基于電機(jī)調(diào)速的回?zé)嵝∑啓C(jī)轉(zhuǎn)速控制策略研究

顧偉偉

(中國電力工程顧問集團(tuán)華東電力設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200063)

0 引言

火力發(fā)電在我國的電力構(gòu)成中占據(jù)了主導(dǎo)地位，而且在未來很長一段時(shí)間將依然保持著較高的比例，尋求高效低碳環(huán)保已經(jīng)成為我國火力發(fā)電機(jī)組技術(shù)不斷更新的動(dòng)力。以一臺(tái)功率為30萬kW的燃煤機(jī)組為例，熱效率每提高1%，每天即可節(jié)約燃料15～20 t標(biāo)準(zhǔn)煤?？紤]到全國火力發(fā)電機(jī)組的總裝機(jī)容量，提高熱效率所帶來的節(jié)能效果將是非?？捎^的。

火力發(fā)電過程可以簡化成朗肯循環(huán)，提高機(jī)組蒸汽的初參數(shù)(初溫度和初壓力)可以有效提高機(jī)組的熱效率。隨著國內(nèi)機(jī)組初參數(shù)的不斷提高，機(jī)組熱效率已達(dá)到40%以上，而初參數(shù)受現(xiàn)有材料影響已接近極限。為進(jìn)一步提高機(jī)組熱效率，機(jī)組回?zé)嵯到y(tǒng)的設(shè)計(jì)尤為關(guān)鍵。

汽輪機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)作為火電廠熱力系統(tǒng)的核心部分，其運(yùn)行效率對汽輪機(jī)設(shè)備運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性有很大影響。現(xiàn)有的大容量高參數(shù)機(jī)組多采用再熱和回?zé)峒夹g(shù)以提高機(jī)組熱效率?；?zé)嵯到y(tǒng)利用汽輪機(jī)抽汽加熱給水，可以提高電廠的熱效率，減少熱損耗[1]。

針對高參數(shù)機(jī)組抽汽過熱度較高、傳熱溫差較大的問題，工程師們提出了一種回?zé)嵝∑啓C(jī)。過熱度較高的蒸汽在小汽輪機(jī)中做功，回?zé)嵝∑啓C(jī)中過熱度較低的蒸汽參與回?zé)幔够責(zé)嵯到y(tǒng)的效率更高。

為了進(jìn)一步提高熱效率，減少回?zé)嵝∑啓C(jī)中的進(jìn)汽節(jié)流損失，申松林等提出了一種新型的基于發(fā)電機(jī)調(diào)速的回?zé)嵝∑啓C(jī)來改善回?zé)嵯到y(tǒng)，以進(jìn)一步提高熱效率，降低煤耗[2]。如何控制基于發(fā)電機(jī)調(diào)速的回?zé)嵝∑啓C(jī)，以適應(yīng)機(jī)組啟動(dòng)、運(yùn)行和故障工況下的不同需求，尤其是正常運(yùn)行期間變負(fù)荷工況的需求，是本文需要解決的問題。

1 回?zé)嵝∑啓C(jī)系統(tǒng)

1.1 回?zé)嵝∑啓C(jī)介紹

回?zé)嵝∑啓C(jī)將再熱冷段蒸汽作為汽源做功，同時(shí)小機(jī)中過熱度較低的抽汽和排汽作為加熱器的汽源，可減少加熱器中的不可逆損失，提高機(jī)組熱效率?；?zé)嵝∑啓C(jī)還可帶動(dòng)給水泵或風(fēng)機(jī)運(yùn)行以提供用戶用水或用風(fēng)，類似于常規(guī)的汽動(dòng)給水泵和汽動(dòng)風(fēng)機(jī)。如圖1所示展示了回?zé)嵝∑啓C(jī)帶給水泵運(yùn)行的配置圖，回?zé)嵝∑啓C(jī)的抽汽和排汽可以作為加熱器或熱網(wǎng)的汽源，抽汽級(jí)數(shù)可選。

圖1 回?zé)嵝∑啓C(jī)帶給水泵運(yùn)行配置圖

與常規(guī)汽輪機(jī)抽汽加熱給水相比，回?zé)嵝∑啓C(jī)抽汽和排汽的過熱度較低，可有效降低回?zé)峒訜崞鞯膫鳠釡夭?，提高機(jī)組效率；與常規(guī)電動(dòng)給水泵(或電驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī))方案相比，回?zé)嵝∑啓C(jī)帶給水泵減少了蒸汽做功發(fā)電再驅(qū)動(dòng)給水泵的環(huán)節(jié)，減少了過程損耗，且減少了廠用電率；與常規(guī)汽動(dòng)給水泵機(jī)組相比，主汽輪機(jī)高壓段的蒸汽流量增大、低壓段的流量減小，使汽輪機(jī)的結(jié)構(gòu)更為合理，同時(shí)可減小鍋爐再熱器換熱面積。

1.2 回?zé)嵝∑啓C(jī)的控制方式

為實(shí)現(xiàn)功率平衡并使給水泵轉(zhuǎn)速可調(diào)，小汽輪機(jī)進(jìn)汽入口設(shè)調(diào)節(jié)閥?；?zé)嵝∑啓C(jī)的轉(zhuǎn)速可以通過調(diào)節(jié)小汽輪機(jī)入口調(diào)節(jié)閥的開度來控制，控制回路可選擇簡單的單閉環(huán)比例積分微 分 (proportional integral and differential，PID)控制，如圖2所示。轉(zhuǎn)速的指令和反饋偏差經(jīng)過PID調(diào)節(jié)器形成調(diào)閥開度指令，驅(qū)動(dòng)小汽輪機(jī)系統(tǒng)加減速，以滿足轉(zhuǎn)速指令要求。

圖2 回?zé)嵝∑啓C(jī)轉(zhuǎn)速控制框圖

1.3 配回?zé)嵝∑啓C(jī)的二次再熱機(jī)組熱力系統(tǒng)

一種新型的配回?zé)嵝∑啓C(jī)的二次再熱機(jī)組熱力系統(tǒng)，其原則性系統(tǒng)圖如圖3所示。主蒸汽經(jīng)高壓缸做功后進(jìn)入再熱器1再熱，然后再進(jìn)入中壓缸做功，做功完的低過熱度蒸汽經(jīng)再熱器2再熱后進(jìn)入中壓缸2和低壓缸做功，排汽進(jìn)凝汽器。配回?zé)嵝∑啓C(jī)的回?zé)嵯到y(tǒng)利用再熱前的蒸汽，驅(qū)動(dòng)背壓抽汽小汽輪機(jī)與給水泵組等，從小汽輪機(jī)中抽汽，利用過熱度較低的小汽輪機(jī)抽汽和排汽，通過加熱器來加熱(除氧)凝結(jié)水和給水，與現(xiàn)有熱力系統(tǒng)相比：

圖3 配回?zé)嵝∑啓C(jī)的二次再熱機(jī)組原則性系統(tǒng)圖

1) 由于抽汽溫度低，可提高熱力循環(huán)效率；

2) 由于抽汽溫度低，也降低了相關(guān)抽汽管道、閥門、加熱器的材料等級(jí)，節(jié)約了管道、閥門及設(shè)備的制造成本；

3) 小汽輪機(jī)汽源為高壓缸或中壓缸排汽，這部分蒸汽將不再進(jìn)入再熱系統(tǒng)，可顯著減少進(jìn)入再熱器的蒸汽流量，減少再熱器的換熱面積，從而降低再熱系統(tǒng)的造價(jià)。

圖3中的原則性系統(tǒng)圖分別以高壓缸排汽和中壓缸排汽作為汽源來驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)小汽輪機(jī)，代表著二次再熱機(jī)組有兩個(gè)蒸汽來源可以作為小汽輪機(jī)的汽源，體現(xiàn)了小汽輪機(jī)和被驅(qū)動(dòng)裝置可配置數(shù)量的能力。實(shí)際中由于多機(jī)組協(xié)調(diào)會(huì)增加系統(tǒng)的控制難度，小汽輪機(jī)一般只配置一臺(tái)用于驅(qū)動(dòng)給水泵裝置和抽汽回?zé)幔档土讼到y(tǒng)的復(fù)雜性和協(xié)調(diào)控制的難度。

2 基于發(fā)電機(jī)調(diào)速的回?zé)嵝∑啓C(jī)控制策略

2.1 基于發(fā)電機(jī)調(diào)速的回?zé)嵝∑啓C(jī)

為滿足夏季機(jī)組滿發(fā)，小汽輪機(jī)的額定出力通常比給水泵的額定出力大，而給水泵的額定出力比機(jī)組額定負(fù)荷所需要的出力大，故小汽輪機(jī)的額定出力有較大裕量。因此，在滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，小汽輪機(jī)的進(jìn)汽閥就需要進(jìn)行節(jié)流。而在變負(fù)荷工況下，較低的機(jī)組負(fù)荷意味著較低的回?zé)嵝∑啓C(jī)出力，小汽輪機(jī)的進(jìn)汽閥開度將進(jìn)一步減小，造成了較大的節(jié)流損失。為減小這部分的節(jié)流損失，提高機(jī)組效率，盡量保證進(jìn)汽閥在較大開度下運(yùn)行是必須的。同時(shí)，多余的這部分功率需要得到消納，且能滿足在不同工況下小機(jī)轉(zhuǎn)速可調(diào)的需求，基于發(fā)電機(jī)調(diào)速的回?zé)嵝∑啓C(jī)應(yīng)運(yùn)而生，如圖4所示。

圖4 基于發(fā)電機(jī)調(diào)速的回?zé)嵝∑啓C(jī)配置圖

通過調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)出力來控制小汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速，使小汽輪機(jī)進(jìn)汽閥保持較大開度或全開，減少節(jié)流損失，也能滿足不同工況下泵或者風(fēng)機(jī)的不同負(fù)荷需求。同時(shí)能充分利用小汽輪機(jī)的出力，通過發(fā)電機(jī)向廠用電網(wǎng)供電，減小廠用電率，提高電廠的售電收益。

2.2 發(fā)電機(jī)的選擇、配置方式和控制需求

發(fā)電機(jī)、小汽輪機(jī)和給水泵等負(fù)載同軸布置或通過變速器聯(lián)接達(dá)到轉(zhuǎn)速匹配，通過調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速可以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)給水泵等負(fù)載的負(fù)荷，滿足發(fā)電廠變負(fù)荷運(yùn)行的需求，抽汽和排汽依然可以作為加熱器或熱網(wǎng)的熱源。由于變負(fù)荷運(yùn)行帶來的發(fā)電機(jī)變轉(zhuǎn)速運(yùn)行，永磁同步電機(jī)不適用于這種工況，發(fā)電機(jī)根據(jù)不同的應(yīng)用條件可以采用直流發(fā)電機(jī)、異步發(fā)電機(jī)和雙饋發(fā)電機(jī)。

直流發(fā)電機(jī)控制簡單，運(yùn)行穩(wěn)定，適用于設(shè)有直流廠用電的場所，在電廠中應(yīng)用較少，也可以將直流變?yōu)榻涣骱蠼尤虢涣鲝S用電系統(tǒng)，但是增加了逆變器，系統(tǒng)較為復(fù)雜，不適合本工況。異步發(fā)電機(jī)發(fā)出的電可以接入交流廠用電系統(tǒng)或其它電力系統(tǒng)，在電廠中應(yīng)用廣泛，但是需配置全功率變流器，對變流器的功率等級(jí)要求較高；雙饋發(fā)電機(jī)具有靈活的運(yùn)行方式，變流器的功率等級(jí)相對要小一些，在風(fēng)力發(fā)電、抽水蓄能電站中應(yīng)用較為廣泛。

由于異步電機(jī)的運(yùn)用廣泛，控制可靠，在電廠的技術(shù)革新中具有較高的可靠性，而雙饋電機(jī)的應(yīng)用時(shí)間相對較短，且控制較為復(fù)雜，因此選擇異步電機(jī)加全功率變流器的配置方案。對異步電機(jī)加全功率變流器的控制策略需要解決：

1) 在正常運(yùn)行工況下滿足負(fù)荷對水泵的轉(zhuǎn)速要求，通過變流器調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到匹配，同時(shí)將小汽輪機(jī)多余的功率發(fā)電上網(wǎng)；

2) 在啟動(dòng)工況無汽源時(shí)的啟動(dòng)上水問題；

3) 在異步電機(jī)加全功率變流器故障時(shí)的系統(tǒng)響應(yīng)。

2.3 基于異步電機(jī)加 全功率變流器調(diào)速的回?zé)嵝∑啓C(jī)控制策略

異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型是一個(gè)多變量、強(qiáng)耦合的結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制可以通過旋轉(zhuǎn)變換進(jìn)行降階，并通過磁鏈觀測器對數(shù)學(xué)模型進(jìn)行完全解耦[2]。

如圖5所示，為在按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的磁鏈觀測模型，通過對異步電機(jī)三相定子電流和電機(jī)轉(zhuǎn)速的檢測，可以計(jì)算得到轉(zhuǎn)子磁鏈φr和位置θ的觀測值，此位置觀測值θ可以作為Park變換的輸入。通過對轉(zhuǎn)子磁鏈和位置的解耦，可以實(shí)現(xiàn)異步電機(jī)轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制。

圖5 磁鏈觀測器原理圖

如圖6所示，為異步電機(jī)轉(zhuǎn)速控制的控制策略框圖，采用雙閉環(huán)控制。轉(zhuǎn)速外環(huán)采用PI控制，滿足轉(zhuǎn)速指令的快速響應(yīng)，內(nèi)環(huán)采用電流閉環(huán)PI控制，改善轉(zhuǎn)速控制的動(dòng)態(tài)特性；磁鏈外環(huán)同樣也采用PI控制，使磁鏈盡量保持恒定，保證能夠產(chǎn)生較大的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩，內(nèi)環(huán)采用電流閉環(huán)保證磁鏈調(diào)節(jié)的動(dòng)態(tài)特性。通過對磁鏈和位置的觀測，解耦轉(zhuǎn)速閉環(huán)和磁鏈閉環(huán)，使得帶除法環(huán)節(jié)的矢量控制系統(tǒng)可以看成是兩個(gè)獨(dú)立的線性子系統(tǒng)，可以采用經(jīng)典控制理論的單變量線性系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)方法來設(shè)計(jì)自動(dòng)速度調(diào)節(jié)器(automatic speed regulator，ASR)和自動(dòng)磁鏈調(diào)節(jié)器AφR。

圖6 異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制框圖

異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速指令與反饋偏差，經(jīng)ASR調(diào)節(jié)后生成轉(zhuǎn)矩指令Te*，經(jīng)解耦計(jì)算后得到T軸電流指令；磁鏈指令與反饋偏差經(jīng)AφR調(diào)節(jié)后生成M軸電流指令。T軸和M軸的電流指令與反饋進(jìn)行PI調(diào)節(jié)后生成T軸和M軸的電壓指令，經(jīng)Park逆變換后得到靜止坐標(biāo)系下的電壓矢量指令，通過空間矢量脈寬調(diào)制(space vector pulse width modulation，SVPWM)調(diào)制后得到變流器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)變流器動(dòng)作。

通過轉(zhuǎn)速和磁鏈閉環(huán)控制的異步電機(jī)加全功率變流器，使得回?zé)嵝∑啓C(jī)避免進(jìn)汽節(jié)流損失成為可能，帶回?zé)嵝∑啓C(jī)的機(jī)組效率進(jìn)一步提高。變流器調(diào)節(jié)的異步電機(jī)能快速響應(yīng)系統(tǒng)對給水泵轉(zhuǎn)速變化的需求，異步電機(jī)通過全功率變流器并入廠用電網(wǎng)，可以減少廠用電率提高售電收益，使得電廠的經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)一步增加。

2.4 啟動(dòng)和故障情況的控制策略

在機(jī)組啟動(dòng)階段，如果無汽源驅(qū)動(dòng)回?zé)嵝∑啓C(jī)，無法實(shí)現(xiàn)給水泵上水，異步電機(jī)可以工作于電動(dòng)模式從電網(wǎng)取電驅(qū)動(dòng)給水泵，回?zé)嵝∑啓C(jī)單純作為傳動(dòng)軸工作，系統(tǒng)無需額外設(shè)置啟動(dòng)鍋爐或啟動(dòng)給水泵。啟動(dòng)階段的調(diào)速策略與前文一致，只是能量從廠用電網(wǎng)側(cè)到電機(jī)側(cè)。

當(dāng)全功率變流器檢測到故障時(shí)(如開關(guān)管過熱、開關(guān)管短路、驅(qū)動(dòng)無反饋等)，全功率變流器可以封鎖驅(qū)動(dòng)退出運(yùn)行，同時(shí)將故障信號(hào)反饋給主控，主控通過調(diào)節(jié)進(jìn)氣閥開度來調(diào)節(jié)給水泵轉(zhuǎn)速，避免變流器故障對整個(gè)系統(tǒng)的影響。

小汽輪機(jī)的進(jìn)氣閥電液控制可以作為后備控制，正常情況下由異步電機(jī)加全功率變流器實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。

3 結(jié)語

回?zé)嵝∑啓C(jī)帶發(fā)電機(jī)的技術(shù)方案可以進(jìn)一步減少小汽輪機(jī)節(jié)流損失，提高回?zé)嵯到y(tǒng)的熱效率。尤其在高參數(shù)大容量機(jī)組中，回?zé)嵝∑啓C(jī)能發(fā)揮更大的效率優(yōu)勢，進(jìn)一步降低煤耗，符合國家節(jié)能減排戰(zhàn)略。本文針對回?zé)嵝∑啓C(jī)帶異步電機(jī)加全功率變流器的技術(shù)方案，提出適用于本系統(tǒng)需求的回?zé)嵝∑啓C(jī)轉(zhuǎn)速控制方法，使回?zé)嵝∑啓C(jī)能按機(jī)組需求運(yùn)行。小汽輪機(jī)進(jìn)汽閥可全開或大開度工作，降低節(jié)流損失；廠用電網(wǎng)和回?zé)嵝∑啓C(jī)之間能量可雙向流動(dòng)，廠用電網(wǎng)可以驅(qū)動(dòng)回?zé)嵝∑啓C(jī)帶給水泵運(yùn)行，回?zé)嵝∑啓C(jī)多余功率也可以發(fā)電上網(wǎng)，減少廠用電率，增加售電收益；回?zé)嵝∑啓C(jī)轉(zhuǎn)速可調(diào)，滿足系統(tǒng)的變負(fù)荷需求。