無擾切換技術(shù)在引風(fēng)機(jī)高壓變頻器中的應(yīng)用

顧力光，徐衛(wèi)青，姜瀏

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無擾切換技術(shù)在引風(fēng)機(jī)高壓變頻器中的應(yīng)用

顧力光1，徐衛(wèi)青2，姜瀏2

(1. 華電鐵嶺發(fā)電有限公司, 遼寧鐵嶺112000； 2. 南京自動(dòng)化股份公司，南京210023）

本文提出一種通過為變頻器增加無擾切換柜，實(shí)現(xiàn)了引風(fēng)機(jī)變頻方式與工頻方式的雙向切換，切換電流小，對(duì)母管風(fēng)壓無影響，機(jī)組負(fù)荷穩(wěn)定，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該方法的可行性。

無擾切換 工頻投切 變頻投切 鎖相技術(shù) 高壓變頻器

0 引言

鍋爐引風(fēng)機(jī)是發(fā)電廠的主要廠用電負(fù)荷之一,屬于耗電大戶，俗有“電老虎”之稱，如引風(fēng)機(jī)采用工頻運(yùn)行,僅引風(fēng)機(jī)耗電量就占到全部廠用電量的25％左右。為了維護(hù)鍋爐爐膛負(fù)壓及正常燃燒，通常采用傳統(tǒng)的手動(dòng)調(diào)節(jié)引風(fēng)機(jī)入口靜葉開度的方式進(jìn)行風(fēng)量調(diào)節(jié)，正常運(yùn)行中，華電鐵嶺電廠#5機(jī)組引風(fēng)機(jī)風(fēng)門擋板的開度約為40％～60％，節(jié)流損失很大。高壓變頻器作為一種有效的調(diào)速工具，具有無可比擬的優(yōu)勢(shì)：

1）調(diào)速效率高，屬于高效調(diào)節(jié)方式。

2）調(diào)速范圍寬，一般可達(dá)20：1（50~2.5 Hz）。

3）自動(dòng)控制程度高，能作高精度運(yùn)行，把轉(zhuǎn)速波動(dòng)率控制在0.5%~1%左右。

4）電機(jī)啟動(dòng)電流小，延長(zhǎng)電機(jī)壽命。

但高壓變頻器是由電力電子器件組成的復(fù)雜系統(tǒng)，因環(huán)境、器件老化等原因不可避免發(fā)生各類故障，常用的故障處理方法是主動(dòng)降低機(jī)組負(fù)荷，通過爐膛投小油穩(wěn)定爐壓，單側(cè)停止故障變頻器后倒入工頻運(yùn)行，檢修恢復(fù)后再次降低負(fù)荷，停止工頻運(yùn)行將變頻器再次投入，需要反復(fù)停機(jī)，不僅影響負(fù)荷，而且造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。本文提出一種無擾切換技術(shù)，可以在不影響負(fù)荷情況下實(shí)現(xiàn)變頻、工頻之間的無擾切換，具有很高的應(yīng)用價(jià)值。

1 項(xiàng)目介紹

位于鐵嶺市的華電鐵嶺電廠，共有2臺(tái)660 MW亞臨界機(jī)組，此次改造為4套4500 kW引風(fēng)機(jī)，具體參數(shù)如表1。

電廠要求，變頻改造完成后，引風(fēng)機(jī)在變頻運(yùn)行中具備在不擾動(dòng)負(fù)荷情況下進(jìn)行“變頻運(yùn)行方式”和“工頻運(yùn)行方式”雙向切換功能[1]，此次變頻改造采用ASD6000U-5000級(jí)聯(lián)變頻器，通過增加同步投切柜，可以實(shí)現(xiàn)變頻與工頻之間無擾動(dòng)切換。

表1 引風(fēng)機(jī)參數(shù)表

2 無擾切換技術(shù)原理

高壓變頻無擾切換系統(tǒng)主回路的原理圖如下圖：

圖1 同步投切系統(tǒng)一次回路

高壓變頻同步切換系統(tǒng)主回路由切換開關(guān)QF1、QF2、QF3、高壓變頻器、并網(wǎng)電抗器L以及控制系統(tǒng)組成。其中控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、分析計(jì)算、脈沖處理、控制報(bào)警、輸入輸出鎖相等功能。工頻切換激活時(shí)，QF1閉合，電機(jī)直接接入電網(wǎng)吸收有功和無功功率，同時(shí)變頻器加速升頻至50 Hz，控制系統(tǒng)檢測(cè)電網(wǎng)電壓和變頻器的輸出電壓，通過比較并調(diào)節(jié)使兩個(gè)幅值和相位完全一致后，QF2 閉合，變頻器帶上負(fù)荷，經(jīng)過200 ms延將QF3斷開，電機(jī)進(jìn)入變頻運(yùn)行。同理變頻向工頻切換時(shí)，同步切換系統(tǒng)通過檢測(cè)電網(wǎng)電壓和級(jí)聯(lián)型變頻器的輸出電壓，通過比較并調(diào)節(jié)使兩個(gè)幅值和相位完全一致后，鎖相成功后閉合QF3，QF3合閘后200 ms延時(shí)高壓變頻封脈沖停止，同時(shí)分?jǐn)郠F1和QF2，完成切換過程。

3 鎖相原理

無擾切換能否成功的關(guān)鍵在于切換瞬間變頻輸出電壓與工頻電壓幅值、頻率、相位是否一致，采用鎖相環(huán)則可保證切換時(shí)滿足上述條件。變頻器中的鎖相環(huán)[2]主要包含鑒相器PD、環(huán)路濾波器LF以及壓控振蕩器VCO三個(gè)基本部件。

圖2 鎖相環(huán)原理

鎖相環(huán)工作原理為鑒相器檢測(cè)輸入信號(hào)與反饋信號(hào)質(zhì)檢的相位偏差，利用相位偏差產(chǎn)生控制信號(hào)，從而減少或消除相位偏差。PD對(duì)輸入信號(hào)u()和反饋信號(hào)u()的相位作比較、運(yùn)算處理，得到誤差信號(hào)u()。誤差信號(hào)u()經(jīng)線性低通網(wǎng)絡(luò)LF得到控制信號(hào)u()；VCO是一個(gè)電壓/頻率變換裝置，它的輸出信號(hào)u()的頻率ω()隨u()變化，一般可以把他們表示成線性關(guān)系。經(jīng)過線性化處理，假設(shè)輸入為固定頻率信號(hào)

（1）

經(jīng)過分析計(jì)算得到輸入信號(hào)u()和輸出信號(hào)u()的相位差θ()為

式中，Δω=ω-ω為輸入信號(hào)頻率與VCO固有頻率之差，稱為環(huán)路固有頻差；式中表示線性常數(shù)，與鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)有關(guān)；θ()為起始相差。

當(dāng)Δω=0時(shí)，由式（2）得

式（3）、（4）分別表示環(huán)路相差和頻差的變化規(guī)律。dθ()/為瞬時(shí)頻差。可見，當(dāng)輸入信號(hào)頻率與VCO固有頻率相等時(shí)，環(huán)路可消除起始偏差。由式（2）進(jìn)一步分析，當(dāng)輸入信號(hào)頻率與VCO固有頻率不相等時(shí)，環(huán)路可以消除固有頻差，但仍存在一定相差。若LF的直流增益足夠大時(shí)，相差也能消除。

4 技術(shù)問題

4.1 設(shè)計(jì)技術(shù)問題

4.1.1電壓相位跟蹤

在高壓變頻器拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí)，跟蹤電網(wǎng)相位，控制系統(tǒng)需要控制相位跟蹤的速度。高壓變頻器控制系統(tǒng)采樣經(jīng)過鎖相所得到的電網(wǎng)電壓角度和高壓變頻器輸出電壓角度；兩角度差值經(jīng)過PI調(diào)節(jié)得到變頻器需要輸出的頻率步長(zhǎng)，在50 Hz的基礎(chǔ)上加上這個(gè)步長(zhǎng)作為變頻器輸出的頻率。當(dāng)變頻器電壓相位滯后于電網(wǎng)相位時(shí)，變頻器拖動(dòng)電機(jī)加速追趕電網(wǎng)，變頻器對(duì)電機(jī)做功；當(dāng)變頻器電壓相位超前于電網(wǎng)相位時(shí)，變頻器拖動(dòng)電機(jī)制動(dòng)跟蹤電網(wǎng)相位，變頻器從電機(jī)吸收功率。如此反復(fù)，直到電網(wǎng)的相位和變頻器的相位完全一致，如果相位跟蹤的過快，會(huì)造成變頻器功率振蕩，影響電動(dòng)機(jī)運(yùn)行負(fù)載。為了保證變頻器在跟蹤電網(wǎng)相位時(shí)不產(chǎn)生功率振蕩，PI調(diào)節(jié)器的輸出限幅要限制的很小，但是如果PI調(diào)節(jié)器的輸出限幅值設(shè)置過小，變頻器將無法跟蹤電網(wǎng)電壓相位。此時(shí)需設(shè)置一個(gè)合適的限幅值來保證變頻器既不產(chǎn)生功率振蕩，又能使變頻器跟蹤到電網(wǎng)的頻率。

4.1.2鎖相角補(bǔ)償

整流側(cè)產(chǎn)生的諧波電流必然對(duì)并網(wǎng)側(cè)電壓產(chǎn)生影響。在對(duì)并網(wǎng)側(cè)電壓進(jìn)行濾波的同時(shí)，在鎖相環(huán)的q軸反饋環(huán)節(jié)采用低通濾波器濾除高次諧波分量，增加系統(tǒng)的可靠性。由于濾波環(huán)節(jié)將使鎖相角度產(chǎn)生延時(shí)，造成系統(tǒng)控制產(chǎn)生延時(shí)，增加了不穩(wěn)定因素。為了減小角度延時(shí)，在鎖相輸出角度上對(duì)延時(shí)進(jìn)行補(bǔ)償，確保了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

在電網(wǎng)側(cè)電壓存在諧波的情況下，軟件鎖相環(huán)的直流環(huán)節(jié)引入低通濾波器，以提高軟件鎖相環(huán)抗干擾能力，同時(shí)為了減小濾波環(huán)節(jié)造成的延時(shí)，對(duì)鎖相角度進(jìn)行補(bǔ)償。

圖3 軟件鎖相原理圖

4.1.3投切過程變頻器相位選擇

當(dāng)變頻器鎖相成功后，由于有PI調(diào)節(jié)器存在，變頻器的相位在電網(wǎng)的左右進(jìn)行微小振蕩，當(dāng)投切點(diǎn)選在變頻器滯后于電網(wǎng)的點(diǎn)進(jìn)行切換，變頻器將從電網(wǎng)吸收有功功率，導(dǎo)致電網(wǎng)變頻器直流電壓升高，直流電壓升高導(dǎo)致變頻器輸出電壓升高，變頻器電壓升高的同時(shí)向電網(wǎng)發(fā)送感性無功功率，感性電流逐漸增加可能會(huì)導(dǎo)致過流保護(hù)動(dòng)作。為了保證切換過程的成功，投切點(diǎn)選擇在變頻器輸出電壓相位略超前于電網(wǎng)相位點(diǎn)。此時(shí)，變頻器向電網(wǎng)輸出少量有功功率，不會(huì)觸發(fā)保護(hù)動(dòng)作而造成故障停機(jī)。

4.2 應(yīng)用中技術(shù)問題

1）頻工切換中，當(dāng)旁路開關(guān)合閘后存在一個(gè)QF3合閘后，變頻器出線斷路器QF2同時(shí)合閘問題，此時(shí)變頻器停機(jī)后需迅速分閘QF2，因?yàn)樽冾l器出線電抗器的限流時(shí)間只有1 s左右，否則會(huì)導(dǎo)致變頻器報(bào)過流故障。出現(xiàn)這種情況，應(yīng)立即分開旁路QF3，同時(shí)頻工切換程序退出，變頻器飛車啟動(dòng)加速至50 Hz，選擇合適時(shí)機(jī)單側(cè)停機(jī)，檢查出線開關(guān)QF2無法分?jǐn)嘣颉?/p>

2）工頻投切中，鎖相成功，QF2已經(jīng)閉合，QF3分?jǐn)嗝畎l(fā)出后，檢測(cè)QF3狀態(tài)，800 ms后仍處于合位，則繼續(xù)保持鎖相，進(jìn)行頻工投切，停止變頻器運(yùn)行，將變頻器再次倒入工頻運(yùn)行狀態(tài)。

3）同步投切過程中，變頻器發(fā)生重故障，無法順利進(jìn)行頻工投切，會(huì)導(dǎo)致電機(jī)停止運(yùn)行。對(duì)此，在DCS中增加變頻器重故障檢測(cè)點(diǎn)，當(dāng)同步投切過程中出現(xiàn)變頻器重故障信號(hào)時(shí)，發(fā)命令直接分?jǐn)郠F1、QF2斷路器，同時(shí)關(guān)閉風(fēng)機(jī)擋板，根據(jù)機(jī)組負(fù)荷和母管風(fēng)壓選擇適當(dāng)延遲時(shí)間發(fā)命令閉合QF3，進(jìn)行工頻獨(dú)立運(yùn)行。

5 投切流程

變頻器的同步切換按照運(yùn)行方式可分為頻工投切和工頻投切。頻工投切：先由變頻器拖動(dòng)電機(jī)運(yùn)行，當(dāng)變頻器的輸出頻率、幅值、相位都與電網(wǎng)相符時(shí)，并網(wǎng)并將電動(dòng)機(jī)從變頻切出，電機(jī)投入電網(wǎng)運(yùn)行。工頻投切：電機(jī)在工頻運(yùn)行時(shí)，變頻器先空載運(yùn)行并跟蹤電網(wǎng)至鎖相，并網(wǎng)并將電動(dòng)機(jī)從工頻切出，電機(jī)投入變頻運(yùn)行。具體操作流程如圖4和圖5。

6 試驗(yàn)驗(yàn)證

在一次機(jī)組發(fā)電啟動(dòng)中，引風(fēng)機(jī)使用變頻方式啟動(dòng)，當(dāng)機(jī)組負(fù)荷運(yùn)行至540 MW，兩側(cè)風(fēng)機(jī)變頻器運(yùn)行頻率為46 Hz，風(fēng)機(jī)擋板開度100%，變頻器輸出電流（電機(jī)電流）為330 A，將變頻器自動(dòng)調(diào)頻改為手動(dòng)，逐漸增大運(yùn)行頻率，減小擋板開度，保持風(fēng)壓基本不變。當(dāng)頻率升至50 Hz時(shí)，點(diǎn)擊“自動(dòng)頻工投切”按鈕，通過PLC執(zhí)行一系列動(dòng)作，變頻器鎖相成功后，自動(dòng)切換至工頻運(yùn)行。待兩側(cè)二次風(fēng)機(jī)均切換至工頻運(yùn)行一段時(shí)間后，保持機(jī)組負(fù)荷基本不變，擋板開度不變，點(diǎn)擊“自動(dòng)工頻投切”按鈕，通過PLC執(zhí)行一系列動(dòng)作，變頻器鎖相成功后，自動(dòng)由工頻切換至變頻運(yùn)行，逐漸增大擋板開度至100%，降低運(yùn)行頻率至滿足自動(dòng)調(diào)頻要求。

圖4 工頻投切流程圖

整個(gè)過程中二次風(fēng)壓沒有大的波動(dòng)，切換電流峰值亦在正常范圍內(nèi)，同步投切正常成功。

7 結(jié)束語

經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證，變頻器同步投切技術(shù)能較好的解決火電廠重要輔機(jī)變頻改造后的連續(xù)運(yùn)行問題。當(dāng)變頻器出現(xiàn)運(yùn)行報(bào)警，使能變頻器頻工投切功能將變頻器由變頻運(yùn)行自動(dòng)投切至工頻運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)變頻器檢修完畢，調(diào)試正常，則使用工頻投切功能將變頻器由工頻旁路運(yùn)行自動(dòng)投切為變頻運(yùn)行，有效節(jié)約廠用電，避免了切換中的燃油及負(fù)荷損失，經(jīng)濟(jì)效果明顯。

圖5 頻工投切流程

圖6 鎖相前后頻工電壓對(duì)比

[1] 張雪平. 鎖相技術(shù)在變頻調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用. 化工自動(dòng)化及儀表. 蘭州:天華化工機(jī)械及自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院, 2005, 32(1): 79-80．

[2] 黃良沛, 羅忠誠(chéng). 利用鎖相技術(shù)實(shí)現(xiàn)大功率電機(jī)變頻轉(zhuǎn)工頻的研究.電氣應(yīng)用. 北京: 電氣時(shí)代雜志社, 2005, 24(2) : 23-25．

Application of No-influence-switching to High Voltage Variable Frequency Converter for the Power Plant Drawing Fan

Gu Liguang1,Xu Weiqing2, Jiang Liu2

( 1. Huadian Tieling Power Plant CO., LTD, Tieling 112000, Liaoning, China; 2. Guodian Nanjing Automation CO., LTD, Nanjing 210023, China）

TM464

A

1003-4862（2013）10-0031-04

2012-11-14

顧力光（1973-），男，工程師。研究方向：火電廠生產(chǎn)及運(yùn)營(yíng)管理。