Højspændingsinverter-retrofits i kraftværker

1 Grundlæggende struktur og driftsmekanisme for højspændingsinvertere

1.1 Modulopbygning

• Rektifiermodul: Dette modul konverterer den indgående højspændingsvæxstrøm til gennemstrøm. Rektifikationssektionen består hovedsageligt af thyristorer, dioder eller andre effektleddeteknologier for at opnå konvertering fra væxtil gennemstrøm. Desuden kan der gennem en styreenhed realiseres spændingsregulering og effektkompensation inden for et bestemt område.

• GDC-filtermodul: Den rektificerede gennemstrøm behandles af et filtrercircuit for at udjævne spændingsfluktuationer, hvilket danner en stabil GDC-bussespænding. Denne spænding yder ikke kun energistøtte til den efterfølgende inverterstadium, men spiller også en vigtig rolle i at sikre stabilitет на выходного напряжения и динамической реакции.

• Invertermodul: Den filtrerede gennemstrøm konverteres tilbage til væxstrøm i invertermodulen ved hjælp af effektleddeteknologier som IGBT'er og puls bredde modulation (PWM). Ved at justere pladsforholdet og skiftfrekvensen på PWM-signalet kan inverteren præcist kontrollere amplituden og frekvensen på den udgående væxstrøm, hvilket opfylder kravene for forskellige belastninger såsom motore, flisere og pumper. Denne teknologi giver inverteren mulighed for at levere funktioner som blød start, trinsløs hastighedsregulering, optimerede driftsforhold og energibesparelse.

1.2 Driftsmekanisme

Højspændingsinvertere anvender en kaskaderet multilevel topologi, der producerer en udgangswaveform, der tæt approksimerer en sinusbølge. De kan direkte producere højspændingsvæxstrøm til at drive motore. Denne konfiguration eliminerer behovet for yderligere filtre eller stigningstransformatorer og byder på fordelene med lav harmonisk indhold. Motorens hastighed $n$ opfylder følgende ligning:

Hvor: $P$ er antallet af polpar i motoren; $f$ er driftsfrekvensen for motoren; $s$ er slipratio. Da slipratio typisk er lille (normalt i intervallet 0–0,05), kan justering af motorens frekvens $f$ give en korresponderende regulering af dens faktiske hastighed $n$. Slipratio for motoren $s$ er positivt korreleret med belastningsintensitet – jo højere belastning, jo større slipratio, hvilket fører til en reduktion i motorens faktiske hastighed.

1.3 Nøglefaktorer i teknisk valg

• Spændingsmatchning: Vælg passende matchningskonfigurationer som "Høj-Høj" eller "Høj-Lav-Høj" baseret på motorens nominelle spænding. For motorer med effekt over 1.000 kW anbefales "Høj-Høj"-konfigurationen. For motorer under 500 kW kan "Høj-Lav-Høj"-konfigurationen prioriteres.

• Harmonisk reduktion: Harmoniske er let genereret ved indgangs- og udgangsterminalerne for højspændingsinvertere. For at reducere deres indflydelse kan multiplexteknikker eller yderligere filtre anvendes. Ved korrekt konfiguration af filtre kan harmonisk forvrængning kontrolleres inden for 5%, hvilket resulterer i effektiv harmonisk reduktion.

• Miljøtilpasning: Højspændingsinvertere kræver luftafkøling eller vandafkølingssystemer for at sikre, at temperaturen i styringskabinetten forbliver under 40°C. Fugtighedsabsorberende enheder og luftbehandlingsanlæg installeres normalt på invertersteder. I specielle områder uden luftbehandling skal komponenttemperaturrating overvejes under design, og ventilationskapaciteten for afkølingssystemer bør øges for at sikre stabil drift.

2 Anvendelseseksempel på højspændingsinvertere i kraftværker

En kraftværks strømsystem inkluderer normalt udstyr fra turbin-generatoren, koger, vandbehandlingsanlæg, kultransport og desulfureringssystemer. Turbine-sektionen leverer strøm til feedwater-pumper og cirkulationsvandpumper, mens koger-sektionen leverer tvangsgivet fliser (primære fliser), sekundære fliser og inducerede fliser, mens kultransport-sektionen driver båndtransportere. Ved at bruge højspændingsinvertere til variabelhastighedsregulering af disse enheder baseret på belastningsvariationer, kan energiforbruget reduceres, hjælpestrømforbruget nedbringes, og driftsøkonomien forbedres.

Et nikkel-jernproduktionsprojekt i Morowali, Indonesien, beliggende på Sumatra-øen, indtog otte generatorenheder på 135 MW mellem 2019 og 2023. For at yderligere optimere interne driftsforhold og reducere produktionsomkostninger blev tekniske moderniseringer, der involverede installation af højspændingsinvertere, implementeret mellem 2023 og 2024 for kondensatpumperne på enhederne 1, 2, 3, 4 og 7, samt feedwater-pumperne på enhederne 2 og 5.

2.1 Udstyrsstatus

Projektet anvender en pyrometalurgisk nikkel-jernproces med 25 produktionslinjer, udstyret med otte Dongfang Electric DG440/13.8-II1 cirkulerende fluidiserede kogere og otte 135 MW mellemreheat-kondenserende damp-turbinegeneratorsett. Hver enhed er konfigureret med to fastfrekvenskondensatpumper, to hydraulisk koppler-regulerede pumper og seks hydraulisk koppler-regulerede fliser.

Feedwater-pumper og fliser er designet med redundancy, der giver 10%–20% backup kapacitet. Enhederne 5 og 6 opererer i ø-mode med en belastningsrate på cirka 70%. Ved at optimere motorens hastighed til at matche de faktiske belastningskrav og ved at integrere regenerativ bremseenergifeedback til nettet, reduceres unødvendigt energiforbrug fra fliser, pumper og andet udstyr, hvilket yderligere minimaliserer systemets energitab.

2.2 Moderniseringsprogram

Baseret på det faktiske driftsforhold for udstyr, blev højspændingsinvertermoderniseringer implementeret for feedwater- og kondensatpumperne på 135 MW-generatorsettene.

• Feedwater-pumpemodernisering: En "Automatisk én-til-én" konfiguration blev anvendt, hvor hver feedwater-pumpe er udstyret med en dedikeret højspændingsinverter, herunder en bypass-skab for at sikre systemets pålidelighed.

• Kondensatpumpemodernisering: En "én-til-to" konfiguration blev implementeret, hvor to kondensatpumper deler en højspændingsinverter, hvilket balancerer effektivitet og kostnadseffektivitet.

Med henblik på det lokale historiske maksimumstemperature-interval på 23–32°C blev komponenter valgt til at fungere ved en omgivelsistemperatur på 40°C. Desuden blev den tvungne udluftningsdesign for inverterkabinetten justeret baseret på en rumtemperatur på 40°C for at sikre effektiv varmeafledning, hvilket eliminere behovet for et dedikeret inverterrum eller luftbehandlingsanlæg.

2.3 Økonomisk fordelvurdering

Den totale investering for dette moderniseringsprojekt var ca. 6 millioner RMB, herunder 5 millioner RMB for udstyr, 400.000 RMB for konstruktion og 600.000 RMB for hjælpematerialer, som blev leveret af kunden. Beregninger viser en årlig energibesparelsesfordele på 6,58 millioner RMB, hvilket gør, at investeringen kan genvindes i mindre end ét år, og dermed opnås de forventede økonomiske mål.

3 Konklusion

Med hurtig udvikling af højspændingsinverterteknologi har dens anvendelsesområder hurtigt udvidet sig i forskellige brancher. I kraftværksproduktionssystemer bør højspændingsinverterteknologi aktivt fremmes. Prioritet bør gives til modernisering af enheder med lange driftstider eller dem, der har brug for akut opgradering, da sådanne foranstaltninger har betydelig økonomisk værdi og strategisk betydning.