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大容量中压变频调速装置在英那河水源泵站中的应用
1 引言
英那河水源泵站位于庄河市的英那河水库下游400m处，在大连市的东北部，距市中心180km。英那河泵站是大连市引英入连供水应急工程的头部工程，通过水泵加压经109.18km的DN1800钢管输水至洼子店受水池，以解决大连市城市居民生活及用水紧张的局面。泵站扬程H=109.45m，水库最低水位为60m，水库多年平均水位为73.80m，正常高水位为79.10m。水库水位高差为13.80m,为了充分利用水库位能，以降低运转费用，达到节约能源的目的，确定英那河水源泵站水泵采用变频调速设备。
泵站分两期建设，一期供水规模33 万吨/日，水泵3台，2 用1备，2台工作泵配套电机功率为2750kW，采用变频调速装置;备用泵配套电机功率为2800kW，不调速;系统额定电压为10kV。
二期供水规模25万吨/日，再上2台泵，配套电机功率为2750kW，2台都采用变频调速装置。
2 几个知名公司变频器的性能比较
变频调速装置根据输出电压的调节方法分为2种:
(1) 改变脉冲宽度比例的调节方法，称为PWM脉宽调制方法
(2) 改变输出电压幅值的调节方法，称为PAM脉冲幅值调制方法
最近10几年来，随着高电压、大容量全控型器件的发展，在水泵类的调速应用上脉宽调制方法的变频调速装置已基本上占据了主导地位。所以，只对采用PWM脉宽调制方法的变频调速装置进行了调研，也向一些专家进行了咨询。调研的对象主要是针对几个在中国上销售的知名公司和有特色的公司。笔者根据、研究和应用实践，对其产品的性能及应用作出了比较。
2.1 Siemens公司的高压IGBT三电平大容量变频器(SIMOVERT MV)
Simovert MV电压源型系列变频器采用了基于电压空间矢量调制原理的三电平技术，高性能矢量控制(VC)技术以及全数字无速度传感器控制技术。变频器的整流部分是由2个功率相同的三相整流桥系统组成，形成12脉冲，从而保证网侧电源反馈谐波较小，并使电机受到较小的冲击。变频器的逆变部分是由IGBT和钳位二极管形成的三电平的电压源逆变器。原理接线见图1。
图1 Simovert MV型高压变频器的主电路图
主要技术特点为:输入侧设置变频传动变压器，三卷变压器二次侧分别采用Δ/Δ/Y接线，等效12脉冲整流使得电源输入侧谐波大为降低，在逆变器侧采用了大功率半导体全控器件－高压IGBT，逆变器采用三电平PWM控制。变频传动变压器与变频器柜是分体的，功率元件是HV-IGBT，输出频率范围是0~150Hz。冷却方式:风冷水冷可任选。
不足之处:输出电压特性具有低谐波分量，当与Siemens生产的电机配套使用时，可直接应用，在选用其他厂商生产的电机时，需要一个输出滤波电抗器。IGBT具有快速的开关性能，但在高压变频中其导通损耗大，变频装置的发热是个不能轻视的问题，大容量的变频装置应采取强排风措施。
2.2 ROBICON公司采用低压IGBT的多重式、多级串联高压变频器
主要原理是利用输入隔离变压器得到多组低压工频电压，采用多级低压小功率IGBT的PWM变频单元，分别进行整流、滤波和逆变，串联叠加得到高压三相变频输出。罗宾康采用功率单元串接的新型结构方式,将几个低压的PWM功率单元串接组成中、高压变频器，较好的解决了一般6脉冲或12脉冲变频器不可避免的谐波干扰问题，这样无需额外加装消谐滤波装置，同时也可选用国产普通电机，这样将提高性能价格比。原理接线见图2。
主要技术特点为:电源侧谐波非常小，对电网污染很小，由于采用了多重化的脉宽调制技术，输出谐波更小，几乎可认为是正弦波，称作完美无谐波，不用考虑因谐波引起的转矩脉动及电机发热、噪音问题。采用多重化的技术，使用功率元件的数量大为增加。功率单元可选择旁路，可让用户在一个功率单元故障的情况下继续运行变频，无需马上停机。输入隔离变压器(干式变压器)与变频器的功率单元柜可并柜，功率元件是LV-IGBT，功率元件的电压等级是690V。输出频率范围是0~150Hz。
不足之处:使用的功率单元及功率器件数量相比比较多，可能故障的环节就相对的多一些，可靠性比使用功率元件的数量少的差，如果处理不及时，易造成功率元件“雪崩”似的故障。采用风冷时，噪声比较大。
对电机绝缘没有特殊要求，可适用于任何电机，而不用配置输出滤波电抗器。
图2 ROBICON 公司高压变频器的主电路图
2.3 北京利德华福公司采用低压IGBT的单元串联多电平高压变频调速器(HARSVERT)
原理与ROBICON基本相同。该公司是依托清华大学国家重点实验室的一流技术基础进行开发、研究、生产变频器的。
主要技术特点:与ROBICON基本相同，二者电路结构大同小异。只是他们采用的IGBT功率元件的耐压不同，所用的逆变器数量也不同。适配电机额定电压可达10kV。目前，生产输出电压为10kV的变频装置的公司比较少，因国外3kV电压等级用的较多，他们可能不太注重开发10kV的变频装置。
不足之处:使用功率元件的数量相比稍多，可能故障的环节就相对的多一些。采用风冷时，噪声比较大。IGBT具有快速的开关性能，但在高压变频中其导电损耗高，变频装置的发热是个不能轻视的问题。因其为国内公司研究开发的，应用时间不长，运行经验较少。尤其是适配电机功率达到2750kW的大容量高压变频器。
与国外同容量的变频装置相比价格占有优势。对电机没有特殊要求，可适用于任何电机，而不用配置输出滤波电抗器。
可直接适用于旧设备的改造，无须输出滤波器就可使输出电缆长度很长。对于原有10kV电机的，如果还利用原电机，则用HARSVERT的变频器比较合适。如果用其他的变频器，要配升压变压器将6kV升到10kV。
2.4 ABB公司采用IGCT的三电平大容量变频器(ACS1000)
IGCT(Integrated Gate Commutated Thyristor)是90年代在晶体管技术的基础上结合了GTO和IGBT技术开发的大功率新型器件，与IGBT相比，它开关快速，开通能力强、存储时间短、开关导电损耗较低。为减小引线电感，其管芯必须与门驱动电路集成安装、整体更换。IGCT由于其导通压降低，损耗低，比IGBT更适合于高电压、大容量使用。目前使用的IGCT元件电压等级最大做到4.5kV，接线原理与SIEMENS的高压IGBT三电平大容量变频器(SIMOVERT MV)基本相同，只是采用的元件不同，不需要元件串、并联。IGCT器件耐压等级提高以后，它将是构成大功率和超大功率高压变频器的优选功率器件。
主要技术特点为:输入侧设置变频传动变压器，三卷变压器二次侧分别采用Y、Δ接法，等效12脉冲整流使得电源输入侧谐波大为降低。变频传动变压器与变频器柜是分体的，功率元件是HV-IGCT，输出频率范围是0~150Hz，逆变器采用三电平PWM控制。采用了DTC-直接转矩控制专利技术，直接转矩控制(DTC)是交流传动中最佳的电动机控制方法，可以对电动机所有的关键变量进行直接控制。
表1
不 足之处:IGCT元件需要的触发电路要比IGBT元件所需要的触发电路复杂、触发功率大。当适配电机功率超过1800kW时，变频装置需要采用水冷，整套设备占地面积比较大。因对冷却循环水的水质有要求，要加一套净化水设备。实际上，运行人员更习惯于用风冷，也更喜欢用风冷。由于IGCT器件耐压的限制，某些型号的三电平变频器至今尚无输出电压6000伏规格的产品。表1为4家中压大容量变频装置特性比较。
3 结论
综合各方面因素，经过招标，最后采用的是SIEMENS变频装置(6SE8033-1CA01)和配套电机(1RQ4562-6JV40)。
此规格变频器在欧洲已有应用，在国内水行业中还是头次应用，取得了一些经验。
(1)该工程于2000年10月开始设计，2001年7月一次通水成功，现已运行将近2年时间。通过这段时间的运行看，该泵站运行安全稳定，节能效果显著。根据最典型的应用工况，一期各方案比较见表2。
从表2分析结果知，b方案为最优方案，即2台调速泵方案最优。其次方案为a方案，即一台调速与一台恒速泵并联方案。虽然a方案的设备比b方案少425万元，但a方案比b方案一年的运行费用多108.84万元，这样b方案3.9年所省的运行费，即可抵消掉其设备所增加的投资，即静态回收期为3.9年。
从表2还可看出全调方案与阀调节方案的比较其节能效果:水位控制变频调速技术为泵站一年省电费378.25万元(一期工程), 静态回收期为2.25年。(注:上述的计算只是针对水库多年平均水位，电费按0.50元/度计算)
通过几年来的运行表明，在大型地表水厂的送水泵房中采用大功率变频器(水行业中最大单机容量2800 kW)，虽然一次性投资较大，但是长期运行节能效果非常明显，特别是在较大产水量的情况下，节能效果更加明显，值得推广。
(2) 通过这段时间的运行看，其不足之处有以下几点:
a) 变频装置的进线断路器要具有失压脱扣功能。
当控制电源没有时，不论高压工作电源是否故障，都要跳开进线断路器，使变频装置断开工作电源。此时，当变频装置恰巧发生故障时的跳闸，对变频装置起到了保护的作用。而当变频装置无故障时的跳闸，易额外产生水锤效应，水锤效应具有极大的破坏性:压强过高处，将引起管子的破裂;反之，压强过低处又会导致管子的瘪塌，对供水管线产生危害。此外，水锤效应也可能损坏阀门和固定件，对泵站厂房产生危害，易淹泵房。如何解决这个问题并获得认可，值得研究。
b) 大容量的变频装置的发热是个不能轻视的问题。
从目前使用来看，发热比较厉害，尤其夏季温度比较高的时候。对变频装置采取了强排风措施,但排风扇产生的噪声比较大，相应的要采取隔音措施。如何解决大功率高压变频器发热和噪声，将是变频器生产厂家迫切解决的问题。
参考文献
[1] 水泵变频调速的节电量计算及系统设计[M]. 科学出版社,1998.
[2] 白勇. 风机、泵类变频调速节能原理及大容量变频技术应用[J]. 变频器世界,2000,(7).
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