大功率變頻裝置電壓等級必須下降

最近上海市經(jīng)委節(jié)能辦委托我們顧問委員會進(jìn)行高壓變頻方案論證，因?yàn)樯虾Ｒ淹懂a(chǎn)20余套，投資過高，推廣困難，為此我們走訪了用戶閔行電廠，高橋污水工程及長江上游引水工程及配套廠上海電機(jī)廠，張家港變壓器廠，上海機(jī)電成套研究所等單位，參考有關(guān)資料撰寫此文。

1國內(nèi)高壓變頻器使用概況

國內(nèi)已經(jīng)投運(yùn)的進(jìn)口及國產(chǎn)高壓變頻器，功率、電壓等級的抽樣調(diào)查概況如表1所示。

表1已投產(chǎn)變頻裝置電壓功率概況（應(yīng)用在水泵、風(fēng)機(jī)）調(diào)查對象200～800kW6000V/臺1000kW～2500kW6000V/臺200～800kW所占比例/％
全國31個電廠781187％
上海地區(qū)12475％
從表1統(tǒng)計(jì)可知，已投產(chǎn)105臺，200kW～800kW達(dá)90臺，占85％，從裝備功率統(tǒng)計(jì)已達(dá)到9萬kW，如按平均每kW增加1200元投資計(jì)，將增加超過1億元投資。

實(shí)際上高壓與低壓變頻器相比，價格每kW要相差2.8～3.5倍，即低壓平均700元，高壓平均2200元，兩者每kW相差1500元左右。

2高壓變頻器的選型

2?1選擇過高電壓等級的弊端

選擇過高的電壓等級造成投資過高，回收期長。電壓等級的提高，電機(jī)的絕緣必須提高，使電機(jī)價格增加。電壓等級的提高，使變頻器中電力半導(dǎo)體器件的串聯(lián)數(shù)量加大，成本上升。在同等功率下，不同電壓的電機(jī)和變頻器的單位功率價格如表2所列。

表23種電壓等級成本對照元/kW供電電壓380V6kV10kV
電動機(jī)價格200267357
變頻器價格7002000～24002500～3000
可見，對于200～2000kW的電機(jī)系統(tǒng)采用6kV、10kV電壓等級是極不經(jīng)濟(jì)、很不合理的。

2?2變頻器容量與整流裝置相數(shù)關(guān)系

變頻器裝置投入6kV電網(wǎng)必須符合國家有關(guān)諧波抑制的規(guī)定。這和電網(wǎng)容量和裝置的額定功率有關(guān)。

從圖1可見，短路容量在1000MVA以內(nèi)，1000kW裝置12相（變壓器副邊雙繞組）即可，如果24相功率就可達(dá)2000kW，12相基本上消除了幅值較大的5次和7次諧波。

整流相數(shù)超過36相后，諧波電流幅值降低不顯著，而制造成本過高。如果電網(wǎng)短路容量2000MVA，則裝置容許容量更大。

2?3把最高電壓降到3kV以下可節(jié)約大量投資

從電力電子器件特性及安全系數(shù)考慮電壓等級的必要性，受電力電子器件電壓及電機(jī)允許的dv/dt限制，6kV變頻器必須采用多電平或多器件串聯(lián)，造成線路復(fù)雜，價格昂貴，可靠性差。對于6kV變頻器若是用1700VIGBT，以美國羅賓康的PERFECTHARMONY系列6kV高壓變頻器為例，每相由5個額定電壓為690V的功率單元串聯(lián)，三相共60只器件。若是用3300V器件，也需3串共30只器件，數(shù)量巨大。另一方面裝置電流小，器件的電流能力得不到充

收稿日期：2002－08－29

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大功率變頻裝置電壓等級必須下降

圖1電網(wǎng)短路容量與裝置功率的關(guān)系

分利用，以560kW為例，6kV電機(jī)電流僅60A左右，而1700V的IGBT電流已達(dá)2400A，3300V器件電流達(dá)1600A，有大器件不能用，偏要用大量小器件串聯(lián)，極不合理。即使電機(jī)功率達(dá)2000kW，電流也只有140A左右，仍很小。

國外的中壓變頻器有多個電壓等級：1?1kV，2?3kV，3kV，4?2kV，6kV，它們主要由電力電子器件的電壓等級所確定，器件電壓與變頻器電壓間的關(guān)系列于表3。

表3在不串聯(lián)情況下器件電壓與變頻器電壓間的關(guān)系器件電壓/V1700330045006000
變頻器電壓/kV1.12.334.2
輸出同樣功率的變頻器，使用較高電壓或較多單元串聯(lián)所花的代價大于用較低電壓，較少數(shù)量而電流較大單元的代價，也就是說在器件電流允許條件下應(yīng)盡可能選用低的電壓等級。

2?4隔離變壓器問題

為了隔離、改善輸入電流及減小諧波，現(xiàn)在所有的中壓“直接變頻”器都不是真正的直接變頻，其輸入側(cè)都裝有輸入變壓器，這種配置短時間內(nèi)不會改變。既然輸入側(cè)有變壓器，變頻器和電機(jī)的電壓就沒有必要和電網(wǎng)一樣，非用10kV和6kV不可，功率2500kW以下電壓可以不超過3kV，因此就有了變頻器和電機(jī)的合理電壓等級問題。

200kW～800kW以下的變頻調(diào)速宜選用380V或660V電壓等級。它線路簡單，技術(shù)成熟，可靠性高，dv/dt小，價格便宜。仍以560kW電機(jī)為例，630kW660V的低壓變頻器約35萬，而同容量6000V中壓變頻器約90萬。實(shí)現(xiàn)的方法有低?低，低?高，高?低和高?低?高等幾種形式。由于電機(jī)，變壓器的價格遠(yuǎn)低于變頻器，即使更換電機(jī)、變壓器也合理。

2?5原有6kV高壓電機(jī)如何與3?5kV變頻器電壓配套

自建國以來傳統(tǒng)的6kV高壓電機(jī)是已投產(chǎn)的主要產(chǎn)品，為了推廣3?5kV變頻器不可能再花錢更換電機(jī)，作者提出一個簡便方案，以供參考。

制造廠原有6kV電機(jī)一般均為星形接線，其相繞組承受實(shí)際電壓為3468V，故只要將繞組改接成三角形其它不變。配3.5kV變頻器就把變頻器電壓從6kV下降到3.5kV，從表3可見4.5kV器件不串聯(lián)就可承受3kV耐壓。如果用1.7kV器件3串即可。制造成本將下降30％。而我國目前30MW機(jī)組最大電機(jī)2500kW采用3.5kV電壓完全合理。

2?6對電網(wǎng)諧波污染的防治措施

從實(shí)用角度整流橋組成12相整流可消除5、7次諧波已基本滿足電網(wǎng)諧波要求。因此400kW～800kW采用12相整流即可，1000kW～2500kW采用24相也可以符合要求。

山東龍口，江蘇徐州等五個電廠在灰漿泵，水源引水泵上已成功采用了380V～660V電壓等級，功率320kW～1000kW的10臺裝置。以徐州電廠岸邊補(bǔ)水泵為例，價格見表4。

表4低壓660V方案價格序號項(xiàng)目價格/萬元
1ZS0－800kW干式變壓器18
2Y630－6－560kW電機(jī)15.5
3ABB－ACSE0變頻器38.5
4控制屏4
5新建機(jī)房土建費(fèi)5
6安裝費(fèi)5
7高低壓電纜費(fèi)4
8合計(jì)90
該項(xiàng)目投資90萬比高壓6kV節(jié)約40～50萬元。如果選用國產(chǎn)變頻器及變壓器等關(guān)鍵設(shè)備，價格還能有節(jié)余。

3結(jié)語

根據(jù)我國實(shí)際情況，建議電機(jī)、變頻器電壓與容量采用的等級，如表5所列。

表5建議的電壓等級與電機(jī)最大容量供電電壓/V3806603500
電機(jī)最大容量/kW4008002500
預(yù)期電機(jī)價格/元/kW200209270
預(yù)期變頻器價格/元/kW6008001000～1200