Ретрофит высоковольтных инверторов на электростанциях

1 Основная структура и принцип работы высоковольтных инверторов

1.1 Состав модулей

• Модуль выпрямителя: Этот модуль преобразует входное высоковольтное переменное напряжение в постоянное. Выпрямительный блок состоит в основном из тиристоров, диодов или других мощных полупроводниковых приборов для преобразования переменного тока в постоянный. Кроме того, через блок управления можно регулировать напряжение и компенсировать мощность в определенных пределах.

• Модуль фильтра постоянного тока: Выпрямленное постоянное напряжение обрабатывается фильтрующей цепью, чтобы сгладить колебания напряжения, формируя стабильное постоянное напряжение шины. Это напряжение не только обеспечивает энергетическую поддержку для последующего инверторного этапа, но и играет важную роль в обеспечении стабильности выходного напряжения и динамической реакции.

• Модуль инвертора: Отфильтрованное постоянное напряжение снова преобразуется в переменное напряжение в модуле инвертора с использованием мощных полупроводниковых приборов, таких как IGBT, и технологии широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Регулируя коэффициент заполнения и частоту переключения ШИМ-сигнала, инвертор может точно контролировать амплитуду и частоту выходного переменного напряжения, удовлетворяя требования различных нагрузок, таких как двигатели, вентиляторы и насосы. Эта технология позволяет инвертору предоставлять функции, такие как плавный пуск, бесступенчатое регулирование скорости, оптимизированные условия работы и экономию энергии.

1.2 Принцип работы

Высоковольтные инверторы используют каскадную многоуровневую топологию, производя выходную форму сигнала, близкую к синусоиде. Они могут непосредственно выдавать высоковольтное переменное напряжение для привода двигателей. Такая конфигурация исключает необходимость дополнительных фильтров или повышающих трансформаторов и имеет преимущество низкого содержания гармоник. Скорость двигателя $n$ удовлетворяет следующему уравнению:

Где: $P$ — количество пар полюсов двигателя; $f$ — рабочая частота двигателя; $s$ — скольжение. Поскольку скольжение обычно мало (обычно в диапазоне 0–0,05), регулировка частоты питания двигателя $f$ позволяет соответствующим образом регулировать его фактическую скорость $n$. Скольжение двигателя $s$ положительно коррелирует с интенсивностью нагрузки — чем выше нагрузка, тем больше скольжение, что приводит к снижению фактической скорости двигателя.

1.3 Ключевые факторы при техническом выборе

• Соответствие напряжения: Выберите соответствующие схемы совместимости, такие как "Высокое-высокое" или "Высокое-низкое-высокое", в зависимости от номинального напряжения двигателя. Для двигателей мощностью более 1000 кВт рекомендуется схема "Высокое-высокое". Для двигателей мощностью менее 500 кВт может быть приоритетной схема "Высокое-низкое-высокое".

• Снижение гармоник: Гармоники легко возникают на входных и выходных терминалах высоковольтных инверторов. Для уменьшения их влияния можно использовать мультиплексные технологии или дополнительные фильтры. Правильная настройка фильтров позволяет контролировать искажение гармоник в пределах 5%, обеспечивая эффективное подавление гармоник.

• Адаптивность к окружающей среде: Высоковольтные инверторы требуют систем охлаждения воздухом или водой, чтобы внутренняя температура шкафа управления оставалась ниже 40°C. На местах установки инверторов обычно устанавливаются осушители и кондиционеры. В специальных районах, где нет кондиционеров, при проектировании необходимо учитывать температурные характеристики компонентов, а также увеличивать пропускную способность систем охлаждения, чтобы обеспечить стабильную работу.

2 Пример применения высоковольтных инверторов на электростанциях

Энергетическая система электростанции обычно включает оборудование от турбогенераторов, котлов, систем очистки воды, транспортировки угля и десульфуризации. Турбинный участок обеспечивает питание питательных и циркуляционных насосов, котельный участок предоставляет вентиляторы нагнетания (первичные вентиляторы), вторичные вентиляторы и вентиляторы дымоудаления, а участок транспортировки угля управляет ленточными конвейерами. Использование высоковольтных инверторов для регулирования скорости этих устройств в зависимости от нагрузки позволяет снизить энергопотребление, уменьшить потребление вспомогательной мощности и улучшить экономическую эффективность эксплуатации.

Проект по производству никеля и железа в Моровали, Индонезия, расположенный на острове Суматра, ввел в эксплуатацию восемь генераторных установок мощностью 135 МВт в период с 2019 по 2023 год. Для дальнейшей оптимизации внутренних операций и снижения затрат на производство в период с 2023 по 2024 год были проведены технические модернизации, включающие установку высоковольтных инверторов для конденсатных насосов блоков 1, 2, 3, 4 и 7, а также питательных насосов блоков 2 и 5.

2.1 Состояние оборудования

Проект использует пирометаллургический процесс производства никеля и железа с 25 производственными линиями, оборудованными восемью циркулирующими кипящими слоями котлов Dongfang Electric DG440/13.8-II1 и восемью генераторными установками на основе промежуточно-перегреваемых конденсационных паровых турбин мощностью 135 МВт. Каждый блок оснащен двумя конденсатными насосами с фиксированной частотой, двумя насосами с гидравлическими муфтами и шестью вентиляторами с гидравлическими муфтами.

Питательные насосы и вентиляторы спроектированы с резервированием, обеспечивающим 10%–20% резервной мощности. Блоки 5 и 6 работают в автономном режиме с уровнем загрузки около 70%. Оптимизация скорости двигателей для соответствия фактическим потребностям нагрузки и включение обратной связи энергии торможения в сеть позволяют снизить ненужное энергопотребление вентиляторов, насосов и другого оборудования, дополнительно минимизируя потери энергии системы.

2.2 Схема модернизации

На основе фактических условий работы оборудования была реализована модернизация высоковольтных инверторов для питательных и конденсатных насосов генераторных установок мощностью 135 МВт.

• Модернизация питательных насосов: Была принята конфигурация "Автоматическое один-к-одному", при которой каждый питательный насос оснащен отдельным высоковольтным инвертором, включая шкаф обхода, чтобы обеспечить надежность системы.

• Модернизация конденсатных насосов: Была реализована конфигурация "Один-к-двум", при которой два конденсатных насоса используют один высоковольтный инвертор, обеспечивая баланс между эффективностью и экономичностью.

Учитывая исторический диапазон максимальных температур в регионе от 23 до 32°C, компоненты были выбраны для работы при температуре окружающей среды 40°C. Кроме того, дизайн принудительного вытяжного вентилятора шкафа инвертора был адаптирован для работы при комнатной температуре 40°C, чтобы обеспечить эффективное рассеивание тепла, исключая необходимость в отдельной комнате для инвертора или системах кондиционирования воздуха.

2.3 Оценка экономической выгоды

Общая стоимость этого проекта модернизации составила около 6 миллионов юаней, включая 5 миллионов юаней на оборудование, 400 тысяч юаней на строительные работы и 600 тысяч юаней на вспомогательные материалы, предоставленные клиентом. Расчеты показывают, что ежегодная экономия энергии составляет 6,58 миллиона юаней, что позволяет вернуть инвестиции менее чем за один год, успешно достигая ожидаемых экономических целей.

3 Заключение

С быстрым развитием технологии высоковольтных инверторов их применение расширяется во многих отраслях. В производственных системах электростанций следует активно продвигать использование высоковольтных инверторов. Приоритет должен быть отдан модернизации блоков с длительным временем работы или тех, которые нуждаются в срочной модернизации, так как такие меры имеют значительную экономическую ценность и стратегическую важность.