摘要：超超临界火力发电是世界上成熟先进的发电技术，目前主蒸汽/再热汽温度为600℃的超超临界机组供电效率可达44～45％，在经济发达国家中广泛应用并取得了显著的节能和减少污染的效果，并且正进一步向更高参数方向发展，目前我国新增火力发电机组中60万千瓦及以上超超临界发电机组已占25%以上。本文着重介绍DHVECTOL大功率高压变频器在华中地区首台660MW超超临界机组引风机系统中的变频节能增效情况，结果表明，采用DHVECTOL大功率高压变频器对引风机进行变频调速节能改造，具有投资省、见效快、可靠性高等特点。
1 工程概述
华能国际电力股份有限公司井冈山电厂位于江西省吉安市青原区，距离吉安市中心城区约10公里，距离南昌市约200公里，距井冈山机场约40公里，京九铁路、赣粤高速和105国道从厂区西面穿过，交通便利。
华能井冈山电厂规划设计容量为192万千瓦，分两期建设。一期工程（2×300MW燃煤发电机组）于1998年11月17日开工建设，＃1机组于2000年12月17日投产，＃2机组于2001年8月3日投产； 2009年12月25日7时16分，随着二期工程＃4机组顺利通过168小时试运行，圆满实现了＃3、＃4机组“年内双投”目标，电厂总装机容量达到 192万千瓦，成为江西省目前装机容量最大的发电厂。二期工程2×660MW超超临界燃煤发电机组采用东方电气股份有限公司的三大主机设备，自投运以来，机组运行稳定， 做到了“一是安全运行，二是节能减排”，完全体现和实践了胡锦涛总书记来厂视察的指示精神。为了进一步提高经济效益、节能降耗、减少对设备的长期磨损，华能井冈山电厂决定分别对#3机组和#4机组共计4台锅炉引风机进行了变频技术改造，变频器选用了东方日立（成都）电控设备有限公司生产的 DHVECTOL-HI04750/06大功率高压变频器。
2 引风机系统介绍
2.1 系统各设备技术参数（见表1）
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配套变频器参数
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型号
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DHVECTOL-HI04750/06
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额定电压（V）
|
6000
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额定电流（A）
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0～435
|
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配套电动机参数
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型号
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YKK900-8
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额定电压（V）
|
6000
|
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额定电流（A）
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431
|
|
转速（r/min）
|
747
|
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功率因数
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0.86
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制造厂家
|
上海电机厂
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配套引风机参数
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型号
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YA16648-2F
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功率
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3700
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效率
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95.0
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转速（r/min）
|
747
|
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风门调节方式
|
静叶可调
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制造厂家
|
成都电力机械厂
|
表1：系统参数表
2.2 DHVECTOL-HI04750/06型高压变频器介绍：
2.2.1系统构成
DHVECTOL-HI04750/06高压变频器采用单元串联多电平技术，直接6kV输入，直接6kV输出。由主控制系统、功率单元、移相变压器和旁通系统组成，其系统结构如图2、图3所示。
该系统由24个功率模块组成，每8个功率模块串联构成一相，三相Y连接，直接输出6kV到电机。
2.2.2主控制系统
DHVECTOL-HI04750/06变频器控制系统采用鲁棒型无速度传感器矢量控制，对24个大功率模块进行频率精确智能控制，使变频器提供精确稳定的电压和频率输出，控制系统还对变频器各级系统进行时时监控，实现故障的及时报警和保护。
由于控制系统是采用日立专用智能变频控制芯片，变频器具有极高的可靠性和安全性，同时具有良好的抗干扰性能，高精度控制性能。
2.2.3输入侧变压器
移相变压器将网侧高压变换为副边的多组低压，各副边绕组在绕制时采用延边三角接法，相互之间有一定的相位差。
系统变压器副边绕组分为8级,每级电压460V，相互间移相15°，构成48脉冲整流方式。这种多级移相叠加的整流方式，消除了大部分由独立功率模块引起的谐波电流，可以大大改善网侧的电流波形，使变频器网侧电流近似为正弦波，使其负载下的网侧功率因数达到0.95以上，有效的阻止了向输入侧电网污染。
另外，由于变压器副边绕组的独立性，使每个功率模块的主回路相对独立，其工作电压由各个低压绕组的输出电压来决定，工作在相对的低压状态，类似常规低压变频器，便于采用现有的成熟技术。各模块间的相对电压，由变压器副边绕组的绝缘承担，避免了串联均压问题。
2.2.4 逆变模块
移相变压器的每级副边绕组的输出作为每个功率模块的三相输入。逆变模块是整台变频器实现变压变频输出的基本单元，整台变频器的变压变频功能是通过单个功率模块实现的，每个功率模块都相当于一台交-直-交电压型单相低压变频器。
功率模块整流输入侧用二极管三相全桥不控整流，中间采用电解电容储能和滤波，逆变输出侧为4只IGBT组成的H桥，电路结构如下图所示。
2.2.5输出侧结构
输出侧由每个单元的U、V输出端子相互串接而成星型接法给电机供电，通过对每个单元的PWM波形进行叠加，可得到阶梯正弦PWM波形。这种波形正弦度好，dv/dt小，对电缆和电机的绝缘无损坏，无须输出滤波器，就可以延长输出电缆长度，可直接用于普通电机。同时对电机的谐波损耗大大减少，消除负载机械轴承和叶片的振动。
2.3变频器的旁通柜：
2.3.1 每一套引风机变频器配置一套手动旁路柜，直接控制变频器的输入输出，通过旁路柜的切换操作来实现引风机的工频、变频运行方式的切换。工频、变频侧隔离开关之间采用电气互锁和机械互锁相结合方式，操作方便、安全可靠。
2.3.2机组正常运行时，A、B两侧引风机同时采用变频方式运行。当引风机变频器出现重故障时可手动旁路柜切换成工频方式运行，旁路柜具有明显断点，实现变频器主回路高压完全隔离，为变频器的检修提供了安全保障。
图5中 QS1、QS2为隔离刀闸开关,其中QS2单刀双掷开关。当变频运行状态：合隔离刀闸QS1，QS2置于a点，按变频启动规程启动变频器。
当工频运行状态：QS2置于b点，隔离刀闸QS1分断，按工频启动规程启动电机。
检修变频器时，断QS1，QS2置于b点。
检修电机时，断QS1，QS2置于a点。
该系统由24个功率模块组成，每8个功率模块串联构成一相，三相Y连接，直接输出6kV到电机。
2.2.2主控制系统
DHVECTOL-HI04750/06变频器控制系统采用鲁棒型无速度传感器矢量控制，对24个大功率模块进行频率精确智能控制，使变频器提供精确稳定的电压和频率输出，控制系统还对变频器各级系统进行时时监控，实现故障的及时报警和保护。
由于控制系统是采用日立专用智能变频控制芯片，变频器具有极高的可靠性和安全性，同时具有良好的抗干扰性能，高精度控制性能。
2.2.3输入侧变压器
移相变压器将网侧高压变换为副边的多组低压，各副边绕组在绕制时采用延边三角接法，相互之间有一定的相位差。
系统变压器副边绕组分为8级,每级电压460V，相互间移相15°，构成48脉冲整流方式。这种多级移相叠加的整流方式，消除了大部分由独立功率模块引起的谐波电流，可以大大改善网侧的电流波形，使变频器网侧电流近似为正弦波，使其负载下的网侧功率因数达到0.95以上，有效的阻止了向输入侧电网污染。
另外，由于变压器副边绕组的独立性，使每个功率模块的主回路相对独立，其工作电压由各个低压绕组的输出电压来决定，工作在相对的低压状态，类似常规低压变频器，便于采用现有的成熟技术。各模块间的相对电压，由变压器副边绕组的绝缘承担，避免了串联均压问题。
2.2.4 逆变模块
移相变压器的每级副边绕组的输出作为每个功率模块的三相输入。逆变模块是整台变频器实现变压变频输出的基本单元，整台变频器的变压变频功能是通过单个功率模块实现的，每个功率模块都相当于一台交-直-交电压型单相低压变频器。
功率模块整流输入侧用二极管三相全桥不控整流，中间采用电解电容储能和滤波，逆变输出侧为4只IGBT组成的H桥，电路结构如下图所示。
2.2.5输出侧结构
输出侧由每个单元的U、V输出端子相互串接而成星型接法给电机供电，通过对每个单元的PWM波形进行叠加，可得到阶梯正弦PWM波形。这种波形正弦度好，dv/dt小，对电缆和电机的绝缘无损坏，无须输出滤波器，就可以延长输出电缆长度，可直接用于普通电机。同时对电机的谐波损耗大大减少，消除负载机械轴承和叶片的振动。
2.3变频器的旁通柜：
2.3.1 每一套引风机变频器配置一套手动旁路柜，直接控制变频器的输入输出，通过旁路柜的切换操作来实现引风机的工频、变频运行方式的切换。工频、变频侧隔离开关之间采用电气互锁和机械互锁相结合方式，操作方便、安全可靠。
2.3.2机组正常运行时，A、B两侧引风机同时采用变频方式运行。当引风机变频器出现重故障时可手动旁路柜切换成工频方式运行，旁路柜具有明显断点，实现变频器主回路高压完全隔离，为变频器的检修提供了安全保障。
图5中 QS1、QS2为隔离刀闸开关,其中QS2单刀双掷开关。当变频运行状态：合隔离刀闸QS1，QS2置于a点，按变频启动规程启动变频器。
当工频运行状态：QS2置于b点，隔离刀闸QS1分断，按工频启动规程启动电机。
检修变频器时，断QS1，QS2置于b点。
检修电机时，断QS1，QS2置于a点。
3变频节能改造效果分析：
3.1 变频调速节能理论：
过去，我们对风机、水泵采用挡板 、阀门进行流量控制、造成了大量的能源浪费。现在国际上普遍采用转速调节方式进行节能，虽然有多种方式，但是其中应用得最为大量的为变频调速方式。
采用变频器对风机水泵等机械装置进行调速控制来控制风量、流量的方法是现在应用得非常广泛的且非常有效的节能方法，对于经济发展具有重要的意义。
风机和水泵虽然是两类不同的机械装置，但是就其基本结构和工作原理而言却是基本一致的，分析的方法也基本相同。下面就以风机为例进行说明。
3.1.1风机的参数和特征
3.1.1.1风机的基本参数
风量Q：单位时间流过风机的空气量（m3/s）；
风压H：空气流过时产生的压力。其中风机给予每立方米空气的总能量称为风机的全压Ht（Pa），它是由静压Hg和动压Hd组成，即Ht＝Hg+Hd；
功率P：风机工作有效总功率Pt＝QHt（W）。如风机用有效静压Hg，则Pg＝QHg；
效率η：风机的轴功率因有部分损耗而不能全部传给空气，因此可以用风机效率这一参数衡量风机工作的优劣，按照风机的工作方式及参数的不同，效率分别有：
全压效率ηt＝QHt/P
静压效率ηg＝QHg/P
3.1.1.2风机的特性曲线
表示风机性能的特性曲线有：
H-Q曲线：当转速恒定时，风压与风量间的关系特性
P-Q曲线：当转速恒定时，功率与风量间的关系特性
η-Q曲线：当转速恒定时，风机的效率特性
对于同类型的风机，根据风机参数的比例定律，在不同转速时的H-Q曲线如图6-1
根据风机相似方程：
当风机转速从n变到n’，风量Q、风压H及轴功率P的变化关系：
Q’=Q（n’/ n） (1)
H’=H（n’/ n）2 (2)
P’=P（n’/ n）3 (3)
上面的公式说明，风量与转速成正比。风压与转速的二次方成正比，轴功率与转速的二次方成正比。
3.1.2管网风阻特性曲线
当管网的风阻R保持不变时，风量与通风阻力之间的关系是确定不变的，即风量与通风阻力K按阻力定律变化，即
K=RQ2
式中： K－通风阻力，Pa；
R－风阻，（kg/m2）
Q－风量，（m3/s）
K－Q的抛物线关系称为风阻特性曲线，如图6-1所示。显然，风阻越大曲线越陡。
风阻的K－Q曲线与管网阻力曲线相交的工作点成为工况点M。统同一风机两种不同转速n、n’时的K－Q曲线与R风阻特性曲线相交的工况点分别为M及M’，与R1风阻曲线相交的工况点为M1及M1’。
3.1.3电动机容量计算
风机电动机所需的输出轴功率为：
P=QP/(ηTηF)
式中：ηT－风机的效率
ηF－传动装置的效率。
3.1.4风机的节电方法及节能原理
从以上的介绍可知，风机、水泵负载转矩与转速的二次方成正比，轴功率与转速的三次方成正比，因此我们可以通过调节风机（或水泵）的转速来节电。
3.1.4.1采用挡板控制风量和变频调速控制风量的对比图
下面我们对采用挡板阀门及变频调速方式调节流量的能量消耗进行分析，以便对变频调速方式下的节能原理有一个理论上的了解。
如果设备的配置都满足设备的最佳运行状态，从图上看到：
当流量Q＝1时，采用风机挡板和采用变频器时使用的功率将会一致，这是因为它们的输入功率都为AH0K所包围的面积。
当流量从Q=1下降到Q=0.7时，采用风机挡板进行调节时的输入功率为BI0L所包围的面积，而采用变频调速后，其功率下降为DG0L包围的面积，从图上看，这个面积比BI0L包围的面积小很多。
当流量进一步下降到Q=0.5时，采用风机挡板调节时的输入功率为CJ0P包围的面积，而采用变频调速时的输入功率为EF0P包围的面积，从图上看到，这个面积与CJ0P相比，其值更小。
所以我们可以从直观的图形上看到采用变频调速技术时比采用风门挡板时会节约大量的能量，也就是说：采用变频调速是一种节能的好办法。
3.1.4.2那么，其计算方法怎么得到？
根据风机理论，风机运行时在需要流量变化时，可以采用阀门或者挡板进行调节，其输入功率的计算公式为：
Pnn=P×Hnn×Qnn
其中：Hnn＝U-(U-1) Q2nn U为系统流量为零时压力极值
所以，采用风门挡板时的风机输入功率为：
Pnn=P×Hnn×Qnn＝P×[U-(U-1) Q2nn]×Qnn
式中：Pnn为某个状态下的输入功率标么值；Hnn为某个状态下的压力标么值；Qnn为某个状态下的流量标么值；P为额定状态下的输入功率。
3.1.5采用变频调速时的功率计算：
3.1.5.1异步电机的转数为：
转数n=60f(1-s)/p
3.1.5.2 风机泵类流量、压力、功率与转速n关系为：
流量 Q∝n；
压力 H∝n2
功率 P∝n3
假设：额定流量为Q0，额定功耗为P0；所需流量为Q1，功耗为Pg.in；由上述正比关系得出下式：
P0：n03 =Pg.in：n13
所以采用变频器调速后，变频器的输入功率为
3变频节能改造效果分析：
3.1 变频调速节能理论：
过去，我们对风机、水泵采用挡板 、阀门进行流量控制、造成了大量的能源浪费。现在国际上普遍采用转速调节方式进行节能，虽然有多种方式，但是其中应用得最为大量的为变频调速方式。
采用变频器对风机水泵等机械装置进行调速控制来控制风量、流量的方法是现在应用得非常广泛的且非常有效的节能方法，对于经济发展具有重要的意义。
风机和水泵虽然是两类不同的机械装置，但是就其基本结构和工作原理而言却是基本一致的，分析的方法也基本相同。下面就以风机为例进行说明。
3.1.1风机的参数和特征
3.1.1.1风机的基本参数
风量Q：单位时间流过风机的空气量（m3/s）；
风压H：空气流过时产生的压力。其中风机给予每立方米空气的总能量称为风机的全压Ht（Pa），它是由静压Hg和动压Hd组成，即Ht＝Hg+Hd；
功率P：风机工作有效总功率Pt＝QHt（W）。如风机用有效静压Hg，则Pg＝QHg；
效率η：风机的轴功率因有部分损耗而不能全部传给空气，因此可以用风机效率这一参数衡量风机工作的优劣，按照风机的工作方式及参数的不同，效率分别有：
全压效率ηt＝QHt/P
静压效率ηg＝QHg/P
3.1.1.2风机的特性曲线
表示风机性能的特性曲线有：
H-Q曲线：当转速恒定时，风压与风量间的关系特性
P-Q曲线：当转速恒定时，功率与风量间的关系特性
η-Q曲线：当转速恒定时，风机的效率特性
对于同类型的风机，根据风机参数的比例定律，在不同转速时的H-Q曲线如图6-1
根据风机相似方程：
当风机转速从n变到n’，风量Q、风压H及轴功率P的变化关系：
Q’=Q（n’/ n） (1)
H’=H（n’/ n）2 (2)
P’=P（n’/ n）3 (3)
上面的公式说明，风量与转速成正比。风压与转速的二次方成正比，轴功率与转速的二次方成正比。
3.1.2管网风阻特性曲线
当管网的风阻R保持不变时，风量与通风阻力之间的关系是确定不变的，即风量与通风阻力K按阻力定律变化，即
K=RQ2
式中： K－通风阻力，Pa；
R－风阻，（kg/m2）
Q－风量，（m3/s）
K－Q的抛物线关系称为风阻特性曲线，如图6-1所示。显然，风阻越大曲线越陡。
风阻的K－Q曲线与管网阻力曲线相交的工作点成为工况点M。统同一风机两种不同转速n、n’时的K－Q曲线与R风阻特性曲线相交的工况点分别为M及M’，与R1风阻曲线相交的工况点为M1及M1’。
3.1.3电动机容量计算
风机电动机所需的输出轴功率为：
P=QP/(ηTηF)
式中：ηT－风机的效率
ηF－传动装置的效率。
3.1.4风机的节电方法及节能原理
从以上的介绍可知，风机、水泵负载转矩与转速的二次方成正比，轴功率与转速的三次方成正比，因此我们可以通过调节风机（或水泵）的转速来节电。
3.1.4.1采用挡板控制风量和变频调速控制风量的对比图
下面我们对采用挡板阀门及变频调速方式调节流量的能量消耗进行分析，以便对变频调速方式下的节能原理有一个理论上的了解。
如果设备的配置都满足设备的最佳运行状态，从图上看到：
当流量Q＝1时，采用风机挡板和采用变频器时使用的功率将会一致，这是因为它们的输入功率都为AH0K所包围的面积。
当流量从Q=1下降到Q=0.7时，采用风机挡板进行调节时的输入功率为BI0L所包围的面积，而采用变频调速后，其功率下降为DG0L包围的面积，从图上看，这个面积比BI0L包围的面积小很多。
当流量进一步下降到Q=0.5时，采用风机挡板调节时的输入功率为CJ0P包围的面积，而采用变频调速时的输入功率为EF0P包围的面积，从图上看到，这个面积与CJ0P相比，其值更小。
所以我们可以从直观的图形上看到采用变频调速技术时比采用风门挡板时会节约大量的能量，也就是说：采用变频调速是一种节能的好办法。
3.1.4.2那么，其计算方法怎么得到？
根据风机理论，风机运行时在需要流量变化时，可以采用阀门或者挡板进行调节，其输入功率的计算公式为：
Pnn=P×Hnn×Qnn
其中：Hnn＝U-(U-1) Q2nn U为系统流量为零时压力极值
所以，采用风门挡板时的风机输入功率为：
Pnn=P×Hnn×Qnn＝P×[U-(U-1) Q2nn]×Qnn
式中：Pnn为某个状态下的输入功率标么值；Hnn为某个状态下的压力标么值；Qnn为某个状态下的流量标么值；P为额定状态下的输入功率。
3.1.5采用变频调速时的功率计算：
3.1.5.1异步电机的转数为：
转数n=60f(1-s)/p
3.1.5.2 风机泵类流量、压力、功率与转速n关系为：
流量 Q∝n；
压力 H∝n2
功率 P∝n3
假设：额定流量为Q0，额定功耗为P0；所需流量为Q1，功耗为Pg.in；由上述正比关系得出下式：
P0：n03 =Pg.in：n13
所以采用变频器调速后，变频器的输入功率为
考虑变频器和电机效率后，输入功率为：
式中：
P0－被拖动的电机的轴功率
η1－被拖动的电机效率
η2－变频器效率
3.2 结合现场参数分析：
3.2.1 在不同负荷工况下，引风机系统现场实际运行参数（见表2）
|
#3机组
（A侧）
|
机组负荷MW
|
引风机输入侧电流A
|
引风机输出侧电流A
|
引风机入口压力
|
引风机转速
|
|
660
|
315.8
|
375.5
|
-3.3
|
709
|
|
580
|
225.63
|
314.04
|
-3.01
|
628
|
|
500
|
157.87
|
260.68
|
-2.79
|
557
|
|
450
|
123.44
|
235.51
|
-2.16
|
528
|
|
400
|
125.85
|
234.54
|
-2.50
|
517
|
|
330
|
112.3
|
218.3
|
-2.46
|
515
|
|
#4机组
（A侧）
|
机组负荷MW
|
引风机输入侧电流A
|
引风机输出侧电流A
|
引风机入口压力
|
引风机转速
|
|
660
|
320.1
|
379.21
|
-3.48
|
707
|
|
580
|
292.47
|
359.45
|
-4.21
|
696
|
|
500
|
185.32
|
280.41
|
-3.37
|
600
|
|
450
|
145.6
|
269.9
|
-3.24
|
597
|
|
400
|
101.02
|
210.2
|
-2.19
|
481
|
|
330
|
109
|
216.5
|
-2.50
|
512.4
|
表2：现场参数表
根据最近负荷率 60-80%，结合上表初步估算到每台引风机每小时平均可节约电流130A左右，两台引风机每小时平均可节约电流260A左右。
大概折合电量为: P=√3 UICOS∮=√3×6×130×0.9 = 1215.864kW/h
该公司平均上网电价约0.4元/ kW/h，每小时节电约合人民币486.3456元。按全年火电设备利用小时数5000小时计算约243.1728万元/台，两台引风机节电价值约486.3456万元。
4 结束语
近年来，国内超超临界发电机组装机容量快速增长，代表着国内火力发电技术的发展方向，目前大功率高压变频器在660MW以上超超临界发电机组引风机上的节能改造应用国内尚无成功先例，东方日立（成都）电控设备有限公司大功率高压变频器在华能井冈山电厂的应用案例，预示大功率高压变频器在大型火力发电机组的应用前景越来越广。