Hoogspanningsomvormer Retrofits in Energiecentrales

1 Basisstructuur en werking van hoogspanningsinverters

1.1 Modulecompositie

• Rectificatiemodule: Deze module zet de ingevoerde hoogspanningswisselstroom om in gelijkstroom. Het rectificatiegedeelte bestaat voornamelijk uit thyristors, dioden of andere krachtigheidssemiconductorapparatuur om de conversie van wisselstroom naar gelijkstroom te realiseren. Daarnaast kan via een controle-eenheid spanningregeling en vermogenscompensatie binnen een bepaald bereik worden gerealiseerd.

• Gelijkstroomfiltermodule: De gerechtigde gelijkstroom wordt verwerkt door een filtercircuit om spanningsfluctuaties glad te maken, waardoor een stabiele gelijkstroombusspanning ontstaat. Deze spanning biedt niet alleen energieondersteuning voor het volgende invertertraject, maar speelt ook een cruciale rol bij het waarborgen van de stabiliteit van de uitgangsspanning en de dynamische responscapaciteit.

• Invertermodule: De gefilterde gelijkstroom wordt in de invertermodule teruggezet in wisselstroom met behulp van krachtigheidssemiconductorapparatuur zoals IGBT's en pulswidtemodulatie (PWM)-technologie. Door de tijdsduur en schakelfrequentie van het PWM-signaal aan te passen, kan de inverter de amplitude en frequentie van de uitgaande wisselstroom nauwkeurig regelen, voldoende aan de eisen van verschillende belastingen zoals motoren, ventilatoren en pompen. Deze technologie stelt de inverter in staat functies zoals soft start, traploze snelheidsregeling, geoptimaliseerde werkcondities en energiebesparingen te bieden.

1.2 Werking

Hoogspanningsinverters gebruiken een gekoppelde meerniveaustructuur, die een uitgangsgolf produceert die dicht bij een sinusgolf ligt. Ze kunnen direct hoogspanningswisselstroom uitzenden om motoren aan te drijven. Deze configuratie elimineert de noodzaak voor extra filters of opstuwwandelaars en biedt het voordeel van een lage harmonische inhoud. De motorsnelheid $n$ voldoet aan de volgende vergelijking:

Waarbij: $P$ het aantal polenparen van de motor is; $f$ de werksfrequentie van de motor; $s$ de slipratio. Aangezien de slipratio doorgaans klein is (meestal in het bereik van 0–0,05), kan het aanpassen van de toeleveringsfrequentie $f$ van de motor de daadwerkelijke snelheid $n$ overeenkomstig regelen. De motorslipratio $s$ is positief gerelateerd aan de belastingsintensiteit – hoe hoger de belasting, hoe groter de slipratio, wat resulteert in een afname van de daadwerkelijke motorsnelheid.

1.3 Belangrijke factoren in technische selectie

• Spanningsmatch: Selecteer geschikte matchingschema's zoals "Hoog-Hoog" of "Hoog-Lag-Hoog" op basis van de nominale spanning van de motor. Voor motoren met een vermogen boven 1.000 kW wordt het "Hoog-Hoog"-schema aanbevolen. Voor motoren onder 500 kW kan het "Hoog-Lag-Hoog"-schema prioriteit krijgen.

• Harmonische verminderingsmaatregelen: Harmonischen worden gemakkelijk gegenereerd op de ingangs- en uitgangsterminals van hoogspanningsinverters. Om hun impact te verminderen, kunnen multiplexingtechnieken of extra filters worden toegepast. Door filters goed te configureren, kan de harmonische vervorming binnen 5% worden gehouden, waarmee effectieve harmonische onderdrukking wordt bereikt.

• Milieu-aanpassing: Hoogspanningsinverters vereisen lucht- of waterkoelsystemen om ervoor te zorgen dat de interne temperatuur van de schakelkast onder de 40°C blijft. Ontvochtigers en airconditioningsystemen worden meestal geïnstalleerd op inverterlocaties. In speciale gebieden zonder airconditioning moeten componententemperatuurclassificaties tijdens het ontwerp worden overwogen, en moet de ventilatiecapaciteit van koelsystemen worden verhoogd om stabiel functioneren te garanderen.

2 Toepassingsvoorbeeld van hoogspanningsinverters in elektriciteitscentrales

Het energiestelsel van een elektriciteitscentrale omvat doorgaans apparatuur van turbines, ketels, waterzuivering, kolenvervoer en desulfurisatiesystemen. Het turbinesegment levert stroom aan voedingswaterpompen en circulatiepompen, het ketelsegment voorziet in forcerende ventilatoren (primaire ventilatoren), secundaire ventilatoren en inducerende ventilatoren, terwijl het kolenvervoersegment bandtransporteurs bedient. Door gebruik te maken van hoogspanningsinverters voor variabele snelheidsregeling van deze apparaten op basis van belastingsvariaties, kan energieverbruik worden verminderd, hulpvermogen worden verlaagd en de operationele economie worden verbeterd.

Een nikkel-ijzerproductieproject in Morowali, Indonesië, gelegen op Sumatra, heeft tussen 2019 en 2023 acht generatoren van 135 MW geïnstalleerd. Om de interne operaties verder te optimaliseren en de productiekosten te verlagen, werden technische upgrades uitgevoerd tussen 2023 en 2024, waarbij hoogspanningsinverters werden geïnstalleerd voor de condensatiepompen van Units 1, 2, 3, 4 en 7, evenals de voedingswaterpompen van Units 2 en 5.

2.1 Apparaatstatus

Het project maakt gebruik van een pyrometallurgisch nikkel-ijzerproces met 25 productielijnen, uitgerust met acht Dongfang Electric DG440/13.8-II1 circulerende vloeibare bedketels en acht 135 MW intermediaire herhittestoomturbinegenerators. Elke unit is geconfigureerd met twee vastefrequentie condensatiepompen, twee hydraulische koppeling-gereguleerde pompen en zes hydraulische koppeling-gereguleerde ventilatoren.

Voedingswaterpompen en ventilatoren zijn ontworpen met redundantie, met 10%-20% reservecapaciteit. Units 5 en 6 werken in eilandmodus met een belastingsgraad van ongeveer 70%. Door de motorsnelheid te optimaliseren naar de daadwerkelijke belastingsvraag en regeneratieve remenergie terug te voeren naar het netwerk, wordt overtollig energieverbruik van ventilatoren, pompen en andere apparatuur vermindert, wat de systeemenergieverliezen verder minimaliseert.

2.2 Retrofitschema

Op basis van de werkelijke werkomstandigheden van de apparatuur werden hoogspanningsinverterretrofits uitgevoerd voor de voedingswater- en condensatiepompen van de 135 MW generatorsets.

• Retrofit van voedingswaterpomp: Een "Automatisch Eén-op-Eén" configuratie werd aangenomen, waarbij elke voedingswaterpomp is uitgerust met een specifieke hoogspanningsinverter, inclusief een bypasskast om de betrouwbaarheid van het systeem te waarborgen.

• Retrofit van condensatiepomp: Een "Eén-op-Twee" configuratie werd geïmplementeerd, waarbij twee condensatiepompen één hoogspanningsinverter delen, wat efficiëntie en kosten-effectiviteit in balans brengt.

Gezien het historische maximumtemperatuurbereik van 23–32°C in de lokale omgeving, werden componenten geselecteerd om bij een omgevingstemperatuur van 40°C te werken. Bovendien werd de gedwongen uitlaatontwerp van de inverterkast aangepast op basis van een kamertemperatuur van 40°C om effectieve warmteafgifte te waarborgen, waardoor een specifieke inverterruimte of airconditioningsystemen overbodig waren.

2.3 Economische batenanalyse

De totale investering voor dit retrofitproject was ongeveer 6 miljoen RMB, inclusief 5 miljoen RMB voor apparatuur, 400.000 RMB voor bouw en 600.000 RMB voor hulpmaterialen die door de klant werden geleverd. Berekeningen laten zien dat de jaarlijkse energiebesparingsbaten 6,58 miljoen RMB bedragen, waardoor de investering in minder dan een jaar kan worden terugverdiend, waarmee de verwachte economische doelen succesvol worden bereikt.

3 Conclusie

Met de snelle ontwikkeling van hoogspanningsinvertertechnologie, hebben haar toepassingen zich snel uitgebreid over verschillende industrieën. In productiesystemen van elektriciteitscentrales zou hoogspanningsinvertertechnologie actief moeten worden bevorderd. Prioriteit moet worden gegeven aan de retrofitting van units met lange werktijden of die dringend aan upgrade toe zijn, aangezien dergelijke maatregelen aanzienlijke economische waarde en strategisch belang bieden.