発電所での高圧インバータの改造

1 高圧インバータの基本構造と動作メカニズム

1.1 モジュール構成

• 整流モジュール: このモジュールは、入力された高圧交流電力を直流電力に変換します。整流部は主にスイッチング素子、ダイオード、または他のパワーセミコンダクタデバイスで構成され、交流から直流への変換を実現します。また、制御ユニットを通じて、一定範囲内の電圧調整と電力補償が可能です。

• DCフィルターモジュール: 整流された直流電力は、フィルタ回路によって処理され、電圧の揺らぎが平滑化されます。これにより安定した直流バス電圧が形成されます。この電圧は、後続の逆変換ステージにエネルギー供給を行うだけでなく、出力電圧の安定性と動的応答能力の確保において重要な役割を果たします。

• 逆変換モジュール: フィルタリングされた直流電力は、IGBTなどのパワーセミコンダクタデバイスとパルス幅変調（PWM）技術を使用して、逆変換モジュール内で再び交流電力に変換されます。PWM信号のデューティサイクルと切り替え周波数を調整することで、逆変換器は出力交流電力の振幅と周波数を正確に制御し、モーター、ファン、ポンプなどのさまざまな負荷の要件を満たすことができます。この技術により、逆変換器はソフトスタート、無段階速度制御、最適な動作条件の提供、およびエネルギーセーブなどの機能を提供することができます。

1.2 動作メカニズム

高圧インバータは、多重レベルトポロジーを採用しており、出力波形は正弦波に近いものになります。これにより、追加のフィルタや昇圧トランスフォーマーなしで直接高圧交流電力を出力し、モーターを駆動することができます。この構成は、低調波含有率という利点があります。モーターの速度$n$は以下の式を満たします：

ここで：$P$はモーターの極対数；$f$はモーターの動作周波数；$s$はスリップ比です。スリップ比は通常小さく（一般的には0〜0.05の範囲）、モーターの供給周波数$f$を調整することで、その実際の速度$n$を対応させて制御することができます。モーターのスリップ比$s$は負荷強度と正の相関があり、負荷が高いほどスリップ比も大きくなり、結果としてモーターの実際の速度が低下します。

1.3 技術選択の主要要素

• 電圧マッチング: モーターの定格電圧に基づいて、「High-High」または「High-Low-High」などの適切なマッチング方式を選択します。1,000 kWを超えるモーターでは、「High-High」方式が推奨されます。500 kW未満のモーターでは、「High-Low-High」方式が優先されます。

• 調波抑制: 高圧インバータの入力端子と出力端子で容易に調波が発生します。その影響を減らすために、多重化技術や追加のフィルタを使用することができます。フィルタを適切に設定することで、調波歪みを5%以下に抑えることができ、効果的な調波抑制が可能となります。

• 環境適応性: 高圧インバータは、制御盤内の温度が40℃以下となるように空冷または水冷システムが必要です。インバータ設置場所には通常、除湿器やエアコンが設置されています。エアコンがない特別な地域では、設計時にコンポーネントの温度評価を考慮し、冷却システムの通風能力を増加させて安定した動作を確保する必要があります。

2 高圧インバータの発電所での応用例

発電所の電力システムには、タービン発電機、ボイラー、水処理、石炭搬送、脱硫システムなどの設備が含まれます。タービンセクションは給水ポンプと循環水ポンプに電力を供給し、ボイラーセクションは一次ファン（強制送風ファン）、二次ファン、誘導ファンを提供し、石炭搬送セクションはベルトコンベヤを運転します。これらの装置に対して、負荷変動に応じて高圧インバータを使用して可変速度制御を行うことで、エネルギー消費を削減し、補助電力消費を低減し、運用経済性を向上させることができます。

インドネシアのモロワリにあるニッケル鉄プロジェクトでは、2019年から2023年の間に8基の135 MW発電機が設置されました。内部運営のさらなる最適化と生産コストの削減を目的として、2023年から2024年にかけて、1号機、2号機、3号機、4号機、7号機の凝縮水ポンプと2号機、5号機の給水ポンプに高圧インバータの技術改造が行われました。

2.1 設備状況

このプロジェクトでは、25の生産ラインを有するピロメタリュルギカルニッケル鉄プロセスを採用し、東方電気製DG440/13.8-II1循環流動層ボイラー8基と135 MW中間再熱凝縮蒸気タービン発電機セット8基が設置されています。各ユニットには、固定周波数の凝縮水ポンプ2台、油圧クラッチ制御ポンプ2台、油圧クラッチ制御ファン6台が配置されています。

給水ポンプとファンは冗長設計で、10%〜20%のバックアップ容量が用意されています。5号機と6号機は島モードで運転され、負荷率は約70%です。モーターの速度を実際の負荷に合わせて最適化し、再生ブレーキエネルギーをグリッドにフィードバックすることで、ファン、ポンプなどの不要なエネルギー消費を削減し、システムのエネルギーロスをさらに最小限に抑えています。

2.2 改造計画

実際の設備運転状況に基づき、135 MW発電機セットの給水ポンプと凝縮水ポンプに高圧インバータの改造が実施されました。

• 給水ポンプ改造: 「自動1対1」構成を採用し、各給水ポンプに専用の高圧インバータを装備し、バイパスキャビネットを設置してシステムの信頼性を確保しました。

• 凝縮水ポンプ改造: 「1対2」構成を実施し、2つの凝縮水ポンプが1つの高圧インバータを共有することで、効率とコスト効果のバランスを取っています。

現地の歴史的な最高気温範囲が23〜32℃であることから、コンポーネントは40℃の環境温度で動作できるように選定されました。また、インバータキャビネットの強制排気設計は、40℃の室温を基準に調整され、効果的な熱放出が可能となり、専用のインバータルームやエアコンシステムが不要になりました。

2.3 経済効果評価

この改造プロジェクトの総投資額は約600万人民元で、設備費が500万人民元、建設費が40万人民元、顧客が提供した補助材料費が60万人民元でした。計算によると、年間の節電効果は658万人民元であり、投資回収期間は1年未満で、予想された経済目標を達成しました。

3 結論

高圧インバータ技術の急速な発展とともに、その応用範囲は様々な産業分野に広がっています。発電所の生産システムにおいては、高圧インバータ技術の積極的な導入が求められます。特に長時間稼働しているユニットや緊急にアップグレードが必要なユニットに対して、このような措置は大きな経済的価値と戦略的重要性を持っています。