基于英威騰高壓四象限變頻器的異步電機(jī)發(fā)電系統(tǒng)

艾江洪 王冰

本論文重點(diǎn)應(yīng)用于北方供熱企業(yè)，是一種易于企業(yè)自行維護(hù)的補(bǔ)充發(fā)電系統(tǒng)，組成的各設(shè)備技術(shù)成熟、系統(tǒng)可穩(wěn)定運(yùn)行。本發(fā)明的目的解決了供熱企業(yè)第二大消耗原料--電能的節(jié)能利用，可為企業(yè)帶來(lái)比較大的經(jīng)濟(jì)效益。

本發(fā)明設(shè)備組成：高壓異步電動(dòng)機(jī)、四象限高壓變頻器、汽輪機(jī)、高壓開(kāi)關(guān)切換柜等。

工作方式：汽輪機(jī)做為原動(dòng)機(jī)，帶動(dòng)異步電機(jī)，發(fā)電時(shí)，汽輪機(jī)工作于恒速狀態(tài)（接近電機(jī)額定轉(zhuǎn)速），電機(jī)與四象限變頻器相連，變頻器工作于矢量轉(zhuǎn)矩模式，發(fā)電轉(zhuǎn)矩采用上位機(jī)遠(yuǎn)程通訊給定，且轉(zhuǎn)矩的給定采用逐步增加。高壓四象限變頻器采用鎖相環(huán)+六脈沖方式，滿(mǎn)足動(dòng)態(tài)要求。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工況，可以采用電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)風(fēng)機(jī)或循環(huán)泵同時(shí)運(yùn)行。如發(fā)電和負(fù)載同時(shí)使用，在汽輪機(jī)的選型上，需要在二者的功率和上增大10%拖動(dòng)余量。發(fā)電工藝：汽輪機(jī)工作于恒速模式，接近電機(jī)額定轉(zhuǎn)速，變頻器工作恒轉(zhuǎn)矩模式，通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩大小，即可設(shè)置發(fā)電功率。為防止向電網(wǎng)反送電的情況發(fā)生，目前采用手動(dòng)調(diào)節(jié)發(fā)電量，及根據(jù)用電量調(diào)配，保證用電量大于發(fā)電量。

系統(tǒng)各部分詳細(xì)介紹：

1、發(fā)電控制系統(tǒng)采用上位機(jī)加組態(tài)軟件，采用以太網(wǎng)通訊方式，上位機(jī)監(jiān)測(cè)部分包括：系統(tǒng)有功功率，無(wú)功功率，A＼B＼C線(xiàn)電壓，各相回路電流，功率因數(shù)，頻率，運(yùn)行狀態(tài)等參數(shù)，操作功能包括：?jiǎn)?dòng)、停止、給定等，可在中心控制室操作四象限變頻器的運(yùn)行及發(fā)電量控制?，F(xiàn)場(chǎng)控制采用可編程控制器PLC，將四象限變頻器的各參數(shù)采用通訊方式傳至上位機(jī)，采集的參數(shù)包括：頻率、電流、電壓、工作狀態(tài)、各單元狀態(tài)、報(bào)警及保護(hù)數(shù)值。

2、汽輪機(jī)控制系統(tǒng)包括：本地＼遠(yuǎn)程操作，當(dāng)前轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速目標(biāo)值，轉(zhuǎn)速給定，電磁閥狀態(tài)，轉(zhuǎn)速異常報(bào)警，通訊測(cè)試等功能。其速度控制采用汽輪機(jī)自帶的PID調(diào)節(jié)。

3、汽輪機(jī)采用結(jié)構(gòu)緊湊，操作方便，易維護(hù)，安全性能良好，實(shí)行雙重保護(hù)，調(diào)速系統(tǒng)采用先進(jìn)的電子調(diào)速系統(tǒng)，調(diào)節(jié)儀組態(tài)方便，調(diào)節(jié)靈敏度高，與DCS或工控機(jī)接口，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程控制就地控制無(wú)擾動(dòng)切換。

4、高壓柜狀態(tài)采集系統(tǒng)，采用PLC，網(wǎng)絡(luò)通訊，將各高壓柜合閘、分閘狀態(tài)，反饋至上位機(jī)，由上位機(jī)中控下達(dá)切換指令。

5、高壓雙電源切換柜，根據(jù)發(fā)電分配各用電負(fù)載調(diào)配，采用人工操作，接受中控用電回路調(diào)配指令，用于市電及發(fā)電回路切換。

6、高壓電機(jī)采用三相異步電動(dòng)機(jī)，電壓：10kv，頻率50HZ，接法：Y型，電機(jī)測(cè)溫包括繞組、軸身端和非軸身端。

7、四象限高壓變頻器是系統(tǒng)的核心，發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定、效率都與變頻器的性能有直接的關(guān)系，選用的英威騰品牌GD5000系列變頻器，得益于該產(chǎn)品良好的軟硬件設(shè)計(jì)，以及強(qiáng)大的功能支持，GD5000本機(jī)自帶觸摸屏及LED控制鍵盤(pán)，就地控制界面友好。就地/遠(yuǎn)程控制切換靈活自如。系統(tǒng)提供16路數(shù)字量輸入，8路繼電器輸出，3路模擬量輸入，4路模擬量輸出，1路高速脈沖輸入，1路高速脈沖輸出端子，以上提供的用戶(hù)端子均為可編程端子，每個(gè)端子的功能都可以使用功能碼進(jìn)行設(shè)定。下圖給出簡(jiǎn)單的控制線(xiàn)路配置方案，用戶(hù)可根據(jù)需要進(jìn)行修改。具體用戶(hù)接口將在技術(shù)協(xié)議或詳細(xì)設(shè)計(jì)階段根據(jù)用戶(hù)要求確定。

本機(jī)控制時(shí)通過(guò)高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)控制柜上觸摸屏可就地人工啟動(dòng)、停止高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)，可以調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速、頻率。遠(yuǎn)程控制放在控制室，設(shè)有操作臺(tái)和上位機(jī)，由配電工操作控制。通過(guò)上位機(jī)配電工可以隨時(shí)了解設(shè)備的運(yùn)行情況，通過(guò)操作臺(tái)可實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)單的遠(yuǎn)方操作。配電工可以根據(jù)工況自由選定高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)“手動(dòng)/自動(dòng)”調(diào)速運(yùn)行。

發(fā)電原理：

當(dāng)變頻器有能量輸出狀態(tài)轉(zhuǎn)入能量回饋狀態(tài)是，有功功率從電機(jī)流入變頻器，造成每個(gè)功率單元的直流母線(xiàn)電壓上升。各功率單元內(nèi)的控制器檢測(cè)到這一上升電壓后，將從電網(wǎng)流向功率單元的有功電流給定值減小至一負(fù)數(shù)，這個(gè)時(shí)候主控制器會(huì)預(yù)先通過(guò)程序鎖定電網(wǎng)電壓的幅值、香味和頻率，然后使功率單元的網(wǎng)側(cè)逆變器輸出PWM波，各工況單元產(chǎn)生的PWM波通過(guò)疊加后形成與電網(wǎng)相適應(yīng)的正弦波電壓和相位，再向電網(wǎng)回饋有功功率。

操作說(shuō)明：

系統(tǒng)主動(dòng)力回路方案：

異步發(fā)電機(jī)作為四象限高壓變頻器輸入電源，QF1和QF3分別為四象限高壓變頻器輸入輸出隔離開(kāi)關(guān)。QF2為高壓負(fù)載側(cè)開(kāi)關(guān)柜，QF4、QF5、QF6為負(fù)載接入開(kāi)關(guān)柜，當(dāng)啟用M2負(fù)載時(shí)，先將QF3開(kāi)關(guān)合閘，將負(fù)載投入，正常用市電接入，啟動(dòng)發(fā)電系統(tǒng)，將QF1、QF3閉合，由上位機(jī)操作，手動(dòng)給定恒轉(zhuǎn)矩，直至達(dá)到電機(jī)的額定功率，即全負(fù)荷發(fā)電，電能經(jīng)四象限變頻回饋至電網(wǎng)，后經(jīng)M2負(fù)載消耗，根據(jù)能量守恒定律，電量即為自發(fā)自用，市電消耗減少，節(jié)約企業(yè)電費(fèi)支出。

說(shuō)明：QF1、QF3四象限變頻器隔離開(kāi)關(guān)

M1異步發(fā)電電動(dòng)機(jī)

QF2、QF4、QF5、QF6負(fù)載開(kāi)關(guān)

M2、M3、M4負(fù)載