Retrofitingi visokonaponskih invertera u elektranama

1 Osnovna struktura i mehanizam rada visokonaponskih invertera

1.1 Sastav modula

• Modul rektifikatora: Ovaj modul pretvara ulaznu visokonaponsku AC snagu u DC snagu. Sekcija rektifikacije uglavnom se sastoji od tijistora, dioda ili drugih naprednih poluprovodničkih uređaja kako bi se ostvarila konverzija iz AC u DC. Takođe, kroz kontrolni jedin, može se realizirati regulacija napona i kompenzacija snage unutar određenog opsega.

• Modul DC filtera: Rektificirana DC snaga obrađuje se pomoću filtrišnog kruga kako bi se izglačale fluktuacije napona, formirajući stabilni DC bus napon. Ovaj napon ne samo što pruža energetsku podršku za narednu fazu invertera, već igra ključnu ulogu u osiguravanju stabilnosti izlaznog napona i dinamičke sposobnosti odgovora.

• Modul invertera: Filtrirana DC snaga pretvara se natrag u AC snagu u modulu invertera koristeći napredne poluprovodničke uređaje kao što su IGBT-i i tehnologiju širine impulsa (PWM). Prilagođavanjem dužine ciklusa i frekvencije preključivanja PWM signala, inverter može precizno kontrolirati amplitudu i frekvenciju izlazne AC snage, zadovoljavajući zahteve različitih opterećenja poput motora, ventilatora i pumpi. Ova tehnologija omogućava inverteru da pruža funkcije poput mekog pokretanja, bezstupnastog upravljanja brzinom, optimizovanih radnih uslova i uštedu energije.

1.2 Mehanizam rada

Visokonaponski inverteri koriste kaskadnu višeslojnu topologiju, proizvodili izlazni talas koji se blisko aproksimira sinusoidi. Oni mogu direktno proizvoditi visokonaponsku AC snagu za pogon motora. Ova konfiguracija eliminira potrebu za dodatnim filterima ili transformatorima za podizanje naponskog nivoa i nudi prednost niske harmonijske sadržaje. Brzina motora $n$ zadovoljava sledeću jednačinu:

Gde je: $P$ broj parova polova motora; $f$ radna frekvencija motora; $s$ koeficijent klize. Budući da je koeficijent klize obično mali (obično u opsegu 0–0.05), podešavanjem frekvencije snabdevanja motora $f$ omogućuje se odgovarajuće regulisanje njegove stvarne brzine $n$. Koeficijent klize motora $s$ pozitivno korelira sa intenzitetom opterećenja – što je veće opterećenje, to je veći koeficijent klize, što dovodi do smanjenja stvarne brzine motora.

1.3 Ključni faktori u tehničkom izboru

• Podudaranje napona: Izaberite odgovarajuće sheme podudaranja, kao što su "Visoko-Visoko" ili "Visoko-Nisko-Visoko", zavisno od nominalnog napona motora. Za motive sa snalom preko 1.000 kW preporučljiva je shema "Visoko-Visoko". Za motive ispod 500 kW može se prioritetno uzeti shema "Visoko-Nisko-Visoko".

• Smanjenje harmonika: Harmonici lako nastaju na ulaznim i izlaznim terminalima visokonaponskih invertera. Da bi se smanjio njihov uticaj, mogu se koristiti multiplexing tehnike ili dodatni filteri. Pravilnom konfiguracijom filtera, harmonijska distorzija može biti kontrolisana unutar 5%, ostvarujući efektivno smanjenje harmonika.

• Pružnost okruženju: Visokonaponski inverteri zahtevaju sisteme hlađenja vazduhom ili vodom kako bi se unutrašnja temperatura kontrolne ograde držala ispod 40°C. Obično se na mestu instalacije invertera postavljaju dehumidifieri i klima uređaji. U posebnim regionima bez klima uređaja, tokom dizajna moraju se uzeti u obzir temperature komponenti, a kapacitet sistema hlađenja treba povećati kako bi se osigurala stabilna operacija.

2 Primena visokonaponskih invertera u elektranama

Elektrane obično uključuju opremu od turbinog generatora, kotlova, sistema za obradu vode, transport ugljena i sistema za dezulfurizaciju. Sekcija turbine snabdjuje vodene pumpe i cirkulacione vodene pumpe, dok sekcijski kotao pruža primarne ventilatore (primarne ventilatore), sekundarne ventilatore i inducirane ventilatore, dok sekcija za transport ugljena radi sa trakama. Korišćenjem visokonaponskih invertera za varijabilno upravljanje brzinom ovih uređaja, u skladu sa promenama opterećenja, može se smanjiti potrošnja energije, smanjiti potrošnju pomoćne snage i poboljšati ekonomiju rada.

Projekat proizvodnje nikela i željeza u Morowali, Indonezija, smesten na otoku Sumatra, u periodu od 2019. do 2023. godine komisionirao je osam generatorskih jedinica od 135 MW. Da bi se dalje optimizirali unutrašnji procesi i smanjile troškove proizvodnje, tehničke nadogradnje koje uključuju instalaciju visokonaponskih invertera su implementirane između 2023. i 2024. godine za kondenzatske pumpe jedinica 1, 2, 3, 4 i 7, kao i za pumpe za vodu jedinica 2 i 5.

2.1 Status opreme

Projekat koristi pirometalurgijski proces proizvodnje nikela i željeza sa 25 proizvodnih linija, opremljenih sa osam cirkulacionih fluidizovanih kotlova Dongfang Electric DG440/13.8-II1 i osam 135 MW generatorskih jedinica sa srednjim pregrjevanjem. Svaka jedinica je konfigurisana sa dve fiksne frekvencijske kondenzatske pumpe, dve hidraulički spregnutih pumpe i šest hidraulički spregnuti ventilatora.

Pumpe za vodu i ventilatori su dizajnirani sa redundantnošću, pružajući rezervni kapacitet od 10%–20%. Jednice 5 i 6 rade u ostrvo režimu sa stopom opterećenja oko 70%. Optimizacijom brzine motora u skladu sa stvarnim zahtevima opterećenja i uključivanjem regenerativnog freniranja sa povratkom energije u mrežu, smanjuje se nepotrebn potrošnja energije od ventilatora, pumapa i druge opreme, dalje minimizirajući gubitke energije sistema.

2.2 Shema nadogradnje

Na osnovu stvarnih uslova rada opreme, implementirane su nadogradnje visokonaponskih invertera za pumpe za vodu i kondenzatske pumpe 135 MW generatorskih jedinica.

• Nadogradnja pumpe za vodu: Adoptovana je konfiguracija "Automatski Jeden-na-Jedan", gde svaka pumpa za vodu ima svoj dedikovan visokonaponski inverter, uključujući omotački škafet za osiguranje pouzdanosti sistema.

• Nadogradnja kondenzatske pumpe: Implementirana je konfiguracija "Jedan-na-Dva", gde dve kondenzatske pumpe dele jedan visokonaponski inverter, balansirajući efikasnost i ekonomičnost.

Uzimajući u obzir lokalni istorijski maksimalni temperaturni opseg od 23–32°C, komponente su izabrane da rade na ambijentalnoj temperaturi od 40°C. Takođe, dizajn prisilnog ispuštanja vaze invertera je prilagođen na temelju sobne temperature od 40°C kako bi se osigurala efikasna disipacija toplote, eliminirajući potrebu za posebnom sobom invertera ili klima sistemima.

2.3 Procena ekonomskih benefita

Ukupna investicija za ovaj projekat nadogradnje bila je oko 6 miliona RMB, uključujući 5 miliona RMB za opremu, 400.000 RMB za izgradnju i 600.000 RMB za pomoćne materijale pružene od strane klijenta. Izračuni pokazuju godišnji energetski uštedni benefit od 6.58 miliona RMB, omogućavajući vraćanje investicije u manje od jedne godine, uspešno ostvarujući očekivane ekonomske ciljeve.

3 Zaključak

Sa brzim razvojem tehnologije visokonaponskih invertera, njihove primene se brzo šire u različitim industrijskim sektorima. U proizvodnim sistemima elektrana, treba aktivno promovisati tehnologiju visokonaponskih invertera. Prioritet treba dati nadogradnji jedinica sa dugim radnim vremenom ili onih koje su u urgentnoj potrebi za nadogradnjom, jer takve mere nude značajan ekonomski vrednost i strategijsku važnost.