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發(fā)布日期:2022-10-09 點擊率:49
摘 要:介紹了基于IGCT器件的兩電平高壓變頻器的技術(shù)特點和工作原理,分析了兩電平高壓變頻器的試驗波形及其在電廠中的運行情況和節(jié)能效果,探討了電壓源兩電平高壓變頻器的應(yīng)用前景。 Research on the two—level high—voltage frequency conveter based on QIAN Shi—bao,YANG Zhi
關(guān)鍵詞:IGCT器件;兩電平;變頻器
IGCT devices and application
(Guodian Nanjing Automation Co.,Ltd.,Nanjing 210003,China)
Abstract:The technical characteristics and working principles of two —level high- voltage frequency converter based on IGCTdevices were introduced.The experimental waveform of such converter.together with the operation conditions and energy — saving efects were analyzed.based on this,the application prospect of two —level high—voltage frequency converter for power source was presented.
Key words:IGCT devices;two—level;frequ ency converter
0 引言
在國際能源緊缺、全球氣候變暖的嚴峻形勢下,減少能源消耗、減少溫室氣體大量排放成為當(dāng)務(wù)之急。實踐證明,對一定工況下的工業(yè)電動機進行變頻調(diào)速是一種行之有效的節(jié)能方式。根據(jù)統(tǒng)計,我國僅待調(diào)速節(jié)能的風(fēng)機就有4000多萬臺,年耗電約1 5oo億kW·h,節(jié)能潛力達450億kW·h/年,節(jié)能潛力巨大[1l。
節(jié)能效果顯著的高壓變頻器早期之所以推廣速度緩慢,一方面是因為一次性投入較大且一些產(chǎn)品可靠性不高,另一方面是因為應(yīng)用變頻器以后會帶來一些新的問題,如電網(wǎng)諧波污染、電機諧波損耗發(fā)熱及電機絕緣老化等。隨著國家對節(jié)能減排的重視和變頻器技術(shù)的發(fā)展,高性價比高壓變頻器的應(yīng)用越來越多普通變頻器往往具有較高的di/dt和du/dt電應(yīng)力,電路輸出含有較高的諧波,而通過采用合理的電路拓撲結(jié)構(gòu)可有效地降低其di/dt和du/dt,通過采用合理的控制算法可降低其諧波輸出,從而在大大提高變頻器本身可靠性的同時降低對電網(wǎng)的諧波污染。而基于IGGT器件的兩電平高變頻器產(chǎn)品,輸出諧波含量小于 2%,效率高達98%。
1 變頻器技術(shù)介紹
普通級聯(lián)高壓變頻器主回路拓撲和功率單元內(nèi)部電路分別如圖1、圖2所示,基于IGCT器件的兩電平變頻器主電路拓撲如圖3所示。
由圖3可知,兩電平高壓(6 kv)變頻器串聯(lián)后的單個功率管要承受的額定電壓為6000×√2÷≈32800(v),最大運行電壓達到 2 800×1.15×1.08≈3500(v)(考慮過電壓15%和變壓器阻抗8%),這對單管吸收回路及其控制提出了很高的要求。由圖1、圖2可知,級聯(lián)產(chǎn)品每個功率管需要承受的額定電壓為6000÷√3×√2÷5×1.15×1.08 ≈1 200(V)。因此,兩電平拓撲高壓變頻器的實現(xiàn)難度要比級聯(lián)式變頻器高得多。該兩電平高壓(6 kV)變頻器具有如下特點:
(1)級聯(lián)式變頻器需要150只功率管,而兩電平變頻器只需要36只功率管,因此,兩電平變頻器的故障幾率可以大大降低,可靠性得到極大提高;
(2)級聯(lián)式變頻器的變壓器出線達45根,而兩電平變頻器出線僅9根,使故障概率明顯減小;
(3)級聯(lián)式變頻器不允許將電機放到離變頻器過遠的地方,以防止機端反激等原因造成變頻器異常保護甚至變頻器和電機損壞,而兩電平變頻器具有Lc濾波環(huán)節(jié),輸出電纜中不存在大的du/dt,不存在機端反激現(xiàn)象,因而不存在這樣的限制;
(4)在能量流方面,兩電平變頻器只需將整流電路稍加改造即可實現(xiàn)4象限運行,這是當(dāng)前的級聯(lián)式變頻器技術(shù)所做不到的;
(5)兩電平變頻器中采用高壓金屬膜電容器而不采用電解電容器,使整機壽命可達10年以上,這也是級聯(lián)式變頻器很難實現(xiàn)的。
2 基于IGCT器件的兩電平技術(shù)介紹
圖3是兩電平高壓變頻器的主電路拓撲,逆變部分使用了高耐壓、大電流的功率開關(guān)器件IGCT,其內(nèi)部集成有反并聯(lián)續(xù)流二極管;為了減小對電網(wǎng)的沖擊,整流電路采用18脈沖二極管整流結(jié)構(gòu)。其核心技術(shù)為特定消諧技術(shù)、Lc濾波技術(shù)及多IGCT串聯(lián)均壓技術(shù)等。
在設(shè)計中,將特定消諧技術(shù)和LC濾波技術(shù)進行了完美結(jié)合,取得了較為理想的效果。試驗測得兩電平高壓變頻器輸出電壓和電流波形如圖4所示,其中幾乎沒有諧波和大的du/dt存在,這對電機絕緣沒有任何損傷;同時,將濾波電容中點接地可以消除共模電壓(即消除電機軸向電壓),使電機使用壽命不受影響。
基于IGCT器件的兩電平高壓變頻器的設(shè)計難點在于多個串聯(lián)功率管的動態(tài)均壓。經(jīng)過嚴格計算、精確仿真和反復(fù)試驗改進,得到了額定電流條件下功率管關(guān)斷均壓實測波形,如圖5所示。圖5中第2峰值電壓分別為3525V,3360V和3240V,此處3只功率管的電壓與電壓平均值的偏差均小于5%,達到了很好的均壓效果。
動態(tài)均壓電路如圖6所示,該電路在帶來良好均壓效果的同時會造成IGCT開通瞬間di/dt過大,這是IGCT器件所不允許的。從抑制di/dt的角度考慮,需要增加電阻阻值,但大電阻必然會降低動態(tài)均壓的效果。因此,圖5所示的均壓不是最佳效果,而是考慮di/dt后的綜合結(jié)果。
在關(guān)鍵工藝方面,由于采用橫向功率管壓裝技術(shù),功率回路功率密度大為提高,即使含濾波回路,兩電平高壓變頻器的體積和質(zhì)量也明顯小于其他產(chǎn)品。
3 運行效果
揚州發(fā)電有限責(zé)任公司330MW機組凝結(jié)水泵(1120kW)在進行變頻改造以前,機組滿負荷運行時電機的工作電流為126A,負荷降低時電流降低很少。進行變頻改造后,機組滿負荷時變頻器輸入電流為92A,機組210MW負荷時變頻器輸入電流為41A,綜合節(jié)電在35%以上。該泵改造前年耗電約 8×1000000kW·h,改造后年耗電約5×1000000kW·h,按上網(wǎng)電價0.39元/(kW·h)計算,每年至少可節(jié)省電費I10萬元,經(jīng)濟效益相當(dāng)可觀。在節(jié)能的同時,電廠電機控制自動化水平也得到了很大提高。
4 結(jié)論
從上面的分析可以看出,兩電平高壓變頻器具有非常出色的性能,在降低輸出諧波含量、提高變頻器效率、延長電機的使用壽命及提高系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性等方面均有很大的優(yōu)勢。在電力系統(tǒng)、煤礦、城市供水等對設(shè)備可靠性、安全性要求很高的應(yīng)用場合,采用輸出諧波含量低、對負載損傷小的兩電平高壓變頻器是一種很好的選擇。
參考文獻:
[1]楊志勇,趙爭鳴,三電平變頻器在節(jié)能領(lǐng)域的應(yīng)用[c]//2004年世界工程師大會電力和能源分會場技術(shù)論壇論文集,北京:中國電機工程學(xué)會,2004:167—169,
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