大功率变频装置电压等级必须下降

最近上海市经委节能办委托我们顾问委员会进行高压变频方案论证，因为上海已投产20余套，投资过高，推广困难，为此我们走访了用户闵行电厂，高桥污水工程及长江上游引水工程及配套厂上海电机厂，张家港变压器厂，上海机电成套研究所等单位，参考有关资料撰写此文。

1国内高压变频器使用概况

国内已经投运的进口及国产高压变频器，功率、电压等级的抽样调查概况如表1所示。

表1已投产变频装置电压功率概况（应用在水泵、风机）调查对象200～800kW6000V/台1000kW～2500kW6000V/台200～800kW所占比例/％
全国31个电厂781187％
上海地区12475％
从表1统计可知，已投产105台，200kW～800kW达90台，占85％，从装备功率统计已达到9万kW，如按平均每kW增加1200元投资计，将增加超过1亿元投资。

实际上高压与低压变频器相比，价格每kW要相差2.8～3.5倍，即低压平均700元，高压平均2200元，两者每kW相差1500元左右。

2高压变频器的选型

2?1选择过高电压等级的弊端

选择过高的电压等级造成投资过高，回收期长。电压等级的提高，电机的绝缘必须提高，使电机价格增加。电压等级的提高，使变频器中电力半导体器件的串联数量加大，成本上升。在同等功率下，不同电压的电机和变频器的单位功率价格如表2所列。

表23种电压等级成本对照元/kW供电电压380V6kV10kV
电动机价格200267357
变频器价格7002000～24002500～3000
可见，对于200～2000kW的电机系统采用6kV、10kV电压等级是极不经济、很不合理的。

2?2变频器容量与整流装置相数关系

变频器装置投入6kV电网必须符合国家有关谐波抑制的规定。这和电网容量和装置的额定功率有关。

从图1可见，短路容量在1000MVA以内，1000kW装置12相（变压器副边双绕组）即可，如果24相功率就可达2000kW，12相基本上消除了幅值较大的5次和7次谐波。

整流相数超过36相后，谐波电流幅值降低不显著，而制造成本过高。如果电网短路容量2000MVA，则装置容许容量更大。

2?3把最高电压降到3kV以下可节约大量投资

从电力电子器件特性及安全系数考虑电压等级的必要性，受电力电子器件电压及电机允许的dv/dt限制，6kV变频器必须采用多电平或多器件串联，造成线路复杂，价格昂贵，可靠性差。对于6kV变频器若是用1700VIGBT，以美国罗宾康的PERFECTHARMONY系列6kV高压变频器为例，每相由5个额定电压为690V的功率单元串联，三相共60只器件。若是用3300V器件，也需3串共30只器件，数量巨大。另一方面装置电流小，器件的电流能力得不到充

收稿日期：2002－08－29

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大功率变频装置电压等级必须下降

图1电网短路容量与装置功率的关系

分利用，以560kW为例，6kV电机电流仅60A左右，而1700V的IGBT电流已达2400A，3300V器件电流达1600A，有大器件不能用，偏要用大量小器件串联，极不合理。即使电机功率达2000kW，电流也只有140A左右，仍很小。

国外的中压变频器有多个电压等级：1?1kV，2?3kV，3kV，4?2kV，6kV，它们主要由电力电子器件的电压等级所确定，器件电压与变频器电压间的关系列于表3。

表3在不串联情况下器件电压与变频器电压间的关系器件电压/V1700330045006000
变频器电压/kV1.12.334.2
输出同样功率的变频器，使用较高电压或较多单元串联所花的代价大于用较低电压，较少数量而电流较大单元的代价，也就是说在器件电流允许条件下应尽可能选用低的电压等级。

2?4隔离变压器问题

为了隔离、改善输入电流及减小谐波，现在所有的中压“直接变频”器都不是真正的直接变频，其输入侧都装有输入变压器，这种配置短时间内不会改变。既然输入侧有变压器，变频器和电机的电压就没有必要和电网一样，非用10kV和6kV不可，功率2500kW以下电压可以不超过3kV，因此就有了变频器和电机的合理电压等级问题。

200kW～800kW以下的变频调速宜选用380V或660V电压等级。它线路简单，技术成熟，可靠性高，dv/dt小，价格便宜。仍以560kW电机为例，630kW660V的低压变频器约35万，而同容量6000V中压变频器约90万。实现的方法有低?低，低?高，高?低和高?低?高等几种形式。由于电机，变压器的价格远低于变频器，即使更换电机、变压器也合理。

2?5原有6kV高压电机如何与3?5kV变频器电压配套

自建国以来传统的6kV高压电机是已投产的主要产品，为了推广3?5kV变频器不可能再花钱更换电机，作者提出一个简便方案，以供参考。

制造厂原有6kV电机一般均为星形接线，其相绕组承受实际电压为3468V，故只要将绕组改接成三角形其它不变。配3.5kV变频器就把变频器电压从6kV下降到3.5kV，从表3可见4.5kV器件不串联就可承受3kV耐压。如果用1.7kV器件3串即可。制造成本将下降30％。而我国目前30MW机组最大电机2500kW采用3.5kV电压完全合理。

2?6对电网谐波污染的防治措施

从实用角度整流桥组成12相整流可消除5、7次谐波已基本满足电网谐波要求。因此400kW～800kW采用12相整流即可，1000kW～2500kW采用24相也可以符合要求。

山东龙口，江苏徐州等五个电厂在灰浆泵，水源引水泵上已成功采用了380V～660V电压等级，功率320kW～1000kW的10台装置。以徐州电厂岸边补水泵为例，价格见表4。

表4低压660V方案价格序号项目价格/万元
1ZS0－800kW干式变压器18
2Y630－6－560kW电机15.5
3ABB－ACSE0变频器38.5
4控制屏4
5新建机房土建费5
6安装费5
7高低压电缆费4
8合计90
该项目投资90万比高压6kV节约40～50万元。如果选用国产变频器及变压器等关键设备，价格还能有节余。

3结语

根据我国实际情况，建议电机、变频器电压与容量采用的等级，如表5所列。

表5建议的电压等级与电机最大容量供电电压/V3806603500
电机最大容量/kW4008002500
预期电机价格/元/kW200209270
预期变频器价格/元/kW6008001000～1200