基于英威騰高壓四象限變頻器的異步電機發電系統

艾江洪 王冰

本論文重點應用于北方供熱企業，是一種易于企業自行維護的補充發電系統，組成的各設備技術成熟、系統可穩定運行。本發明的目的解決了供熱企業第二大消耗原料--電能的節能利用，可為企業帶來比較大的經濟效益。

本發明設備組成：高壓異步電動機、四象限高壓變頻器、汽輪機、高壓開關切換柜等。

工作方式：汽輪機做為原動機，帶動異步電機，發電時，汽輪機工作于恒速狀態（接近電機額定轉速），電機與四象限變頻器相連，變頻器工作于矢量轉矩模式，發電轉矩采用上位機遠程通訊給定，且轉矩的給定采用逐步增加。高壓四象限變頻器采用鎖相環+六脈沖方式，滿足動態要求。根據現場工況，可以采用電動機拖動風機或循環泵同時運行。如發電和負載同時使用，在汽輪機的選型上，需要在二者的功率和上增大10%拖動余量。發電工藝：汽輪機工作于恒速模式，接近電機額定轉速，變頻器工作恒轉矩模式，通過調節轉矩大小，即可設置發電功率。為防止向電網反送電的情況發生，目前采用手動調節發電量，及根據用電量調配，保證用電量大于發電量。

系統各部分詳細介紹：

1、發電控制系統采用上位機加組態軟件，采用以太網通訊方式，上位機監測部分包括：系統有功功率，無功功率，A＼B＼C線電壓，各相回路電流，功率因數，頻率，運行狀態等參數，操作功能包括：啟動、停止、給定等，可在中心控制室操作四象限變頻器的運行及發電量控制。現場控制采用可編程控制器PLC，將四象限變頻器的各參數采用通訊方式傳至上位機，采集的參數包括：頻率、電流、電壓、工作狀態、各單元狀態、報警及保護數值。

2、汽輪機控制系統包括：本地＼遠程操作，當前轉速，轉速目標值，轉速給定，電磁閥狀態，轉速異常報警，通訊測試等功能。其速度控制采用汽輪機自帶的PID調節。

3、汽輪機采用結構緊湊，操作方便，易維護，安全性能良好，實行雙重保護，調速系統采用先進的電子調速系統，調節儀組態方便，調節靈敏度高，與DCS或工控機接口，能夠實現遠程控制就地控制無擾動切換。

4、高壓柜狀態采集系統，采用PLC，網絡通訊，將各高壓柜合閘、分閘狀態，反饋至上位機，由上位機中控下達切換指令。

5、高壓雙電源切換柜，根據發電分配各用電負載調配，采用人工操作，接受中控用電回路調配指令，用于市電及發電回路切換。

6、高壓電機采用三相異步電動機，電壓：10kv，頻率50HZ，接法：Y型，電機測溫包括繞組、軸身端和非軸身端。

7、四象限高壓變頻器是系統的核心，發電系統的穩定、效率都與變頻器的性能有直接的關系，選用的英威騰品牌GD5000系列變頻器，得益于該產品良好的軟硬件設計，以及強大的功能支持，GD5000本機自帶觸摸屏及LED控制鍵盤，就地控制界面友好。就地/遠程控制切換靈活自如。系統提供16路數字量輸入，8路繼電器輸出，3路模擬量輸入，4路模擬量輸出，1路高速脈沖輸入，1路高速脈沖輸出端子，以上提供的用戶端子均為可編程端子，每個端子的功能都可以使用功能碼進行設定。下圖給出簡單的控制線路配置方案，用戶可根據需要進行修改。具體用戶接口將在技術協議或詳細設計階段根據用戶要求確定。

本機控制時通過高壓變頻調速系統控制柜上觸摸屏可就地人工啟動、停止高壓變頻調速系統，可以調整電機轉速、頻率。遠程控制放在控制室，設有操作臺和上位機，由配電工操作控制。通過上位機配電工可以隨時了解設備的運行情況，通過操作臺可實現對高壓變頻調速系統進行簡單的遠方操作。配電工可以根據工況自由選定高壓變頻調速系統“手動/自動”調速運行。

發電原理：

當變頻器有能量輸出狀態轉入能量回饋狀態是，有功功率從電機流入變頻器，造成每個功率單元的直流母線電壓上升。各功率單元內的控制器檢測到這一上升電壓后，將從電網流向功率單元的有功電流給定值減小至一負數，這個時候主控制器會預先通過程序鎖定電網電壓的幅值、香味和頻率，然后使功率單元的網側逆變器輸出PWM波，各工況單元產生的PWM波通過疊加后形成與電網相適應的正弦波電壓和相位，再向電網回饋有功功率。

操作說明：

系統主動力回路方案：

異步發電機作為四象限高壓變頻器輸入電源，QF1和QF3分別為四象限高壓變頻器輸入輸出隔離開關。QF2為高壓負載側開關柜，QF4、QF5、QF6為負載接入開關柜，當啟用M2負載時，先將QF3開關合閘，將負載投入，正常用市電接入，啟動發電系統，將QF1、QF3閉合，由上位機操作，手動給定恒轉矩，直至達到電機的額定功率，即全負荷發電，電能經四象限變頻回饋至電網，后經M2負載消耗，根據能量守恒定律，電量即為自發自用，市電消耗減少，節約企業電費支出。

說明：QF1、QF3四象限變頻器隔離開關

M1異步發電電動機

QF2、QF4、QF5、QF6負載開關

M2、M3、M4負載