频器本身的散热系统。电气控制方式采用DCS集中控制；采用一拖二控制的旁路，设置两个旁路刀闸柜。控制电源采用沟通22
12、0VAC，两路供电，自动切换。表1凝泵电机参数Tab.1motorparameterofcondensationpump表2凝聚水泵参数Tab.2Condensationpumpparameter4.1.系统动力方案系统采用一拖二工频/变频手动旁路的方案，系统主电路原理图见图2。该方案是由六个高压隔分开关QS1QS6组成见下列图。其中QS1和QS4,QS2和QS5电气互锁；QS2和QS3,QS5和QS6机械互锁。假如两路电源同时供电，M1工作在变频状态，M2工作在工频状态时，QS4和QS5、QS3分闸，QS1、QS2和QS6处于合闸状态；M2工作在变频状态，M1工作在工频状态时，QS1和QS2
13、、QS6分闸，QS4、QS5和QS3处于合闸状态；假如检修变频器，QS3和QS6可以处于任一状态，其它隔分开关都分闸，两台负载可以同时工频运行；当一路电源检修时，可以通过分合隔分开关使任一电机变频运行。图2系统主电路原理图Fig.2Systemmaincircuitschematicdiagram4.2.系统控制方案变频系统受DCS系统控制，主要接口信号如下：1.变频器与旁路柜需要提供的开关量输出30路a变频器待机状态指示：表示变频器高压上电自检正常，具备启动条件。b变频器运行状态指示：表示变频器正在运行。c变频器控制状态指示：节点闭合表示变频器控制权为现场远程控制；节点断开表示变频器控制权为
14、本地变频器控制。d变频器轻故障指示：表示变频器产生报警信号。e变频器重故障指示：表示变频器发生重故障，立即关断输出切断高压。f1#电动机高压合闸允许指示：变频器自检通过或者系统处于工频状态正常，具备上高压条件，闭点有效，允许1#高压开关操纵。g2#电动机高压合闸允许指示：变频器自检通过或者系统处于工频状态正常，具备上高压条件，闭点有效，允许2#高压开关操纵。h旁路柜隔分开关合闸指示：表示该操纵隔分开关已处于合闸状态。每台隔分开关二路共8路节点。i旁路柜隔分开关分闸指示：表示该操纵隔分开关已处于分闸状态。每台隔分开关二路共8路节点。j1#电动机在旁路状态：表示QS2工频状态合闸，电动机处于工频旁
15、路状态。k2#电动机在旁路状态：表示QS4工频状态合闸，电动机处于工频旁路状态。以上所有数字量采用无源接点输出，定义为接点闭合时有效。除十分注明外，接点容量均为AC220V、3A/DC48V，3A。2.变频器应提供模拟量输出2路：a变频器输出转速百分比01500rpmb变频器电机电流0600A变频器提供2路420mADC的电流源输出变频器供电，带负载才能均为250。3.需要提供应变频器的模拟量1路：a变频器转速给定值现场提供1路420mADC二线制电流源输出DCS供电，带载才能为250，420mADC对应转速低高限，呈线性关系。4.需要提供应变频器的开关量有3路：a启动指令：干接点，最小1S最
16、大3S脉冲闭合时有效，变频器开场运行。1路b停机指令：干接点，脉冲闭合时有效，变频器正常停机。1路c急停指令：干接点，脉冲闭合时有效，变频器立即停机关断输出。1路5.变频器与其他电气设备接口变频器给高压开关柜的有4路：a高压紧急分断：变频器出现重故障时，自动分断高压开关，闭点有效。2路b高压合闸允许：变频器自检通过或者系统处于工频状态，具备上高压条件，闭点有效。2路以上所有数字量采用无源接点输出，定义为接点闭合时有效。除十分注明外，接点容量均为DC110V，2.4A。高压开关柜给变频器的状态信号2路：1#、2#高压开关分闸信号：高压开关处于分断时，辅助节点闭合；2个。5.ACS5000中压变频
17、器MVdrives目前，主要的中压变频器拓扑构造有三种：1串联H桥多电平构造5-6；2中性点箝位NPC多电平构造6-8；3电容箝位构造6-8。5.1.拓扑构造ACS5000变频器的拓扑构造为电压型9电平无熔断器VSI-MF设计逆变器。基于新一代功率半导体器件IGCT技术和电压源型九电平无熔断器设计使得ACS5000变频用具有与生俱来的高可靠性。基于直接转矩控制DTC技术的ACS5000变频器根据工艺的需求可提供准确的速度和转矩控制。其主电路拓扑构造见图3所示。图3变频器主电路拓扑构造Fig.3Convertertopologyconfiguration从图中可以看出ACS5000是由三个一样的
18、功率单元构成。功率单元是一种实现电力频率变换功能的电力半导体模块，是中压变频器不可或者缺的重要组成局部。如下列图4所示，该功率单元主要由三局部构成，分别是12脉冲供电局部1、直流环节局部2和单相H桥式逆变器局部3。其主要工作原理：功率单元外部提供的两个独立的三相沟通电通过12脉冲供电局部后，变成具有12脉冲的脉动直流电。这种脉动的直流电经过直流环节局部的滤波和支撑后，形成稳定的直流电源进而馈电给单相H桥式逆变器局部。逆变器局部通过采用先进的空间矢量脉冲调制SVPWM形式，控制电力半导体器件的导通时序，产生了幅值和频率均可调的高质量的单相沟通电。图4功率单元电路图Fig.4Powercellci
19、rcuitdiagram在该功率单元中，12脉冲供电局部是由两个6脉冲二极管供电单元串联而成，利用功率单元的前级变压器提供的两个沟通电源的角度差，进而消除了电流中的低次谐波，降低了功率单元对电网的谐波干扰。这对改善用电设备对电网的谐波干扰具有重要作用。5.2.技术特点ACS5000的技术主要具有如下特点：部件数目最少，可靠性最高多电平无熔断器拓扑构造，结合IGCT和DTC技术使得系统效率最高。功率密度最高，占地面积最小36-脉冲配置，最优化的电网友好性效率高，安装、调试及维护简单使得拥有的本钱最低DTC，无与伦比的控制性能适用于标准电机IGCT功率半导体器件IGCT7-8是在GTO的根底上开展
20、起来的新型复合型器件，兼有IGBT和GTO两者的优点，又克制了两者的缺乏，是一种较为理想的兆瓦级中压开关器件。具有低开关损耗、低通态损耗、无需缓冲电路、集成续流二极管、高可靠性等诸多优点。与IGBT相比，IGCT的通态压降更小，额定承受压降更高，通过电流更大；与GTO相比，IGCT的体积更小，便于和反并联二极管集成在一起，这样就大大的简化了电压源型逆变器的构造，进步了装置的可靠性。ABB公司推出的IGCT为单片器件，不再使用焊接或键合导线，而是采用了独立的弹簧压力封装技术。这一技术使得器件对压力不对称的敏感程度大为降低。因此对器件安装所需的机械技术指标有更高的容差，同时允许更高的安装紧固压力。
21、所有这些技术都大大进步了器件在高压大功率场合的可靠性。无熔断器设计ACS5000是一种无需熔断器保护的中压沟通变频器。其采用逆变器的IGCT进展保护。与熔断器相比，IGCT为功率部件提供了更加快速、可靠的保护。其关断时间为25微秒，比传统的快速熔断器快100倍。可以有效的故障控制在设备本体内，不会对上级电网或者更高一级电网造成影响。网侧友好性ACS5000的输入侧采用36脉冲二极管整流，对电网具有友好性。对电网侧的谐波完全知足IEEE-519和GB/T14549谐波标准。其网侧电压和电流波形如下列图5所示。图5电网侧电压电流波形Fig.5Networkvoltageandcurrentwave
22、form隔离变压器由隔离变压器的几个副边绕组向变频器供电。为了36脉冲方式的相位移，要求使用多绕组变压器。变压器的另一个目的是提供足够的阻抗将网侧谐波限制在IEEE519-1992和GB/T14549-93所要求的限值范围内。对于36脉冲方式，隔离变压器有六个副边绕组，采用沿边三角形或者曲折接法，知足36脉冲输入整流桥的要求。根据使用场所的详细要求，可采用单独安装的变压器，或者对于小功率的可采用集成变压器。输入整流桥输入整流桥向直流母排提供直流电压和电流，包括三套独立的串联12脉波整流桥。平安接地开关为了确保运行维护人员对变频器进展维护时的人身平安。所有带高压电的柜门都与平安接地开关联锁，确保
23、在进展维护之前供电电源已经切断，而且所储存的电能例如直流回路电容组的电能已经释放掉。平安接地开关闭合时，将直流母排上的正端、中性点和负端的母线接地。长寿命直流电容器在直流回路中，使用了先进的、自愈式且环保的金属箔电容器，这种电容器是按照长寿命设计的。与不可靠且维护量大的电解式直流电容器设计相比，ABB利用该技术使其明显与众不同。直流回路电容对整流桥的输出进展滤波，使其成为低阻抗的电压源供逆变器工作。di/dt电抗器变频器中有两个电抗器，用来限制输入到逆变器电路中相应的上、下两局部电流的上升率，以防止IGCT承受过高的di/dt。当直接接在直流回路上的一个IGCT导通时，从直流回路上汲取的电流迅
24、速增加，在很短的时间内几微妙，电抗器产生一个反电势阻止电流的增大，进而有效地限制了di/dt。与每个电抗器相关的二极管、电阻和电容器组将电抗器在上述经过中储存的能量释放掉，并且，当逆变器中IGCT在关断时，防止过高的电压加到IGCT上。EMC滤波器逆变器的输出直接接到一组EMC滤波器上，该滤波器对逆变器的输出进展滤波并消除高频电压成分。这样大大地减少了加到电动机的电压的谐波含量，允许使用标准的电动机。所有dv/dt的影响也大大地削弱，因此电动机出线端的电压振荡问题也消除了。电机电压电流波形如图6所示。图6电机电压电流波形Fig.6Motorvoltageandcurrentwaveform电子
25、控制装置ACS5000为全数字智能型变频器，其控制核心主要由两块电子线路板来完成：AMC-33电机与应用控制板和INT系统接口板。AMC-33负责逻辑运算、DTC电机模型计算以及与DTC算法相关的控制环的处理。INT负责产生IGCT门极触发信号和处理传动系统控制和保护的电压和电流信号。AMC-33主控板和INT接口板均采用DSP数字信号处理器主频150MHz和ASIC特殊应用集成电路，以知足高速和可靠的控制技术的工艺要求。系统采用光纤通讯以确保高程度的噪声抑制。柜门机电联锁功率单元的柜门与接地开关以及主电路断路器机电联锁，进而保证只有在断开主电源，直流电容放电完毕并且接地开关接地后，功率单元的
26、柜门才能翻开。同样，只有在关好柜门并且接地开关处于断开状态，才能闭合主回路断路器给变频器上电。5.3.控制方式ACS5000采用直接转矩控制技术7-8。直接转矩控制DTCDirectTorqueControl系统，又称直接自控制系统DSR德文DirekteSelbstregelung。在转速环内，利用转矩反应直接控制电机的电磁转矩，因此得名。直接转矩控制DTC是沟通传动的一种独特的电机控制方式。逆变器的开关状态由电机的核心变量磁通和转矩直接控制。测量的电机电流和直流电压作为自适应电机模型的输入，该模型每25微秒产生一组准确的转矩和磁通的实际值。电机转矩比拟器将转矩实际值与转矩给定调节器的给定值
27、作比拟，磁通比拟器将磁通实际值与磁通给定调节器的给定值作比拟。依靠来自这两个比拟器的输出，优化脉冲选择器决定逆变器的最正确开关状态。DTC的控制周期为25s，其响应速度是目前最好的沟通传动的10倍，直流传动的100倍；而且具有高动态精度和静态精度，快速的转矩响应。零速满转距的高启动转距特性，适用于传送带设备和挤压机应用，高过载才能，适用于窑应用。6.改造效果及性能评价Resultandevaluation华能珞璜电厂5机凝泵变频器改造，于2020年8月11日开工，9月3日调试完成。9月10日开机，运行观察几天后，电厂发电部反映节能效果明显。现结合改造前和改造后凝泵电机的电流，来扼要计算5机凝泵
28、的节能效果。align=center表3变频改造前后的技术数据Tab.3Electricaldatabeforeandafterretrofit/align从表中可以看出，在发电机的负载不高于500MW情况下，凝泵变频器节电率高于都高于40%，既便发电机满发，节电率也高达34。5机变频器安装在三期汽机房内，没有专门修建房间，也没有配空调制冷，所以节电率是净的节电率。华能珞璜电厂一期机组1机、2机和二期机组3机、4机都是成套引进法国ALSTOM的360MW机组，三期机组5机、6机是国产600MW机组。在5机凝泵变频器改造之前，电厂已经在一、二期机组的凝泵和引风机上进展了变频控制改造，都为变频器修
29、建了专门的房间，装备了制冷空调。一个变频器房间的设计修建费用需1015万元人民币，空调按凝泵电机容量的3考虑，那么5机2200KW的电机，需装备30匹的空调，按市场价买三台10匹的空调，约需6万元人民币。假设机组年平均运行小时按5000小时计算，其中三分之二时间使用空调，那么30匹的空调空调耗电约20万度，折合人民币7万元。再假设每年运行5000小时都是带500MW的负载，那么每年使用变频器的直接节电为426万千瓦时，折合人民币约150万元，这样只需一年半就能收回整个变频器改造工程的投资。这样，5机凝泵变频器不修房间，不配空调，基建费用可省20万元人民币左右。每年节约空调运行耗电费用7万元，而
30、变频器直接节电节约的费用高达150万元人民币。7.结论Conclusion发电厂中的辅机是很重要的发电设备。通过对华能珞璜电厂中的冷凝泵采用ABBACS5000中压变频应用情况的统计分析可以看出，发电厂中冷凝泵辅机具有很大的变频节能空间和应用前景，尤其是国产机组，国内设计院考虑的容量较保守，裕量较大，所以国产机组的辅机变频改造的节能空间很大。本案例对电厂的冷凝泵进展的变频改造，根据现场的实际运行测量结果说明：动静态性能大幅度提升，节能效果明显，节电率超过40%。参考文献Reference 1.倚鹏JiPeng.高压大功率变频器技术原理与应用Principleandapplicationofhi
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33、ong.级联多电平逆变器关键问题的研究Keytechnologyofcascadedmultilevelinverter.硕士学位论文:华东交通大学EastChinaJiaotongUniversity,2006. 7.美BimalK.Bose著,王聪,赵金,于庆广译WangCong,ZhaoJin,YuQingguang.当代电力电子学与沟通传动ModernpowerelectronicsandACdrives.北京:机械工业出版社Chinamachinepress,2005. 8.加拿大BinWu著,卫三民,苏位峰,宇文博译WeiSanmin,SuWeifeng,YuWenbo.大功率变频器及沟通传动HighpowerconvertersandACdrives.北京:机械工业出版社Chinamachinepress,2007.