Retrofits d'inversors de alta tensió a centrals elèctriques

1 Estructura bàsica i mecanisme d'operació dels inversors de alta tensió

1.1 Composició del mòdul

• Mòdul rectificador: Aquest mòdul converteix la corrent alternada (CA) d'alta tensió d'entrada en corrent contínua (CC). La secció de retificació consta principalment de tiristors, diodes o altres dispositius semiconductors de potència per aconseguir la conversió de CA a CC. Addicionalment, a través d'una unitat de control, es pot realitzar la regulació de tensió i la compensació de potència dins d'un cert rang.

• Mòdul de filtre CC: La corrent CC retificada es processa amb un circuit de filtratge per suavitzar les fluctuacions de tensió, formant una tensió de bus CC estable. Aquesta tensió no només proporciona suport energètic per a l'estadi d'inversió posterior, sinó que també joca un paper crucial en assegurar la estabilitat de la tensió de sortida i la capacitat de resposta dinàmica.

• Mòdul inversor: La corrent CC filtrada es converteix de nou en corrent alternada (CA) al mòdul inversor utilitzant dispositius semiconductors de potència com els IGBT i la tecnologia de modulació d'amplada de pols (PWM). Regulant el cicle de treball i la freqüència de commutació del senyal PWM, l'inversor pot controlar amb precisió l'amplitud i la freqüència de la corrent CA de sortida, complint els requisits de diversos càrregues com motors, ventiladors i bombes. Aquesta tecnologia permet que l'inversor ofereixi funcions com l'arranc suau, el control de velocitat sense passos, condicions d'operació optimitzades i l'estalvi d'energia.

1.2 Mecanisme d'operació

Els inversors de alta tensió utilitzen una topologia multínivell en cascada, produint una forma d'ona de sortida que s'aproxima molt a una ona sinusoidal. Poden produir directament corrent CA d'alta tensió per a alimentar motors. Aquesta configuració elimina la necessitat de filtres addicionals o transformadors elevadors i ofereix l'avantatge d'un contingut harmònic baix. La velocitat del motor $n$ satisfà la següent equació:

On: $P$ és el nombre de parells de pols del motor; $f$ és la freqüència d'operació del motor; $s$ és el rati de lliscament. Com que el rati de lliscament sol ser petit (generalment en el rang de 0–0,05), ajustant la freqüència d'alimentació del motor $f$ es pot regular la seva velocitat real $n$. El rati de lliscament del motor $s$ està positivament correlacionat amb la intensitat de càrrega—més alta és la càrrega, més gran és el rati de lliscament, resultant en una disminució de la velocitat real del motor.

1.3 Factors clau en la selecció tècnica

• Ajust de tensió: Seleccioneu esquemes d'ajust adequats com "Alta-Alta" o "Alta-Baixa-Alta" basant-se en la tensió nominal del motor. Per a motors amb una potència superior a 1.000 kW, es recomana l'esquema "Alta-Alta". Per a motors inferiors a 500 kW, es pot prioritzar l'esquema "Alta-Baixa-Alta".

• Atenuació d'harmòniques: Les harmòniques es generen fàcilment als terminals d'entrada i sortida dels inversors de alta tensió. Per reduir-ne l'impacte, es poden utilitzar tècniques de multiplexat o filtres addicionals. Configurant correctament els filtres, la distorsió harmònica es pot controlar dins del 5%, assolint una supressió eficaç d'harmòniques.

• Adaptabilitat ambiental: Els inversors de alta tensió requereixen sistemes de refrigeració per aire o aigua per assegurar que la temperatura interna de l'armari de control roman inferior a 40°C. Normalment, es instal·len deshumidificadors i unitats d'acondicionament d'aire en els llocs d'inversió. En àrees especials sense acondicionament d'aire, s'han de considerar les valoracions de temperatura dels components durant el disseny, i augmentar la capacitat de ventilació dels sistemes de refrigeració per assegurar una operació estable.

2 Exemple d'aplicació dels inversors de alta tensió en centrals elèctriques

El sistema elèctric d'una central elèctrica inclou típicament equips de turbinogeneradors, calderes, tractament d'aigua, transport de carbó i sistemes de dessulfurització. La secció de turbina subministra energia a les bombes d'aigua de alimentació i les bombes d'aigua cíclica, la secció de caldera proporciona ventiladors de forçament (ventiladors primaris), ventiladors secundaris i ventiladors d'extracció, mentre que la secció de transport de carbó opera cintes transportadores. Utilitzant inversors de alta tensió per al control de velocitat variable d'aquests dispositius en funció de les variacions de càrrega, es pot reduir el consum d'energia, disminuir el consum d'energia auxiliar i millorar l'economia operativa.

Un projecte de producció de níquel-ferr a Morowali, Indonèsia, situat a l'illa de Sumatra, va encarregar vuit unitats generadores de 135 MW entre 2019 i 2023. Per a una optimització interna més avançada i una reducció dels costos de producció, es van implementar retrofits tècnics amb la instal·lació d'inversors de alta tensió entre 2023 i 2024 per a les bombes de condensat de les Unitats 1, 2, 3, 4 i 7, així com les bombes d'aigua de alimentació de les Unitats 2 i 5.

2.1 Estat de l'equipament

El projecte utilitza un procés pirometal·lúrgic de níquel-ferr amb 25 línies de producció, dotades amb vuit calderes de cama fluiditzada DG440/13.8-II1 de Dongfang Electric i vuit conjunts de turbinogeneradors de vapor condensat intermedi reheat de 135 MW. Cada unitat està configurada amb dues bombes de condensat de freqüència fixa, dues bombes regulades per acoblador hidràulic i sis ventiladors regulats per acoblador hidràulic.

Les bombes d'aigua de alimentació i els ventiladors estan dissenyats amb redundància, proporcionant una capacitat de reserva del 10%–20%. Les Unitats 5 i 6 operen en mode insular amb una taxa de càrrega d'aproximadament el 70%. Optimitzant la velocitat del motor per adaptar-se a les necessitats reals de càrrega i incorporant l'energia de frenat regenerativa al xarxif, es redueix el consum d'energia innecessari dels ventiladors, bombes i altres equips, minimitzant així les pèrdues d'energia del sistema.

2.2 Esquema de retrofit

Basant-se en les condicions reals d'operació de l'equipament, es van implementar retrofits d'inversors de alta tensió per a les bombes d'aigua de alimentació i les bombes de condensat dels conjunts generadors de 135 MW.

• Retrofit de bombes d'aigua de alimentació: S'adoptà una configuració "Automàtica Un-a-Un", on cada bomba d'aigua de alimentació disposa d'un inversor de alta tensió dedicat, inclos un armari bypass per assegurar la fiabilitat del sistema.

• Retrofit de bombes de condensat: S'implementà una configuració "Un-a-Dos", on dues bombes de condensat comparteixen un inversor de alta tensió, equilibrant l'eficiència i la rentabilitat.

Tenint en compte l'interval històric de temperatures màximes locals de 23–32°C, es van seleccionar components per operar a una temperatura ambient de 40°C. A més, el disseny d'exhaustió forçada de l'armari d'inversió es va ajustar basant-se en una temperatura de sala de 40°C per assegurar una dissipació eficaç del calor, eliminant la necessitat d'una sala d'inversió dedicada o sistemes d'acondicionament d'aire.

2.3 Avaluació del benefici econòmic

La inversió total per a aquest projecte de retrofit va ser d'aproximadament 6 milions de RMB, incloent 5 milions de RMB per a l'equipament, 400.000 RMB per a la construcció i 600.000 RMB per als materials auxiliars proporcionats pel client. Els càlculs mostren un benefici anual d'estalvi d'energia de 6,58 milions de RMB, permetent la recuperació de la inversió en menys d'un any i assolint amb èxit els objectius econòmics esperats.

3 Conclusió

Amb el desenvolupament ràpid de la tecnologia d'inversors de alta tensió, les seves aplicacions han crescut ràpidament en diverses indústries. En els sistemes de producció de centrals elèctriques, s'ha de promoure activament la tecnologia d'inversors de alta tensió. S'ha de donar prioritat a la renovació d'unitats amb moltes hores d'operació o aquelles que necessiten urgentment actualitzacions, ja que aquestes mesures oferixen un gran valor econòmic i estratègic.