核電主泵用變頻器雙機(jī)冗余切換技術(shù)研究

王憲坤 伍 星 宋文科 李 彪 竺 偉

核電主泵用變頻器雙機(jī)冗余切換技術(shù)研究

王憲坤1伍 星1宋文科1李 彪1竺 偉2

（1. 山東核電有限公司，山東 海陽 265116； 2. 上海能傳電氣有限公司，上海 201413）

作為核電站主泵電機(jī)的核心電驅(qū)設(shè)備，變頻調(diào)速設(shè)備一旦出現(xiàn)故障，就會(huì)對(duì)生產(chǎn)及其相關(guān)工藝造成十分嚴(yán)重的后果。鑒于此，本文提出一種變頻器雙機(jī)冗余驅(qū)動(dòng)方案，通過兩臺(tái)變頻器驅(qū)動(dòng)一臺(tái)電動(dòng)機(jī)來實(shí)現(xiàn)變頻器整機(jī)的冗余備份，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的主變頻器出現(xiàn)故障時(shí)，可在較短時(shí)間（150ms）內(nèi)自動(dòng)切換至備用變頻器驅(qū)動(dòng)輸出，確保電動(dòng)機(jī)能夠連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。這種雙機(jī)冗余切換方案可為核電站的穩(wěn)定運(yùn)行提供重要保障，降低潛在風(fēng)險(xiǎn)。

變頻器；雙機(jī)冗余；切換時(shí)間；電動(dòng)機(jī)

0 引言

變頻器在電力行業(yè)發(fā)揮著重要作用[1-4]，在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛[5-6]。變頻器是應(yīng)用變頻技術(shù)和微電子技術(shù)，通過改變電動(dòng)機(jī)工作電源頻率的方式控制交流電動(dòng)機(jī)的電力控制設(shè)備[7-9]。在核電領(lǐng)域，核電站主泵系統(tǒng)[10]主要包括屏蔽泵和驅(qū)動(dòng)屏蔽泵運(yùn)行的高壓變頻器，是核動(dòng)力裝置一回路中的重要設(shè)備，也是反應(yīng)堆一回路壓力邊界的重要組成部分。一旦出現(xiàn)核電主泵系統(tǒng)異?；蚬收蠈?dǎo)致的停堆事件，就會(huì)造成難以預(yù)計(jì)的經(jīng)濟(jì)損失，甚至危害生命安全。作為驅(qū)動(dòng)核電主泵的設(shè)備，變頻調(diào)速系統(tǒng)一旦出現(xiàn)故障，就會(huì)對(duì)生產(chǎn)及其相關(guān)工藝造成十分嚴(yán)重的后果。變頻器是一種采用功率元件實(shí)現(xiàn)功率輸出與驅(qū)動(dòng)的設(shè)備，存在一定的故障率，因此本文提出一種變頻器雙機(jī)冗余驅(qū)動(dòng)方案，通過兩臺(tái)變頻器驅(qū)動(dòng)一臺(tái)電動(dòng)機(jī)來實(shí)現(xiàn)變頻器整機(jī)的冗余備份。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的變頻器出現(xiàn)故障時(shí)，可在較短時(shí)間內(nèi)自動(dòng)切換至另一套變頻器驅(qū)動(dòng)輸出，以確保電動(dòng)機(jī)能夠連續(xù)運(yùn)行。故障變頻器在故障排除后又可以作為備機(jī)進(jìn)行熱備，以便在驅(qū)動(dòng)運(yùn)行的變頻器故障時(shí)實(shí)現(xiàn)再次切換，從而降低變頻器故障停機(jī)導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)停機(jī)的概率，對(duì)提高傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性、保障應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)的安全穩(wěn)定具有重要意義。

1 方案描述

采用兩臺(tái)變頻器一用一備的方式驅(qū)動(dòng)一臺(tái)電動(dòng)機(jī)，變頻器雙機(jī)冗余方案示意圖如圖1所示，兩臺(tái)變頻器VFD A與VFD B經(jīng)各自輸出開關(guān)KA與KB后連接至同一電動(dòng)機(jī)，兩臺(tái)變頻器的電壓采樣均安裝在輸出開關(guān)下端靠近電動(dòng)機(jī)側(cè)。為保證短時(shí)間輸出開關(guān)切換不發(fā)生短路，輸出開關(guān)KA和KB通過控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電氣互鎖，即輸出開關(guān)KA與輸出開關(guān)KB不能同時(shí)閉合。兩臺(tái)變頻器通過通信總線進(jìn)行交互通信，通信總線可采用光纖或其他總線形式，主要進(jìn)行故障信號(hào)及開關(guān)量分合信號(hào)的快速傳遞，確保變頻器故障信號(hào)能夠快速觸發(fā)分閘、合閘時(shí)序。

圖1 變頻器雙機(jī)冗余方案示意圖

在運(yùn)行變頻器出現(xiàn)故障時(shí)，第一時(shí)間發(fā)出故障信號(hào)觸發(fā)輸出開關(guān)分?jǐn)啵敵鲩_關(guān)分?jǐn)嗤瓿捎|點(diǎn)觸發(fā)另外一臺(tái)變頻器合閘，在另外一臺(tái)變頻器合閘完畢后，由于兩臺(tái)變頻器對(duì)電動(dòng)機(jī)的剩磁電壓采樣實(shí)時(shí)有效，在合閘的第一時(shí)間可輸出轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。故障變頻器在故障修復(fù)或排除以后可進(jìn)行熱備，實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)變頻器互為熱備。

2 切換時(shí)序分析

以VFD A驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)故障切換至VFD B運(yùn)行為例，切換時(shí)序如圖2所示。

變頻器故障切換各階段時(shí)間說明見表1，6階段變頻器開始輸出轉(zhuǎn)矩，此時(shí)電動(dòng)機(jī)已受控于變頻器驅(qū)動(dòng)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速恢復(fù)至原轉(zhuǎn)速的時(shí)間與系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及負(fù)載轉(zhuǎn)矩有關(guān)，因此考慮變頻器故障切換的時(shí)間為1至5的時(shí)間總和，典型時(shí)間為136ms。

圖2 變頻器VFD A故障切換至變頻器VFD B時(shí)序

表1 變頻器故障切換各階段時(shí)間說明

圖3為變頻器驅(qū)動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)開環(huán)矢量控制框圖，該控制系統(tǒng)為按照磁鏈定向的矢量控制系統(tǒng)，按磁鏈定向可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩和勵(lì)磁解耦。磁鏈定向主要依靠磁鏈觀測(cè)器完成，磁鏈觀測(cè)器的輸入為電動(dòng)機(jī)的三相電壓及三相電流，經(jīng)磁鏈觀測(cè)器結(jié)合電動(dòng)機(jī)模型進(jìn)行計(jì)算，可獲取磁鏈的空間角度、電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)速度m、實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)矩電流q、實(shí)時(shí)勵(lì)磁電流d等關(guān)鍵控制信息。根據(jù)圖1所示采樣安裝位置，在電動(dòng)機(jī)被任意一臺(tái)變頻器驅(qū)動(dòng)運(yùn)行的過程中，兩臺(tái)變頻器均可通過輸出采樣環(huán)節(jié)獲取電動(dòng)機(jī)的實(shí)時(shí)磁鏈位置。

在進(jìn)行變頻器故障切換時(shí)，原驅(qū)動(dòng)變頻器故障封鎖脈沖，電動(dòng)機(jī)惰轉(zhuǎn)，變頻器對(duì)電動(dòng)機(jī)無電流輸出。根據(jù)電動(dòng)機(jī)特性，約有數(shù)秒的剩磁衰減時(shí)間，因此在故障切換過程中，備用變頻器主要通過對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行剩磁電壓檢測(cè)來實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的磁鏈定位與轉(zhuǎn)速跟蹤，變頻器在完成輸出開關(guān)的閉合后可直接輸出轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。

圖3 變頻器驅(qū)動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)開環(huán)矢量控制框圖

高壓變頻器驅(qū)動(dòng)6 000V/200kW/50Hz/1 487r/min異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行至額定頻率后，模擬變頻器故障封鎖脈沖所記錄的6 000V高壓電動(dòng)機(jī)剩磁衰減測(cè)試波形如圖4所示，包括電動(dòng)機(jī)三相電壓及A相電流的衰減波形。由圖4可以看出，異步電動(dòng)機(jī)剩磁衰減時(shí)間大于2s，在故障后500ms時(shí)，異步電動(dòng)機(jī)的剩磁電壓約為故障時(shí)電壓的70%，根據(jù)電動(dòng)機(jī)模型及電動(dòng)機(jī)理論，剩磁衰減時(shí)間與轉(zhuǎn)速的跌落速度無關(guān)。圖4中，C2代表電動(dòng)機(jī)三相電壓，Z2代表電動(dòng)機(jī)A相電流。

圖4 6 000V高壓電動(dòng)機(jī)剩磁衰減測(cè)試波形

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

測(cè)試平臺(tái)示意圖如圖5所示，1號(hào)VFD與2號(hào)VFD輸出分別經(jīng)過KM1和KM2開關(guān)并聯(lián)后連接至電動(dòng)機(jī)，兩臺(tái)變頻器電壓等級(jí)為6kV，KM1和KM2之間電氣聯(lián)鎖，2臺(tái)變頻器輸出電壓采樣均連接至靠近電動(dòng)機(jī)端，利用低壓四象限變頻器拖動(dòng)負(fù)載電動(dòng)機(jī)作為模擬負(fù)載，可實(shí)現(xiàn)帶載工況下的雙機(jī)冗余切換測(cè)試。

圖5 測(cè)試平臺(tái)示意圖

分別在空載和帶載工況下進(jìn)行故障切換測(cè)試：一臺(tái)變頻器運(yùn)行，另一臺(tái)變頻器就緒狀態(tài)，模擬運(yùn)行變頻器故障，立即切換到另一臺(tái)變頻器運(yùn)行，示波器測(cè)得輸出電壓、電流平滑無較大沖擊，空載測(cè)試時(shí)轉(zhuǎn)速基本無跌落，負(fù)載電動(dòng)機(jī)加載使轉(zhuǎn)矩電流達(dá)到85%，在額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)進(jìn)行切換，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速跌落約10%左右，各工況測(cè)試數(shù)據(jù)見表2。

空載及帶載工況下雙機(jī)切換的運(yùn)行波形分別如圖6～圖9所示，其中C1代表電動(dòng)機(jī)電壓，C2代表電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，C3代表1號(hào)VFD輸出A相電流，C4代表2號(hào)VFD輸出A相電流。

表2 各工況測(cè)試數(shù)據(jù)

圖6 空載工況1號(hào)VFD故障切至2號(hào)VFD運(yùn)行波形

圖7 空載工況2號(hào)VFD故障切至1號(hào)VFD運(yùn)行波形

圖8 帶載工況1號(hào)VFD故障切至2號(hào)VFD運(yùn)行波形

4 回切方案

雙變頻器冗余的最基本需求為在變頻器故障時(shí)短時(shí)實(shí)現(xiàn)備用切換，當(dāng)切換完成備機(jī)投運(yùn)后，故障變頻器可在退出運(yùn)行后進(jìn)行維修，在維修完畢后，如果要最終確認(rèn)變頻器的實(shí)際驅(qū)動(dòng)功能及可用性，需將故障變頻器再次投入運(yùn)行，原備用變頻器恢復(fù)備用，此時(shí)可基本確定兩臺(tái)變頻器均處于良好狀態(tài)，兩臺(tái)無故障變頻器允許短時(shí)輸出開關(guān)（KA與KB）同時(shí)閉合，以實(shí)現(xiàn)更快的主備變頻器無故障切換。故障消除后回切一次圖如圖10所示。

圖10 故障消除后回切一次圖

故障回切控制流程如圖11所示，由變頻器VFD A回切至變頻器VFD B，首先系統(tǒng)收到回切命令后合閘KB，經(jīng)時(shí)間2后KB完成合閘，VFD B經(jīng)過時(shí)間3后完成對(duì)輸出電壓的鎖相，此時(shí)變頻器VFD A直接封鎖脈沖同步觸發(fā)變頻器VFD B運(yùn)行及VFD A對(duì)應(yīng)輸出開關(guān)分閘，此時(shí)間為4，在KA分閘完畢后清除回切指令，完成回切過程。

上述回切過程中，輸出開關(guān)分?jǐn)嗯c閉合期間變頻器驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)持續(xù)運(yùn)行，僅在4時(shí)間內(nèi)兩臺(tái)變頻器均不輸出，4時(shí)間內(nèi)通過變頻器DO（digital output）及DI（digital input）進(jìn)行相互觸發(fā)，可在3ms內(nèi)完成切換，對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速基本無影響。

圖11 故障回切控制流程

5 結(jié)論

通過理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證不難發(fā)現(xiàn)，變頻器雙機(jī)冗余切換技術(shù)可大大提高變頻器運(yùn)行的可靠性，以變頻器故障率為0.01%即萬分之一計(jì)算，兩臺(tái)變頻器同時(shí)故障的概率可降低至億分之一。變頻器雙機(jī)冗余切換技術(shù)保證系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行不停機(jī)，故障變頻器在維修后可投入熱備，雙機(jī)冗余切換技術(shù)還可拓展為一備多用的變頻器驅(qū)動(dòng)機(jī)組，確保機(jī)組持續(xù)運(yùn)行。

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Research on dual inverter redundancy switching technology for circulating water pumps in nuclear power plants

WANG Xiankun1WU Xing1SONG Wenke1LI Biao1ZHU Wei2

(1. Shandong Nuclear Power Co., Ltd, Haiyang, Shandong 265116; 2. Shanghai Nancal Electric Co., Ltd, Shanghai 201413)

As the core electric drive for the primary pump motor in a nuclear power plant, any fault of the frequency converter can cause extremely serious consequences for production and related processes. This paper presents a redundant drive scheme for inverters. Two inverters are used to drive one motor to provide redundant backup for the whole inverter. When the main inverter device driving the motor fails, it can automatically switch to the backup inverter drive output in a short time (within 150ms) to ensure that the motor can run continuously and stably. This dual-machine redundant switching scheme provides an important guarantee for the stable operation of the nuclear power plant and reduces potential risks.

frequency converter; dual converter redundancy; switching time; motor

2023-08-22

2023-09-11

王憲坤（1977—），男，山東省濟(jì)寧市人，本科，高級(jí)工程師，主要從事核電站電氣設(shè)備的技術(shù)管理工作。