火力發電機組風機變頻改造技術探討

韓英昆，孟祥榮

（山東電力研究院，山東 濟南 250002）

0 引言

節能降耗是現在火力發電機組面臨的一個十分重要的問題。原來常規設計中，風機、泵類的控制流量都是通過節流方式實現，而這些設備都是高耗能設備，因此尋求更加節能的控制設備和控制方式是降低能耗的重要手段之一。隨著大型變頻器技術的成熟，許多火電機組在技術改造中，都對高耗能系統如風機系統、凝結水系統改造加裝了變頻節能裝置，將原來的節流控制模式，改造為節能的變頻無級調節運行方式，一方面減少了運行中的節流損失，降低了電機運行電流，起到理想的節能作用；另一方面改善了大功率電機啟動電流沖擊問題，實現大電機平穩啟動。變頻改造在火力機組實際應用中取得了較為明顯安全效果和經濟效果。

1 變頻器控制方式

變頻器對電動機進行控制是根據電動機的特性參數及電動機運轉要求，對電動機提供電壓、電流、頻率進行控制，達到負載的要求。 變頻器的主電路一樣，逆變器件相同，單片機位數也一樣，只是控制方式不同，其控制效果是不一樣的，所以控制方式代表變頻器的水平。目前變頻器對電動機的控制方式大體可分為：U/f恒定控制、轉差頻率控制、矢量控制、直接轉矩控制等。

U/f恒定控制是在改變電動機電源頻率的同時改變電動機電源的電壓，使電動機磁通保持一定，在較寬的調速范圍內，電動機的效率、功率因數不下降。因為是控制電壓 （Voltage）與頻率（Frequency）之比，稱為 U/f控制。恒定 U/f控制存在的主要問題是低速性能較差，轉速極低時，電磁轉矩無法克服較大的靜摩擦力，不能恰當的調整電動機的轉矩補償和適應負載轉矩的變化；其次是無法準確的控制電動機的實際轉速。由于恒U/f變頻器是轉速開環控制，由異步電動機的機械特性圖可知，設定值為定子頻率也就是理想空載轉速，而電動機的實際轉速由轉差率所決定，所以U/f恒定控制方式存在的穩定誤差不能控制，故無法準確控制電動機的實際轉速。

轉差頻率控制是施加于電動機的交流電源頻率與電動機速度的差頻率。根據異步電動機穩定數學模型可知，當頻率一定時，異步電動機的電磁轉矩正比于轉差率，機械特性為直線。轉差頻率控制就是通過控制轉差頻率來控制轉矩和電流。轉差頻率控制需要檢出電動機的轉速，構成速度閉環，速度調節器的輸出為轉差頻率，然后以電動機速度與轉差頻率之和作為變頻器的給定頻率。與U/f控制相比，其加減速特性和限制過電流的能力得到提高。另外，它有速度調節器，利用速度反饋構成閉環控制，速度的靜態誤差小。然而要達到自動控制系統穩態控制，還達不到良好的動態性能。

矢量控制也稱磁場定向控制。該控制方式基于70年代初由西德F.Blasschke提出的 “感應電機磁場定向的控制原理”和美國人P.C.Custman和AA.Clark申請的專利“感應電機定子電壓的坐標變換控制”等先進理論，在后期實踐中不斷改進，逐漸形成矢量控制調速系統。由此開創了交流電動機和等效直流電動機的先河。 矢量控制變頻調速的做法是將異步電動機在三相坐標系下的定子交流電流Ia、Ib、Ic。通過三相—二相變換，等效成兩相靜止坐標系下的交流電流Ia1、Ib1，再通過按轉子磁場定向旋轉變換，等效成同步旋轉坐標系下的直流電流Im1、It1（Im1相當于直流電動機的勵磁電流，It1相當于直流電動機的電樞電流），然后模仿直流電動機的控制方法，求得直流電動機的控制量，經過相應的坐標反變換實現對異步電動機的控制。 矢量控制方法的出現，使異步電動機變頻調速在電動機的調速領域里全方位的處于優勢地位。 但是，矢量控制技術需要對電動機參數進行正確估算，如何提高參數的準確性是一直研究的話題。

直接轉矩控制理論是1985年德國魯爾大學的DePenbrock教授首次提出的，該技術在很大程度上解決了矢量控制的不足，它不是通過控制電流，磁鏈等量間接控制轉矩，而是把轉矩直接作為被控量來控制。轉矩控制的優越性在于，轉矩控制是控制定子磁鏈，在本質上并不需要轉速信息，控制上對除定子電阻外的所有電機參數變化魯棒性良好，所引入的定子磁鏈觀測器能很容易估算出同步速度信息，因而能方便的實現無速度傳感器，這種控制被稱為無速度傳感器直接轉矩控制。變頻器的選擇風機和泵類負載在過載能力方面要求較低，由于負載轉矩與速度的平方成反比，所以低速運行時負載較輕（羅茨風機除外），又因為這類負載對轉速精度沒有什么要求，故選型時通常以價廉為主要原則，選擇普通功能型變頻器。而多數負載具有恒轉矩特性，在轉速精度及動態性能等方面要求一般不高，例如擠壓機、攪拌機、傳送帶、廠內運輸電車、吊車的平移機構、吊車的提升機構和提升機等，選型時可選U/f控制方式的變頻器，但是最好采用具有恒轉矩控制功能的變頻器。

2 常見變頻控制方案

變頻控制采用“一拖一”控制方式，即一臺變頻器對應控制一臺風機或泵。正常工況下，風機變頻運行，變頻器故障時風機切換至工頻控制。控制原理如圖1所示，QF1為6kV母線開關，QF3為變頻器輸入開關，QF4為變頻器輸出開關，QF5為工頻旁路控制開關變頻控制開關。 QF3、QF4與工頻（旁路）開關QF5不能同時閉合，該閉合保護聯鎖在變頻器電氣硬聯鎖及控制邏輯中雙重設計，防止損壞設備。該方案在電廠雙側風機控制系統中運用較為普遍。

圖1 一拖一變頻控制原理框圖

變頻控制采用“一拖二”或“一拖多”控制方式。即一臺變頻器對應控制兩臺或多臺電機設備，控制原理如圖2所示。該方案節省了變頻器改造的前期投入，但是控制系統只能一臺設備工作于變頻控制模式下，適用于“一用一備”或“一用多備”的控制系統，如電廠凝結水系統、開式循環水系統等。

3 變頻改造工程實例

某發電廠風機變頻節能改造中，重點放在了鍋爐引風機和一次風機變頻改造。改造前風機均采用靜葉或擋板調節，機組低負荷時風機節流比較厲害，影響整個機組的經濟運行。變頻改造系統結構采用了簡單實用的“一拖一”控制方式，即每臺風機對應一臺變頻器拖動，如圖1所示。改造后風機靜葉或擋板全開，整個風機風道無節流環節，根據系統風量需求，調節變頻器頻率，進而控制風機轉速，實現系統風量調節，滿足機組不同負荷段的經濟運行需要。

圖2 一拖二變頻控制原理框圖

風機變頻運行過程中，出現風機異常跳閘時，當機組負荷大于50%時，且允許啟動工頻旁路時，控制邏輯自動完成變頻切工頻轉換，變頻器故障的風機轉為工頻運行，風機靜葉或擋板根據機組負荷進行置位，防止運行工況突變，如設定時間內不能完成切換，則直接跳開6 kV母線開關QF1，進入機組RB負荷快切保護邏輯，切換邏輯如圖3所示，圖中，TP為脈沖信號發生器，TON為延時定時器。負荷小于50%時，直接停止變頻器故障的風機。

圖3 變頻切工頻邏輯框圖

機組變頻改造后，運行情況良好，經濟節能比較明顯，一般情況下，125MW級機組每年兩臺引風機能節電200萬kW·h以上，300MW級機組引風機變頻運行能節電320萬kW·h以上。

4 變頻改造中需要注意的問題

4.1 系統“搶風”

某廠一次風機變頻改造后，低負荷運行情況良好，升負荷過程中，兩臺一次風機變頻指令同步上升，在風機升速過程中，發生兩臺風機“搶風”，影響了系統自動投入運行。適當關小風機擋板開度后，改善了系統“搶風”，實現系統平穩運行。

4.2 風機振動增大

風機改為變頻控制后，轉速調節范圍增大，由于風機存在軸系及葉片的共振區，假如共振區恰好在風機轉速調節區域，則風機振動會明顯增大，工況惡劣，可能引起設備損壞。

4.3 變頻器本身問題

高壓變頻器的節能效果很大程度上取決于變頻器本身的工作可靠性，在選取變頻器時，一定要選取高性能設備，保證機組的安全經濟運行。在實際應用過程中，機組變頻設備故障往往多發生在變頻器本身故障。

另外，需要注意變頻器的輸出波形對電動機的影響，火電廠變頻調速改造時很大部分是舊設備，原有的普通電動機是設計成為電網直接運行的，而電網電壓彼形基本為正弦波，對電機要求相對較低，如果變頻器輸出波形質量不好的話，會對電動機產生不利影響。

考慮到變頻器故障時會引起風機停運，造成機組降負荷運行，故采用進線刀閘、旁路刀閘、出線刀閘集成柜，以便在變頻器故障時，可順利自動完成切工頻旁路，保持風機的繼續運行。

5 結語

高壓變頻器用于火電廠輔機的調節后，能延長電動機、風機與泵類設備的使用壽命，提高生產效率和機組自動化水平，提高火電廠運行和供電的可靠性，節約大量能源和檢修費用，為火電廠帶來較大的經濟效益和社會效益。 特別是火電機組點全國裝機容量的比例很高，其大功率輔機具備由傳統擋扳閥門調節改造為變頻調節條件的很多，改造后節能潛力很大。