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摘要：
阐述了目前发电厂风机、水泵调速节能运行的现状，分析比较各高压调速变频器的关键控制技术及其发展，提出了节能解决方案，并对调速性能和节能效益进行评估，最后通过实例展现变频调速节能在实际中的应用。
关键词：
高压变频调速节能调速技术
一、高压变频调速节能技术背景、现状和意义
1、背景
污染是人类当前面临的共同的世纪性难题。
70年代以来两次世界性的能源危机以及当前环境问题的严重性，引起世界各国对节能技术的广泛关注。
我国能源生产和消耗已列世界第二，但仍远远满足不了工业生产和人民生活的需要。
与此同时由于单位产值能耗过大，造成
的能源浪费惊人。
因此，我国政府已把节约能源作为一项基本国策，“十一五”规划纲要明确提出“十一五”期间单位国内生产总值能耗降低20%左右。
【1】
我国能源结构中，发电装机总容量突破5亿KW。
起着火电装机约占80%，为4亿KW左右，全国年发电量已突破2万亿
。
而我国能源利用率却平均比发达国家低20%左右。
全国电动机装机总容量已达4亿多Kw，年耗电量达12000亿
，占全国总用电量的60%，占工业用电量的80%；
其中风机、水泵、压缩机的装机容量已超过2亿kW，年耗电量达8000亿
占全国总用电量40%左右。
70%以上的风机、水泵、压缩机调速运行，而至今只有约5%左右调速运行。
【2】
若按风机、水泵和压缩机总装机容量的50%进行调速节能改造，即可改造容量达1亿Kw，其中40%为中高压电机，容量占60%。
若按电机平均出力为60%，年运行4000h，平均节电率为25%计算，则年节电潜力为600亿
！
整个电机系统的节电潜力约为1000亿
，改造和更新预计需投入2000至3000亿元人民币。
根据国家节能计划，我国每年应节约和少用能源7000万吨标准煤，通过基本建设项目及技术改造措施，每年可形成约3000万吨标准煤的节约能力，而每形成一吨标准煤的节能能力需投资2000元，则每年需节能投资600亿元，“十一五”期间共需3000亿元人民币。
由于我国经济的高速发展，发电装机仍以高速发展，但电力运行的一些主要指标和装备指标与发达国家相比仍有很大差距，我国发电机组的平均耗煤量为400g
比发达国家高出约70至100g
；
发达国家发电厂的长用电率为3.7%至6%，而我国的厂用电率为4.75至10.5%，加之线损，我国送到用户的电能要比发达国家多耗电9.5%，相当于22000MW装机容量，即22个百万大厂的年发电量。
目前流量的调节方式多为节流阀调节，由于这种调节方式仅仅是改变了通道的通流阻力，电动机的输出功率并没有多大的改变，结果是白白浪费掉大量的能源。
随着电力行业改革的不断深化，厂网分家、竞价上网政策的逐步实施，降低厂用电率，提高发电陈本，提高上网电价的竞争力，已经成为各火电厂努力追求的目标。
2.现状
我国的节能形势十分严峻，因此高压变频技术急需应用及改进。
高频调速技术涉及到电力、电子、电工、信息与控制等多个学科领域。
随着电力电子技术、计算机技术和自动控制技术的发展，以变频调速为代表的近代交流调速技术有了飞速的发展。
交流变频调速克服了直流电机的缺点，发挥了交流电机本身固有的优点（结构简单、坚固耐用、经济可靠、动态响应好等），并且很好的解决了交流电机调速性能先天不足的问题。
交流变频调速技术以其卓越的调速性能、显著的节电效果以及在国民经济各领域的广泛适用性，而被公认为是一种最有前途的交流调速方式，代表了电气传动发展的主流方向。
变频调速技术为节能降耗、改善控制性能、提高产品的产量和质量提供了至关重要的手段。
变频调速理论已形成较为完整的科学体系，成为一门相对独立的学科。
20世纪是电力电子变频技术由诞生到发展的一个全盛时代。
最初的交流变频调速理论诞生于20世纪20年代，直到60年代，由于电力电子器件的发展，才促进了变频调速技术向实用方向发展。
70年代席卷工业发达国家的石油危机，促使他们投入大量的人力、物力、财力去研究效率高的变频器，使变频调速技术有了很大发展并得到推广应用。
80年代，变频调速已产品化，性能也不断提高，发挥了交流调速的优越性，广泛的应用于工业各部门，并且部分取代了直流调速。
进入90年代，由于新型电力电子器件IGBT、IGCT等地发展以及性能的提高、计算机技术的发展，如由16位机发展到32位机以及DSP的诞生和发展等原因，极大地提高了变频调速的技术性能，促进了变频调速技术的发展，使变频器在调速范围、驱动能力、调速精度、动态响应、输出性能、功率因数、运行效率及使用的方便性等方面大大超过了其它常规交流调速方式，其性能指标亦已超过了直流调速系统，达到取代直流调速系统的地步。
目前变频调速以其优异的性能而深受各行业的普遍欢迎，在电力、轧钢、造纸、化工、水泥、煤炭、纺织、铁路、食品和航天航空等高新技术的发展应用无不看到变频调速技术的踪影，变频调速技术取得了显著的经济效益。
（1）直接收益：
节能损耗两台高压变频器年节电约370
，投资回收小于1.5年。
（2）间接效益：
<
1>
变频改造后，实现电机软启动，启动电流小于额定电流值，启动更平滑。
2>
电机以及负载转速下降，系统效率得到提高，取得节能效果。
大大减少了对设备损耗量，节约了人力物力资源。
3>
由于电机以及负载采用转速调节后，工作特性改变，设备工况得到改善，延长设备寿命。
4>
功率因数由原来的0.918左右提高到0.95以上，不仅省去了功率因数补偿装置，而且减少了线路损耗。
5>
厂房设备噪声污染将降低。
6>
能提高整个系统的自动化水平和工艺水平。
7>
节能减排，减少了温室气体的排放，保护了环境。
8>
负载改变频后，由于变频器采用单元串联移向技术，因此在理论上可以消除35次，以下谐波。
由于实际制造工艺的限制，网侧电压谐波总容量可以控制在2%以内，电流谐波总含量小于2%，延长了电机的使用寿命。
9>
变频输出采用PWM技术控制，输出电压波形基本接近正弦波，谐波总含量小于1%，上述指标均满足IEEE-519国际电能质量谐波标准要求，延长了电机的使用寿命。
【4】
交流变频调速传动克服了直流电机的缺点，发挥了交流电动机本身固有的优点（结构简单、坚固耐用、经济可靠、动态响应好等），并且很好的解决了交流电动机调速性先天不足的问题。
交流变频调速技术以其卓越的调速性能，显著地节电效果以及在国民经济各领域广泛适用性。
变频调速技术为节能损耗、改善控制性能、提高产品的产量和质量提供了至关重要的手段。
【5】
高压变频调速节能技术对节约能源有着极大的意义。
1、发电厂风机、水泵调速节能运行的技术经济分析
（1）风机、水泵的低效调速节能方式【1】
液力耦合器调速
液力耦合器是一种利用液体的动能来传递能量的叶片式传动机械。
安装在定速电动机与风机、水泵之间，达到平滑调节转速的目的。
转矩液力耦合器涡轮转矩与泵轮转矩相等或者输出转矩等于输入转矩。
即：
式中T,B—分别表示泵轮和涡轮；
1,2—分别表示输入和输出。
转差比涡轮转速与泵轮转速比
转差率泵轮与涡轮的转差与泵轮转速的百分比
转差率除标明泵轮与涡轮转速相对差大小之外，s大表明功率损失大，s小表明损失小。
效率输出功率与输入功率之比
液力耦合器效率与转速比相等。
液力调速离合器调速【3】
液力调速耦合器是一种以油为工作介质，依靠摩擦力传递功率的变速传动装置。
它是一种新型的无级调速传动装置，既能实现无极调速，又能像普通离合器一样，既可以将主动部分与从动部分分离，又可将主动部分与从东部分无相对运动的合在一起，所以称为夜里调速耦合器。
其调速特性与液力耦合器基本类似，也属于低效调速装置，但其最大调速比in=1，
调速效率
当泵与风机相连i=
时，
体积比液力耦合器较小，投资差不多，但功率较小。
电磁转差离合器调速
电磁转差离合器的功用和液力耦合器及液力调速离合器相同，都是安装在定速电动机与泵或风机之间的一种变速传动装置，使泵与风机可以实现无级调速。
电磁转差离合器也是一种有转差损耗的低效调速装置，调速效率等于调速比
当与泵或风机联接调速时，最大调速损耗为
<
鼠笼式异步电动机定子调压降速
调压调速实际上是一种变转差率s的调速方式，存在转差损失，在忽略定子损失时，电动机的效率近似等于转速比，即
实际上电动机及调压调速系统的损失，还有晶闸管变流变压装置的损失。
通常，为了提高调压调速的特性和扩大调速范围，长需采用高转子电阻值的鼠笼式异步电动机，这种电动机的额定转差率较大，约为10%至12%，因此，它的最高转速（额定转速）仅为同步转速的88%至90%，显然，这种电动机的转子损耗大，在额定电压时效率低。
因此，调压调速方式的经济性比起液力耦合器、液力调速离合器等的调速方式还要差。
绕线式电动机转子串电阻调速
从电机学基本原理可知，绕线式异步电动机的转子经集电环和电刷串接外加电阻后，可以改变电动机的转差率s，进而改变转速。
其串接电阻R值与转差率s的关系如下：
（平方转矩）负载时（叶片式泵与风机）
（恒转矩）负载时
上式中
—额定转速时的转差率；
r2—转子绕组每相的内电阻，
一是串金属电阻。
这是一种有级调速，通过电磁接触器逐步切换。
缺点是不能连续调速，且电磁接触器易损坏，维修工作量大。
二是串液体电阻。
串液体电阻可实现平滑无级调速。
电阻液用相对密度比为0.5%至5%的碳酸氢钠水溶液，其浓度可根据所需外串电阻值选择。
串液体电阻的优点还有：
启动时冲击电流小、体积小、触头不易过热。
三是斩波器控制等效电阻调速。
从转子端向斩波器看过去，相当于在X-Y上接一个等效电阻R*，当晶闸管导通时R*=0，晶闸管断开时R*=Rex。
因此调节晶闸管在导通和断开的一个斩波周期内导通时间和断开时间之比，就可以得到从零到Rex变化的电阻R*。
故斩波器调速可以实现无触点、无级的调速。
变极调速
改变电动机定子的极对数，可使异步电动机的同步转速n0=60f1/P改变，从而改变异步电动机的转速n。
大中型异步电动机采用变极调速时，一般采用双速电动机。
变极调速通常只用于鼠笼式异步电动机，而不用于绕线式异步电动机。
这是因为鼠笼式电动机转子的极对数是随着定子的极对数而变的，所以变极调速时只要改变定子绕组的极对数就行了，而绕线式电动机变极时必须同时改变定子绕组和转子绕组的极对数。
【6】
变频调速
通过改变电动机供电电源频率的方法而达到调节电动机转速的调速方法称为变频调速。
变频调速用的变频器是采用可关断的功率器件如：
GTO、GTR、IGBT、IGCT等，再加上控制、驱动、保护电路组成的。
1。
多重化技术
所谓多重化技术就是每相由几个低压PWM功率单元串联组成，各功率单元由一个多绕组的隔离变压器供电，用高速微处理器实现控制而以光导纤维隔离驱动。
多重化技术从根本上解决了一般6脉冲和12脉冲变频器所产生的谐波问题，可实现完美无谐波变频。
2。
多电平技术
我国标准中压电压等级为6kV和10kV，若直接变频，即使用4.5千伏至6千伏耐压的功率器件，仍需串联使用，使器件数量增加，电路复杂，成本增加，可靠性大为降低。
整流部分采用12脉冲二极管整流器，逆变部分采用三电平PWM逆变器。
变频器的逆变部分采用传统的三电平方式，所以输出波形会不可避免地产生比较大的谐波分量，这是三电平逆变方式所固有的。
因此在变频器的输出侧必须配置输出滤波器才能用于普通的笼型电动机。
同样由于谐波的原因，电动机的功率因数和效率都会受到一定的影响，只有在额定工况点才能达到最佳的工作状态，随着转速的降低，功率因数和效率都会相应降低。
普通串级调速
为了实现绕线式异步电动机的转速调节，除可通过在转子回路中串电阻的方式外，还可采用在转子回路串电动势的方法。
串级调速的关键是串入到转子回路的电动势Ef的频率必须与转子电动势频率f2相等，但f2随着转速的变化而变化的，即f2是由旋转磁场转速n0和转子转速n决定的，即
式中P—磁极对数；
s—转差率。
内反馈串级调速电动机
内反馈串级调速电动机的调速原理仍属于绕线式异步电动机转子回路串附加电动势进行调速调速的理论范畴，但该附加电动势不是通过与电网连接的逆变变压器提供，而是通过安装在定子上的调节绕组从主绕组感应过来的电动势所提供的，再通过变流装置将该电动势传入电动机的转子绕组，改变其串入电动势的大小即可实现调速的目的。
同时调节绕组吸收转子的转差率，并通过与转子旋转磁场相互作用产生正向的拖动转矩，这就使电动机从电网吸收的有功功率减少，主绕组的有功电流随着转速正比变化，达到调速节能的目的。
原理：
无刷双馈电动机是一种具有绕线式异步电动机特性，但无电刷及滑环的电动机。
其原型机实际上是一种两电动机的级联系统，即两台绕线式电动机的转子共轴，两转子绕组相互连接，第一台电动机的定子绕组接电网，通过转子传给第二台电动机的定子绕组。
第二台电动机的定子绕组称为控制绕组，相当于普通绕线式电动机的转子绕组，接串级调速或双馈装置，实现调速。
在两种绕组极对数确定的情况下，通过改变控制绕组变频器的输出频率即可实现电动机的无级调速，调速的范围与极对数和两套电源的输出频率有关，具体转速表达式为【4】
式中
—功率绕组磁极对数；
—电源频率；
—控制绕组磁极对数；
—变频器输出频率
图1无刷双馈电动机原理图图2无刷双馈变频调速电动机原理图
从式中可见，根据电源旋转磁场与变频器输出磁场方向的异同可实现双向调速，扩大了调速范围，降低了变频器的容量。
从式中可以看出，由于电源频率是固定的（50Hz），只要变频器的输出频率一定，电动机的转速就可以完全确定，调速精度很高。
无换向器电动机是指由变频器、同步电动机、转子位置检测器（测频器）组成的可变速电动机。
无换向器电动机的变频器与鼠笼式异步电动机变频调速时用的变频器相似，也分为交—直—交变频器和交—交变频器两类。
采用交—直—交变频器时，称为直流无换向器电动机；
采用交—交变频器时，称为交流无换向器电动机。
无速度传感器矢量控制变频器既具有矢量控制高性能的优点，又具有通用变频器没有速度传感器的长处，但是，在进行矢量控制时如何获得速度信号是无速度传感器矢量控制的技术关键。
无速度传感器控制系统获得速度信号的方法是用直接计算、参数辨识、状态估计、间接测量等手段，根据电动机定子较易测量的定子电压、电流计算出与速度有关的量，从而得到转子速度，并将其应用于速度反馈系统之中。
常用的方法有：
利用电动机的基本方程式（静态和动态）导出速度方程式进行计算。
根据模型参考自适应控制理论，选择合适的参考模型和可调整模型，利用自适应算法辨识出速度，利用电动机的齿谐波电势计算速度等。
直接转矩控制技术，是近10年继矢量控制技术之后发展起来的又一种新型的高性能交流变频调速技术。
实际上，由于转子磁链难以准确测量，系统特性受电动机参数的影响比较大，而且矢量变换比较复杂，存在着某些理论与实践不符的情形。
DTC理论直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，采用定子磁场定向而无需解耦电流，直接控制电动机的磁链和转矩，着眼于转矩的速度响应，以获得高效的控制性能。
这种控制技术与矢量控制技术相比，对电动机参数不敏感，不受转子参数的影响，简单易行，在很大程度上克服了矢量控制的缺点，具有广阔的发展和应用前景。
随着电压型逆变器在高性能电力电子装置，如交流传动、不间断电源和有源滤波器的应用越来越广泛，PWM控制技术作为这些系统的共用及核心技术，引起人们的高度重视，并得到深入研究。
所谓PWM技术就是利用半导体器件的开通和关断把直流电压变成一定形状的电压脉冲序列，来实现频率、电压控制和消除谐波的一门技术。
自关断器件的发展为PWM技术铺平了道路，目前几乎所有的变频调速装置都采用这一技术。
PWM技术用于变频器的控制，可以明显改善变频器输出波形，降低电动机的谐波损耗，并减小转矩脉动，同时还简化了逆变器大的结构，加快了调节速度，提高了系统的动态响应性能。
【8】
PWM技术除了用于逆变器的控制，还用于整流器的控制，PWM整流器现在已开发成功，利用它可以实现输入电流正弦和电网功率因数为1.人们称PWM整流器是对电网无污染的“绿色”整流器。
目前已经提出并得到应用的PWM控制方案有数十种，尤其是微处理器应用于PWM技术数字化以后，花样更是不断翻新，从最初追求电压波形的正弦，到电流波形的正弦，再到磁通的正弦；
从效率最优，转矩脉动最少，再到消除噪声等，PWM控制技术的发展经历了一个不断创新和不断完善的过程。
目前仍有新的方案不断提出，这说明该项技术的研究方兴未艾，不少技术已趋于成熟，并有许多已在实际中得到应用。
PWM控制技术一般可分为三类，即正弦PWM，优化PWM及随机PWM；
从实现方法上来看，大致有模似式和数字式两种，而数字式中又包括硬件、软件或查表等几种实现方式；
从控制特性来看主要可分为两种，开环式（电压或磁通控制型）和闭环式（电流或磁通控制型）。
随着计算机技术的不断进步，数字化PWM已逐步取代模拟式PWM，成为电力电子装置公用的核心技术。
交流电动机调速性能的不断提高在很大程度上是由于PWM技术的不断进步。
目前广泛采用的是在规则采样PWM的基础上发展起来的准优化PWM法，即三次谐波叠加法和电压空间矢量PWM法，这两种方法具有计算简单、实时控制容易的特点。
控制技术的数字化是静止变频装置的核心技术，是今后的发展趋势。
目前市场上的变频装置几乎全面实现了数字化控制，由于元器件的高性能和小型化，使变频装置实现了控制的高精度，采用DSP和ASIC实现了快速计算和高精度控制，可以得到良好的电流波形使变频器的噪声大幅度降低。
由于应用微电子技术和ASIC技术，装置的元器件数量得以大幅度减少，从而使变频装置的可靠性大幅度提高。
早期由于受CPU处理速度限制和离散化延迟时间的影响，电流控制响应为毫秒级，速度控制响应为10ms左右。
近年来CPU处理速度的提高和应用DSP、ASIC控制使扫描时间大幅度缩减，目前电流响应为0.1至0.7ms，速度响应为2至4ms，足以满足传动领域的控制要求。
在变频调速系统中自整定技术的应用日益广泛，它可以根据速度和负载的变化自动调整控制系统的参数，使得系统具有快速的动态响应。
自整定技术分为离线式和在线式两种。
离线式的研究成果已经在相当多的产品中应用，它是在运行系统程序之前通过运行一段自整定程序，辨识相关数据，并修改系统程序的相关参数，以期获得良好的系统控制性能。
离线式自整定的缺点是当系统运行后，不能实时修改系统参数，因而系统不能获得最佳控制性能。
在线式自整定可以实时修改控制器的参数，因为可以获得最佳控制性能。
自整定技术的研究课题包括：
扩大应用范围、提高精度、在线自整定等。
同时，改进控制技术，提高系统鲁棒性也和自整定技术紧密相联系。
【9】
现代控制理论和智能控制理论在交流传动领域应用十分活跃，在控制量（如磁链、速度、转矩、磁极位置）的检测估计已有相当成熟的研究成果，部分成果在产品中得到应用。
尤其是应用观测器的理论构成系统状态观测器，估算系统中难以用传感器检测到的物理量，改善系统控制性能，取得了良好的效果。
模糊逻辑、神经元网络、变结构控制相结合的智能控制理论在交流传动系统中具有良好的应用前景。
智能控制是从解决工程和技术问题的实践中产生和发展起来的，随着自动化程度的提高和普及，受控对象日趋复杂，对于许多难以获得数学模型或模型复杂的过程，应用经典和现代控制理论往往不能取得令人满意的控制效果，甚至完全无能为力，可是在手动控制中，熟练地操作人员却可以驾驭自如。
由此，人们很自然地产生了在自动控制技术中借鉴熟练人员经验的想法。
计算机控制技术的发展为实现这一愿望提供了可能，计算机在逻辑推理、判断、识别、决策、学习等方面的功能可以承担按照熟练操作人员和专家的经验与方法进行控制的工作。
另一方面，许多探索如何实现人脑思维功能的学术领域，如人工智能、专家系统、神经网络、模糊逻辑等的研究也取得了可喜的进展，这些研究成果从不同的角度提出了各种按照人的知识、思维进行控制的方法，统称为智能控制。
它的发展也给交流调速系统的控制策略带来了新思想、新方法，使交流传动系统的智能控制已成为当前的一个研究热点。
题目：
某发电公司引风机变频调速节能改造实例分析
（1）项目概况【6】
某发电公司引风机变频调速节能，1号机组设计出力（燃煤）为300MW，机炉配有两台AN-28静叶可调轴流式引风机，额定风量928800
，全压为3096Pa，配用TKK800-8-W型电动机，额定功率2000kW、额定电压6kV、额定电流254A，无调速装置时只能靠改变风机的静叶角度来调节风量。
由于发电机的发电负荷一般在50%至100%之间变化，引风机不能调速，只能靠改变风机的静叶角度来调节风量，造成了很大的节流损失，其设备效率仅在40%至60%。
两台电动机功率消耗达到800至1200kW，是电动机额定容量的47%至62%。
调节性能也不能满足锅炉燃烧能力及稳定性运行需要，所以有必要对引风机进行节能和调节性能改造，来满足引风机机组整体调节性能需要。
变频调速装置可以优化电动机的运行状态，大大提高了运行效率，达到了节能的目的。
过去由于受价格、可靠性以及容量等因素的限制，在我国风机调速上一直未能得到广泛的应用。
近年来，随着电力电子器件和控制技术的迅速发展，变频器的价格不断发展，可靠性不断增强，且模块化的设计使变频器的容量几乎不受限制，高压大容量变频器已逐步广泛应用。
本次该发电机公司在1号机组的引风机上，采用了两套高压变频器，利用变频器来改变电动机的转速，以此来调节引风机的风量和风压。
采用的高压变频器为HARSVERT-A电压源型全数字控制变频器，型号：
HARSVERT-A06/220，形式：
高—高，容量：
2250kVA、额定电压：
6kV、额定电流：
220A、最高频率50Hz。
改造工期从5月至六月工40天，与1号机组大修后同步启用，一号机组引风机高压变频装置于6月10号正常投放。
高压变频器与现场借口方案
某公司高压变频器控制部分由高速单片机、工控PC和PLC共同构成。
单片机实现PWM控制，工控PC提供友好的全中文WINDOWS监控和操作界面，同时可以实现远程监控和网络化控制，内置PLC则用于柜体内开关信号的逻辑处理，可以和用户现场灵活借口，满足用户的特殊需要。
该PLC使
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