高压变频器在电厂中的应用

本文简单介绍了高压变频器的发展现状，分析了两种高压变频器的基本原理及组成。概括介绍了变频器在高压供电系统中的几种应用形式及在火力发电厂的节能、软起动及控制中的应用前景。


20世纪90年代，交流变频调速技术及装置在我国有了突飞猛进的发展，由于变频调速在频率范围、动态响应、低频转矩、转差补偿、功率因数、工作效率等方面是以往的交流调速方式无法比拟的，因此在众多行业有了广泛的应用，并且在节约能源、改善工艺、提高生产效率等方面发挥了巨大作用，取得了巨大经济效益。但是，变频调速技术在电力系统尤其在火力发电厂中的应用还非常有限。随着电力行业改革的不断深化，厂网分开、竞价上网等政策的不断实施，降低厂用电率，降低发电成本提高电价的竞争力，成为各火力发电厂追求的目标，也为交流变频调速技术的推广应用提供了广阔的空间。当前，阻碍变频调速技术在高压大容量传动中推广应用的主要难题有两个：一是我国火力发电厂中大功率电动机供电电压高（3～10 kV），而变频器开关器件的耐压水平较低，造成电压匹配上的难题；二是高压大容量变频调速技术技术含量高、难度大、成本也高，但一般风机水泵等节能用调速装置都要求低投入高回报，从而造成经济效益上的难题。这两个世界性难题阻碍了高压大容量变频调速技术的推广应用，因此如何解决高压供电和用高技术生产出低成本的变频器是当前世界各国相关行业的竞争热点。

1 高压变频器的发展概况

目前美国罗宾康（ROBICON）公司、AB公司，瑞典ABB公司及德国西门子等公司的高压变频器产品采用不同措施较成功地解决了高耐压、大容量这一难题。各公司采用的技术不尽相同，但归纳起来主要有两种：一是采用多重化技术，再就是采用新开发的高耐压功率器件。现以比较有代表性的两种产品加以介绍。

1.1 多重化技术的应用

以美国罗宾康公司的HARMONY系列变频器为代表，包括我国北京先行和凯奇两家公司的产品均采用了多重化技术。所谓多重化技术就是每相由几个低压PWM功率单元串接组成，各功率单元由一个多绕组的隔离变压器供电，以高速微处理机和光导纤维实现控制和通信。该技术从根本上解决了一般6脉冲和12脉冲变频器产生的谐波问题，可实现完美无谐波变频。其基本原理如下：

图1 多重化变频器拓扑图

图1为6 kV高压大容量变频器的拓扑图，它是由多个低压功率单元串联而成，由低压PWM变频单元叠加达到高压输出的目的。图2为变频器的结构原理图，各个功率单元由输入隔离变压器的二次隔离线圈分别供电，每个功率单元额定电压为690 V，每相5个单元串联，因此相电压为3.45 kV，所对应的线电压为6 kV（当每相4个功率单元，每个单元额定电压为480V，输出线电压为3.3 kV）。给功率单元供电的二次线圈在绕制时互相存在一个 12°（电角度）的相位差，实现输入多重化，因此可形成相当于30脉冲的整流由于多重化可消除各单元产生的大多数谐波，对电网的污染可降到很低，并且谐波无功造成的功率因数降低减到最小，在整个负荷范围内网侧功率因数均可保持在0.95以上，不需要配备改善功率因数的电容器。

图2 多重化变频器结构图

图3为低压功率单元的结构原理图，它是由低压IGBT构成的三相输入单相输出的脉宽调制型（PWM）变频器，电压输出0～690 V可调和频率 0～120 Hz可调。其输出电压为三电平即1，0，－1，每相5个单元叠加就可产生11种不同的电压等级（±5，±4，±3，±2，±1，0）。因此线电压即可形成23脉冲的电压波形，谐波极大减少。变频器输出电压非常接近正弦波形，大大降低了du／dt脉动对电动机绕组的冲击，减少了电动机的谐波损耗，电机可不降低额定容量使用，同时对电缆的绝缘也无特殊要求。

图3 变频器功率单元结构原理图

表1 多重化变频器与三电平变频器输出谐波含有率对比表 %

表1所列数据为采用多重化技术和一般三电平技术变频器的输出谐波比较，可见采用多重化技术的变频器19次以下的谐波几乎完全消除，所以不需任何输出滤波器，从本质上就能提供正弦波电压输出，而且即使在低速时也能保持很好的输出正弦波形，不需配置输出滤波器，因此消除了因谐波造成的电机振动、噪音和温升等问题。由于谐波大为减少，由谐波引起的电动机功率因数和效率的损失也大为减少，所以变频部分效率高达98%以上，包括输入隔离变压器在内的整个变频系统的效率也高达96%以上。该类型变频器适合于高—高方式，由于采用低压功率器件，所以工作可靠，并且谐波含量极低，对电网影响小，适合于功率在 1 MW以上的电厂辅机应用。其缺点是造价昂贵，占用空间大，安装较困难，不过罗宾康公司已经研制出新一代的小型变频器，这一矛盾有望解决。

1.2 高耐压开关器件的应用

变频器中常用的开关器件多为IGBT、GTR、GTO等，由于制造水平及原材料的原因，使这些器件的耐压很难达到直接应用于6 kV的电压，因此许多国家的企业开始研制开发新材料及新的高耐压器件。最近几年来ABB公司与三菱公司合作开发的IGCT（ETO），西门子研制的HV—IGBT等耐压可达4.5 kV。西门子、ABB公司、GE公司和Cegelec公司等分别采用专门研制的高耐压开关器件并以传统的交流变频器结构研制开发了自己的高压变频器。现以有代表性的西门子公司产品SIMOVERT MV系列为例进行简要介绍SIMOVERT MV系列变频器采用传统的交—直—交变频器结构，整流部分采用12脉冲或24脉冲二极管整流器，逆变部分采用三电平PWM逆变器。图4为SIMOVERT MV系列变频器的原理结构图。由图4可以看出，该系列变频器采用传统的电压型变频器结构，通过采用耐压较高的HV—IGBT模块，使得串联器件数减少为12个，随着元件数量的减少，成本降低，方案变得简洁，从而使柜体尺寸更小，可靠性更高。

图4 SIMOVERT MV系列变频器的原理结构图

由于变频器的整流部分是非线性的，会产生高次谐波，此高次谐波将使电网的电压和电流波形发生畸变，对电网造成污染。图4所示的 SIMOVERT MV系列变频器的12脉冲整流原理接线图中，三相桥式整流相当于六相整流，现将两组三相桥式整流电路用整流变压器联系起来，其初级绕组结成三角形，次级绕组一组结成三角形，一组结成星形，得到DycDdo的连接组别，整流变压器次级2个绕组的线电压相同，但2个绕组的线电压相位相差 30°，这样5次、7次谐波在变压器的初级将会有180°的相移，因而能够相互抵消，同样17、19次也相互抵消。这样经过2个整流桥的串联叠加后，即可得到12波头的整流输出波形，比6个波头更平滑，并且每桥的整流二极管耐压降低一半。采用12相整流电路减少了特征谐波含量，由于N＝KP±1（P为整流相数，K为自然数，N为特征谐波的次数），所以网侧特征谐波只有11、13、23、25等。同理采用24脉冲整流电路网侧谐波被更进一步抑制。两种选择方案均可使输入功率因数在整个功率范围内保证在0.95以上，不需功率因数补偿电容器。SIMOVERT MV系列变频器的逆变部分采用传统的三电平方式，所以不可避免地会产生比较大的谐波分量，这是三电平逆变方式所固有的。因此SIMOVERT MV系列变频器的输出侧需要配置输出滤波器才能用于通用的电动机，否则必须配用西门子的专用电动机。同样由于谐波的影响，电动机的功率因数和工作效率都会受到一定的影响，只有在额定运行点处才能达到最佳的工作状态，随着转速的降低，工作效率和功率因数都会相应降低。这是该类型高压变频器的缺点所在，因而限制了其应用。

另外，SIMOVERT MV系列变频器的一个特色是可以提供有源前端（AFE），AFE也采用三电平技术，因而可以实现电动机的4象限传动方案，即可以进行双向电动和能量反馈制动运行。如图5所示为有源前端的整流器，由于 AFE反并联了12个反馈二极管，因此可提供直流环节富余能量回馈电网的通路。有源前端的引入为该系列变频器在交流传动的应用提供了较大的空间。

图5 有源前端（AFE）原理图

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