Høyspenninginverteroppgraderinger i kraftverk

1 Grunnleggende struktur og driftsmekanisme for høyspenningsinvertere

1.1 Moduloppbygging

• Rektifiseringsmodul: Dette modulet konverterer inngående høyspenning AC-strom til DC-strom. Rektifiseringsseksjonen består hovedsakelig av thyristorer, dioder eller andre effektskillekomponenter for å realisere konverteringen fra AC til DC. I tillegg kan spenningstilpasning og effektjustering innenfor et visst område realiseres gjennom en kontroleenhet.

• DC-filtersporingmodul: Den rektifiserte DC-strømmen behandles av et filterkrets for å glatte ut spenningssvingninger, og danne en stabil DC-busspenning. Denne spenningen gir ikke bare energistøtte for den etterfølgende inverterfasen, men spiller også en viktig rolle i sikring av utgangsspenningsstabilitet og dynamisk responskapasitet.

• Invertermodul: Den filtrerte DC-strømmen konverteres tilbake til AC-strøm i invertermodulen ved hjelp av effektskillekomponenter som IGBT-er og pulsbreddenmodulasjon (PWM)-teknologi. Ved å justere tidsfordelingen og skiftfrekvensen av PWM-signalet, kan inverteren nøyaktig kontrollere amplituden og frekvensen av utgangs-AC-strømmen, og møte kravene til ulike laster som motorer, ventilatorer og pumper. Denne teknologien muliggjør at inverteren kan gi funksjoner som myk oppstart, trinnløs fartkontroll, optimaliserte driftsforhold og energibesparelse.

1.2 Driftsmekanisme

Høyspenningsinverterer bruker en kaskadert flernivåtopologi, som produserer en utdataform som nærmer seg en sinusbølge. De kan direkte produsere høyspenning AC-strøm for å drive motorer. Denne konfigurasjonen eliminerer behovet for ekstra filtre eller stegopp-transformatorer, og gir fordelen med lav harmonisk innhold. Motorens hastighet $n$ tilfredsstiller følgende ligning:

Der: $P$ er antallet av polpar i motoren; $f$ er driftsfrekvensen til motoren; $s$ er slipratio. Siden slipratio typisk er liten (vanligvis i området 0–0,05), kan justering av motorens leveransefrekvens $f$ tillate tilsvarande regulering av dens faktiske hastighet $n$. Motorens slipratio $s$ er positivt korrelert med belastningsintensiteten – jo større belastning, jo større slipratio, noe som fører til en reduksjon i motorens faktiske hastighet.

1.3 Nøkkelfaktorer i teknisk valg

• Spenningstilpasning: Velg passende matchingskjemaer som "High-High" eller "High-Low-High" basert på motorens nominale spenning. For motorer med effekt over 1 000 kW anbefales "High-High"-skjemaet. For motorer under 500 kW kan "High-Low-High"-skjema prioriteres.

• Harmonisk demping: Harmonier genereres lett ved inngang og utgang til høyspenningsinverterer. For å redusere deres innvirkning, kan multiplexing-teknikker eller ekstra filtre brukes. Ved riktig konfigurering av filtre kan harmonisk forvrengning kontrolleres innenfor 5%, og effektiv harmonisk demping oppnås.

• Miljøtilpassethet: Høyspenningsinverterer krever luftkjøling eller vannkjølingssystemer for å sikre at innendørs temperaturen i kontrollkabinettet holdes under 40°C. Fuktighetstilbaketrekkere og luftkondisjoneringenheter installeres typisk på invertersted. I spesielle områder uten luftkondisjonering må komponenttemperaturklasse vurderes under design, og ventilasjonskapasiteten av kjølingsystemer må økes for å sikre stabil drift.

2 Anvendelseseksempel på høyspenningsinverterer i kraftverk

Et kraftverks kraftsystem inkluderer vanligvis utstyr fra turbin-generatorer, gasser, vannbehandling, kulltransport og desulfuriseringssystemer. Turbinseksjonen leverer strøm til fôrvannspumper og sirkulasjonsvannspumper, gassseksjonen gir tvungen drægtventilatorer (primære ventilatorer), sekundære ventilatorer og inducerende ventilatorer, mens kulltransportseksjonen driver båndkonveyor. Ved å bruke høyspenningsinverterer for variabelhastighetskontroll av disse enhetene basert på belastningsvariasjoner, kan energiforbruket reduseres, hjelpemiddelstrømforsyningen senkes, og driftsøkonomi forbedres.

Et nikkel-jernproduksjonsprosjekt i Morowali, Indonesia, beliggende på Sumatra-øya, satte i drift åtte generatorer på 135 MW mellom 2019 og 2023. For å videre optimalisere interne operasjoner og redusere produksjonskostnader, ble tekniske oppgraderinger med installasjon av høyspenningsinverterer implementert mellom 2023 og 2024 for kondensatpumper til Enheter 1, 2, 3, 4 og 7, samt fôrvannspumper til Enheter 2 og 5.

2.1 Utstyrstatus

Prosjektet bruker en pyrometalurgisk nikkel-jernprosess med 25 produksjonslinjer, utstyrt med åtte Dongfang Electric DG440/13.8-II1 sirkulerende flytende senger og åtte 135 MW mellomvarmet kondenserende damp-turbinegeneratorsett. Hver enhet er konfigurert med to fastfrekvens kondensatpumper, to hydraulisk koppler-regulerte pumper, og seks hydraulisk koppler-regulerte ventilatorer.

Fôrvannspumper og ventilatorer er designet med redundans, som gir 10%–20% reservekapasitet. Enheter 5 og 6 driftes i øyemodus med en belastningsrate på ca. 70%. Ved å optimalisere motorens hastighet for å matche de faktiske belastningsbehovene, og ved å integrere regenerativ bremsenergifeedback til nettet, reduseres unødvendig energiforbruk fra ventilatorer, pumper og annet utstyr, noe som ytterligere minimerer systemets energitap.

2.2 Oppgraderingsskjema

Basert på faktiske driftsforhold, ble høyspenningsinverteroppgraderinger implementert for fôrvannspumper og kondensatpumper for 135 MW generatorsett.

• Fôrvannspumpoppgradering: En "Automatisk én til én" konfigurasjon ble valgt, hvor hver fôrvannspumpe er utstyrt med en dedikert høyspenningsinverter, inkludert en bypass-kabinet for å sikre systemets pålitelighet.

• Kondensatpumpoppgradering: En "én til to" konfigurasjon ble implementert, hvor to kondensatpumper deler en høyspenningsinverter, for å balansere effektivitet og kostnadseffektivitet.

Med tanke på lokal historisk maksimal temperaturområde på 23–32°C, ble komponenter valgt for å operere ved en omgivelsesstemperature på 40°C. I tillegg ble inverterkabinettets tvunget utluftdesign justert basert på romtemperatur på 40°C for å sikre effektiv varmeavledning, eliminere behovet for et dedikert inverterrom eller luftkondisjoneringssystemer.

2.3 Økonomisk nyttevurdering

Total investering for dette oppgraderingsprosjektet var ca. 6 millioner RMB, inkludert 5 millioner RMB for utstyr, 400 000 RMB for anlegg, og 600 000 RMB for hjelpeprodukter levert av kunden. Beregninger viser en årlig energibesparelsesnytte på 6,58 millioner RMB, som tillater at investeringen dekkes innen mindre enn ett år, og suksessfullt oppnår de forventede økonomiske målene.

3 Konklusjon

Med rask utvikling av høyspenningsinverterteknologi, har dess anvendelser raskt utvidet seg i ulike industribrancher. I kraftverksproduksjonsystemer bør høyspenningsinverterteknologi aktivt fremmes. Prioritet bør gis til oppgradering av enheter med lange driftstider eller de som akutt trenger oppgraderinger, da slike tiltak gir betydelig økonomisk verdi og strategisk betydning.