高壓變頻器在熱源廠汽輪機拖動異步機發電應用

摘要：目前各熱源廠把節能減排降耗作為企業運營首要解決問題。建一臺汽輪機拖動大功率引風機、鼓風機循環泵的方案已得到廣泛的應用，并通過實踐證明有效的降低能耗，減少企業運行成本。

關鍵詞：四象限變頻器、汽輪機、異步電動機、能量回饋

1     引言

近年來，隨著國家節能減排力度的加大，許多工業鍋爐房及小型火電廠停止了供汽、發電。但這些鍋爐同時還承擔著城市集中供熱的任務，不能停止運行。工業及發電用汽參數基本上是中溫中壓以上的，這樣高品質的蒸汽單純用來供熱，造成能源浪費，而使運行費用居高不下。

汽輪機是將蒸汽的能量轉換成為機械功的旋轉式動力機械。主要用作發電用的原動機，也可直接驅動各種泵、風機、壓縮機和船舶螺旋槳等。還可以利用汽輪機的排汽或中間抽汽，滿足生產和生活上的供熱需要 。因此越來越多的企業選擇運用工業汽輪機拖動鍋爐鼓、引風機、鍋爐給水泵及首站循環泵等動力機械裝置來達到供熱目的。但汽輪機在運行的過程中往往會產生多余的熱量，如果沒有相應能力轉換那么多余能量就會白白浪費掉。

2     汽輪機拖動異步機發電變頻調速系統設計方案

2.1 汽輪機拖動異步并網發電系統設計方案

2.1.1直接方案

這種方案是異步機的發電動力端口直接與電網相連，當汽輪機拖動電機轉子速度高于定子磁場轉速，電機處于發電狀態。

2.1.2 加異步變頻方案

這種方案是在異步電機與電網間加臺四象限能量回饋型變頻器以實現精確能量轉換，汽輪機帶動異步機調速無任何要求限制，多余能量無擾反饋于電網。表1所示為兩種方案的比較。

表1 兩種方案的比較

直觀可見異步變頻發電優勢，由此我們公司極力推薦本方案應用。

2.2異步變頻器結構

高壓變頻器構成如下：

（1）移相變壓器，輸入電壓10KV，輸出580Vac 27繞組；允許輸入電壓波動范圍+10%~-15%；

（2）能量回饋的功率單元，HPU580/096f x 27，額定輸入電壓580vac ，單元直流工作電源900vdc；

（3）速度傳感器型號：EC100P25-L5PR-1024

2.3控制原理

HIVERT-YVF系列變頻器采用轉子帶速度反饋的矢量控制技術。在轉子磁場定位坐標下，電機定子電流分解成勵磁電流與轉矩電流。維持勵磁電流不變，控制轉矩電流也就控制了電機轉矩。電機轉速采用閉環控制。實際運行中給定轉速與實際轉速的差值通過PID調節，生成轉矩電流iT*。經過矢量變換將iT*、iM*與實際反饋回的勵磁電流iM轉矩電流iT相比較，經過空間矢量控制，最終生成三相電壓驅動信號,如圖1所示，

圖1  矢量控制原理框圖

電機三相電流反饋ia、ic經傳感器采樣，然后再根據轉子位置電氣角度θ進行Clarke變換，變換后輸出ialpha、ibeta；ialpha、ibeta經Park變換輸出id、iq；id、iq值與給定值iqref、idref求誤差，進行PI調節后輸出Vsqref、Vsdref；Vsqref、Vsdref和轉子位置電氣角度θ經過Park逆變換輸出Valpha、Vbeta；Valpha、Vbeta經過Clarke逆變換輸出電機定子三相電壓Va、Vb、Vc值；三相電壓Va、Vb、Vc值作為PWM（脈寬調制）的比較值比較輸出PWM波形到逆變器從而驅動電機旋轉。

圖2  能量回饋的功率單元框圖

如圖2所示，HIVERT-YVF系列產品理論具備100%額定功率的能量回饋能力。功率單元利用IGBT進行同步整流：同步整流控制器實時檢測單元輸入電壓幅值及相位，通過控制整流側IGBT所產生的電壓與單元輸入電壓的相位差，從而控制電功率在電網與功率單元之間的流向——單元電壓相位超前，功率單元將電能回饋給電網，反之電功率由電網注入功率單元，波形如圖3所示。

（a）電動運行同步整流狀態      （b）發電運行能量回饋狀態

圖3 變頻器輸入側U相電壓、電流波形示例

電功率的大小及流向由單元電壓決定。就同步整流而言，整流側相當于一個穩壓電源，相位差偏差通過矢量控制算法、PID調節生成。

濾波環節反饋時經LC濾波裝置可有效大大降低反饋電網諧波量，如圖4所示。

圖4  功率單元串聯圖

2.4 有PG矢量控制方式

HIVERT-YVF系列變頻器采用有PG矢量控制方式，在全頻率段穩定輸出正弦波電流。系統可以對勵磁電流和轉矩電流分別進行控制，并具有動態響應速度快、電機的加（減）速度特性好等優點。此外，由于系統配置速度編碼器，因此電機調速范圍廣，且系統能夠實時準確的監測電機實際轉速，具有電機超速保護能力。另外，在配合外部保護信號情況下，可實現短時、快速有效電氣制動。

2.5額定功率回饋能力

HIVERT-YVF系列變頻器中功率單元采用PWM全控整流方式，功率單元利用IGBT進行同步整流，通過控制整流側IGBT所產生的電壓與單元輸入電壓的相位差，從而控制電功率在電網與功率單元之間的流向，使變頻器最大回饋功率達到額定輸出功率，達到短時制動的要求。

2.6自動識別參數功能

對于矢量控制方式下所需的電機相關數據，HIVERT-YVF系列變頻器可通過“空載啟動”模式進行參數辨識，檢測空載勵磁電流I0和轉子時間常數Tr，這兩個參數對于變頻器能否以最優性能運行至關重要。

2.7轉速閉環控制

在電機運行過程中，轉速通過脈沖編碼器構成閉環控制。如圖5所示，HIVERT-Y(T)VF系列變頻器速度調節器會自動調整電機速度，以達到最快的速度響應、最小的超調范圍。

圖5  轉速閉環控制

2.8電流閉環控制

如圖6所示，在電機運行過程中，電流通過霍爾傳感器構成閉環控制。HIVERT-YVF系列變頻器電流調節器會自動調節變頻器輸出電流，以達到最快的電流響應、最小的電流波動，如圖6所示。

圖6  電流閉環控制

2.9電流響應

無需電網相序，自動并網，實時實現能量轉換回饋，其具有特色的轉矩控制算法實現了高效的能量轉換，如圖7所示。

圖7  能量轉換回饋

2.10     變頻器控制方式

電機的基本參數如表2所示。

表2  電機的基本參數：

變頻器選型如表3所示。

表3  變頻器選型

2.11  變頻器控制系統

控制系統由控制器、I/O接口板和人機界面組成，如圖8所示。

圖8  控制系統組成

2.12 變頻器內部控制器

控制器由“光纖板、信號板、主控板、電源板、連接板、母板”組成?？刂破鲀雀鱌CB板相互配合實現控制功能，內部信號傳輸：

(1)光纖板通過光纖與功率單元傳遞數據信號，每塊光纖板控制一相的所有單元：光纖板周期性向單元發出脈寬調制（PWM）信號或工作模式；單元通過光纖接收其觸發指令和狀態信號，并在故障時向光纖板發出故障代碼信號。

(2)信號板配置有編碼器接口，并采集變頻器的輸出電壓、電流信號。信號板將模擬信號進行隔離、濾波和量程轉換。轉換后的信號提供給主控板，用于變頻器控制、保護。

(3)主控板采用數字信號處理器（DSP），運用正弦空間矢量方式產生脈寬調制的三相電壓指令，實現對電機控制的所有功能。通過RS-232通訊口與人機界面主控板進行交換數據，提供變頻器的狀態參數，并接受來自人機界面主控板的參數設置。

（4）電源板提供＋5V、±15V電源，分別用于控制板、信號板供電。

2.13  工況主控制方式：

具體實現控制方式如圖9所示。

圖9  工況主控制方式

如圖所示：

（1）電機與汽輪機同軸，汽輪機有開度值（送給DCS）。

（2）汽輪機轉速波動為30~100r/min，汽輪機起機后達到目標轉速后啟動變頻器，變頻器通過轉速跟蹤方式啟動，快速跟蹤當前汽輪機的轉速。

（3）1600KW異步電動機裝有溫度傳感器，該溫度傳感器信號送至DCS系統.

（4）由于閥門開度決定汽輪機所能提供的最大能量，為防止汽輪機被變頻器拉停，汽輪機閥門開度值應該作為系統重要的保護值之一，閥門開度值由傳感器送至DCS系統中，DCS將汽輪機閥門開度值送至變頻器，變頻器通過閥門開度值調節輸出轉矩大小。

（5）當前內網所消耗的電量值通過電表傳送至DCS，該值是通過以太網傳送至變頻器，作為電機發電量的目標值，該值也是系統保護的重要參數之一，電機的最大發電量不能超過場內所消耗的電量總量，電機應用發電量與目標值之間的比例或者差值設定發電量保護值，該功能主要是為了防止過度發電。

（6）變頻器與DCS之間通信如果存在斷線時，變頻器中可設置斷線保護狀態，改狀態可以為停機或者保持當前狀態運行。

（7） 控制距離：中控室與變頻器室距離約200m，變頻器與電機距離約100m。

3  結束語

異步電動機通過四象限變頻器輕而易舉可實現能量轉換，多余熱量轉換為電能反饋于電網，節能效果顯著，經濟效益相當可觀。