1 引言
发电厂的冷却系统是电力生产过程的一个重要环节，从技术上来看，冷却技术分水冷和空冷。水冷发电厂是把湿冷冷却塔(凉水塔)内的循环水以“淋雨”方式与空气直接接触进行热交换的，其整个过程处于“湿”的状态，其冷却过程又称为湿冷系统。空冷发电厂是用空冷岛轴流风机吹冷、或者利用分布换热系统来冷却汽轮机排汽，达到省水、回水再利用的目的。整个过程处于“干”的状态，所以空冷塔又成为干式冷却塔或干冷塔。
随着我国西部大开发、西电东送北通道的开通，我国北部地区的晋、陕、宁、蒙四省区的电力工业得到迅猛发展，而建设大型火力发电厂需要充足的冷却水源。这些地区的优势是煤炭资源丰富，而劣势是水资源匮乏，利用丰富的煤炭资源和有限的水资源发展火电工业，就需要采用新的冷却方式来排除废热，直接空冷系统因其技术逐渐成熟，节水效果显著，可调效果好，因此在我国山西、内蒙古等产煤区所新建单机容量为300mw以上机组的电厂均采用空冷技术。

2 直接空冷系统介绍
2.1 直接空冷系统的流程介绍 ^[1]
直接空冷系统的流程图如图1所示。汽轮机排汽通过粗大的排汽管道送到室外的空冷凝汽器内，轴流冷却风机使空气流过散热器外表面，将排汽冷凝成水，凝结水再经泵送回汽轮机的回热系统。

图1 直接空冷系统的流程图

如图2空冷岛外观图所示，空冷系统建筑规模庞大，一般称为空冷岛，包括凝结水系统(凝结水箱)、真空疏水系统(包括疏水泵)、排气/抽气系统(水环泵单元)、空冷凝汽器(acc)等四套系统。通过dcs集散控制系统，实现对这四套系统的自动检测、自动调节、顺序控制、自动保护等自动控制功能。

图2 空冷岛外观图

2.2 直接空冷系统变频风机系统的组成
空冷凝汽器系统(简称acc)是由若干台空冷凝汽器构成，每台空冷凝汽器配置一台轴流风机，建筑在高耸的空冷平台上，对空冷凝汽器进行直接冷却。例如1台300mw国产空冷机组工程空冷系统需要配置30台空冷风机（其中6台为可逆转风机），功率为90kw。轴流冷却风机在一个水平平面内布置，形成了庞大的轴流冷却风机群。
风机电机均采用变频控制，除节能原因外，变频调速控制还可以实现电动机“软启动”，即电动机在很低地频率 (3～5hz)和相应的电压下启动，逐渐提高电源的频率和电压，控制电动机在小于1.1倍额定电流下无冲击启动，以这种方式经常启动是风机所允许的。另外风机的转速可以在(30%～110%)额定转速运行，调节方便，满足在各种气象条件下机组运行工况的要求。风机经常在需要的低转速下运行，噪声和磨损都比额定转速低，有利于环境保护，降低维修费用并延长了空冷器的寿命。
变频控制柜通过硬接线和通讯与主dcs或空冷系统dcs相连接，dcs能根据不同的蒸汽负荷和环境温度控制风机启停及转速，使汽轮机的排汽压力保持恒定。

3 abb变频器在空冷岛变频系统的应用
以山西柳林发电厂二期（2×600mw）工程空冷岛变频调速器选型和应用为例,介绍abb变频器在空冷岛方面的应用。
每台机组由40台冷凝器风机和16台分凝器风机组成。所以总共需要56 × 2 = 112台变频器。
3.1 空冷岛对变频器高可靠性的要求
空冷风机变频控制系统中变频器能否长期稳定运行关系到电厂能否正常发电。
abb公司acs800系列变频器是abb公司原装进口的工业级产品，是目前流行的脉宽调制电压型变频器，控制方式采用当今最先进的直接转矩（dtc）控制技术,能够精确控制任何标准鼠笼电机的速度和转矩，它还具有电机辨识运行功能，此功能在变频器初次驱动电机时，控制电机的运行，创建电机模型，从而达到辨识电机特性，优化控制的目的。因此acs800变频器更适用于风机、水泵和恒转矩等各种变速驱动应用场合。完全满足空冷系统常年不间断运行的要求。
3.2 acs800变频器操作简单
acs800变频器具有启动向导功能，使acs800的调试变得非常简便。当用户第一次给传动上电时，启动向导会引导用户完成所有的调试步骤，用户不必再担心会忘记设置某组参数。
acs800控制盘有四种不同的键盘模式：实际信号和故障纪录显示模式、参数模式、功能模式和传动选择模式。在实际信号显示模式中可以同时监视三个实际信号，诸如频率、转速、电流、流量等信号。
3.3 acs800的优越性能
(1) 电源断电时的运行。acs800将利用正在旋转着的电机的动能继续运行，只要电机旋转并产生能量，acs800将继续运行。
(2) 零速满转矩。由acs800带动的电机能够获得在零速时电机的额定转矩，并且不需要光码盘或测速电机的反馈。而矢量控制变频器只能在接近零速时实现满力矩输出。
(3) 起动转矩。dtc提供的精确的转矩控制使得acs800能够提供可控且平稳的最大起动转矩。最大起动转矩能达到200%的电机额定转矩。
(4) 自动起动。acs800的自动起动特性超过一般变频器的飞升起动和积分起动的性能。因为acs800能在几毫秒内测出电机的状态，任何的条件下在0.48s内迅速起动。而矢量控制变频器则需大于是2.2s。
(5) 磁通优化。在优化模式下，电机磁通被自动地适应于负载以提高效率，同时降低电机的噪音。得益于磁通优化，基于不同的负载，变频器和电机的总效率可提高1%-10%。
(6) 磁通制动。acs800能通过提高电机的磁场来提供足够快的减速。acs800持续监视电机的状态，在磁通制动时也不停止监视。磁通制动也能用于停止电机和从一个转速变换到另一个转速。而其他品牌的变频器所使用的直流制动是不可能实现此功能的。
(7) 精确速度控制。acs800的动态转速误差在开环应用时为0.3%，在闭环应用时为0.1%。而矢量控制变频器在开环时大于0.8%，闭环时为0.3%。acs800变频器的静态精度为0.01%。
(8) 精确转矩控制。动态转矩阶跃响应时间，在开环应用时能达到1-5ms，而矢量控制变频器在闭环时需10-20ms，开环时为100-200ms。
(9) 危险速度段设置。可使电机避免在某一速度或某一速度范围上运行的功能，例如避开机械共振点（带）。acs800可以设置5个不同的速度点和速度范围，电机通过危险速度范围时按照加速或减速积分曲线加速或减速。
(10) acs800变频器保护功能。变频装置能提供电动机所需的过载、过流、接地、过压、欠压、过热、缺相等护，保护应为微机型，且不与控制共用cpu及电源。保护动作能发出硬接线信号。
变频器自身配备完善的电气保护，当变频器装置发生故障时，发出信号。acs800的标准软件提供了对传动，电机和过程的保护，包括预编程保护功能和可编程保护功能。预编程保护功能包括 环境温度，dc过压，dc欠压，传动温度，输入缺相，过流，功率限幅和输出短路等。可编程保护功能包括可调整功率限幅，控制信号监视，危险频率锁定，电流转矩限幅，接地故障保护，外部故障，电机缺相，电机堵转保护，电机过温保护，电机欠载保护，控制盘丢失等。

4 关于电机可逆运转
每台空冷机组56台驱动装置中的16台（逆流管束）必须是双向旋转。
acs800变频器不需要制动电阻。dtc的优越功能，从给定的工艺条件，完全可以靠内部磁通制动等功能在30s内从30%反转状态下停下来，并正常投运。

5 变频器与dcs系统的接口
表1所示，以acs800为例，表示与dcs系统的接口。

控制可逆转风机的变频器必须接受反向指令，并送出方向状态信号，因此在控制此风机的变频器上加装扩展继电器输出模块orel，以满足控制和指示功能。

6 变频系统抑制谐波的措施
acs800变频器内置交流电抗器有效地抑制高次谐波对电网的影响，交流电抗器用于衰减主供电回路中的谐波成分，改善进线电流波形。它将减小电容器的脉动电流，并提高电容器的寿命。电抗器位于整流桥的交流侧，保护整流桥的二极管免受进线电压的冲击。电抗器也可减少变频器的电磁辐射。变频装置内部通讯采用光纤连接，以提高通讯速率和抗干扰能力. 变频器本体在输入侧内置rfi滤波器，使其电磁辐射符合en61800-3 第二环境标准。
由于空冷岛使用变频器数量较多，需根据实际负荷及变压器容量和供电系统参数计算得出，常规推荐方式如下：采用变压器不同绕组方式形成系统12脉冲形式（如图3所示），则可以满足如表2所示的标准。

图3 12脉冲整流方案

7 变频器电机的噪音
由变频器运行产生的额外噪音与电机直接操作方式相比少3 db。包括所有余量在内的电机最大噪音级为84db(a)。在变频器出口到电机之间应该有一个专门的过滤器及相应技术使噪音限制在能容忍水平内。这应在整个操作频率范围（30～110%等于 5～ 55hz）上和满负荷条件下达到。
(1) acs800变频器dtc独特的开关控制技术与传统的pwm控制技术完全不同，可大幅减少谐波。
(2) 输出侧的输出电抗器减少电机噪音。

8 变频柜方案
根据空冷系统低压变频器设备技术要求，将1台acs800变频器安装于一个1000mm宽的柜内，每台变频器分别独立供电；变频装置控制柜内包括控制装置连接的用户接线端子、空气断路器、变频器模块、原装进口的emc滤波器、输入电抗器、输出电抗器及所有提供必要功能的设备，如图4所示。

图4 变频器分别独立供电方式

变频器柜采用ggd式结构,柜架为高强度的九褶型材; 面板喷塑均匀平滑外观美，结构合理匀称，平直度高。柜体外壳防护等级：ip21。柜的外形尺寸为1000mm×650mm×2200mm（宽×深×高）。进、出线方式为柜底电缆进出线。

柜体内配置如图5所示。柜体内配置了熔断开关，选用abb公司生产的具有隔离和短路保护双重功能的熔断开关os400d03p,额定电流400a；同时还配置进出线电抗器，控制逻辑回路等所需的设备，以利于系统更安全、可靠的运行。

图5 柜体内配置图

每台变频器柜内设有断路器、接触器等动力和控制设备，分别给以下两个回路(风机电机加热器、齿轮箱加热器)供电：
控制方式采用程序控制和就地手动控制，变频器自身控制系统采用灵活的参数配置方式，具有就地操作及显示功能。安装于柜门上的操作控制盘提供交流电机调试的修改键。

9 变频车间散热方案
电厂设有空冷器变频间，庞大的变频控制柜(以下称变频控制装置)矩阵布置在空冷器变频间中。
因为变频器主要发热元件为功率器件（igbt），散热良好将有利于系统安全长效运行，如图6所示。可采用如下散热方式：
(1) 采用风道系统，在保证进风量的同时将产生热量排除控制室。
(2) 采用适配工业空调系统

图6 空冷变频车间变频器散热方式示意图

10 结束语
本文以abb公司acs800变频器为例，介绍了变频器在空冷岛上的使用方案。在实际工程中有一定的借鉴价值。

作者简介
赵金亮 高级工程师 山西省自动化研究所所长。

参考文献
[1] 中国电力. 变频器在大型电厂直接空冷系统中的应用
[2] abb公司. acs800变频器用户手册