变频调速技术在电力系统中的应用综合分析

【摘要】文章通过分析变频调速技术的优势和在各个方面的应用，以及对其未来发展趋势的展望，对电力系统今后的发展提供一定的参考。电力行业的发展，越来越多的发电站建立起来，我国每年的电能消耗在总能源消耗中占据着相当大的比例，为了节约电能，避免资源浪费，必须采取新方法。而经过长期的发展，计算机技术逐渐成熟，已深入每一个行业，同时自动控制技术也有了相应的进步，在此背景下，交流调速技术也应运而生，解决了许多以往直流调速无法解决的问题，而变频调速技术是其基本组成部分，在电力系统总发挥着不可代替的作用。

1、变频调速技术概述

交流变频调速技术在20世纪得到了迅速发展。这与一些关键性技术的突破性进展有关，它们是交流电动机的矢量控制技术、直接转矩控制技术以及以微型计算机和大规模集成电路为基础的全数字化控制技术等。

（1）矢量控制技术

矢量变换控制技术是西门子公司于1971年提出的一种新的控制思想和控制理论。它是以转子磁场定向，采用矢量变换的方法实现定子电流励磁分量和转矩分量之间的解耦，达到对交流电动机的磁链和电流分别控制的目的，从而获得了优良的静、动态性能。迄今为止，矢量控制技术已经获得了长足的发展，并得到了广泛的应用。

（2）直接转矩控制技术

继矢量控制技术出现之后，1985年，德国的M.Depenblock提出了一种新型的高性能变频调速技术――直接转矩控制技术（DTC）。直接转矩控制技术与矢量控制技术相比，其性能较高，采用电子磁场定向，不需要解耦电流，直接控制电动机磁链和转矩，以使转矩得到快速响应。而且电机参数和转子参数对直接转矩控制技术的影响不大，其工作原理比较简单，很容易掌握，进一步发展和应用的前景相当广阔。

（3）数字化控制技术

随着科技的进一步进步和发展，数字化控制技术逐渐成为技术主流，符合现在时代发展的潮流。早期的矢量控制技术和直接转矩控制技术在一定程度上无法满足市场的需要，那么数字化控制技术应运而生，数字化控制技术可以快速运算和良好的控制精度问题，使得运转噪音大大降低，大大缩短工作时间。而且使用数字化控制技术的变频器的体积将大大减小，提高了信息处理的效率，实现了之前人工技术和模拟技术都无法实现的效果。

（4）PWM控制技术1964年，德国的A.Schnung等率先提出了脉宽调制(PWM-pulsewidthmodulation)变频的思想，为近代交流调速系统开辟了新的发展领域。PWM控制技术通过改变矩形脉冲的宽度来控制逆变器输出交流基波电压的幅值，通过改变调制周期来控制其输出频率，从而在逆变器上同时进行输出电压幅值和频率的控制。PWM技术简化了逆变器的结构，能够明显的改善变频器的输出波形，降低电动机的谐波损耗，并减小转矩脉动，同时提高了系统的动态响应性能。PWM技术还可用于整流器的控制，能够实现输入电流非常接近正弦，并可使电网功率因数为1，PWM整流器因而被称为“绿色”变流器。目前，PWM技术已成为变频器中应用最为广泛的控制技术，交流电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。目前广泛应用的是在规则采样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。在变频电路拓扑结构方面，基于双PWM技术的交—直—交变频器和矩阵式变频器，是变频调速技术的******发展趋势。

2、未来变频技术发展趋势

（1）间接高压变频器间接高压变频器也称高—低—高型变频器，它由输入、输出变压器和低压变频器组成。输入变压器为降压变压器，它将高压电源降至变频器所允许的电压，经低压变频器后，再经输出变压器即升压变压器升压后，供给高压电动机。高—低—高型高压变频器由于经历两次电压变换，增加了电能损耗，影响了节能效果，并且占地面积大，还产生了大量的高次谐波，具有较明显的缺陷。由于这种技术难度相对较低，投资相对较少，一般适用于功率小于200kW的高压电动机。

（2）直接高压变频器

单元串联多电平高压变频器单元串连多电平变频器一般采用多重化技术，所谓多重化技术就是采用若干个低压PWM功率单元串连的方式实现直接高压输出，其结构原理如图1所示。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。这项技术由美国罗宾康公司发明并申请专利，取名为“完美无谐波变频器”。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，具有对电网谐波污染小、输入功率因数高、不必采用输入谐波滤波器和功率因数补偿装置，不存在由谐波引起的电动机附加发热和转矩脉动、噪声、共模电压等问题。其输出电压为2kV、3kV和6kV，功率为800~5600kW。适合于功率在1MW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。

（3）在开关器件方面，IGBT变频器已成为20世纪90年代变频调速技术的主流，在21世纪初相当长的一段时间内仍将是电气传动领域的主导变频器。功率变换、驱动、检测、控制、保护等功能的集成化促成了功率器件及变频器的智能化，同时采用新电力电子器件IGBT、IEGT(集成发射式门极晶闸管)、GaAs(砷化镓)、SiC(碳化硅复合器件)、光控IGBT及超导功率器件的新功能变频器将会进一步研究开发。

采用高压IGBT、IGCT的三电平大容量变频器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，这些器件很难直接应用于6kV的电压。最近几年来，许多国家开始研制开发新材料及新的高耐压器件。ABB和西门子公司已开发出高耐压开关器件，如ABB公司的IGCT(场控晶体管)，耐压值为39kV。西门子的HV-IGBT，耐压值为56KV。

（4）西门子、ABB公司、GE公司和Cegelec公司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的结构研制开发了自己的高压变频器，其中典型的产品如西门子公司的SIMOVERTMV系列变频器。SIMOVERTMV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，使得串连器件数减少为12个，可靠性更高，并且降低了成本，减小了柜体尺寸。由于SIMOVERT-MV系列变频器的逆变部分采用传统的三电平方式，如图2所示，所以不可避免的会产生较大的谐波分量，这是三电平逆变方式所固有的。因此SIMOVERTMV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。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。这是该类变频器的缺点所在，因而限制了其应用。目前，高压变频器正向着高可靠性、低成本、高输入功率因数、高效率、低输入输出谐波、低共模电压和低dv/dt等方向发展。此外，基于DSP技术的无速度传感器矢量控制技术以及串联功率单元的热插拔、热备份等技术为高压大功率变频器的发展提供了更为广阔的空间。

（5）实现高水平的控制

基于电动机和机械模型的控制策略，有矢量控制、磁场控制、直接传矩控制和机械扭振补偿等；基于现代理论的控制策略，有滑模变结构技术、模型参考自适应技术、采用微分几何理论的非线性解耦、鲁棒观察器，在某种指标意义下的******控制技术和逆奈奎斯特阵列设计方法等；基于智能控制思想的控制策略，有模糊控制、神经元网络、专家系统和各种各样的自优化、自诊断技术等。

 

图1变频控制实验装置

（6）开发清洁电能的变流器

清洁电能变流器，其实指的就是将变流器的功率因数调至为1，谐波分量应该尽可能低的出现，尽量不要出现在网侧或者负载侧，只有这样，才能************地将对电网造成的损害值降到******，同时也可减少电动机的转矩脉动，从而提高电动机的安全性，延长其使用寿命。对于那些中小容量的变流器，可通过提高开关频率的方式来实现。而对于大容量变流器，如果开关频率是固定值的情况下，可通过对电路结构的改变或者借助新的控制方式，来完成清洁电能的转换工作。

3、变频调速技术在电力系统中的应用

一是无功补偿原理的作用：无功补偿装置装设的目的是对供电效率进行提高，对供电环境进行改善，它将两种负荷之间能量交换的原理给充分利用了起来，来对供电变压器和输送线之间的耗损进行补偿，在供电系统中，无功补偿装置是不可获取的一个组成部分；只有合理选择了补偿装置，将其应用于电力系统中，才可以对电网功率因数进行有效的提高，对网络耗损进行******限度的减少，促使电网质量得到有效提高。

在对无功补偿装置进行选择时，通常是将分组投切的电容器以及电抗器应用过来，在一些特殊情况下，调相机以及静止无功补偿装置也是不错的选择；满足了无功平衡的要求，为了促使电压质量标准的要求得以实现，还需要将调压装置应用过来。要将分层分区以及就地平衡的原则应用到电网的无功补偿中，同时，还需要将变电站的无功调节能力给充分纳入考虑范围，并且将电压优化以及功率因数给大力推广开来，积极的应用先进的技术，如电网无功管理系统软件等等，促使电网质量得到更加好的提高，促使电网更加安全可靠的运行。

二是变频器负载标准：相较于变压器和电动机的发热时间，半导体器件的发热时间往往较小，通常在计算时候都采用的是分钟，如果出现了过载超温问题，将会带来很大的问题。因此，就需要严格规定负载条件。需要对变流器的运行种类进行划分，第一级额定输出为电流完全输出，过载情况不会出现；第二级为可以连续输出基本负载电流，短时过载运行可以达到百分之五十；第三级到第六级过载则需要更长的时间。目前在市场上，一般只对第二级以及第一级进行销售。此外，还需要结合生产机械负载性能和调速范围等要求，来对变频器进行合理选择。

变频调速技术以其卓越的调速性能、完善的保护功能、显著的节能效果和及易与自动控制系统接口实现自动调节等特点成为企业技术改造和设备节能降耗的一种行之有效的途径。近几年来，变频调速技术在电力系统中的应用日益广泛，在节能降耗、改善工艺等方面逐渐表现出其优越的性能。

（1）变频调速技术在电力系统节能方面的应用节能是变频器在电力系统中的主要应用领域。

美国、日本及西欧各国对火电厂用水泵和风机正大力推广应用变频调速方式。在美国和原苏联进行的一项独立研究表明，用变频调速传动装置代替传统的无转速调节电气传动装置时，泵可节能25%，风机可节能30%。因此将变频调速技术应用于风机、水泵等设备将会取得显著的经济效益。

图2水泵变频控制图

变频调速技术在锅炉给水泵传动系统中的应用。

目前国内火电厂在给水传动系统中应用变频器还只是个别机组。例如大庆新华电厂在100MW调峰机组的2300kW给水泵上就采用了美国Robicon公司“完美无谐波”系列变频器。据作者考察，国外发达国家是把锅炉给水泵传动系统作为推广应用变频器的主要对象之一。例如美国EPRI在1984~1989年关于变频器应用于电厂辅机可调速传动现场试验计划，就把SierraPacific电力公司第一邱吉尔电厂的一台149kW的锅炉给水泵传动系统作为******对象。俄罗斯莫斯科电力研究院研制的3TBA系列功率元件串联型高压变频器也首先应用于莫示瓦区域电厂200MW燃煤机组的5000kW锅炉给水泵上。由此可见，锅炉给水泵传动系统也是火电厂利用变频器进行节能改造的主要对象之一。

在锅炉送引风机传动系统中的应用。

目前国内火电厂在其辅机传动系统中使用或正在安装的6kV变频器总台数为87台，总功率约为96400kW。其中锅炉送引风机系统的变频器约66台，功率约为77000kW，占总台数的76%，占总功率的80%。可见，锅炉送引风机是目前电厂应用变频调速技术进行节能改造的******和主要对象。变频调速系统可控制引风机在******流量时，运行在比额定功率运行点低很多的运行点上，从而达到节能的目的。

（4）交流变频调速技术在电力系统改善工艺，提高控制精度等方面也有实际应用。

交流电力拖动具备宽的调速范围、高的调速精度、快的动态响应以及在四象限作可逆运行等良好的技术性能。因此在电力系统中，不仅在节能方面需要变频器，许多需要精确控制流量、压力及液位的场所都可以采用变频器。

图3控制型变频器

国内很多火电厂采用变频调速技术对燃料控制系统进行改造，利用变频器和鼠笼式异步电动机组成给粉机变频调速系统。

由于变频调速线性、稳定性好，能够迅速改变进入炉膛的煤粉量，使机前压力很快的稳定下来，并且调速稳定、线性度好、可靠性高、调速范围宽，与上层燃料控制系统接口简单易实现，改善了燃料控制系统的调节品质。在稳态工况下，主汽压力在±0.1%MPa范围内波动;在动态工况如以5%负荷升、降速率下改变10%负荷，主汽压力在±0.2MPa范围内波动。其动态调节品质和稳态运行性能均优于滑差调速控制。

4、结语

综合以上分析可知，变频调速技术自诞生以来就在诸多领域得到了广泛的应用。而且随着技术的不断完善和成熟，在节约电能方面取得了良好效果。这是一门具备节能特点的高新技术，为适应不断变化的电力系统，有必要进行推广，并不断提高整体水平，从而加快生产效率，提高产品质量。随着电力电子器件制造技术、基于电力电子电路的电力变换技术以及各种控制技术的发展和完善，交流变频调速技术将日趋成熟，并将成为未来交流调速的主流。交流变频调速技术在电力系统中的应用表明其在节能降耗、改善工艺和提高控制精度等方面有着很好的应用前景。