大功率靜止啟動(dòng)變頻器在燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)過(guò)程中的應(yīng)用

摘 要：以大功率燃?xì)廨啓C(jī)靜止啟動(dòng)變頻器為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)其功能特點(diǎn)、原理和技術(shù)結(jié)構(gòu)的研究，分析了大功率靜止啟動(dòng)變頻器在燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)過(guò)程中的工作方式和主要作用。通過(guò)分析燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組啟動(dòng)過(guò)程的具體工況，了解和掌握控制系統(tǒng)對(duì)于燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組啟動(dòng)過(guò)程的控制邏輯和方法，同時(shí)總結(jié)了燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)的技術(shù)特性。

關(guān)鍵詞：大功率；靜止啟動(dòng)變頻器；燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)

中圖分類號(hào)：TK477? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號(hào)：1671-0797（2024）03-0066-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.03.017

0? ? 引言

大功率靜止啟動(dòng)變頻器（SFC）是適用于多種電壓等級(jí)三相交流同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速的電力變換裝置，能夠輸出高壓，實(shí)現(xiàn)大功率同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)。其控制系統(tǒng)一般采用全數(shù)字控制，采用高速CPU協(xié)同工作方式，保證控制系統(tǒng)可靠性；且控制系統(tǒng)和主電路通過(guò)光纖通信進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)弱電壓完全隔離；具備故障自診斷、報(bào)警、參數(shù)顯示和歷史記錄等功能。SFC主要應(yīng)用于同步電動(dòng)機(jī)的軟啟動(dòng)，如抽水蓄能機(jī)組的電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組的啟動(dòng)及大型同步調(diào)相機(jī)的啟動(dòng)。

SFC在燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)過(guò)程中有著重要應(yīng)用。在燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)過(guò)程中，SFC可以通過(guò)控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和負(fù)載，實(shí)現(xiàn)燃?xì)廨啓C(jī)的平穩(wěn)啟動(dòng)和運(yùn)行。本文從燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)用大功率靜止啟動(dòng)變頻器功能特點(diǎn)和原理結(jié)構(gòu)入手，分析其技術(shù)特性和燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組啟動(dòng)的過(guò)程控制[1]。

1? ? 大功率靜止啟動(dòng)變頻器的功能特點(diǎn)

1.1? ? 啟動(dòng)輔助

燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)時(shí)，通常需要額外的啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)來(lái)幫助燃?xì)廨啓C(jī)達(dá)到啟動(dòng)速度。SFC可以控制啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和負(fù)載，確保燃?xì)廨啓C(jī)在啟動(dòng)過(guò)程中的平穩(wěn)運(yùn)行。

1.2? ? 啟動(dòng)效率優(yōu)化

SFC可以根據(jù)燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)的實(shí)際需求，在不同負(fù)載情況下調(diào)整啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)的輸出功率。通過(guò)優(yōu)化啟動(dòng)過(guò)程中的能量轉(zhuǎn)換效率，可以減少能源浪費(fèi)和排放。

1.3? ? 啟動(dòng)時(shí)間縮短

SFC可以通過(guò)快速調(diào)整電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和負(fù)載，縮短燃?xì)廨啓C(jī)的啟動(dòng)時(shí)間，這對(duì)于一些需要迅速投入運(yùn)行的設(shè)備和系統(tǒng)非常重要，提高了生產(chǎn)效率和響應(yīng)能力。

1.4? ? 啟動(dòng)沖擊控制

在燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)過(guò)程中，電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)會(huì)產(chǎn)生沖擊和振動(dòng)。SFC可以通過(guò)精確控制電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)過(guò)程，降低啟動(dòng)時(shí)的沖擊和振動(dòng)，提高系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。

1.5? ? 啟動(dòng)序列控制

對(duì)于多臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)或多個(gè)運(yùn)行模式的燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)，SFC可以實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)序列的控制和協(xié)調(diào)。它可以確保燃?xì)廨啓C(jī)按照預(yù)設(shè)的順序和時(shí)序啟動(dòng)，降低系統(tǒng)的壓力和負(fù)荷波動(dòng)。

總的來(lái)說(shuō)，SFC在燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)過(guò)程中起到了關(guān)鍵作用。它通過(guò)精確的控制和調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)燃?xì)廨啓C(jī)的平穩(wěn)啟動(dòng)、能效優(yōu)化和沖擊控制。隨著對(duì)能源效率和環(huán)境保護(hù)的要求不斷提高，SFC在燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)過(guò)程中的應(yīng)用將會(huì)越來(lái)越重要。

2? ? 大功率靜止啟動(dòng)變頻器的原理及主要控制方式

2.1? ? 原理與結(jié)構(gòu)

同步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)主要包括大功率靜止啟動(dòng)變頻器、勵(lì)磁系統(tǒng)、開關(guān)設(shè)備等。以電流源型大功率靜止啟動(dòng)變頻器為例，其主要包含輸入變壓器、三相全控整流橋、直流濾波環(huán)節(jié)、三相全控逆變橋以及控制系統(tǒng)。輸入變壓器二次繞組分別采用星形和三角形接法，形成12脈波整流，可有效抑制低次諧波。控制系統(tǒng)通過(guò)控制三相全控整流橋，實(shí)現(xiàn)將輸入變壓器副邊的三相交流供電轉(zhuǎn)換為直流。直流濾波環(huán)節(jié)用于對(duì)直流電流進(jìn)行紋波抑制，也用于對(duì)逆變橋和整流橋去耦。控制系統(tǒng)通過(guò)控制三相全控逆變橋，實(shí)現(xiàn)三相頻率和電壓可變的交流輸出，從而拖動(dòng)同步電動(dòng)機(jī)等旋轉(zhuǎn)負(fù)載。整流橋?qū)崿F(xiàn)對(duì)直流母線電流的恒定控制，逆變橋?qū)崿F(xiàn)對(duì)直流電流的切換控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電機(jī)繞組電流的變頻調(diào)節(jié)。整流橋和逆變橋均采用全控大功率器件。控制系統(tǒng)除了控制整流橋和逆變橋的驅(qū)動(dòng)功能，還具有信號(hào)采集、故障判斷等功能。

目前國(guó)內(nèi)燃?xì)怆娬眷o止啟動(dòng)變頻器的主回路構(gòu)成中，普遍采用由可控硅、平波電抗器構(gòu)成的交—直—交電流源型變頻器[1]。圖1為“12脈波高—高”拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

電機(jī)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，由于電機(jī)反電勢(shì)幅值太小，不足以使逆變橋晶閘管關(guān)斷，因此為實(shí)現(xiàn)逆變橋的可靠換相，此時(shí)需采用電流斷續(xù)的方式，即等待逆變橋電流降低至零，實(shí)現(xiàn)可靠關(guān)斷。該控制方式主要應(yīng)用于反電動(dòng)勢(shì)不足的情況，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速較高時(shí)，其反電勢(shì)已足夠大，此時(shí)一般采用負(fù)載超前換相控制。

2.2? ? 主要控制方式

2.2.1? ? 開環(huán)控制

這種控制方式是最簡(jiǎn)單的方式，變頻器輸出固定頻率和電壓，電機(jī)轉(zhuǎn)速通過(guò)調(diào)整輸入頻率來(lái)控制。這種方式適用于對(duì)精確控制要求不高的場(chǎng)合。

2.2.2? ? 矢量控制

也稱為閉環(huán)矢量控制或矢量變頻控制，這種方式通過(guò)對(duì)電機(jī)電流和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行精確控制來(lái)實(shí)現(xiàn)高性能運(yùn)行。它需要使用編碼器或其他位置傳感器來(lái)提供反饋，以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。

2.2.3? ? 矢量直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）

這是一種先進(jìn)的矢量控制方式，通過(guò)測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的變化率來(lái)直接控制電機(jī)。DTC可以實(shí)現(xiàn)更快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和更高的效率，減少了對(duì)傳感器的依賴。

3? ? 燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)

燃?xì)廨啓C(jī)是一種將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的設(shè)備，其控制系統(tǒng)起著關(guān)鍵作用。燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化是為了實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定和可靠運(yùn)行，同時(shí)還考慮到安全、環(huán)保和經(jīng)濟(jì)等因素。不同型號(hào)的燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)可能會(huì)有所不同，但總體目標(biāo)是確保燃?xì)廨啓C(jī)能在不同工況下穩(wěn)定運(yùn)行并提供所需的功率輸出。燃?xì)廨啓C(jī)的控制系統(tǒng)主要包括以下幾個(gè)方面：

3.1? ? 燃燒系統(tǒng)控制

燃燒系統(tǒng)控制著燃料的供應(yīng)和燃?xì)獾娜紵^(guò)程。它通過(guò)控制燃料供應(yīng)、燃?xì)?空氣比例以及點(diǎn)火時(shí)機(jī)等，確保燃?xì)廨啓C(jī)能夠以穩(wěn)定的方式燃燒燃料并提供所需的功率輸出。

3.2? ? 轉(zhuǎn)速控制

燃?xì)廨啓C(jī)的轉(zhuǎn)速控制是維持其運(yùn)行穩(wěn)定的重要因素。轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)通過(guò)調(diào)整燃?xì)廨啓C(jī)的負(fù)載和燃料供給，以及與發(fā)電機(jī)或機(jī)械設(shè)備的機(jī)械連接來(lái)實(shí)現(xiàn)。它能夠在負(fù)載變化的情況下，通過(guò)控制燃料流量和調(diào)整轉(zhuǎn)速來(lái)保持穩(wěn)定運(yùn)行。

3.3? ? 過(guò)熱器控制

燃?xì)廨啓C(jī)通常配備有過(guò)熱器系統(tǒng)，用于提高熱效率并增加汽輪機(jī)的功率輸出。過(guò)熱器控制系統(tǒng)通過(guò)調(diào)整過(guò)熱器的熱交換能力以及控制蒸汽流量和溫度，來(lái)確保蒸汽流經(jīng)過(guò)熱器時(shí)能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求的溫度。

3.4? ? 變頻器控制

如果燃?xì)廨啓C(jī)用于驅(qū)動(dòng)電動(dòng)發(fā)電機(jī)，那么變頻器控制系統(tǒng)則用于調(diào)整發(fā)電機(jī)的頻率和電壓輸出，以滿足電網(wǎng)的要求和電力負(fù)荷的變化。

4? ? 燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)工藝過(guò)程

燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)是指燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組從轉(zhuǎn)速為零或者低速狀態(tài)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速滿足并網(wǎng)條件的狀態(tài)。在啟動(dòng)的過(guò)程中要求燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組能夠快速提升轉(zhuǎn)速，并且負(fù)載電流平穩(wěn)，波動(dòng)小。通過(guò)圖2燃?xì)廨啓C(jī)典型啟動(dòng)曲線可以了解到，機(jī)組啟動(dòng)過(guò)程中需要對(duì)大功率靜止啟動(dòng)變頻器進(jìn)行控制，主要控制過(guò)程如下：

1）將燃?xì)廨啓C(jī)從盤車轉(zhuǎn)速啟動(dòng)到吹掃轉(zhuǎn)速并穩(wěn)定運(yùn)行；

2）將燃?xì)廨啓C(jī)從惰走轉(zhuǎn)速加速到點(diǎn)火轉(zhuǎn)速并保持到點(diǎn)火成功；

3）將燃?xì)廨啓C(jī)加速到固定轉(zhuǎn)速。

由圖2可以看出，燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組啟動(dòng)過(guò)程分為以下幾步：

1）啟動(dòng)前的檢查準(zhǔn)備階段。

SFC系統(tǒng)自檢，高壓上電。同時(shí)檢查系統(tǒng)各部分是否具備機(jī)組啟動(dòng)條件，如潤(rùn)滑油輔油泵投入情況、壓力情況等。在機(jī)組啟動(dòng)前，燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)器應(yīng)進(jìn)行盤車。

2）啟動(dòng)盤車和拖動(dòng)。

啟動(dòng)前準(zhǔn)備完成后，主機(jī)轉(zhuǎn)子在靜止?fàn)顟B(tài)，需盤車裝置進(jìn)行盤車，使得轉(zhuǎn)子緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)液力變扭器將轉(zhuǎn)子升速，并使得轉(zhuǎn)子穩(wěn)定在盤車轉(zhuǎn)速。SFC可以代替盤車裝置進(jìn)行盤車，也能夠在盤車轉(zhuǎn)速下啟動(dòng)。

3）清吹。

燃?xì)廨啓C(jī)清吹是指通過(guò)噴氣或其他方式將氣體從燃?xì)廨啓C(jī)中排出，以清除其中的雜質(zhì)和積碳。清吹可以幫助提高燃?xì)廨啓C(jī)的性能和效率，并延長(zhǎng)其使用壽命。此外，清吹還可以確保燃?xì)廨啓C(jī)正常運(yùn)行，減少故障和損壞的風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于重復(fù)啟動(dòng)或帶有余熱回收設(shè)備（即聯(lián)合循環(huán)）的機(jī)組，則點(diǎn)火前必須進(jìn)行清吹[2]。

4）點(diǎn)火。

清吹結(jié)束后，控制系統(tǒng)向SFC發(fā)出停機(jī)指令。機(jī)組處于惰走狀態(tài)，等待機(jī)組轉(zhuǎn)速達(dá)到點(diǎn)火轉(zhuǎn)速，則進(jìn)行點(diǎn)火。點(diǎn)火轉(zhuǎn)速一般為機(jī)組額定轉(zhuǎn)速的15%～22%，而清吹轉(zhuǎn)速應(yīng)高于點(diǎn)火轉(zhuǎn)速。系統(tǒng)中的點(diǎn)火轉(zhuǎn)速繼電器觸發(fā)，發(fā)出點(diǎn)火信號(hào)。為了保證點(diǎn)火成功，點(diǎn)火時(shí)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)燃料過(guò)程參數(shù)，燃燒室啟動(dòng)富油點(diǎn)火燃燒，同時(shí)投入冷卻水系統(tǒng)的冷卻風(fēng)扇。

5）暖機(jī)升速。

暖機(jī)的目的是讓機(jī)組高溫燃?xì)馔ǖ乐械氖軣岵考飧着c轉(zhuǎn)子有一個(gè)均勻受熱膨脹的時(shí)間，減少它們的熱應(yīng)力，并保證機(jī)組在啟動(dòng)過(guò)程中有良好的熱對(duì)稱，防止轉(zhuǎn)子與靜子之間出現(xiàn)過(guò)大的相對(duì)膨脹而使轉(zhuǎn)子與靜子發(fā)生碰擦，從而安全啟動(dòng)機(jī)組。

如果點(diǎn)火成功，火焰探測(cè)器探測(cè)到燃燒室中的火焰，控制系統(tǒng)向SFC發(fā)出啟動(dòng)指令，SFC穩(wěn)定在暖機(jī)轉(zhuǎn)速，機(jī)組進(jìn)入暖機(jī)階段。暖機(jī)階段結(jié)束時(shí)，控制系統(tǒng)提升SFC轉(zhuǎn)速指令，使機(jī)組進(jìn)入升速階段。但在啟動(dòng)控制系統(tǒng)中，SFC會(huì)將機(jī)組轉(zhuǎn)速上升的加速度限定在參數(shù)設(shè)置的給定值。

6）同期并網(wǎng)階段。

隨著點(diǎn)火后機(jī)組轉(zhuǎn)速的上升，壓氣機(jī)的空氣流量和出口壓力也逐步增長(zhǎng)，同時(shí)機(jī)組燃料量增加，輸出功率也隨之增大。當(dāng)SFC與燃?xì)廨啓C(jī)將機(jī)組轉(zhuǎn)速升到額定轉(zhuǎn)速的90%時(shí)，SFC輸出電流降低至最小值，控制系統(tǒng)向SFC發(fā)出停止指令。

控制系統(tǒng)啟動(dòng)同期功能，檢測(cè)電氣參數(shù)是否符合并網(wǎng)帶負(fù)荷條件，實(shí)施燃?xì)廨啓C(jī)的并網(wǎng)運(yùn)行[3]。

5? ? 大功率靜止啟動(dòng)變頻器的啟動(dòng)測(cè)試

燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)過(guò)程需要國(guó)產(chǎn)大功率靜止啟動(dòng)變頻器和國(guó)產(chǎn)勵(lì)磁裝置配合實(shí)現(xiàn)，DCS控制SFC電源側(cè)上電，完成系統(tǒng)檢測(cè)后，下達(dá)啟動(dòng)命令給SFC，SFC輸出勵(lì)磁控制電流指令給勵(lì)磁裝置，通過(guò)整流橋、逆變器及控制系統(tǒng)將受控的電壓和頻率輸出到同步電機(jī)，啟動(dòng)至吹掃轉(zhuǎn)速為699 r/min并保持一段時(shí)間，完成吹掃后控制系統(tǒng)下達(dá)停止命令給SFC，SFC停止輸出。完成點(diǎn)火后控制系統(tǒng)重新下達(dá)啟動(dòng)命令給SFC，SFC檢測(cè)電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速啟動(dòng)，繼續(xù)加速至2 700 r/min，此過(guò)程SFC負(fù)責(zé)控制機(jī)端電壓和轉(zhuǎn)速升速速率，當(dāng)電動(dòng)機(jī)全壓穩(wěn)定運(yùn)行，啟動(dòng)同期裝置并網(wǎng)。等并網(wǎng)后，SFC啟動(dòng)系統(tǒng)退出運(yùn)行控制，點(diǎn)火后啟動(dòng)時(shí)間在10～15 min。表1為SFC啟動(dòng)過(guò)程轉(zhuǎn)速要求列表，圖3為啟動(dòng)過(guò)程中網(wǎng)側(cè)電流波形。

6? ? 結(jié)論

基于大功率靜止啟動(dòng)變頻器（SFC）的特性，對(duì)采用SFC進(jìn)行變頻啟動(dòng)的燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)工藝過(guò)程進(jìn)行分析和測(cè)試，可以確保燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組的正常啟動(dòng)及安全穩(wěn)定運(yùn)行，保證電力生產(chǎn)的順利進(jìn)行，創(chuàng)造可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

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收稿日期：2023-10-23

作者簡(jiǎn)介：翁繼新（1972—），男，浙江杭州人，工程師，從事發(fā)電廠繼電保護(hù)、勵(lì)磁方面研究工作。