ABB ACS5000中压变频器在重庆珞璜电厂的应用分析
1.引言（Introduction）随着*民经济的蓬勃发展，对于电力的需求日益增加，*电力工业*直保持着快速增长的势头。截至2006年底，我*电力工业*发电装机容量达到6.22亿千瓦，同比增长20.3%。火电达到4.84亿千瓦，约占总容量77.82%，同比增长23.7%；而这*数字到2007年底已经达到了7.13亿千瓦，预计到今年年底，*电力装机容量将突破8亿千瓦，而其中火电机组将占到78%[1]。
随着大批电源项目的相继建成投产，电力供需形势进*步缓和，发电设备利用小时数大幅回落。从2006年开始，*加快电源结构调整，优化节能环保经济调度，加大科学、精细和对标管理实施力度，电力行业节能降耗取得持续进展。2006年*供电煤耗为366克/千瓦时，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%。
由于电力生产的特殊性，决定了电力生产系统中的各种设备需要根据*大生产能力来进行配置，而不能根据平均的电力需求配置系统[2]。在电力生产中，电力生产的*大生产能力是是根据主机（锅炉、汽轮机和发电机）的出力决定的，辅机（各种风机、水泵及其驱动电机、电气控制调节系统等）是根据主机的情况配置的。在设计过程中均考虑*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，但是存在反应慢、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[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（Operation condition）
凝结水系统采用中压凝结水精处理系统，每台发电机设2×100％容量立式凝结水泵，其中*台运行，*台备用。为节能降耗，降低厂用电率，2008年8月对凝泵进行了中压变频器控制改造，选用ABB的变频器。通过收集和反复的方案论证，为了追求*大的节能效果，同时方便运行操作和*修维护，凝泵改变频采用*拖二的控制方式，即*台发电机的两台凝泵共用*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*修；当变频器故障处理好后，可以启变频器带*台凝泵电机，这时另*台凝泵工频运行，等变频器达到*定转速后，再停工频运行的凝泵。
机组正常运行要保持*台凝泵运行，同时考虑变频器故障时凝泵之间的切换，改造后既要保留原来的切换逻辑，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。原来凝结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压，以确保低旁减温等重要用途的需要。
3.水泵变频节能原理（Energy saving principle）
3.1. 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，常常体现为液体上扬的高度[3]。
以管路中的阀门开度不变为前提，表明在某*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，则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，其供水能力也下降，扬程特性曲线也将下移，如图1中的曲线2所示。
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3.2. 管阻特性
管阻是阀门和管道系统对水流的阻力，其与管路的直径和长度、管路各部分的阻力系数，以及液体的流速等因数有关[3]。
以水泵的转速不变为前提，表明阀门在某*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，他表明为了在管路内得到*定量的流量，水泵必须提供的扬程。如果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，在扬程相同的情况下，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.1 Head and ducting resistance characteristics
扬程特性和管阻特性的交点，称之为供水系统的工作点，如图1中的A、B、C、D点，在这*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。
如果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达到新的平衡，就可以达到节能的目的[3]。
4.系统方案（System scheme）
利用电厂现有的设备（冷凝泵电机和凝结水泵，见表1和2），对系统进行改造，没有单*修建机房，同时也没有配备空调系统，*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*拖二控制的旁路，设置两个旁路刀闸柜。控制电源采用交流220VAC，两路供电，自动切换。
表1 凝泵电机参数
Tab.1 motor parameter of condensation pump
Tab.1 motor parameter of condensation pump
表2 凝结水泵参数
Tab.2 Condensation pump parameter
Tab.2 Condensation pump parameter
4.1. 系统动力方案
系统采用*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离开关QS1～QS6组成（见下图）。其中QS1和QS4,QS2和QS5电气互锁；QS2和QS3,QS5和QS6机械互锁。如果两路电源同时供电，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、QS6分闸，QS4、QS5和QS3处于合闸状态；如果*修变频器，QS3和QS6可以处于任*状态，其它隔离开关都分闸，两台负载可以同时工频运行；当*路电源*修时，可以通过分合隔离开关使任*电机变频运行。
图2 系统主电路原理图
Fig.2 System main circuit schematic diagram
Fig.2 System main circuit schematic diagram
4.2. 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*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*为现场远程控制；节点断开表示变频器控制*为本地变频器控制。
（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。
（f） 1#电动机高压合闸允许指示：变频器自*通过或系统处于工频状态正常，具备上高压条件，闭点有效，允许1#高压开关操作。
（g） 2#电动机高压合闸允许指示：变频器自*通过或系统处于工频状态正常，具备上高压条件，闭点有效，允许2#高压开关操作。
（h） 旁路柜隔离开关合闸指示：表示该操作隔离开关已处于合闸状态。每台隔离开关二路共8路节点。
（i）旁路柜隔离开关分闸指示：表示该操作隔离开关已处于分闸状态。每台隔离开关二路共8路节点。
（j）1#电动机在旁路状态：表示QS2工频状态合闸，电动机处于工频旁路状态。
（k）2#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*数字量采用*源接点输出，定义为接点闭合时有效。除特别注明外，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（0～1500rpm）
（b） 变频器电机电流（0～600A）
变频器提供2路4～20mADC的电流源输出（变频器供电），带负载能力均为250Ω。
3）. 需要提供给变频器的模拟量1路：
（a） 变频器转速给定值
现场提供1路4～20mADC二线制电流源输出（DCS供电），带载能力为250Ω，4～20mADC对应转速低高限，呈线性关系。
4）. 需要提供给变频器的开关量有3路：
（a） 启动指令：干接点，*小1S*大3S脉冲闭合时有效，变频器开始运行。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*通过或系统处于工频状态，具备上高压条件，闭点有效。2路
以上*数字量采用*源接点输出，定义为接点闭合时有效。除特别注明外，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中压变频器（MV drives）
目前，主要的中压变频器拓扑结构有三种：1）串联H桥多电平结构[5-6]；2）中性点箝位（NPC）多电平结构[6-8]；3）电容箝位结构[6-8]。
5.1. 拓扑结构
ACS5000变频器的拓扑结构为电压型9电平*熔断器（VSI-MF）设计逆变器。基于新*代功率半导体器件IGCT技术和电压源型九电平*熔断器设计使得ACS5000变频器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精确的速度和转矩控制。其主电路拓扑结构见图3所示。
图3 变频器主电路拓扑结构
Fig.3 Converter topology configuration
Fig.3 Converter topology configuration
从图中可以看出ACS5000是由三个相同的功率单元构成。功率单元是*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缺的重要组成部分。如下图4所示，该功率单元主要由三部分构成，分别是12脉冲供电部分（1）、直流环节部分（2）和单相H桥式逆变器部分（3）。其主要工作原理：功率单元外部提供的两个*立的三相交流电通过12脉冲供电部分后，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部分的滤波和支撑后，形成稳定的直流电源从而馈电给单相H桥式逆变器部分。逆变器部分通过采用先进的空间矢量脉冲调制（SVPWM）模式，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交流电。
图4 功率单元电路图
Fig.4 Power cell circuit diagram
Fig.4 Power cell circuit diagram
在该功率单元中，12脉冲供电部分是由两个6脉冲二*管供电单元串联而成，利用功率单元的前*变压器提供的两个交流电源的角度差，从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：
●部件数量*少，可靠性*高
●多电平*熔断器拓扑结构，结合IGCT和DTC技术使得系统效率*高。
●功率密度*高，占地面积*小
●36-脉冲配置，*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成本*低
●DTC， *与伦比的控制性能
●适用于标准电机
IGCT功率半导体器件
IGCT[7-8]是在GTO的基础上发展起来的新型复合型器件，兼有IGBT和GTO两者的优点，又克服了两者的不足，是*种较为理想的兆瓦*中压开关器件。具有低开关损耗、低通态损耗、*需缓冲电路、集成续流二*管、高可靠性等众多优点。
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*管集成在*起，这样就大大的简化了电压源型逆变器的结构，提高了装置的可靠性。ABB公司推出的IGCT为单片器件，不再使用焊接或者键合导线，而是采用了*立的弹簧压力封装技术。这*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。*这些技术都大大提高了器件在高压大功率场合的可靠性。
*熔断器设计
ACS5000是*种*需熔断器保护的中压交流变频器。其采用逆变器的IGCT 进行保护。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*电网或更高**电网造成影响。
网侧友好性
ACS5000的输入侧采用36脉冲二*管整流，对电网具有友好性。对电网侧的谐波*满足IEEE-519和GB/T14549谐波标准。其网侧电压和电流波形如下图5所示。
图5 电网侧电压电流波形
Fig.5 Network voltage and current waveform
Fig.5 Network voltage and current waveform
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*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，采用沿边三角形或曲折接法，满足36脉冲输入整流桥的要求。根据使用场所的具体要求，可采用单*安装的变压器，或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*立的串联12脉波整流桥。
安全接地开关
为了确保运行维护人员对变频器进行维护时的人身安全。*带高压电的柜门都与安全接地开关联锁，确保在进行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。安全接地开关闭合时，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�*繁５慕鹗舨缛萜鳎庵值缛萜魇前凑粘な倜杓频摹Ｓ氩豢煽壳椅ち看蟮牡缃馐街绷鞯缛萜魃杓葡啾龋珹BB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行滤波，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，�*聪拗剖淙氲侥姹淦鞯缏分邢嘤Φ纳稀⑾铝讲糠值缌鞯纳仙剩苑乐笽GCT承受过高的di/dt。当直接接在直流回路上的*个IGCT导通时，从直流回路上吸取的电流迅速增加，在很短的时间内（几微妙），电抗器产生*个反电势阻止电流的增大，从而有效地限制了di/dt。
与每个电抗器相关的二*管、电阻和电容器组将电抗器在上述过程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。
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EMC滤波器
逆变器的输出直接接到*组EMC滤波器上，该滤波器对逆变器的输出进行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。*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.6 Motor voltage and current waveform
Fig.6 Motor voltage and current waveform
电子控制装置
ACS5000为全数字智能型变频器，其控制核*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*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，以满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水平的噪声抑制。
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，从而保证只有在断开主电源，直流电容放电结束并且接地开关接地后，功率单元的柜门才能打开。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DTC（Direct Torque Control）系统，又称直接自控制系统DSR（德文Direkte Selbstregelung）。在转速环内，利用转矩反馈直接控制电机的电磁转矩，因而得名。
直接转矩控制（DTC）是交流传动的*种*特的电机控制方式。逆变器的开关状态由电机的核*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*组精确的转矩和磁通的实际值。电机转矩比较器将转矩实际值与转矩给定调节器的给定值作比较，磁通比较器将磁通实际值与磁通给定调节器的给定值作比较。依靠来自这两个比较器的输出，优化脉冲选择器决定逆变器的*佳开关状态。
DTC的控制周期为25μs，其响应速度是目前*好的交流传动的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，高过载能力，适用于窑应用。
6.改造效果及性能评价（Result and evaluation）
华能珞璜电厂＃5机凝泵变频器改造，于2008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，来简要计算＃5机凝泵的节能效果。
表3 变频改造前后的技术数据
Tab.3 Electrical data before and after retrofit
Tab.3 Electrical data before and after retrofit
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*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*期机组（＃1机、＃2机）和二期机组（＃3机、＃4机）都是成套引进法*ALSTOM的360MW机组，三期机组（＃5机、＃6机）是*产600MW机组。
在＃5机凝泵变频器改造之前，电厂已经在*、二期机组的凝泵和引风机上进行了变频控制改造，都为变频器修建了*门的房间，配备了制冷空调。*个变频器房间的设计修建费用需10－15万元人民币，空调按凝泵电机容量的3％考虑，那么＃5机2200KW的电机，需配备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*年半就能收回整个变频器改造项目的投资。
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ABB ACS5000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*产机组，*内设计院考虑的容量较保守，裕量较大，所以*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行的变频改造，根据现场的实际运行测量结果表明：动静态性能大幅度提升，节能效果明显，节电率超过40%。
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