摘要
电力是当今社会最重要的能源，我过目前的装机容量和发电容量均是世界第一的；我国已有火电、水电、核电等在内的多种发电方式。但是清洁能源在我国电力结构当中占比不是很高，火力发电仍然是我国最重要的发电方式，火力发电大约占总发电量的70%左右；一段时期内，火力发电在我国电力生产中仍占主导地位。火力发电厂自身也是用电大户，因此发电厂用电率的高低是影响供电煤耗和发电成本的主要因素之一。而直接影响发电厂用电率的，是风机、泵类等大容量辅机的运行特性，因此本文就电厂的各种电气产品为研究目标，力求得出最节能的解决方案，降低发电厂自身的能耗比。
1、前言
厂用电率是电厂主要技术经济指标之一，我国电力行业一般认为是发电厂电力生产过程中所必需的自用电量占发电量的百分比。目前我国火电厂机组容量约50%在300MW以下，这些中小机组的厂用电率长期维持在8%左右，直接造成资源浪费。但是经过多年的发展，以及新型电气设备的使用，可以大大降低厂用电率，下文将结合具体的设备分析。
2、厂用电分析
火电厂的厂用电率有三种分类：综合厂用电率，发电厂用电率和辅助厂用电率。其中，综合厂用电率是后两者之和。发电厂用电率是火电厂在发电过程中的自用电量占发电量的百分比，是厂用电消耗水平的具体反应。主要由锅炉的吸风机、送风机、制粉系统、一次风机，汽轮机的电动给水泵、凝结水泵、循环水泵以及除灰系统、输煤系统、水源系统、脱硫系统等用电量组成，约占综合厂用电量的90%左右。辅助厂用电率是指火电厂生产过程中配电设备的损耗及生产办公、设备检修所消耗的电量占发电量的百分比。这部分电量消耗相对稳定，约占综合厂用电量的10%左右。发电厂用电率含量较大，是火力发电厂的主要经济运行指标，它表征着机组是否运行在最佳工况。我国常说的厂用电率是指发电厂用电率。
厂用电的构成中，围绕发电机组的正常运行，有一整套的电气系统，这整套的系统很复杂，所用电机也多，因此厂用电也主要消耗于此，主要包括高压电机和低压电机两部分。其中的风机、水泵等大型主要辅助设备所用的高压大功率电机的用电量约占厂用电率的65%，是火电厂的主要耗能设备。所以，要降低厂用电率，主要应从这些设备的节能降耗入手。
图1.厂用电气系统常见高低压辅机
3、调速原因
由电力拖动原理可知，风机和水泵类负载属平方转矩负载:即电动机轴上的转矩与其转速的平方成正比[即]。按照流体机械的相似规律，当风机的静压等于零或水泵的静扬程等于零时，风机与水泵的流量与转速成正比，其出口压强与转速的平方成正比，而电动机轴功率则与转速的立方成正比:
如果流量下降到额定流量的80%，电动机轴功率将下降到额定值的51.2%;如果流量下降到额定流量的60%，则轴功率将下降到额定值的21.6%。即使考虑到调速装置本身的损耗等因素，其节电效果也是十分可观的。可见风机、水泵采用调速驱动是一种非常有效的节能方式，因为大多数风机和水泵都需要根据发电机组负荷的变化调节流量，对于调峰机组则尤其如此。为这类机组配套的各类风机、水泵均应采用调速驱动，以获得最佳节能效果。经试验证明，对于风机和水泵类负载，采用转速调节可以节电20%~50%。因此可以看出采用高压变频器能够达到非常良好的节能效果。
4、高压变频器
由于以前高压变频器的功率有限，而且价格昂贵，大多以国外品牌为主，售后没有保障，但是高压调速使用的地方恰好又是关键的工艺点，所有在很多大功率场合都采用液力耦合器调速这种机械调速方式，给高压变频器的普及以及节能改造带来了困难；但是目前国内已经有多家企业能自主研发生产高压变频器了。
高压变频器在技术上主要采用：一、低耐压器件的多重化技术；二、高耐压器件的多电平技术。一般以第一种使用较多，采用级联扩容方式的高压变频器又叫完美无谐波变频器。单元串联多电平技术就是采用多组低电压小功率IGBT，PWM变频单元串联输出为高压变频器，实现大功率集成。其特点是由低压的功率器件所组成的功率单元相串联，从而实现高压的输出。它的结构简图如下：
图2功率单元级联线高压变频器结构简图
级联型高压变频器的原理是采用移相变压器，该变频器对电网谐波污染小，输入功率因数高，不必采用输入滤波器和功率因数补偿装置。输出的波形好，不存在由谐波引起的电动机附加发热和转矩脉动、噪声、输出du/dt、共模电压等问题，可以使用普通的异步电动机。同时这种形式的高压变频器带来两个很大的优势：
图3级联型高压变频器拓扑图
1.高可靠性，每一个功率单元都是一个小型的低压变频器，每相的电压由功率单元的输出电压叠加而成，当一个功率单元出现故障后，只会使相电压降低，通过旁路切除后系统能继续运行，不会出现一个单元损坏而导致其它单元损坏的连环故障。
2.此种方式的高压变频器解决了对电网的污染问题，功率因数高。高压电经过移相变压器的移相变压后，给功率单元供电的二次绕组相互存在一个相位差，可以实现输入电压多重化。以6KV变频器为例，每相由6个额定电压为577V的功率单元串联，三相共有18个功率单元，分别由输入隔离变压器的18个二次绕组供电，18个二次绕组分3组，每组之间存在相位差，形成相当于18脉冲整流。使得电压总畸变率只有3%，电流总畸变率小于4%。
3.输出电流波形完美，逆变器输出采用多电平移相式PWM控制技术，同一相的功率单元输出相同幅值和相位的基波电压，但串联各单元的载波之间互相错开一定电角度，实现多电平PWM，输出电压非常接近正弦波。每个电平台阶只有单元直流母线电压大小，du/dt很小，使得电动机绝缘不会受到影响。功率单元采用较低的开关频率，以降低开关损耗，且可以不用浪涌吸收电路，提高变频器的功率。由于采取多电平移相式PWM，等效输出开关频率很高，且输出电平数增加，可大大改善输出波形，降低输出谐波，谐波引起的电动机发热、噪声和转矩脉动都大大降低。所以这种变频器对电动机没有特殊的要求，可用于普通的高压电动机，也可以用于旧电动机，且不必降额使用。由于输出du/dt较低，不会产生输出电缆较长时行波反射引起的浪涌电压增加而造成的电动机绝缘破坏问题，所以对变频器输出至电动机之间的电缆长度没有特殊限制。
高压变频器在电厂中一般使用在非常关键的工艺点，如引风机和冷却水泵，因此高压变频器的可靠性要求非常高。为此，高压变频器一般还会提供除单元旁路外的整机旁路。单元旁路可以切除掉故障的单元，使整机的输出电压减小，但是仍然可以使用。整机旁路主要提供工频旁路，即在变频器重故障停机时能够迅速切换到工频保障生产不受影响。
国内生产高压变频器的主要厂家有汇川、利德华福、荣信、智光、东方日立等，可以供用户选择。同时，由于技术的进步，目前高压变频器不仅产品成熟，而且价格相对以前而言降了不少，十年前国产变频器大约500元/KVA，进口的大约700元/KVA；现在国产的大约300元/KVA，价格已经便宜很多，因此大规模推广成为可能。同时，目前变频器采用新技术，有更多的功能，性能也更加可靠。如汇川公司的高压变频器，功率已经可以做到20MVA，采用矢量控制技术，使调速精度更准确；同时具备飞车启动，非对称旁路技术，电压穿越等技术，能够保障变频器的可靠运行，解决了用户的烦恼。
5、其它辅机节能
另外正确的选择电机容量也是很重要的，由于在设计时考虑裕量、不太了解负载工况等情况往往会选择容量大一些的电机，使平均过载率低，造成“大马拉小车”的现象。对不需进行调节操作的辅机，若长期空载或低负载运行，则应采取节电措施。如安装轻载节电器等，在空载或低负载运行时，降低电动机的端电压，从而实现节能。而对轻、重载交替工作的电机，可采用Y-△装置自动切换定子绕组接线方
式，轻载时，采用Y接线，重载时，采用△接线。通常当负载率低于40%时，由接线切换为丫接线，可以实现节能。
6、结束语
本文从电厂节能出发，分析了热电厂的节能的关键在于减少厂用电，而厂用电占比最高的又是风机和水泵，如果采用变频调速，将能达到良好的节能效果，况且目前变频器的价格已经很低，对于节能改造而言是小投资大回报，同时高压变频技术经过多年的发展，其可靠性和稳定性以及快速投切能力都能给电厂用电带来保障，因此液力耦合调速将逐渐被变频调速替代。
参考文献：
[1]徐甫荣，崔力.发电厂辅机电动机变频调速节能方案探讨[J].电气传动自动化.2003,25(2):3~6.
[2]王威.变频技术在电厂的应用[J].热电技术.2005,3.
[3]雷铭.发电节能手册.中国电力出版社.2005.
[4]赵小平.“十一五”电力工业发展的基本思路.中华人民共和国国家发展和改革委员会能源局.2006
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