Ретрофіт високовольтних інверторів на електростанціях

1 Основна структура та механізм роботи високовольтних інверторів

1.1 Склад модулів

• Модуль прямого пристосування: Цей модуль перетворює вхідну високовольтну перемінний струм у постійний струм. Прямий пристосувальний розділ переважно складається з тирісторів, діодів або інших елементів силової напівпровідникової апаратури для досягнення перетворення з перемінного струму на постійний. Крім того, через контрольний блок можна реалізувати регулювання напруги та компенсацію потужності в певному діапазоні.

• Модуль фільтра постійного струму: Постійний струм, отриманий після прямого пристосування, обробляється фільтруючим контуром для згладжування коливань напруги, формуючи стабільну напругу шини постійного струму. Ця напруга не лише забезпечує енергетичну підтримку для наступного інверторного етапу, але також грає ключову роль у забезпеченні стабільності вихідної напруги та динамічної реакції.

• Інверторний модуль: В інверторному модулі використовуються елементи силової напівпровідникової апаратури, такі як IGBT, та технологія широтно-імпульсної модуляції (ШІМ), для перетворення відфільтрованого постійного струму назад у перемінний струм. Завдяки налаштуванню коефіцієнта заповнення та частоти комутації сигналу ШІМ, інвертор може точно контролювати амплітуду та частоту вихідного перемінного струму, задовольняючи вимоги різних навантажень, таких як двигуни, вентилятори та насоси. Ця технологія дозволяє інвертору надавати функції, такі як м’який старт, безступінчасте регулювання швидкості, оптимізацію умов роботи та економію енергії.

1.2 Механізм роботи

Високовольтні інвертори використовують каскадну багаторівневу топологію, що дає вихідну форму хвилі, яка дуже схожа на синусоїду. Вони можуть безпосередньо видавати високовольтний перемінний струм для приводу двигунів. Така конфігурація усуває потребу у додаткових фільтрах або трансформаторах підвищення напруги, а також має перевагу низького вмісту гармонік. Швидкість $n$ двигуна задовольняє наступне рівняння:

Де: $P$ — кількість пар полюсів двигуна; $f$ — робоча частота двигуна; $s$ — коефіцієнт прослиздання. Оскільки коефіцієнт прослиздання зазвичай невеликий (зазвичай в діапазоні 0–0,05), налаштування частоти живлення $f$ двигуна дозволяє відповідно регулювати його фактичну швидкість $n$. Коефіцієнт прослиздання $s$ двигуна корелює з інтенсивністю навантаження — чим більше навантаження, тим більший коефіцієнт прослиздання, що призводить до зниження фактичної швидкості двигуна.

1.3 Ключові фактори технічного вибору

• Співвідповідність напруги: Виберіть відповідні схеми співвідповідності, такі як "Висока-висока" або "Висока-низька-висока", залежно від номінальної напруги двигуна. Для двигунів з потужністю, що перевищує 1000 кВт, рекомендується схема "Висока-висока". Для двигунів нижче 500 кВт може бути пріоритетною схема "Висока-низька-висока".

• Зниження гармонік: Гармоніки легко генеруються на вході та виході високовольтних інверторів. Для зменшення їхнього впливу можна використовувати мультиплексні технології або додаткові фільтри. Налаштуванням фільтрів можна контролювати гармонічне спотворення в межах 5%, досягаючи ефективного зниження гармонік.

• Придатність до середовища: Високовольтні інвертори потребують систем охолодження повітрям або водою, щоб забезпечити, що внутрішня температура шафи управління залишається нижче 40°C. На місцях розташування інверторів зазвичай встановлюються осушувачі та системи кондиціонування повітря. У спеціальних районах, де немає кондиціонування, під час проектування необхідно враховувати температурні характеристики компонентів, а також збільшити вентиляційну здатність систем охолодження, щоб забезпечити стабільну роботу.

2 Приклад застосування високовольтних інверторів на електростанціях

Електроенергетична система електростанції зазвичай включає обладнання від турбін-генераторів, котлів, систем водопідготовки, транспортування вугілля та системи десульфатизації. Розділ турбін забезпечує живлення подаючих насосів та циркуляційних насосів, розділ котлів забезпечує нагнітаючі вентилятори (основні вентилятори), вторинні вентилятори та витягові вентилятори, а розділ транспортування вугілля керує ленточними конвеєрами. Використання високовольтних інверторів для регулювання швидкості цих пристроїв залежно від навантаження дозволяє знизити споживання енергії, зменшити допоміжне споживання електроенергії та покращити економічні показники роботи.

Проект з виробництва нікелю-железа в Моровалі, Індонезія, розташований на острові Суматра, введено в експлуатацію вісім генераторних одиниць по 135 МВт між 2019 та 2023 роками. Для подальшої оптимізації внутрішніх операцій та зниження виробничих витрат, між 2023 та 2024 роками було проведено технічні модернізації, включаючи встановлення високовольтних інверторів для конденсатних насосів одиниць 1, 2, 3, 4 та 7, а також подаючих насосів одиниць 2 та 5.

2.1 Стан обладнання

Проект використовує пірометалургічний процес виробництва нікелю-железа з 25 виробничими лініями, оснащеними восьмома циркуляційними котлами типу циркулюючого рідинного шару DG440/13.8-II1 від Dongfang Electric та восьмома генераторними установками на основі середнього переопалення зі ступенем конденсації 135 МВт. Кожна одиниця налаштована з двома насосами конденсату з фіксованою частотою, двома гідравлічними насосами з регулюванням та шістьма гідравлічними вентиляторами з регулюванням.

Подаючі насоси та вентилятори проектировані з резервуванням, що забезпечує 10%–20% резервної потужності. Одиниці 5 та 6 працюють в режимі автономного острова з рівнем навантаження близько 70%. Оптимізація швидкості двигунів для відповідності фактичному навантаженню та використання регенеративного гальмівного енергетичного зворотного зв'язку з мережею дозволяє знизити непотрібне споживання енергії вентиляторами, насосами та іншим обладнанням, що ще більше зменшує енергетичні втрати системи.

2.2 Схема модернізації

На основі фактичного стану обладнання було проведено модернізацію високовольтними інверторами для подаючих та конденсатних насосів 135 МВт генераторних установок.

• Модернізація подаючих насосів: Була використана конфігурація "Автоматичний один-до-одного", де кожен подаючий насос оснащений власним високовольтним інвертором, включаючи шафу обходу для забезпечення надійності системи.

• Модернізація конденсатних насосів: Була використана конфігурація "Один-до-двух", де два конденсатних насоси діляться одним високовольтним інвертором, що забезпечує баланс між ефективністю та вартістю.

З урахуванням історичного максимального діапазону температур місцевого регіону 23–32°C, компоненти були вибрані для роботи при температурі середовища 40°C. Крім того, конструкція принудительного виведення тепла з шафи інвертора була налаштована з урахуванням температури приміщення 40°C, щоб забезпечити ефективне теплообмін, що усуває потребу у спеціальному приміщенні для інвертора або системах кондиціонування повітря.

2.3 Оцінка економічної ефективності

Загальний інвестиційний бюджет цього проекту модернізації становив приблизно 6 мільйонів юанів, включаючи 5 мільйонів юанів на обладнання, 400 000 юанів на будівництво та 600 000 юанів на допоміжні матеріали, надані замовником. Обчислення показують, що щорічна економія енергії становить 6,58 мільйона юанів, що дозволяє повернути інвестиції менше, ніж за рік, успішно досягаючи очікуваних економічних цілей.

3 Висновок

З розвитком технологій високовольтних інверторів їх застосування розширюється в різних галузях. У виробничих системах електростанцій слід активно продовжувати впровадження технологій високовольтних інверторів. Першочергову увагу слід приділити модернізації одиниць з довгим часом роботи або тих, які терміново потребують оновлення, оскільки такі заходи мають значний економічний потенціал та стратегічну важливість.