無擾切換技術在電廠引風機高壓變頻器中的應用

顧力光，李 巍，徐衛青

（1.華電鐵嶺發電有限公司，遼寧 鐵嶺 112000；2.華電卓資發電有限公司，內蒙古 卓資 012300；3.國電南京自動化股份公司，江蘇 南京 210023）

1 引言

鍋爐引風機是發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，通常采用傳統的手動調節引風機入口靜葉開度的方式進行風量調節。正常運行中,某電廠#5機組引風機風門擋板的開度約為40%～60%，節流損失很大。高壓變頻器作為一種有效的調速工具，具有無可比擬的優勢：①調速效率高,屬于高效調節方式；②調速范圍寬，一般可達20：1（50～2.5Hz）；③自動控制程度高，能作高精度運行，把轉速波動率控制在0.5%～1%之間；④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雜系統，因環境、器件老化等原因不可避免發生各類故障，常用的故障處理方法是主動降低機組負荷，通過爐膛投小油穩定爐壓，單側停止故障變頻器后，進入工頻運行，檢修恢復后再次降低負荷，停止工頻側將變頻器再次投入運行，需要反復停機，不僅影響負荷，而且造成巨大的經濟損失，本文提出一種無擾切換技術，可以在不影響負荷情況下實現變頻、工頻之間的無擾切換，具有很高的應用價值。

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，具體參數如下。

表1 引風機參數表

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［1］。此次變頻改造采用ASD6000U-5000級聯變頻器，通過增加同步投切柜，可以實現變頻與工頻之間無擾動切換。

3 無擾切換技術原理

高壓變頻無擾切換系統主回路原理圖如圖1所示。

圖1 同步投切系統一次回路

高壓變頻同步切換系統主回路由切換開關QF1、QF2、QF3、高壓變頻器、并網電抗器L以及控制系統組成。其中控制系統進行數據采集、分析計算、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，電機直接接入電網吸收有功和無功功率，同時變頻器加速升頻至50Hz，控制系統檢測電網電壓和變頻器的輸出電壓，通過比較并調節使兩個幅值和相位完全一致后，QF2閉合，變頻器帶上負荷，經過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，同步切換系統通過檢測電網電壓和級聯型變頻器的輸出電壓，通過比較并調節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，采用鎖相環則可保證切換時滿足上述條件。變頻器中的鎖相環［2］主要包含鑒相器PD、環路濾波器LF以及壓控振蕩器VCO三個基本部件，如圖2所示。

圖2 基本鎖相環組成

其特點為鎖相環工作原理為鑒相器檢測輸入信號與反饋信號質檢的相位偏差，利用相位偏差產生控制信號，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、運算處理，得到誤差信號ud（t）。誤差信號ud（t）經線性低通網絡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系。經過線性化處理，假設輸入為固定頻率信號：

經過分析計算得到輸入信號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，稱為環路固有頻差；K為線性常數，與鎖相環結構有關；θc（t）為起始相差。

當Δω0＝0時，由式（2）得

式（3）、（4）分別表示環路相差和頻差的變化規律。dθe（t）／dt為瞬時頻差。可見，當輸入信號頻率與VCO固有頻率相等時，環路可消除起始偏差。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 技術問題

5.1 設計中技術難點

（1）電壓相位跟蹤

在高壓變頻器拖動電動機負載運行時，跟蹤電網相位，控制系統需要控制相位跟蹤的速度。高壓變頻器控制系統采用經過鎖相得到電網電壓角度和高壓變頻器輸出電壓角度；兩角度差值經過PI調節得到變頻器需要輸出的頻率步長，在50Hz的基礎上加上這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相位時，變頻器拖動電機加速追趕電網，變頻器對電機做功；當變頻器電壓相位超前于電網相位時，變頻器拖動電機制動跟蹤電網相位，變頻器從電機吸收功率。如此反復，直到電網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相位時不產生功率振蕩，PI調節器的輸出限幅要很小，但是如果PI調節器的輸出限幅值設置過小，變頻器將無法跟蹤電網電壓相位。此時設置一個合適的限幅值來保證變頻器即不產生功率振蕩，又能使變頻器跟蹤到電網的頻率就非常有必要。

（2）鎖相角補償

整流側產生的諧波電流必然對并網側電壓產生影響。在對并網側電壓進行濾波的同時，在鎖相環的q軸反饋環節采用低通濾波器濾除高次諧波分量，增加系統的可靠性。由于濾波環節將使鎖相角度產生延時，造成系統控制產生延時，增加了不穩定因素。為了減小角度延時，在鎖相輸出角度上對延時進行補償，確保了系統的穩定性，如圖3所示。

圖3 軟件鎖相原理圖

在電網側電壓存在諧波的情況下，軟件鎖相環的直流環節引入低通濾波器，以提高軟件鎖相環抗干擾能力，同時為了減小濾波環節造成的延時，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調節器存在，變頻器的相位在電網的左右進行微小振蕩，當投切點選在變頻器滯后于電網的點進行切換，變頻器將從電網吸收有功功率，導致電網變頻器直流電壓升高，直流電壓升高導致變頻器輸出電壓升高，變頻器電壓升高的同時向電網發送感性無功功率，感性電流逐漸增加可能會導致過流保護動作。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相位點。此時，變頻器向電網輸出少量有功功率，不會觸發保護動作而造成故障停機。

5.2 應用中技術問題

頻工切換中，當旁路開關合閘后存在一個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，否則會出現變頻器倒灌電問題，毀壞變頻器。出現這種情況，應立即分開旁路QF3，同時頻工切換程序退出，變頻器飛車啟動加速至50Hz，選擇合適時機單側停機，檢查出線開關QF2無法分斷原因。

工頻投切中，鎖相成功，QF2已經閉合，QF3分斷命令發出后，檢測QF3狀態，800ms后仍處于合位，則繼續保持鎖相，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。

同步投切過程中，變頻器發生重故障，無法順利進行頻工投切，會導致電機停止運行。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變頻器重故障信號時，則發命令直接分斷QF1、QF2斷路器，同時關閉風機擋板，根據機組負荷和母管風壓選擇適當延遲時間發命令閉合QF3，進行工頻獨立運行。

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：電動機在工頻運行時，變頻器先空載運行并跟蹤電網至鎖相，并網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、相位都與電網相符時，并網后將電動機從變頻切出，投入電網運行。

圖5 頻工投切流程圖

7 實驗驗證

在一次機組發電啟動中，引風機使用變頻方式啟動，當機組負荷運行至540MW，兩側風機變頻器運行頻率為46Hz，風機擋板開度100%，變頻器輸出電流（電機電流）為330A，將變頻器自動調頻改為手動，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。待兩側二次風機均切換至工頻運行一段時間后，保持機組負荷基本不變，擋板開度不變，點擊“自動工頻投切”按鈕，通過PLC執行一系列動作，變頻器鎖相成功后，自動由工頻切換至變頻運行，逐漸增大擋板開度至100%，降低運行頻率至滿足自動調頻要求，如圖6、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，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 結束語

經過試驗結果驗證，變頻器同步投切技術能較好的解決火電廠重要輔機變頻改造后的連續運行問題。當變頻器出現運行報警，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，調試正常，則使用工頻投切功能將工頻運行自動投切為變頻運行，節約廠用電，取消了切換中的燃油及負荷損失，經濟效益明顯。

［1］張雪平.鎖相技術在變頻調速系統中的應用［J］.化工自動化及儀表，2005，32（1）：79－80.

［2］黃良沛，羅忠誠.利用鎖相技術實現大功率電機變頻轉工頻的研究［J］.電氣應用，2005，24（2）：23－25.