無擾切換技術(shù)在電廠引風機高壓變頻器中的應(yīng)用

1、2014年第36卷第1期第56頁電氣傳動自動化ELECTRICDRIVEAUTOMATIONVol36，No12014，36（1）：5660文章編號：10057277（2014）01005605無擾切換技術(shù)在電廠引風機高壓變頻器中的應(yīng)用顧力光1，李巍2，徐衛(wèi)青3（1華電鐵嶺發(fā)電有限公司，遼寧鐵嶺112000；2華電卓資發(fā)電有限公司，內(nèi)蒙古卓資012300；3國電南京自動化股份公司，江蘇南京210023）摘要：高壓變頻器在發(fā)電廠引風機使用中,常因變頻器故障需單側(cè)停機，目前常用措施是降低機組負荷單側(cè)停機檢修，嚴重影響機組負荷，經(jīng)濟損失大，提出一種通過為變頻器增加無擾切換柜，實現(xiàn)引風機變頻方式與工頻

2、方式的雙向切換，且切換電流小，對母管風壓無影響，機組負荷穩(wěn)定。通過實驗驗證該方法的可行性。關(guān)鍵詞：無擾切換；工頻投切；變頻投切；鎖相技術(shù)；高壓變頻器中圖分類號：TM92151文獻標識碼：BApplicationofnodisturbanceswitchingtechnologyinhighvoltagevariablefrequencyconverterforpowerplantdrawingfanGULiguang1，LIWei2，XUWeiqing2（1HuadianTielingPowerPlantCo，Ltd，Tieling112000，China；2HuadianZhuoziPowe

3、rPlantCo，Ltd，Zhuozi012300，China；3GuodianNanjingAutomationCo，Ltd，Nanjing210023，China）Abstract：Intheuseofhighvoltageinverterinthepowerplantinduceddraftfan,oftenbecausethefrequencyconverterfaultshouldbeunilateralstop,thecommonlymeasurementistoreducetheunitloadunilateralshutdownoverhaul,butitwillserious

4、lyinfluenceunitloadandcauselargeeconomicloss.Afrequencyconverterbyincreasingtheundisturbedswitchcabinetisproposed,whichrealizetheinduceddraftfanfrequencyconversionmethodandwayofpower-frequencytwo-wayswitch.Theswitchingcurrentissmall,onthemainpipepressurehasnoeffect,andtheunitloadisstable.Thefeasibil

5、ityofthismethodisverifiedbytheexperiment.Keywords：no-disturbanceswitching;powerfrequencyswitching;frequencyswitching;phaselocktechnology;high-voltagevariablefrequencyconverter1引言鍋爐引風機是發(fā)電廠的主要用電負荷之一,屬于耗電大戶,俗有“電老虎”之稱,僅引風機耗電量就約占到全部廠用電量的25,如引風機采用工頻運行。為了維護鍋爐爐膛負壓及正常燃燒，通常采用傳統(tǒng)的手動調(diào)節(jié)引風機入口靜葉開度的方式進行風量調(diào)節(jié)。正常運行中,某電

6、廠#5機組引風機風門擋板的開度約為4060，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：調(diào)速效率高,屬于高效調(diào)節(jié)方式；調(diào)速范圍寬，一般可達20：1（502.5Hz）；自動控制程度高，能作高精度運行，把轉(zhuǎn)速波動率控制在0.5%1%之間；電機啟動電流小，延長電機壽命。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降低機組負荷，通過爐膛投小油穩(wěn)定爐壓，單側(cè)停止故障變頻器后，進入工頻運行，檢修恢復(fù)后再次降低負荷，停止工頻側(cè)將變頻器再次投入運行，需要反復(fù)停機，不僅影響負荷，而且造成巨大的經(jīng)濟損失，本文提出一種無擾切

7、換技術(shù)，可以在不影響負荷情況下實現(xiàn)變頻、工頻之間的無擾切換，具有很高的應(yīng)用價值。2014年第1期顧力光，李巍，徐衛(wèi)青無擾切換技術(shù)在電廠引風機高壓變頻器中的應(yīng)用·57·2項目介紹某電廠有2臺660MW亞臨界機組，此次改造為4套4500kW引風機，具體參數(shù)如下。表1引風機參數(shù)表序號123456789101112項目型號風量全壓葉輪外徑介質(zhì)溫度介質(zhì)密度軸承允許溫度電機型號功率電壓額定電流額定轉(zhuǎn)速kWkVAr/minm3/hPammkg/m3單位規(guī)格型號AYX75-5652800-200直徑：4031；有效：299119.81.0690YKK500-845006000448750頻

8、切換激活時，QF1閉合，電機直接接入電網(wǎng)吸收有功和無功功率，同時變頻器加速升頻至50Hz，控制系統(tǒng)檢測電網(wǎng)電壓和變頻器的輸出電壓，通過比較并調(diào)節(jié)使兩個幅值和相位完全一致后，QF2閉合，變頻器帶上負荷，經(jīng)過200ms延時將QF3斷開，電機進入變頻運行。同理變頻向工頻切換時，同步切換系統(tǒng)通過檢測電網(wǎng)電壓和級聯(lián)型變頻器的輸出電壓，通過比較并調(diào)節(jié)使兩個幅值和相位完全一致后，鎖相成功后閉合QF3，QF3合閘后200ms延時高壓變頻封脈沖停止，同時分斷QF1和QF2，完成切換過程。4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)則可保證切換時滿足上述條

9、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三個基本部件，如圖2所示。u（）itPDu（）dtLF）u（ctVCOu（）0t電廠要求，變頻改造完成后，引風機在變頻運行中具備在不擾動負荷情況下進行“變頻運行方式”和“工頻運行方式”雙向切換功能。此次變頻改造1通過增加同步投采用ASD6000U-5000級聯(lián)變頻器，切柜，可以實現(xiàn)變頻與工頻之間無擾動切換。（）uftPLL3無擾切換技術(shù)原理高壓變頻無擾切換系統(tǒng)主回路原理圖如圖1所示。級聯(lián)逆變器A圖2基本鎖相環(huán)組成其特點為鎖相環(huán)工作原理為鑒相器檢測輸入信號與反饋信號質(zhì)檢的相位偏差，利用相位偏差產(chǎn)生控制信號，從而減少或消除

10、相位偏差。PD對輸abc（）和反饋信號u（）入信號u的相位作比較、運算處itftM）。誤差信號u（）經(jīng)線性低通理，得到誤差信號u（dtdt）；VCO是一個電壓/頻率變網(wǎng)絡(luò)LF得到控制信號u（ct換裝置，它的輸出信號u（）隨u（）的頻率（變0tvtct化，一般可以表示成線性關(guān)系。經(jīng)過線性化處理，假設(shè)輸入為固定頻率信號：C工頻電網(wǎng)電源QF1電抗器QF2QF3圖1同步投切系統(tǒng)一次回路（）Uisin（it）uitiu（的相位差e）（t）為：0te（t）0t（）eKt1eK）e0K（1）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)進行

11、數(shù)據(jù)采集、分析計算、脈沖處理、控制報警、輸入輸出鎖相等功能。工（）和輸出信號經(jīng)過分析計算得到輸入信號uit（2）0i0為輸入信號頻率與VCO固有式中：·58·電氣傳動自動化2014年第1期頻率之差，稱為環(huán)路固有頻差；K為線性常數(shù)，與鎖（t）為起始相差。相環(huán)結(jié)構(gòu)有關(guān)；c由式（2）得當00時，（t）（）eKtee0）e（etK（）eKte0dt（3）（4）生影響。在對并網(wǎng)側(cè)電壓進行濾波的同時，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，造成系統(tǒng)控制產(chǎn)生延時，增加了不穩(wěn)定因素。為了減小角度延時，在鎖相輸出角度上對延時進

12、行補償，確保了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，如圖3所示。（3）、（4）分別表示環(huán)路相差和頻差的變化式規(guī)律。d（）dt為瞬時頻差?？梢?，當輸入信號頻et率與VCO固有頻率相等時，環(huán)路可消除起始偏差。由式（2）進一步分析，當輸入信號頻率與VCO固有頻率不相等時，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K足夠大時，相差也能消除。5技術(shù)問題5.1設(shè)計中技術(shù)難點（1）電壓相位跟蹤在高壓變頻器拖動電動機負載運行時，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)采用經(jīng)過鎖相得到電網(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，在50Hz的基礎(chǔ)上加上這

13、個步長作為變頻器輸出的頻率。當變頻器電壓相位滯后于電網(wǎng)相位時，變頻器拖動電機加速追趕電網(wǎng)，變頻器對電機做功；當變頻器電壓相位超前于電網(wǎng)相位時，變頻器拖動電機制動跟蹤電網(wǎng)相位，變頻器從電機吸收功率。如此反復(fù)，直到電網(wǎng)的相位和變頻器的相位完全一致，如果相位跟蹤得過快，會造成變頻器功率振蕩，影響電動機運行負載。為了保證變頻器在跟蹤電網(wǎng)相位時不產(chǎn)生功率振蕩，PI調(diào)節(jié)器的輸出限幅要很小，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。此時設(shè)置一個合適的限幅值來保證變頻器即不產(chǎn)生功率振蕩，又能使變頻器跟蹤到電網(wǎng)的頻率就非常有必要。（2）鎖相角補償整流側(cè)產(chǎn)生的諧波電流必然對并網(wǎng)側(cè)電壓產(chǎn)

14、圖3軟件鎖相原理圖軟件鎖相環(huán)在電網(wǎng)側(cè)電壓存在諧波的情況下，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，同時為了減小濾波環(huán)節(jié)造成的延時，對鎖相角度進行補償。（3）投切過程變頻器相位選擇當變頻器鎖相成功后，由于有PI調(diào)節(jié)器存在，變頻器的相位在電網(wǎng)的左右進行微小振蕩，當投切點選在變頻器滯后于電網(wǎng)的點進行切換，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向電網(wǎng)發(fā)送感性無功功率，感性電流逐漸增加可能會導(dǎo)致過流保護動作。為了保證切換過程的成功，投切點選擇在變頻器相位略超前于電網(wǎng)相位點。此時，變頻器向電網(wǎng)輸出少量有功功率，不會觸發(fā)

15、保護動作而造成故障停機。5.2應(yīng)用中技術(shù)問題頻工切換中，當旁路開關(guān)合閘后存在一個QF3合閘后，變頻器出線斷路器QF2同時合閘問題，此時變頻器停機后要迅速分閘QF2，因為變頻器出線電抗器的阻攔作用只有約1s，否則會出現(xiàn)變頻器倒灌電問題，毀壞變頻器。出現(xiàn)這種情況，應(yīng)立即分2014年第1期顧力光，李巍，徐衛(wèi)青無擾切換技術(shù)在電廠引風機高壓變頻器中的應(yīng)用·59·開旁路QF3，同時頻工切換程序退出，變頻器飛車啟動加速至50Hz，選擇合適時機單側(cè)停機，檢查出線開關(guān)QF2無法分斷原因。工頻投切中，鎖相成功，QF2已經(jīng)閉合，QF3分斷命令發(fā)出后，檢測QF3狀態(tài)，800ms后仍處于合位，則繼續(xù)

16、保持鎖相，進行頻工投切，停止變頻器運行，將變頻器再次倒入工頻運行狀態(tài)。同步投切過程中，變頻器發(fā)生重故障，無法順利進行頻工投切，會導(dǎo)致電機停止運行。鑒于此問題，在DCS中增加變頻器重故障檢測點，當同步投切過程中出現(xiàn)變頻器重故障信號時，則發(fā)命令直接分斷QF1、QF2斷路器，同時關(guān)閉風機擋板，根據(jù)機組負荷和母管風壓選擇適當延遲時間發(fā)命令閉合QF3，進行工頻獨立運行。電動機在工頻運行時，變頻器先空載運行并跟蹤電網(wǎng)至鎖相，并網(wǎng)后將電動機從工頻切出，投入變頻運行。頻工投切：先由變頻器拖動電機運行，當變頻器的輸出頻率、幅值、相位都與電網(wǎng)相符時，并網(wǎng)后將電動機從變頻切出，投入電網(wǎng)運行。頻工投切變頻器升頻至50

17、Hz旁路QF3處于分閘狀態(tài)；變頻運行；變頻器無故障；工頻投切禁止；變頻器停機方式設(shè)定為自由停機；變頻器隔離斷路器打到PLC控制模式足投切條件N變頻器重故障且運行信號消失N投切退出YPLC自動變切工一次Y頻工投切使能PLC頻工投切允許發(fā)出6投切流程變頻器的同步切換按照運行方式可分為工頻投切和頻工投切，分別如圖4、圖5所示。工頻投切：工頻投切QF3合閘狀態(tài)旁路QF1、QF2處于分閘狀態(tài)；變頻停止；變頻器無故障；頻工投切禁止變頻器停機方式設(shè)定為自由停機；變頻器隔離斷路器打到PLC控制模式投切退出DCS投切指令發(fā)出投切激活？內(nèi)鎖相成功Y成功延時10s合旁路QF3旁路QF3延時200ms，變頻器停止N足

18、投切條件Y工頻投切使能PLC工頻投切允許發(fā)出DCS工頻投切指令發(fā)出變頻器停止延時200ms分QF1、QF2投切結(jié)束，DCS頻工投切使能退出PLC合QF1延時20s變頻器啟動并加速升頻至50Hz延時6min變頻器進出線開始鎖相，5min內(nèi)鎖相成功鎖相失敗圖5頻工投切流程圖7實驗驗證在一次機組發(fā)電啟動中，引風機使用變頻方式啟動，當機組負荷運行至540MW，兩側(cè)風機變頻器運行頻率為46Hz，風機擋板開度100%，變頻器輸出變頻器重故障且運行信號消失YQF2，YPLC分QF1、投切退出鎖相成功鎖相成功后延時10s變頻故障后合出線開關(guān)QF2變頻正常QF2合閘后延時200ms分QF3工頻投切退出電流（電機

19、電流）為330A，將變頻器自動調(diào)頻改為手動，逐漸增大運行頻率，減小擋板開度，保持風壓基本不變。當頻率升至50Hz時，點擊“自動頻工投切”按鈕，通過PLC執(zhí)行一系列動作，變頻器鎖相成功后，自動切換至工頻運行。待兩側(cè)二次風機均QF3分閘后變頻器故障？PLC自動變切工一次圖4工頻投切流程圖··60電氣傳動自動化2014年第1期7所示。整個過程中二次風壓沒有波動，切換電流峰值亦在正常范圍內(nèi)，同步投切正常成功。8結(jié)束語經(jīng)過試驗結(jié)果驗證，變頻器同步投切技術(shù)能較好的解決火電廠重要輔機變頻改造后的連續(xù)運行問題。當變頻器出現(xiàn)運行報警，則使用頻工投切功能將變頻運行自動投切至工頻運行，當變頻器檢修完畢，調(diào)試正常，則使用工頻投切功能將工頻運圖6鎖相前頻工電壓對比行自動投切為變頻運行，節(jié)約廠用電，取消了切換中的燃油及負荷損失，經(jīng)濟效益明顯。參考文獻：張雪平鎖相技術(shù)在變頻調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用J化工自1