Retrofit di Inverter ad Alta Tensione nelle Centrale Elettriche

1 Struttura di base e meccanismo di funzionamento degli inversori ad alta tensione

1.1 Composizione modulare

• Modulo rettificatore: Questo modulo converte l'energia elettrica AC ad alta tensione in ingresso in energia DC. La sezione di rettifica è costituita principalmente da tiristori, diodi o altri dispositivi semiconduttori di potenza per realizzare la conversione da AC a DC. Inoltre, attraverso un'unità di controllo, è possibile regolare la tensione e compensare la potenza entro un certo range.

• Modulo filtro DC: L'energia DC rettificata viene processata da un circuito di filtraggio per smussare le fluttuazioni di tensione, formando una tensione continua stabile sulla linea di bus. Questa tensione non solo fornisce supporto energetico per la fase successiva dell'inverter, ma svolge anche un ruolo cruciale nella garanzia della stabilità della tensione di uscita e della capacità di risposta dinamica.

• Modulo inverter: L'energia DC filtrata viene convertita nuovamente in energia AC nel modulo inverter utilizzando dispositivi semiconduttori di potenza come IGBT e la tecnologia di modulazione di larghezza d'impulso (PWM). Regolando il ciclo di lavoro e la frequenza di commutazione del segnale PWM, l'inverter può controllare con precisione l'ampiezza e la frequenza dell'energia AC di uscita, soddisfacendo i requisiti di vari carichi come motori, ventilatori e pompe. Questa tecnologia consente all'inverter di fornire funzioni come avvio morbido, controllo di velocità senza gradini, condizioni operative ottimizzate ed economia di energia.

1.2 Meccanismo di funzionamento

Gli inversori ad alta tensione utilizzano una topologia multilivello a cascata, producendo un'onda d'uscita che si avvicina strettamente a un'onda sinusoidale. Possono produrre direttamente energia AC ad alta tensione per alimentare i motori. Questa configurazione elimina la necessità di filtri aggiuntivi o trasformatori di elevazione e offre il vantaggio di un contenuto armonico ridotto. La velocità del motore $n$ soddisfa la seguente equazione:

Dove: $P$ è il numero di coppie di poli del motore; $f$ è la frequenza di funzionamento del motore; $s$ è il rapporto di scivolamento. Poiché il rapporto di scivolamento è generalmente piccolo (solitamente nell'intervallo 0–0,05), regolando la frequenza di alimentazione del motore $f$ è possibile regolare la sua velocità effettiva $n$. Il rapporto di scivolamento del motore $s$ è positivamente correlato all'intensità del carico – maggiore è il carico, maggiore sarà il rapporto di scivolamento, risultando in una diminuzione della velocità effettiva del motore.

1.3 Fattori chiave nella selezione tecnica

• Abbinamento di tensione: Selezionare schemi di abbinamento appropriati come "Alto-Alto" o "Alto-Basso-Alto" in base alla tensione nominale del motore. Per motori con potenza superiore a 1.000 kW, si consiglia lo schema "Alto-Alto". Per motori inferiori a 500 kW, lo schema "Alto-Basso-Alto" può essere prioritario.

• Mitigazione delle armoniche: Le armoniche sono facilmente generate ai terminali di ingresso e uscita degli inversori ad alta tensione. Per ridurne l'impatto, possono essere impiegate tecniche di moltiplicazione o filtri aggiuntivi. Configurando correttamente i filtri, la distorsione armonica può essere controllata entro il 5%, ottenendo una efficace soppressione delle armoniche.

• Adattabilità ambientale: Gli inversori ad alta tensione richiedono sistemi di raffreddamento ad aria o ad acqua per garantire che la temperatura interna dell'armadio di controllo rimanga al di sotto dei 40°C. Solitamente, nei siti degli inversori vengono installati deumidificatori e unità di condizionamento dell'aria. In aree speciali senza condizionamento, durante la progettazione devono essere considerate le valutazioni termiche dei componenti, e la capacità di ventilazione dei sistemi di raffreddamento deve essere aumentata per garantire un funzionamento stabile.

2 Esempio di applicazione degli inversori ad alta tensione nelle centrali elettriche

Il sistema di potenza di una centrale elettrica tipicamente include attrezzature da generatori a turbina, caldaie, trattamento dell'acqua, trasporto del carbone e sistemi di desolforizzazione. La sezione turbina fornisce energia alle pompe di alimentazione e alle pompe di circolazione, la sezione caldaia fornisce ventilatori di soffiaggio forzato (ventilatori primari), ventilatori secondari e ventilatori aspiranti, mentre la sezione di trasporto del carbone gestisce i nastri trasportatori. Utilizzando gli inversori ad alta tensione per il controllo della velocità variabile di questi dispositivi in base alle variazioni del carico, è possibile ridurre il consumo di energia, diminuire il consumo ausiliario e migliorare l'economia operativa.

Un progetto di produzione di nichel-ferro a Morowali, in Indonesia, situato sull'isola di Sumatra, ha commissionato otto unità generate da 135 MW tra il 2019 e il 2023. Per ulteriormente ottimizzare le operazioni interne e ridurre i costi di produzione, tra il 2023 e il 2024 sono stati implementati ritocchi tecnici con l'installazione di inversori ad alta tensione per le pompe di condensato delle unità 1, 2, 3, 4 e 7, nonché per le pompe di alimentazione delle unità 2 e 5.

2.1 Stato delle attrezzature

Il progetto utilizza un processo di nichel-ferro pirometallurgico con 25 linee di produzione, dotate di otto caldaie a letto fluidizzato circolante Dongfang Electric DG440/13.8-II1 e otto gruppi generatore-turbina a vapore intermedia riscaldamento a 135 MW. Ogni unità è configurata con due pompe di condensato a frequenza fissa, due pompe regolate da accoppiamenti idraulici e sei ventilatori regolati da accoppiamenti idraulici.

Le pompe di alimentazione e i ventilatori sono progettati con ridondanza, fornendo una capacità di backup del 10%-20%. Le unità 5 e 6 operano in modalità isolata con un tasso di carico di circa il 70%. Ottimizzando la velocità del motore per adattarsi alle esigenze effettive del carico e incorporando il feedback di energia di frenatura rigenerativa alla rete, si riduce il consumo energetico inutilizzato dai ventilatori, dalle pompe e altre attrezzature, minimizzando ulteriormente le perdite energetiche del sistema.

2.2 Schema di ritocco

In base alle condizioni operative effettive delle attrezzature, sono stati implementati ritocchi con inversori ad alta tensione per le pompe di alimentazione e di condensato degli impianti generanti da 135 MW.

• Ritocco delle pompe di alimentazione: È stata adottata una configurazione "Automatica Uno-a-Uno", dove ogni pompa di alimentazione è dotata di un inversore ad alta tensione dedicato, compreso un armadio di bypass per garantire la affidabilità del sistema.

• Ritocco delle pompe di condensato: È stata implementata una configurazione "Uno-a-Due", dove due pompe di condensato condividono un singolo inversore ad alta tensione, bilanciando efficienza e convenienza economica.

Considerando la gamma storica massima di temperature locali di 23-32°C, i componenti sono stati selezionati per operare a una temperatura ambiente di 40°C. Inoltre, il design di estrazione forzata dell'armadio dell'inversore è stato regolato in base a una temperatura ambiente di 40°C per garantire un'efficace dissipazione del calore, eliminando la necessità di una stanza dedicata per l'inversore o di sistemi di condizionamento dell'aria.

2.3 Valutazione del beneficio economico

L'investimento totale per questo progetto di ritocco è stato di circa 6 milioni di RMB, inclusi 5 milioni di RMB per l'attrezzatura, 400.000 RMB per la costruzione e 600.000 RMB per i materiali ausiliari forniti dal cliente. I calcoli mostrano un beneficio annuale di risparmio energetico di 6,58 milioni di RMB, permettendo di recuperare l'investimento in meno di un anno, raggiungendo con successo gli obiettivi economici previsti.

3 Conclusione

Con lo sviluppo rapido della tecnologia degli inversori ad alta tensione, le sue applicazioni si sono estese rapidamente in vari settori industriali. Nei sistemi di produzione delle centrali elettriche, dovrebbe essere promossa attivamente la tecnologia degli inversori ad alta tensione. Dovrebbe essere data priorità ai ritocchi delle unità con lunghe ore di funzionamento o quelle che necessitano urgentemente di aggiornamenti, poiché tali misure offrono un significativo valore economico e strategico.