雙變頻電源切換在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

劉慧瑾張大鵬邢錦磊

1.上海上電漕涇發(fā)電有限公司

2.上海商湯科技開發(fā)有限公司

3.施耐德電氣（中國）有限公司

0 引言

在大型火力發(fā)電廠和石油石化企業(yè)中，許多泵、風(fēng)機(jī)都是由電機(jī)驅(qū)動的，而這些電機(jī)以固定轉(zhuǎn)速運(yùn)行時，低負(fù)載階段工作效率很低，導(dǎo)致大量的電能浪費(fèi)，因此采用變頻器是實(shí)現(xiàn)節(jié)能的重要手段。對重要的電動機(jī)，由于關(guān)系到生產(chǎn)安全，不允許中斷供電，因此需配置雙套變頻電源，一套運(yùn)行，一套備用。為節(jié)約投資及考慮到兩臺電動機(jī)變頻電源同時故障的概率較小，且可輪流檢修等，故常采用多套主變頻共用一套備用變頻電源的方案。

圖1為某石化企業(yè)3臺大功率電動機(jī)配電系統(tǒng)一次單線圖。10 kV母線四分段通過4套變頻器對3臺高壓電動機(jī)進(jìn)行供電，通過變頻器下的旁路母線及饋線不僅保證了3臺電動機(jī)及變頻器的正常運(yùn)行，還保證了變頻器檢修維護(hù)時，通過倒閘供電回路保證電動機(jī)的正常工作。

圖1 某石化企業(yè)配電系統(tǒng)一次單線圖

1 低頻準(zhǔn)同期裝置

傳統(tǒng)的自動同期裝置除完成發(fā)電機(jī)的自動并機(jī)外還對手動并機(jī)進(jìn)行監(jiān)控，但該同期裝置只能在50 Hz或60 Hz工頻附近運(yùn)行，如要滿足變頻并機(jī)，需將同期裝置工作頻率范圍調(diào)整到5～55 Hz之間［1］。

1.1 基本功能

為實(shí)現(xiàn)自動準(zhǔn)同期，同期裝置需具備測量、頻率跟蹤、頻率與電壓調(diào)節(jié)脈沖和檢同期子功能模塊。

(1)測量子功能模塊

測量子功能模塊對備用變頻母線電壓VBUS和電動機(jī)機(jī)端電壓VMOT的電壓幅值、相角、頻率進(jìn)行采集和監(jiān)視，以計算這兩個實(shí)時電壓的幅差、頻差和角差。

(2)頻率跟蹤子功能模塊

VMOT用作頻率跟蹤，其采樣率需根據(jù)電動機(jī)機(jī)端電壓最新頻率進(jìn)行調(diào)整，以保證低頻下信號精度。VBUS和VMOT要采用相同的采樣率，當(dāng)兩個電壓信號間的頻差增加時，VMOT的測量精度會下降。當(dāng)VBUS和VMOT間的頻差大于1 Hz時，檢同期將VBUS視作無效值，會閉鎖電壓調(diào)節(jié)功能，不允許斷路器合閘。

(3)頻率與電壓調(diào)節(jié)脈沖子功能模塊

當(dāng)兩個電壓間的頻差大于設(shè)定值ΔFset（0.1～0.2 Hz）、幅差大于ΔUset（1%～5%Un）時，需頻率與電壓調(diào)節(jié)脈沖子模塊來調(diào)節(jié)備用變頻系統(tǒng)的輸出。另外，由于VBUS和VMOT間的頻差大于1 Hz時，電壓調(diào)節(jié)會被閉鎖，故只有在小頻差時電壓調(diào)節(jié)才有意義。脈沖寬度調(diào)節(jié)與頻差、壓差成正比，縮放系數(shù)df/dt和du/dt可以根據(jù)勵磁系統(tǒng)和調(diào)速器的特性進(jìn)行調(diào)整。

(4)檢同期子功能模塊

檢同期子功能模塊用來檢測斷路器上側(cè)有無電壓，如果有壓且兩個電壓信號的矢量角差、頻差和幅差在允許范圍內(nèi)時，才允許給斷路器發(fā)合閘命令。

檢同期用于：①手動并機(jī)操作時對其輸出進(jìn)行監(jiān)視。手動操作輸出節(jié)點(diǎn)與斷路器通過硬接線連接，避免手動并機(jī)的誤操作。②自動同期的執(zhí)行。當(dāng)角差接近零時，通過實(shí)時頻差和斷路器合閘時間計算同期點(diǎn)并自動同期。檢同期功能如圖2所示［2］。

圖2 檢同期功能

自動同期邏輯如圖3所示。

圖3 自動同期邏輯圖

1.2 頻率跟蹤詳述

快速頻率跟蹤和采樣頻率調(diào)整功能用來保證頻率在10 Hz到55 Hz間的寬范圍操作。

初始采樣率可采用2 400 Hz，為系統(tǒng)工頻50 Hz的48倍?；诟道锶~變換，每個采樣周期內(nèi)電壓相位角都會被計算的原理，當(dāng)電壓信號采樣頻率與采樣中心頻率基本相同時，兩個連續(xù)正弦波的相位角也基本一致，因此當(dāng)電壓信號頻率發(fā)生變化且與采樣中心頻率不同時，兩個連續(xù)正弦波之間會存在角差，根據(jù)角差即可得出頻差，根據(jù)頻差調(diào)整采樣中心頻率，經(jīng)多輪迭代后，采樣中心頻率與電壓信號頻率基本一致。頻率跟蹤過程如圖4所示。

圖4 頻率跟蹤過程圖

在低頻同期裝置中，有兩個電壓輸入信號，但采樣頻率的調(diào)整是基于VMOT頻率跟蹤來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)VBUS和VMOT之間存在較大的頻差時，VMOT測量值的幅值和頻率精度會降低，當(dāng)頻差小于1 Hz時，頻率的誤差小于0.05 Hz，幅值的誤差小于2%。

當(dāng)VBUS和VMOT的頻差較大時，根據(jù)頻差信號使用頻率調(diào)節(jié)脈沖（F+/F-）來進(jìn)行快速粗調(diào)，頻率的精度對快速粗調(diào)沒有影響。當(dāng)VBUS和VMOT的頻差小于1 Hz時，根據(jù)頻差信號使用頻率調(diào)節(jié)脈沖（F+/F-）來進(jìn)行慢速微調(diào)，當(dāng)頻率調(diào)節(jié)處于慢速微調(diào)時才允許進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)。

2 應(yīng)用場景

以3號電動機(jī)變頻電源切換為例，如圖5所示。

圖5 3號電動機(jī)變頻電源切換圖

雙變頻系統(tǒng)的切換有兩個應(yīng)用場景，一是手動并列操作，即在斷開主變頻電源前的并列操作；二是同期捕獲，主變頻電源先斷開，快速捕捉兩套變頻電源的同期點(diǎn)，若捕捉失敗，則采用殘壓切換。

2.1 手動并列

當(dāng)主變頻電源需例行檢修時，為實(shí)現(xiàn)變頻電源的無擾切換，首先低頻同期裝置快速跟蹤電動機(jī)機(jī)端電壓和頻率，調(diào)整備用電源的電壓和頻率，使其接近主變頻電源，當(dāng)兩個電源滿足式（1）所示條件時，發(fā)出并列命令。

并機(jī)完成后，延時0.5~1 s，原主變頻電源切除，如沒有及時切除，備用變頻電源則跳開，以避免長時間雙路電源的并列運(yùn)行。

2.2 同期捕獲

當(dāng)主變頻電源發(fā)生故障時，電動機(jī)機(jī)端電壓和頻率將隨電動機(jī)轉(zhuǎn)速的下降而下降，如果備用變頻電源的頻率低于主電源正常工作時的頻率，則在電動機(jī)機(jī)端電壓衰減過程中主變頻電源頻率會與備用電源頻率相交，同期裝置檢查頻差、幅差和角差，當(dāng)均小于設(shè)置的同期點(diǎn)時，同期裝置發(fā)出斷路器合閘命令。

頻差和角差判斷公式為（2）和（3）：

圖6同期捕獲矢量圖

圖7 角差軌跡

如果頻差在1 Hz瞬間的初始角度大-180 °，有兩個機(jī)會滿足角差。

2.3 殘壓同期

在“同期捕獲”模式下，低頻同期裝置將檢查同期點(diǎn)和電機(jī)殘壓幅值，如果殘壓幅值小于設(shè)定值，則無論頻差、幅差和角差如何，斷路器都會發(fā)出合閘命令。

3 結(jié)論

本文提出了一種可應(yīng)用于大型火力發(fā)電廠及石化企業(yè)的雙變頻電源系統(tǒng)，在保證安全生產(chǎn)的同時實(shí)現(xiàn)了節(jié)能：為了在變頻母線和工頻母線間切換電機(jī)負(fù)載，采用低頻檢同期裝置來提供常規(guī)檢同期功能和10～55 Hz的寬頻工作范圍；對同期切換，在電機(jī)斷開前進(jìn)行并機(jī)操作；對同期捕獲，在電源切換前直接斷開，同期裝置在電機(jī)殘壓衰減期間滿足同期條件，否則通過殘壓方式合閘。