水利水電工程第5卷第12期匠|ICONSTRUCTION2015年4月變頻調(diào)速技術(shù)在核電站大型循環(huán)水泵上的應(yīng)用探討與研究張文磊吳震中國核電工程有限公司北京100840摘要:本文針對核電廠“凝汽器冬季過冷”的工程問題，提出了應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)解決的方案。從循環(huán)水泵變頻調(diào)速方案的選擇、變頻器技術(shù)特點和可靠性等幾個方面入手進(jìn)行了深入的剖析和探討，結(jié)合核電廠循環(huán)水泵的特點，給出了自己的設(shè)計觀點。關(guān)鍵詞:變頻調(diào)速;變頻器中圖分類號: TV文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A引言變頻器根據(jù)逆變器直流輸入側(cè)并聯(lián)電容或串聯(lián)電感的不同可分為田灣核電站擴(kuò)建5、6號機(jī)組，廠址位于江蘇省連云港市田灣核電 流源型變頻器和電壓源型變頻器兩大類。電站1 ~ 4號機(jī)組西北側(cè)的船山，該地區(qū)冬季的1、2月份海水平均2.2電流源型變頻器溫度較低，而這種海水溫度過低的狀況會引起該汽輪機(jī)的相關(guān)凝汽電流源型變頻器的主要特點是采用大電感作為中間直流儲能環(huán)器的背壓過低。例如海水溫度在39C時，此時凝汽器背壓僅能達(dá)到約節(jié)， 對于負(fù)載來講相當(dāng)于恒流源。這種變頻器的逆變器中主要采用晶2.8KPa，遠(yuǎn)低于設(shè)計背壓4.9KPa,即凝汽器過冷現(xiàn)象。閘管類器件如半控型可控硅晶閘管(SCR,額定電壓約12kV).全控凝汽器的相關(guān)循環(huán)水泵屬于蒸汽循環(huán)回路，在核電站中通常稱為型i ]極關(guān)斷晶閘管(GTO,額定電壓約6kV)等,這種功率器件- -般三回路，主要用于冷卻汽輪機(jī)中做過功的熱蒸汽(乏蒸汽),保證正通 過電流信號的變化來控制器件的開通或關(guān)斷，我們又稱之為電流源常的水循環(huán)。為了避免上面的這種現(xiàn)象，必須要對循環(huán)水泵的轉(zhuǎn)速進(jìn)型電 電子器件。這種變頻器電流保護(hù)實現(xiàn)較為容易，但耐壓要求較行調(diào)節(jié)，從而改變循環(huán)水量。目前核電站常用的循環(huán)水量調(diào)節(jié)方式有多泵組合方式、雙速泵目前市場上電流源型中壓變頻器的最大供電容量大約為72MVA,(變極調(diào)速)方式，如果采用多泵組合，目前常用的組合方式為一機(jī)在容量 上同樣能滿足田灣5、6號機(jī)組循環(huán)水泵的容量(000kW )要求。三泵或- -機(jī)四泵，則最多可以進(jìn)行三檔調(diào)節(jié)，如果使用雙速泵(變極電流源型變頻器主要有負(fù)載換相式(LoadCommutatedInverter簡調(diào)速)方式調(diào)節(jié)范圍將更少，雖可以滿足系統(tǒng)的安全運行，但無法充稱LCI) 變頻器、門極關(guān)斷晶閘管( Gate Tum off Thyristor)簡稱GTO分利用不同季節(jié)水溫的變化達(dá)到節(jié)能的目的，調(diào)控手段不夠靈活，而式變頻器。且這兩種設(shè)計方式還存在- -些現(xiàn)實的缺陷:2.3電壓源型變頻器1.對于多泵組合方式，必然對現(xiàn)有核電機(jī)組的總平面布置造成較電壓源型變頻器的直流環(huán)節(jié)儲能元件采用大電容，直流電源內(nèi)阻大的影響，溝道設(shè)計和泵房的設(shè)計均需要調(diào)整，占地面積也要增加，較小， 對于負(fù)載來講相當(dāng)于恒壓源。這種變頻器的逆變器中采用的器設(shè)計的復(fù)雜性要增加，不利于前明溝道的負(fù)挖和工程的順利完成。件主要是場效應(yīng)電力電子器件,這類功率器件的開通和關(guān)斷由電壓信2.對于雙速泵 (變極調(diào)速)方式，存在兩個無法回避的問題.號進(jìn)行控制，我們也稱之為電壓源型電力電子器件。常用的器件有個是在變速時的停泵水錘很難解決，可能影響長期運行安全，另外一場效 應(yīng)晶體管( MOSFET，最高額定電壓約600V )、絕緣柵雙極型晶個是大型電機(jī)轉(zhuǎn)子在變速時也可能造成較大的震動，甚至影響電機(jī)的體管 ( IGBT,最高額定電壓約3.5kV )、集成門極換向晶閘管( IGCT,壽命。最高額定電壓約6.5kV )等。鑒于傳統(tǒng)調(diào)節(jié)方式的各種弊端，并為適應(yīng)原有的溝道布置方式和按照目前功率元件的制造水準(zhǔn)，電壓源型中壓變頻器的最大供電廠房布置方式，本文針對核電廠“凝汽器冬季過冷”的工程問題，提容量大約在36MVA， 在容量上可以滿足田灣5、6號機(jī)組循環(huán)水泵電出了應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)解決的方案。動機(jī)(容量6000kW )的需要。2循環(huán)水泵變頻調(diào)速方案的選擇電壓源型變頻器主要有中性點箝位變頻器、單元串聯(lián)變頻器和2.1變頻器概述NPC/H混合型變頻器等幾種。變頻器又叫變頻調(diào)速器，是一種利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用電流源型變頻器和電壓源型變頻器各有優(yōu)缺點。它們的技術(shù)特點將固定頻率( 50Hz或60Hz )的交流電源變換成頻率連續(xù)可調(diào)的交流對比如表1:電源的電力裝置，主要用于交流電機(jī)(異步電機(jī)或同步電機(jī))的轉(zhuǎn)速電流源型變頻器技術(shù)成熟有足夠的運行經(jīng)驗，并且晶閘管結(jié)構(gòu)簡調(diào)節(jié)?，F(xiàn)在使用的變頻器主要采用交- -直一 交變換方式， 首先把工頻單， 耐壓和過流能力強(qiáng)，可靠性較高;但因其有大電感，需要與電網(wǎng)的交流電變換為直流電源( 整流單元),然后再把直流電源轉(zhuǎn)換成頻交換 無功功率，導(dǎo)致功率因數(shù)略低， 電流動態(tài)響應(yīng)較困難，需求的動率、電壓均可調(diào)節(jié)的交流電源(逆變單元)供給電動機(jī)，從而實現(xiàn)對態(tài) 力矩跟不上，特性較軟;作為兩電平變頻器，它的共模電壓和dv/電動機(jī)的無極調(diào)速。其原理結(jié)構(gòu)如圖1所示。dt問題較突出，對電機(jī)絕緣的要求較高。變頗電壓源型變頻器與電流源型變頻器相比，技術(shù)發(fā)展的較晚一些,電動機(jī)運行經(jīng)驗稍短,IGBT和IGCT在耐壓和過流方面比起晶閘管相對較差,.整德單元-直流單元」→避發(fā)單元」一 +(M)但是通過中性點箝位或低壓功率單元串聯(lián)等技術(shù)可以在一-定程度 上克電壓電流服這些問題;電壓源型變頻器的優(yōu)勢在于功率因數(shù)高、開關(guān)速度快、控制單元關(guān)斷均勻、輸出波形好;由于控制技術(shù)出色，通過電流反饋形成閉環(huán)度地實現(xiàn)對1申村的磁通力矩控制，圖1變頻器基本結(jié)構(gòu)使電機(jī)特性可柔可剛中國煤化工評價變頻器性能的主要指標(biāo)有可靠性(變頻器行業(yè)內(nèi)的叫法)、經(jīng)過綜合分析和:FYHCNMHG變頻器帶旁路連網(wǎng)側(cè)諧波污染、輸入功率因數(shù)、輸出諧波、系統(tǒng)效率等。接的方案作為循環(huán)水錄受頻調(diào)速力榮(見圖2 )。第5卷第12期水利水電工程|2015年4月CONSTRUCTION&1 變頻器的不同方案技術(shù)對比①逆變單元采用新型功率半導(dǎo)體器件IGCT,既有ICBT的高頻率2通斷特性，還具有GT0的高阻斷電壓和低導(dǎo)通損失率特性，因此無選用的技術(shù)方式電流源型變頻器電壓源型變頻器|電壓源型變頻器須串聯(lián)即可直接接人高電壓逆變回路，減少了逆變電路元器件的數(shù)(中性點箝位式)| (單元申聯(lián)式)目，提高了系統(tǒng)的可靠性。②控制回路采用直接轉(zhuǎn)矩控制( DTC)技術(shù)，可根據(jù)工藝的需求其對應(yīng)電路結(jié)構(gòu)SCRICBT箝位多個ICBT提供精確的速度和轉(zhuǎn)矩控制。其對應(yīng)的普通變壓器移相變壓器復(fù)雜多繞組缺點:逆變電路器件沒有冗余，-個器件出了故障，就要停機(jī)更輸入變壓器( 12脈波)(多脈波)換損壞的器件。如果負(fù)荷對供電電源要求較高，為了克服上述缺點，則應(yīng)增加旁整流器件二極管路環(huán)節(jié)，當(dāng)主路環(huán)節(jié)器件故障時，迅速切換到旁路以保證負(fù)荷的運逆變器件SCICBT或IGCTICBT行調(diào)速性能差好較好b)單元串聯(lián)變頻器(西門子公司ROBICON、東芝三菱TMdrive-帶故障運行可以可Mv)旁路方式無有此類變頻器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)- -般如下:核電業(yè)績電網(wǎng)變壓器6kV電壓源型循環(huán)水利一齒輪箱一變頻器! Q3| |電動機(jī)廠斷路器9以旁路斷路器圖2電壓源型變 頻器帶旁路方案注:變頻運行時，Q2、Q3閉合，Q1斷開;單J工頻旁路運行時，Q2、Q3斷開，Q1閉合;(motoryQ1和Q3之間設(shè)置機(jī)械互鎖。3電壓 源型變頻器在循環(huán)水泵調(diào)速方案上的應(yīng)用圖4單元 串聯(lián)變頻器系統(tǒng)圖(西門子的ROBICON )在變頻器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，電壓源型變頻器與電流源型變頻器最大交流電源輸入經(jīng)移相隔離變壓器后分別接入18個功率單元(每的不同就在于電壓源型電力電子器件優(yōu)異的控制性能。在電壓源型變相6個),再輸出電壓、頻率可調(diào)的交流電源至電動機(jī)。其中，每個頻:器中不需要負(fù)載電機(jī)的反相電壓來協(xié)助控制逆變器件的關(guān)斷，因此功率單元包含二極管整流橋、電容和逆變回路功率器件IGBT。可加旁路、接異步電動機(jī), (凡是帶旁路的變頻器，電機(jī)和負(fù)載之間單元串聯(lián)變頻器采用多個低壓的功率單元串聯(lián)實現(xiàn)高壓，低壓功必須保留減速齒輪箱)。在變頻器出現(xiàn)無法繼續(xù)運行的故障時，將之率單元- -般采用ICBT,輸人側(cè)的降壓變壓器采用移相方式，可有效整體切掉，接通旁路開關(guān)繼續(xù)給電動機(jī)供電使之運行，這樣大大的提消除對電網(wǎng)的諧波污染，輸出側(cè)采用多電平SPWM技術(shù)，可適用于異高了循環(huán)水泵的供電可靠性。步電動機(jī)調(diào)速。3.1技術(shù)特點分析電壓源型變頻器，目前市場上應(yīng)用較多的是中性點箝位變頻器另外，其逆變單元可采用冗余設(shè)計，在某個功率單元出現(xiàn)故障和單元串聯(lián)變頻器。主流產(chǎn)品有ABB的AC000系列、西門子的時，可自動切除，退出系統(tǒng)。而其余的功率單元可繼續(xù)工作，保持電ROBICON完美無諧波系列和東芝三菱的TMdrive- -MV無諧波系列等。機(jī)的運行，減少停機(jī)次數(shù)。該技術(shù)方案的主要特點如下:a)中性點箝位NPC ( neutral-point- -clamped )變頻器( ABB公司①采用每相6個低壓功率單元IGBT串聯(lián)來實現(xiàn)6.6kV中壓輸出，ACS5000 )既解決了單個ICBT耐壓水平不夠的問題，又發(fā)揮了其開關(guān)速度快，交流電源輸人經(jīng)移相隔離變壓器后接人36脈沖的二極管整流橋,關(guān)斷均勻，輸出波形好等優(yōu)點。②具有一定的帶故障運行能力:每相的功率單元具有冗余功能,通過直流單元，再經(jīng)中性點箝位三電平的逆變單元，輸出電壓、頻率采用功率單元自動旁路技術(shù)，當(dāng)某-一個功率單元發(fā)生故障時，自動將可調(diào)的交流電源至電動機(jī)(如圖3所示)。其旁路短接，同時再利用其獨有的中心點漂移技術(shù)，調(diào)節(jié)輸出電壓，ACS 5000 MIVaVnable FeungyDrvte基本滿足負(fù)載側(cè)6.6kV電壓的需求。3.2可靠性分析我們調(diào)研資料“參考了額定功率為4MW的上述3種主流類型的DPu體工事進(jìn)空空一MVAC電壓源型變頻器的故障失效率。Induction現(xiàn)對上述3種主要拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電壓源型變頻器編號如下:百體，事曲圣圣一Motor(1) NPC-VSI (中性點箝位電壓源型)變頻器。(2)功率單元(串聯(lián))級聯(lián)電壓源型逆變器， 每相為五個單元串聯(lián)，正常運行時只需.工作用假定ICBT不采用并聯(lián)圖3電壓源型中性點箝位變頻器系統(tǒng)圖(ABB的ACS5000)形式，則這種變頻器中國煤化工夫),每個模塊為4+1個單元冗余，負(fù)HCNMHG(3)同樣結(jié)構(gòu)不含幾余時單元(串聯(lián))繳聯(lián)變頻器;水利水電工程第5卷第12期G|ICONSTRUCTION2015年4月這三種不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變頻傳動系統(tǒng)的總失效率示意圖見圖5。6特點分析圖5中柱狀圖為統(tǒng)計時間內(nèi)的器件總失效時間。6.1可行性70000應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)解決循環(huán)水泵調(diào)速方案，我們]熟悉的布置模式D000不會改變，對設(shè)計和施工工期的保障會變得非常有利;變頻技術(shù)能成功的解決凝汽器冬季過冷問題，使循環(huán)水系統(tǒng)- -機(jī)兩泵的布置模式不再受海水溫度影響，能更好的適應(yīng)我國北方地區(qū)，對于后續(xù)北方核電國30000站類似系統(tǒng)的設(shè)計、建造積累經(jīng)驗。20006.2經(jīng)濟(jì)性0006.2.1 直接經(jīng)濟(jì)效益變頻調(diào)速是真正意義上的無極調(diào)速，不但可以做到隨著季節(jié)水溫NPC-VSI (IGBT)單元板聯(lián)7SI (4+0)單元領(lǐng)聯(lián)USI(4+1;有幾朵變化對循環(huán)水供水量進(jìn)行實時調(diào)節(jié)，還可以根據(jù)不同潮位進(jìn)行局部微圖5三種 4MW系統(tǒng)單元件故障時的失效率示意圖調(diào)，這樣百萬千瓦機(jī)組每年的運行費用可以大幅度減少，根據(jù)秦山二在不采取更換元件措施時，調(diào)速傳動系統(tǒng)可靠度函數(shù)如圖6所示。期實際使用水量和設(shè)計最高水量的比值估算年運行費用可以節(jié)省約1/4，兩臺機(jī)組年節(jié)約運行費用總量至少可以達(dá)到7000萬元以上。， NPC-VSI (ICBT)變頻調(diào)速技術(shù)在核電廠的成功運行，不僅可以在不同的核電廠的單元級聯(lián)vsI循泵上進(jìn)行推廣，而且在節(jié)能減排方面收獲巨大的經(jīng)濟(jì)效益;同時核單示級聯(lián)vsI電廠內(nèi)的其他各種大型泵類風(fēng)機(jī)上也可以廣~泛的應(yīng)用，必將取得相當(dāng)可觀的成果。目前火電廠的相應(yīng)設(shè)備運行經(jīng)驗證明節(jié)能效果約為原來電量的1/3左右，這樣可以大幅度的降低廠用電率，減少發(fā)電成本,提高核電在電力市場化改革中的競爭力。6.2.2 間接經(jīng)濟(jì)效益變頻器對循環(huán)水泵電機(jī)實現(xiàn)了變頻軟啟動，啟動頻率低，轉(zhuǎn)速低，電流小且平穩(wěn)，避免了工頻啟動時(啟動電流是電機(jī)額定電流的6- 7倍)對電機(jī)、電纜、開關(guān)及機(jī)械設(shè)備的不利沖擊和損害，設(shè)備圖6不采取更換措施時三種配置的可靠度函數(shù)健康水平可以得到大幅的提高，延長了電機(jī)等設(shè)備的使用壽命，減輕圖7總結(jié)了當(dāng)一個元件失效時不同系統(tǒng)和不同維護(hù)方案時的平均了 軸承的磨損，提高了設(shè)備的可靠性，減少維護(hù)費用。無故障時間MTBF ( Mean Time Between Failure)6.3可靠性為了保證循環(huán)水泵供電具有更高的可靠性，我們選用了電壓源型口IPC-rSI(IGBT)變頻器(進(jìn)口品牌產(chǎn)品)帶旁路連接的一_拖一典型設(shè)計方案作為循環(huán)。單元堡職rSI(4+0)口，單元象展5SI(4+1)水泵變頻調(diào)速方案。當(dāng)變頻器處于故障狀態(tài)時，可切換到工頻旁路供電，可以滿足持續(xù)供電的要求，只是在短時切換這段時間內(nèi)會造成短暫的供電中斷，但這在核電廠循環(huán)水泵的設(shè)計中是可以接受的。7結(jié)論大功率高壓變頻器技術(shù)已經(jīng)非常成熟，故障率很低，只要認(rèn)真做好8常維護(hù)和檢修工作，即使出現(xiàn)故障，在保證關(guān)鍵備品備件數(shù)量的情況下，也能很快更換。高壓變頻調(diào)速技術(shù)可用于循環(huán)水泵的調(diào)速。綜上所述，筆者認(rèn)為:對核電廠循環(huán)水泵采用變頻調(diào)速技術(shù)是解一個元件失效時不更損失頰元件時 定期更換失數(shù)元件時決“凝汽器冬季過冷問題”的最佳方案。圖7 三種4MW系統(tǒng)不同情況時的MTBF由于變頻技術(shù)是首次在核電廠循環(huán)水泵調(diào)速方案中應(yīng)用，我們在從上述圖表中我們可以看出:設(shè)計中將積極吸收和借鑒國內(nèi)外同行的成熟經(jīng)驗，虛心聽取各位專家1.在無冗余時，采用NPC-VSI方案的變頻傳動系統(tǒng)表現(xiàn)出比采用的中肯 意見，不斷修正和完善循環(huán)水泵變頻調(diào)速設(shè)計方案，為核電站多單元(串聯(lián))級聯(lián)型VSI方案更高的可靠性。相關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計積累經(jīng)驗、提供運行范例，供同行參考和評估，不2.當(dāng)采用N + 1冗余方案時，低壓ICBT的多單元(串聯(lián))級聯(lián)型的推進(jìn)核電向安全可靠、 高效低耗、節(jié)能創(chuàng)效的方向發(fā)展。變頻器的可靠性是較其他兩類競爭力更強(qiáng)。參考文獻(xiàn):通過上述分析我們認(rèn)為帶有冗余的低壓單元(串聯(lián))級聯(lián)變頻器[1]作者: M.Griggs R.-D.Klug L.Tejwani西門子公司MW級交流傳將是我們設(shè)計方案上的-一個很好的選擇。動方案的可靠性和可利用率文章昂國路花蘭全文?；HCNMHG