Retrofity vysokonapěťových inverterů v elektrárnách

1 Základní struktura a pracovní mechanismus vysokonapěťových inverterů

1.1 Složení modulů

• Modul zpětného čidlo: Tento modul převádí vstupní vysokonapěťový střídavý proud na stejnosměrný proud. Sekce zpětného čidla se hlavně skládá z thyristorů, diod nebo jiných mohutnostních polovodičových zařízení pro dosažení převodu ze střídavého na stejnosměrný proud. Kromě toho lze prostřednictvím řídicí jednotky realizovat regulaci napětí a kompenzaci moci v určitém rozsahu.

• Modul filtrační obvod DC: Zpětně čištěný stejnosměrný proud je zpracován filtračním obvodem, který vyhlazuje kmitání napětí a tvoří stabilní stejnosměrné napětí sběrnice. Toto napětí poskytuje energetickou podporu pro následující inverzní stupeň a hraje klíčovou roli v zajištění stability výstupního napětí a dynamické reakce.

• Modul inverteru: Filtrovaný stejnosměrný proud je opět převeden na střídavý proud v modulu inverteru pomocí mohutnostních polovodičových zařízení, jako jsou IGBT, a technologie šířkové modulace pulzu (PWM). Regulací poměru časového okna a frekvence signálu PWM může inverter přesně ovládat amplitudu a frekvenci výstupního střídavého proudu, což splňuje požadavky různých zátěží, jako jsou motory, ventilátory a čerpadla. Tato technologie umožňuje inverteru poskytovat funkce, jako je měkký start, bezkrokové řízení otáček, optimalizované provozní podmínky a úspory energie.

1.2 Pracovní mechanismus

Vysokonapěťové inverty používají kaskádovou víceúrovňovou topologii, která produkuje výstupní vlnovou formu, která se blíží sinusovému průběhu. Mohou přímo vydávat vysokonapěťový střídavý proud pro pohon motorů. Tato konfigurace eliminuje potřebu dodatečných filtrů nebo transformátorů pro zvýšení napětí a nabízí výhodu nízkého obsahu harmonických složek. Rychlost motoru $n$ splňuje následující rovnici:

Kde: $P$ je počet dvojic pólek motoru; $f$ je pracovní frekvence motoru; $s$ je poměr kluzu. Protože poměr kluzu je obvykle malý (obvykle v rozmezí 0–0,05), lze regulačním nastavením frekvence zásobování motoru $f$ odpovídajícím způsobem upravit skutečnou rychlost $n$. Poměr kluzu motoru $s$ je pozitivně korelován s intenzitou zátěže – čím vyšší zátěž, tím větší poměr kluzu, což vede ke snížení skutečné rychlosti motoru.

1.3 Klíčové faktory při technickém výběru

• Vhodnost napětí: V závislosti na nominálním napětí motoru se vybere vhodná kombinace, jako je „Vysoké-Vysoké“ nebo „Vysoké-Nízké-Vysoké“. Pro motory s výkonem nad 1 000 kW se doporučuje schéma „Vysoké-Vysoké“. Pro motory do 500 kW může být prioritně zvoleno schéma „Vysoké-Nízké-Vysoké“.

• Znižování harmonických složek: Harmonické složky se snadno generují na vstupních a výstupních terminálech vysokonapěťových inverterů. Pro jejich snížení lze použít multiplexní techniky nebo dodatečné filtry. Správnou konfigurací filtrů lze harmonické zkreslení omezit na 5 %, což umožňuje efektivní potlačení harmonických složek.

• Přizpůsobení prostředí: Vysokonapěťové inverty vyžadují vzduchové nebo vodní chlazení, aby se ujistilo, že teplota v ovládací skříňi zůstane pod 40 °C. Na místech instalace inverterů jsou obvykle instalovány odvlhčovače a klimatizační jednotky. V speciálních oblastech bez klimatizace musí být při návrhu zohledněny teplotní hodnoty součástek a kapacita chladicích systémů by měla být zvýšena, aby bylo zajištěno stabilní fungování.

2 Příklad použití vysokonapěťových inverterů v elektrárnách

Elektrický systém elektrárny obvykle zahrnuje zařízení od turbogenerátorů, kotlů, vodního ošetřování, dopravy uhlí a desulfurizačních systémů. Turbinová sekce zajišťuje energii pro kondenzátorová čerpadla a cirkulační čerpadla, kotelná sekce poskytuje primární ventilátory (primární ventilátory), sekundární ventilátory a exhaustní ventilátory, zatímco sekce dopravy uhlí provozuje pásová dopravníka. Použitím vysokonapěťových inverterů pro řízení otáček těchto zařízení v závislosti na změnách zátěže lze snížit spotřebu energie, snížit spotřebu pomocné energie a zlepšit ekonomickou rentabilitu provozu.

Projekt výroby nikl-železa v Morowali na Sumatře v Indonésii mezi lety 2019 a 2023 spustil osm generátorových jednotek o výkonu 135 MW. Pro další optimalizaci vnitřních operací a snížení nákladů na výrobu byly v letech 2023 a 2024 provedeny technické modernizace, které zahrnovaly instalaci vysokonapěťových inverterů pro kondenzátorová čerpadla jednotek 1, 2, 3, 4 a 7, stejně jako pro kondenzátorová čerpadla jednotek 2 a 5.

2.1 Stav zařízení

Projekt používá pyrometalurgický proces výroby nikl-železa s 25 výrobními linkami, vybavenými osmi cirkulačními fluidizovanými kotly Dongfang Electric DG440/13.8-II1 a osmi 135 MW středně znovuvytápěnými kondenzačními parními turbogenerátory. Každá jednotka je vybavena dvěma kondenzátorovými čerpadly s pevnou frekvencí, dvěma hydraulickými spojkami pro regulaci čerpadel a šesti hydraulickými spojkami pro regulaci ventilátorů.

Kondenzátorová čerpadla a ventilátory jsou navrženy s redundantními systémy, poskytujícími 10%–20% zálohovací kapacity. Jednotky 5 a 6 fungují v ostrovním režimu s využitím zhruba 70 %. Optimalizací rychlosti motoru tak, aby odpovídala skutečné zátěži, a integrací regenerativní brzdové energie zpět do sítě, lze snížit nepotřebnou spotřebu energie ventilátory, čerpadly a dalšími zařízeními, což dále minimalizuje energetické ztráty systému.

2.2 Modernizační schéma

Na základě skutečných provozních podmínek byla provedena modernizace vysokonapěťovými inverty pro kondenzátorová a kondenzátorová čerpadla 135 MW generátorových jednotek.

• Modernizace kondenzátorových čerpadel: Byla zavedena konfigurace „Automatické Jeden na Jeden“, kde každé kondenzátorové čerpadlo je vybaveno vlastním vysokonapěťovým inverterem, včetně obchvatové skříně pro zajištění spolehlivosti systému.

• Modernizace kondenzátorových čerpadel: Byla implementována konfigurace „Jeden na Dva“, kde dva kondenzátorové čerpadla sdílejí jeden vysokonapěťový inverter, což zajišťuje vyvážení efektivity a nákladové efektivnosti.

S ohledem na místní historický maximální teplotní rozsah 23–32 °C byly vybrány komponenty, které mohou pracovat při okolní teplotě 40 °C. Kromě toho byl návrh vynuceného výfukového systému skříně inverteru upraven s ohledem na pokojovou teplotu 40 °C, aby bylo zajištěno efektivní odvádění tepla, což eliminuje potřebu samostatné místnosti pro inverter nebo klimatizační systémy.

2.3 Hodnocení ekonomických výhod

Celkové investice do tohoto projektu modernizace činily přibližně 6 milionů CNY, včetně 5 milionů CNY na zařízení, 400 000 CNY na stavbu a 600 000 CNY na pomocné materiály poskytnuté klientem. Výpočty ukazují roční úsporu energie ve výši 6,58 milionu CNY, což umožňuje vrácení investice v méně než jednom roce a úspěšně dosáhnout očekávaných ekonomických cílů.

3 Závěr

S rychlým rozvojem technologie vysokonapěťových inverterů se jejich aplikace rychle rozšiřují v různých odvětvích. V produkčních systémech elektráren by měla být aktivně propagována technologie vysokonapěťových inverterů. Prioritu by měla mít modernizace jednotek s dlouhou dobou provozu nebo těch, které naléhavě potřebují aktualizaci, protože taková opatření nabízejí významnou ekonomickou hodnotu a strategický význam.