無擾切換技術(shù)在電廠引風(fēng)機(jī)高壓變頻器中的應(yīng)用

顧力光，李 巍，徐衛(wèi)青

（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）

1 引言

鍋爐引風(fēng)機(jī)是發(fā)電廠的主要用電負(fù)荷之一,屬于耗電大戶,俗有“電老虎”之稱,僅引風(fēng)機(jī)耗電量就約占到全部廠用電量的25%,如引風(fēng)機(jī)采用工頻運(yùn)行。為了維護(hù)鍋爐爐膛負(fù)壓及正常燃燒，通常采用傳統(tǒng)的手動調(diào)節(jié)引風(fēng)機(jī)入口靜葉開度的方式進(jìn)行風(fēng)量調(diào)節(jié)。正常運(yùn)行中,某電廠#5機(jī)組引風(fēng)機(jī)風(fēng)門擋板的開度約為40%～60%，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：①調(diào)速效率高,屬于高效調(diào)節(jié)方式；②調(diào)速范圍寬，一般可達(dá)20：1（50～2.5Hz）；③自動控制程度高，能作高精度運(yùn)行，把轉(zhuǎn)速波動率控制在0.5%～1%之間；④電機(jī)啟動電流小，延長電機(jī)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(jī)組負(fù)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(jìn)入工頻運(yùn)行，檢修恢復(fù)后再次降低負(fù)荷，停止工頻側(cè)將變頻器再次投入運(yùn)行，需要反復(fù)停機(jī)，不僅影響負(fù)荷，而且造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，本文提出一種無擾切換技術(shù)，可以在不影響負(fù)荷情況下實(shí)現(xiàn)變頻、工頻之間的無擾切換，具有很高的應(yīng)用價值。

2 項(xiàng)目介紹

某電廠有2臺660MW亞臨界機(jī)組，此次改造為4套4500kW引風(fēng)機(jī)，具體參數(shù)如下。

表1 引風(fēng)機(jī)參數(shù)表

電廠要求，變頻改造完成后，引風(fēng)機(jī)在變頻運(yùn)行中具備在不擾動負(fù)荷情況下進(jìn)行“變頻運(yùn)行方式”和“工頻運(yùn)行方式”雙向切換功能［1］。此次變頻改造采用ASD6000U-5000級聯(lián)變頻器，通過增加同步投切柜，可以實(shí)現(xiàn)變頻與工頻之間無擾動切換。

3 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。

圖1 同步投切系統(tǒng)一次回路

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(jìn)行數(shù)據(jù)采集、分析計(jì)算、脈沖處理、控制報警、輸入輸出鎖相等功能。工頻切換激活時，QF1閉合，電機(jī)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(fù)荷，經(jīng)過200ms延時將QF3斷開，電機(jī)進(jìn)入變頻運(yùn)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?jǐn)郠F1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。

圖2 基本鎖相環(huán)組成

其特點(diǎn)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，從而減少或消除相位偏差。PD對輸入信號ui（t）和反饋信號uf（t）的相位作比較、運(yùn)算處理，得到誤差信號ud（t）。誤差信號ud（t）經(jīng)線性低通網(wǎng)絡(luò)LF得到控制信號uc（t）；VCO是一個電壓/頻率變換裝置，它的輸出信號u0（t）的頻率ωv（t）隨uc（t）變化，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：

經(jīng)過分析計(jì)算得到輸入信號ui（t）和輸出信號u0（t）的相位差θe（t）為：

式中：Δω0＝ωi－ω0為輸入信號頻率與VCO固有頻率之差，稱為環(huán)路固有頻差；K為線性常數(shù)，與鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)有關(guān)；θc（t）為起始相差。

當(dāng)Δω0＝0時，由式（2）得

式（3）、（4）分別表示環(huán)路相差和頻差的變化規(guī)律。dθe（t）／dt為瞬時頻差。可見，當(dāng)輸入信號頻率與VCO固有頻率相等時，環(huán)路可消除起始偏差。由式（2）進(jìn)一步分析，當(dāng)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(jì)中技術(shù)難點(diǎn)

（1）電壓相位跟蹤

在高壓變頻器拖動電動機(jī)負(fù)載運(yùn)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)上加上這個步長作為變頻器輸出的頻率。當(dāng)變頻器電壓相位滯后于電網(wǎng)相位時，變頻器拖動電機(jī)加速追趕電網(wǎng)，變頻器對電機(jī)做功；當(dāng)變頻器電壓相位超前于電網(wǎng)相位時，變頻器拖動電機(jī)制動跟蹤電網(wǎng)相位，變頻器從電機(jī)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(jī)運(yùn)行負(fù)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(bǔ)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)生影響。在對并網(wǎng)側(cè)電壓進(jìn)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(jìn)行補(bǔ)償，確保了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，如圖3所示。

圖3 軟件鎖相原理圖

在電網(wǎng)側(cè)電壓存在諧波的情況下，軟件鎖相環(huán)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(jìn)行補(bǔ)償。

（3）投切過程變頻器相位選擇

當(dāng)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(jìn)行微小振蕩，當(dāng)投切點(diǎn)選在變頻器滯后于電網(wǎng)的點(diǎn)進(jìn)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(hù)動作。為了保證切換過程的成功，投切點(diǎn)選擇在變頻器相位略超前于電網(wǎng)相位點(diǎn)。此時，變頻器向電網(wǎng)輸出少量有功功率，不會觸發(fā)保護(hù)動作而造成故障停機(jī)。

5.2 應(yīng)用中技術(shù)問題

頻工切換中，當(dāng)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(jī)后要迅速分閘QF2，因?yàn)樽冾l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(jī)單側(cè)停機(jī)，檢查出線開關(guān)QF2無法分?jǐn)嘣颉?/p>

工頻投切中，鎖相成功，QF2已經(jīng)閉合，QF3分?jǐn)嗝畎l(fā)出后，檢測QF3狀態(tài)，800ms后仍處于合位，則繼續(xù)保持鎖相，進(jìn)行頻工投切，停止變頻器運(yùn)行，將變頻器再次倒入工頻運(yùn)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(jìn)行頻工投切，會導(dǎo)致電機(jī)停止運(yùn)行。鑒于此問題，在DCS中增加變頻器重故障檢測點(diǎn)，當(dāng)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?jǐn)郠F1、QF2斷路器，同時關(guān)閉風(fēng)機(jī)擋板，根據(jù)機(jī)組負(fù)荷和母管風(fēng)壓選擇適當(dāng)延遲時間發(fā)命令閉合QF3，進(jìn)行工頻獨(dú)立運(yùn)行。

6 投切流程

圖4 工頻投切流程圖

變頻器的同步切換按照運(yùn)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：電動機(jī)在工頻運(yùn)行時，變頻器先空載運(yùn)行并跟蹤電網(wǎng)至鎖相，并網(wǎng)后將電動機(jī)從工頻切出，投入變頻運(yùn)行。頻工投切：先由變頻器拖動電機(jī)運(yùn)行，當(dāng)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(jī)從變頻切出，投入電網(wǎng)運(yùn)行。

圖5 頻工投切流程圖

7 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在一次機(jī)組發(fā)電啟動中，引風(fēng)機(jī)使用變頻方式啟動，當(dāng)機(jī)組負(fù)荷運(yùn)行至540MW，兩側(cè)風(fēng)機(jī)變頻器運(yùn)行頻率為46Hz，風(fēng)機(jī)擋板開度100%，變頻器輸出電流（電機(jī)電流）為330A，將變頻器自動調(diào)頻改為手動，逐漸增大運(yùn)行頻率，減小擋板開度，保持風(fēng)壓基本不變。當(dāng)頻率升至50Hz時，點(diǎn)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(yùn)行。待兩側(cè)二次風(fēng)機(jī)均切換至工頻運(yùn)行一段時間后，保持機(jī)組負(fù)荷基本不變，擋板開度不變，點(diǎn)擊“自動工頻投切”按鈕，通過PLC執(zhí)行一系列動作，變頻器鎖相成功后，自動由工頻切換至變頻運(yùn)行，逐漸增大擋板開度至100%，降低運(yùn)行頻率至滿足自動調(diào)頻要求，如圖6、7所示。整個過程中二次風(fēng)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。

圖6 鎖相前頻工電壓對比

圖7 鎖相后頻工電壓對比

8 結(jié)束語

經(jīng)過試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證，變頻器同步投切技術(shù)能較好的解決火電廠重要輔機(jī)變頻改造后的連續(xù)運(yùn)行問題。當(dāng)變頻器出現(xiàn)運(yùn)行報警，則使用頻工投切功能將變頻運(yùn)行自動投切至工頻運(yùn)行，當(dāng)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(yùn)行自動投切為變頻運(yùn)行，節(jié)約廠用電，取消了切換中的燃油及負(fù)荷損失，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

［1］張雪平.鎖相技術(shù)在變頻調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.化工自動化及儀表，2005，32（1）：79－80.

［2］黃良沛，羅忠誠.利用鎖相技術(shù)實(shí)現(xiàn)大功率電機(jī)變頻轉(zhuǎn)工頻的研究［J］.電氣應(yīng)用，2005，24（2）：23－25.