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大容量中壓變頻調速裝置在英那河水源泵站中的應用
1 引言
英那河水源泵站位于莊河市的英那河水庫下游400m處，在大連市的東北部，距市中心180km。英那河泵站是大連市引英入連供水應急工程的頭部工程，通過水泵加壓經109.18km的DN1800鋼管輸水至洼子店受水池，以解決大連市城市居民生活及用水緊張的局面。泵站揚程H=109.45m，水庫最低水位為60m，水庫多年平均水位為73.80m，正常高水位為79.10m。水庫水位高差為13.80m,為了充分利用水庫位能，以降低運轉費用，達到節(jié)約能源的目的，確定英那河水源泵站水泵采用變頻調速設備。
泵站分兩期建設，一期供水規(guī)模33 萬噸/日，水泵3臺，2 用1備，2臺工作泵配套電機功率為2750kW，采用變頻調速裝置;備用泵配套電機功率為2800kW，不調速;系統(tǒng)額定電壓為10kV。
二期供水規(guī)模25萬噸/日，再上2臺泵，配套電機功率為2750kW，2臺都采用變頻調速裝置。
2 幾個知名公司變頻器的性能比較
變頻調速裝置根據輸出電壓的調節(jié)方法分為2種:
(1) 改變脈沖寬度比例的調節(jié)方法，稱為PWM脈寬調制方法
(2) 改變輸出電壓幅值的調節(jié)方法，稱為PAM脈沖幅值調制方法
最近10幾年來，隨著高電壓、大容量全控型器件的發(fā)展，在水泵類的調速應用上脈寬調制方法的變頻調速裝置已基本上占據了主導地位。所以，只對采用PWM脈寬調制方法的變頻調速裝置進行了調研，也向一些專家進行了咨詢。調研的對象主要是針對幾個在中國上銷售的知名公司和有特色的公司。筆者根據、研究和應用實踐，對其產品的性能及應用作出了比較。
2.1 Siemens公司的高壓IGBT三電平大容量變頻器(SIMOVERT MV)
Simovert MV電壓源型系列變頻器采用了基于電壓空間矢量調制原理的三電平技術，高性能矢量控制(VC)技術以及全數字無速度傳感器控制技術。變頻器的整流部分是由2個功率相同的三相整流橋系統(tǒng)組成，形成12脈沖，從而保證網側電源反饋諧波較小，并使電機受到較小的沖擊。變頻器的逆變部分是由IGBT和鉗位二極管形成的三電平的電壓源逆變器。原理接線見圖1。
圖1 Simovert MV型高壓變頻器的主電路圖
主要技術特點為:輸入側設置變頻傳動變壓器，三卷變壓器二次側分別采用Δ/Δ/Y接線，等效12脈沖整流使得電源輸入側諧波大為降低，在逆變器側采用了大功率半導體全控器件－高壓IGBT，逆變器采用三電平PWM控制。變頻傳動變壓器與變頻器柜是分體的，功率元件是HV-IGBT，輸出頻率范圍是0~150Hz。冷卻方式:風冷水冷可任選。
不足之處:輸出電壓特性具有低諧波分量，當與Siemens生產的電機配套使用時，可直接應用，在選用其他廠商生產的電機時，需要一個輸出濾波電抗器。IGBT具有快速的開關性能，但在高壓變頻中其導通損耗大，變頻裝置的發(fā)熱是個不能輕視的問題，大容量的變頻裝置應采取強排風措施。
2.2 ROBICON公司采用低壓IGBT的多重式、多級串聯(lián)高壓變頻器
主要原理是利用輸入隔離變壓器得到多組低壓工頻電壓，采用多級低壓小功率IGBT的PWM變頻單元，分別進行整流、濾波和逆變，串聯(lián)疊加得到高壓三相變頻輸出。羅賓康采用功率單元串接的新型結構方式,將幾個低壓的PWM功率單元串接組成中、高壓變頻器，較好的解決了一般6脈沖或12脈沖變頻器不可避免的諧波干擾問題，這樣無需額外加裝消諧濾波裝置，同時也可選用國產普通電機，這樣將提高性能價格比。原理接線見圖2。
主要技術特點為:電源側諧波非常小，對電網污染很小，由于采用了多重化的脈寬調制技術，輸出諧波更小，幾乎可認為是正弦波，稱作完美無諧波，不用考慮因諧波引起的轉矩脈動及電機發(fā)熱、噪音問題。采用多重化的技術，使用功率元件的數量大為增加。功率單元可選擇旁路，可讓用戶在一個功率單元故障的情況下繼續(xù)運行變頻，無需馬上停機。輸入隔離變壓器(干式變壓器)與變頻器的功率單元柜可并柜，功率元件是LV-IGBT，功率元件的電壓等級是690V。輸出頻率范圍是0~150Hz。
不足之處:使用的功率單元及功率器件數量相比比較多，可能故障的環(huán)節(jié)就相對的多一些，可靠性比使用功率元件的數量少的差，如果處理不及時，易造成功率元件“雪崩”似的故障。采用風冷時，噪聲比較大。
對電機絕緣沒有特殊要求，可適用于任何電機，而不用配置輸出濾波電抗器。
圖2 ROBICON 公司高壓變頻器的主電路圖
2.3 北京利德華福公司采用低壓IGBT的單元串聯(lián)多電平高壓變頻調速器(HARSVERT)
原理與ROBICON基本相同。該公司是依托清華大學國家重點實驗室的一流技術基礎進行開發(fā)、研究、生產變頻器的。
主要技術特點:與ROBICON基本相同，二者電路結構大同小異。只是他們采用的IGBT功率元件的耐壓不同，所用的逆變器數量也不同。適配電機額定電壓可達10kV。目前，生產輸出電壓為10kV的變頻裝置的公司比較少，因國外3kV電壓等級用的較多，他們可能不太注重開發(fā)10kV的變頻裝置。
不足之處:使用功率元件的數量相比稍多，可能故障的環(huán)節(jié)就相對的多一些。采用風冷時，噪聲比較大。IGBT具有快速的開關性能，但在高壓變頻中其導電損耗高，變頻裝置的發(fā)熱是個不能輕視的問題。因其為國內公司研究開發(fā)的，應用時間不長，運行經驗較少。尤其是適配電機功率達到2750kW的大容量高壓變頻器。
與國外同容量的變頻裝置相比價格占有優(yōu)勢。對電機沒有特殊要求，可適用于任何電機，而不用配置輸出濾波電抗器。
可直接適用于舊設備的改造，無須輸出濾波器就可使輸出電纜長度很長。對于原有10kV電機的，如果還利用原電機，則用HARSVERT的變頻器比較合適。如果用其他的變頻器，要配升壓變壓器將6kV升到10kV。
2.4 ABB公司采用IGCT的三電平大容量變頻器(ACS1000)
IGCT(Integrated Gate Commutated Thyristor)是90年代在晶體管技術的基礎上結合了GTO和IGBT技術開發(fā)的大功率新型器件，與IGBT相比，它開關快速，開通能力強、存儲時間短、開關導電損耗較低。為減小引線電感，其管芯必須與門驅動電路集成安裝、整體更換。IGCT由于其導通壓降低，損耗低，比IGBT更適合于高電壓、大容量使用。目前使用的IGCT元件電壓等級最大做到4.5kV，接線原理與SIEMENS的高壓IGBT三電平大容量變頻器(SIMOVERT MV)基本相同，只是采用的元件不同，不需要元件串、并聯(lián)。IGCT器件耐壓等級提高以后，它將是構成大功率和超大功率高壓變頻器的優(yōu)選功率器件。
主要技術特點為:輸入側設置變頻傳動變壓器，三卷變壓器二次側分別采用Y、Δ接法，等效12脈沖整流使得電源輸入側諧波大為降低。變頻傳動變壓器與變頻器柜是分體的，功率元件是HV-IGCT，輸出頻率范圍是0~150Hz，逆變器采用三電平PWM控制。采用了DTC-直接轉矩控制專利技術，直接轉矩控制(DTC)是交流傳動中最佳的電動機控制方法，可以對電動機所有的關鍵變量進行直接控制。
表1
不 足之處:IGCT元件需要的觸發(fā)電路要比IGBT元件所需要的觸發(fā)電路復雜、觸發(fā)功率大。當適配電機功率超過1800kW時，變頻裝置需要采用水冷，整套設備占地面積比較大。因對冷卻循環(huán)水的水質有要求，要加一套凈化水設備。實際上，運行人員更習慣于用風冷，也更喜歡用風冷。由于IGCT器件耐壓的限制，某些型號的三電平變頻器至今尚無輸出電壓6000伏規(guī)格的產品。表1為4家中壓大容量變頻裝置特性比較。
3 結論
綜合各方面因素，經過招標，最后采用的是SIEMENS變頻裝置(6SE8033-1CA01)和配套電機(1RQ4562-6JV40)。
此規(guī)格變頻器在歐洲已有應用，在國內水行業(yè)中還是頭次應用，取得了一些經驗。
(1)該工程于2000年10月開始設計，2001年7月一次通水成功，現已運行將近2年時間。通過這段時間的運行看，該泵站運行安全穩(wěn)定，節(jié)能效果顯著。根據最典型的應用工況，一期各方案比較見表2。
從表2分析結果知，b方案為最優(yōu)方案，即2臺調速泵方案最優(yōu)。其次方案為a方案，即一臺調速與一臺恒速泵并聯(lián)方案。雖然a方案的設備比b方案少425萬元，但a方案比b方案一年的運行費用多108.84萬元，這樣b方案3.9年所省的運行費，即可抵消掉其設備所增加的投資，即靜態(tài)回收期為3.9年。
從表2還可看出全調方案與閥調節(jié)方案的比較其節(jié)能效果:水位控制變頻調速技術為泵站一年省電費378.25萬元(一期工程), 靜態(tài)回收期為2.25年。(注:上述的計算只是針對水庫多年平均水位，電費按0.50元/度計算)
通過幾年來的運行表明，在大型地表水廠的送水泵房中采用大功率變頻器(水行業(yè)中最大單機容量2800 kW)，雖然一次性投資較大，但是長期運行節(jié)能效果非常明顯，特別是在較大產水量的情況下，節(jié)能效果更加明顯，值得推廣。
(2) 通過這段時間的運行看，其不足之處有以下幾點:
a) 變頻裝置的進線斷路器要具有失壓脫扣功能。
當控制電源沒有時，不論高壓工作電源是否故障，都要跳開進線斷路器，使變頻裝置斷開工作電源。此時，當變頻裝置恰巧發(fā)生故障時的跳閘，對變頻裝置起到了保護的作用。而當變頻裝置無故障時的跳閘，易額外產生水錘效應，水錘效應具有極大的破壞性:壓強過高處，將引起管子的破裂;反之，壓強過低處又會導致管子的癟塌，對供水管線產生危害。此外，水錘效應也可能損壞閥門和固定件，對泵站廠房產生危害，易淹泵房。如何解決這個問題并獲得認可，值得研究。
b) 大容量的變頻裝置的發(fā)熱是個不能輕視的問題。
從目前使用來看，發(fā)熱比較厲害，尤其夏季溫度比較高的時候。對變頻裝置采取了強排風措施,但排風扇產生的噪聲比較大，相應的要采取隔音措施。如何解決大功率高壓變頻器發(fā)熱和噪聲，將是變頻器生產廠家迫切解決的問題。
參考文獻
[1] 水泵變頻調速的節(jié)電量計算及系統(tǒng)設計[M]. 科學出版社,1998.
[2] 白勇. 風機、泵類變頻調速節(jié)能原理及大容量變頻技術應用[J]. 變頻器世界,2000,(7).
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