摘 要 ：本文介绍了新一代高压变频器的原理和技术特点，以及在国电双鸭山电厂灰浆泵变频改造的技术方案、应用情况和节能情况。
1 引言
采用新型高压大功率电力电子器件、直接“高-高”方式的高压变频器，具有体积小、效率高、结构简单、运行可靠等特点。变频器装置采用不可控24脉冲移相整流和全控器件进行开关调制，具有很高的输入侧功率因数、优良的调速性能和转矩控制性能。高压变频器通过改变电动机运行频率，在很宽的转速范围内进行高效率的转速调节，可以取得很好的节电效果，在风机和水泵的节能改造上已经得到广泛验证。
国电双鸭山发电厂3、4号机为210MW火电机组，和 3、4号机组配备有6台6kV/570kW灰浆泵电机，电机型号JS512-8，额定电流69A，额定转速730r/min。其中，6#灰浆泵是二级泵，和5#灰浆泵配合使用。在安装变频器之前，6#灰浆泵是根据前池液面的高度决定启、停电机。这样就存在两方面问题:一方面为了适应生产工艺要求，需要每天根据前池液位和冲灰管的需要不断切换、启停电机，前池液位高度得不到很好控制，而且频繁工频启动电机对电机造成很大冲击; 另一方面存在节流损失，造成电能的浪费。为了进一步优化灰浆泵运行工况，节省电能，所以对6#灰浆泵电机进行高压变频改造。
6#灰浆泵电机在高压变频器改造之后，通过调整6#灰浆泵变频器的运行频率（电机转速）来调整前池液面的高度，这样5#灰浆泵可以一直在最佳效率下工频运行，从而减少了操作6#灰浆泵开关的分合次数，减小了电机工频启动造成的冲击，进一步优化了生产工艺，并且节省了电能。
2 灰浆泵运行工艺和变频改造技术方案
2.1 6#灰浆泵运行情况及变频改造技术方案
（1）在灰浆泵运行现场，变频器到电机之间的高压电缆经常发生单相对地放电或单相直接接地的情况。在这种情况下，要保证不能损坏变频器，并且变频器要能发出报警停机信号以便现场人员及时处理。因此，要求变频器输出能承受单相接地的能力，相应变频器的输出滤波器电容中性点不能直接接地，而是需要通过电容接地。
（2） 由于6#灰浆泵属于二级泵，所以在启动6#灰浆泵变频器运行之前，5#一级灰浆泵通常已经在运行，将会推动6#灰浆泵电机运转，变频器相当于飞车启动。所以变频器启动时需实时检测电机运行频率，根据该运行频率带动电机启动。
（3） 6#灰浆泵变频运行要求能对前池液位高度闭环控制，自动调节电机的转速。
（4） 由于灰浆泵运行时，在前池液位很低的时候有可能造成负荷过大甚至堵转的情况，因此要求变频器有过载能力以及过流保护措施。
综合上述因素，从目前国内、外主要的两种高压变频器拓扑结构中，选择基于IGCT的三电平中性点箝位的拓扑结构。三电平拓扑结构具有以下优点:开关功率器件数少、IGCT开关电流大、过流能力强、结构简单、可靠性高、适合负载冲击较大的应用场合。
在控制方面，灰浆泵前池液位设置压力式水位传感器，将测量得到水位高度信号，变换为4～20mA标准信号，由电流环接口送给变频器; 变频器计算出当前水位与控制水位之间的偏差，通过变频器内置的数字PID调节器改变变频器的输出频率，调节电动机的转速，进而控制灰浆泵前池液位的高度。
2.2 三电平中点箝位电路原理结构图
基于IGCT的三电平中性点箝位的高压变频器结构简单，主体由整流器、逆变器和滤波器组成。如图1所示，整流器采用24脉冲不控整流，由移相15°的24脉波移相整流变压器和四重三相整流桥构成，这样可以满足对输入端的电流谐波要求。直流环节由共模电抗、IGCT保护及充电限流电阻和直流电容（C1、C2）构成。
图1 三电平中点箝位高压变频器电路原理结构图
三电平逆变器由di/dt吸收电路（由阳极电抗及嵌位电路组成）和12个IGCT组件构成的三电平逆变桥组成。
三电平结构的变频器需要拖动6kV电机，所以变频器直流母线电压需要10kV。实际运行时，两个处于关断状态的功率组件需要承受10kV的电压，这样每个组件要承受5kV。在主开关功率器件IGCT工作耐压只有4.5kV的条件下，需要采用两只串联的方式组成一个功率组件。
变频器内置输出滤波器由三相滤波电抗（La、Lb、Lc）和三相滤波电容（Ca、Cb、Cc、Cn）构成。滤波器使变频器输出到电机的电压和电流波形更加接近正弦波，而不需要电动机降容使用。
高压变频器内部采用无熔断器结构，电路的主保护主要由保护IGCT来实现，其动作时间在μs级。
2.3 新一代高压变频器控制系统的改进
我公司第一代变频器采用工控机进行信号处理，控制的实时性得不到保证。由于变频器要采用优化的PWM控制算法控制电机，需要主控系统控制器具有更高的运行速度和处理能力、更大的存储器和外部信号处理端口、具备浮点运算的能力。因此，新一代的变频器控制器选用浮点数字信号处理器DSP和大规模集成电路的 FPGA相结合的方案，DSP主要负责采集的信息和运算处理，FPGA根据处理结果转化为相应的控制脉冲，控制实时性大大提高。图2是新一代高压变频器主控板的硬件框图，它与第一代控制器相比，更能适应高性能的矢量控制算法的要求。
图2 新一代高压变频器主控系统硬件框图
3 II期6#灰浆泵高压变频器现场调试运行和节能分析
3.1 变频器系统的控制调试
灰浆泵的流量是根据机组的负荷大小和冲灰工艺需求控制的，水流量的变化较大，有时呈阶梯状特性，水位波动比较大。水位压力式传感器需要选择合适的测量点，否则会因为水池内水流因素和水面波动引起测量的不稳定性。经过现场测试，选择了水流变化不大的靠池壁位置。经过调试，建立了一个合适的模型和PID控制参数，通过闭环跟踪水位变化，稳定控制前池液面的高度，优化了生产工艺。
另外，变频器还可以选择运行在开环状态，通过电厂DCS信号控制变频器的输出频率。
3.2 变频器节能分析
II期6#灰浆泵进行变频改造的一个重要原因是节约电能。电机变频运行节能的原理在许多资料均有论述，这里不做讨论。表1～2是通过II期6#灰浆泵的工频旁路运行和变频运行的实际数据来说明变频的节能效果。
根据以上数据，采用变频运行后，24h可节约电量9380-6360=3020kWh。采用变频器后节能32%。由以上实际运行数据可以看出:电机变频运行不仅满足了工艺要求，同时能节约大量电能。经过几个月的连续运行，II期6#灰浆泵的变频改造后，节能效果显著。灰浆泵属于火电机组的公用设备，年运行时间长，可以为电厂节约15～30%左右的能源。
4 结束语
双鸭山电厂II期灰浆泵经过变频改造后，优化了灰浆泵的运行状况和生产工艺，更好地稳定了前池液位的高度，实现了闭环自动控制，同时节约了大量电能，节能效果明显。高压变频器的控制系统和控制技术发展很快，对电机更好性能的控制需要性能更高的主控系统平台。虽然新一代控制系统的高压变频器首先运用到风机、水泵的变频驱动上，但它比以前更可靠、更能提高高压变频器的控制性能。