1引言

近年來，隨著國(guó)家節(jié)能減排力度的加大，許多工業(yè)鍋爐房及小型火電廠停止了供汽、發(fā)電。但這些鍋爐同時(shí)還承擔(dān)著城市集中供熱的任務(wù)，不能停止運(yùn)行。工業(yè)及發(fā)電用汽參數(shù)基本上是中溫中壓以上的，這樣高品質(zhì)的蒸汽單純用來供熱，造成能源浪費(fèi)，而使運(yùn)行費(fèi)用居高不下。

汽輪機(jī)是將蒸汽的能量轉(zhuǎn)換成為機(jī)械功的旋轉(zhuǎn)式動(dòng)力機(jī)械。主要用作發(fā)電用的原動(dòng)機(jī)，也可直接驅(qū)動(dòng)各種泵、風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)和船舶螺旋槳等。還可以利用汽輪機(jī)的排汽或中間抽汽，滿足生產(chǎn)和生活上的供熱需要 。因此越來越多的企業(yè)選擇運(yùn)用工業(yè)汽輪機(jī)拖動(dòng)鍋爐鼓、引風(fēng)機(jī)、鍋爐給水泵及首站循環(huán)泵等動(dòng)力機(jī)械裝置來達(dá)到供熱目的。但汽輪機(jī)在運(yùn)行的過程中往往會(huì)產(chǎn)生多余的熱量，如果沒有相應(yīng)能力轉(zhuǎn)換那么多余能量就會(huì)白白浪費(fèi)掉。

2、汽輪機(jī)拖動(dòng)異步機(jī)發(fā)電變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.1 汽輪機(jī)拖動(dòng)異步并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.1.1直接方案

這種方案是異步機(jī)的發(fā)電動(dòng)力端口直接與電網(wǎng)相連，當(dāng)汽輪機(jī)拖動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子速度高于定子磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速，電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)。

2.1.2 加異步變頻方案

這種方案是在異步電機(jī)與電網(wǎng)間加臺(tái)四象限能量回饋型變頻器以實(shí)現(xiàn)精確能量轉(zhuǎn)換，汽輪機(jī)帶動(dòng)異步機(jī)調(diào)速無任何要求限制，多余能量無擾反饋于電網(wǎng)。表1所示為兩種方案的比較。

表1 兩種方案的比較

直觀可見異步變頻發(fā)電優(yōu)勢(shì)，由此我們公司極力推薦本方案應(yīng)用。

2.2異步變頻器結(jié)構(gòu)

高壓變頻器構(gòu)成如下：

（1）移相變壓器，輸入電壓10KV，輸出580VAC 27繞組；允許輸入電壓波動(dòng)范圍+10%~-15%；

（2）能量回饋的功率單元，HPU580/096F X 27，額定輸入電壓580VAC ，單元直流工作電源900VDC；

（3）速度傳感器型號(hào)：EC100P25-L5PR-1024

2.3控制原理

HIVERT-YVF系列變頻器采用轉(zhuǎn)子帶速度反饋的矢量控制技術(shù)。在轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定位坐標(biāo)下，電機(jī)定子電流分解成勵(lì)磁電流與轉(zhuǎn)矩電流。維持勵(lì)磁電流不變，控制轉(zhuǎn)矩電流也就控制了電機(jī)轉(zhuǎn)矩。電機(jī)轉(zhuǎn)速采用閉環(huán)控制。實(shí)際運(yùn)行中給定轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速的差值通過PID調(diào)節(jié)，生成轉(zhuǎn)矩電流IT*。經(jīng)過矢量變換將IT*、IM*與實(shí)際反饋回的勵(lì)磁電流IM轉(zhuǎn)矩電流IT相比較，經(jīng)過空間矢量控制，最終生成三相電壓驅(qū)動(dòng)信號(hào),如圖1所示，

圖1  矢量控制原理框圖

電機(jī)三相電流反饋ia、ic經(jīng)傳感器采樣，然后再根據(jù)轉(zhuǎn)子位置電氣角度θ進(jìn)行Clarke變換，變換后輸出ialpha、ibeta；ialpha、ibeta經(jīng)Park變換輸出id、iq；id、iq值與給定值iqref、idref求誤差，進(jìn)行PI調(diào)節(jié)后輸出Vsqref、Vsdref；Vsqref、Vsdref和轉(zhuǎn)子位置電氣角度θ經(jīng)過Park逆變換輸出Valpha、Vbeta；Valpha、Vbeta經(jīng)過Clarke逆變換輸出電機(jī)定子三相電壓Va、Vb、Vc值；三相電壓Va、Vb、Vc值作為PWM（脈寬調(diào)制）的比較值比較輸出PWM波形到逆變器從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。

圖2  能量回饋的功率單元框圖

如圖2所示，HIVERT-YVF系列產(chǎn)品理論具備100%額定功率的能量回饋能力。功率單元利用IGBT進(jìn)行同步整流：同步整流控制器實(shí)時(shí)檢測(cè)單元輸入電壓幅值及相位，通過控制整流側(cè)IGBT所產(chǎn)生的電壓與單元輸入電壓的相位差，從而控制電功率在電網(wǎng)與功率單元之間的流向——單元電壓相位超前，功率單元將電能回饋給電網(wǎng)，反之電功率由電網(wǎng)注入功率單元，波形如圖3所示。

   （a）電動(dòng)運(yùn)行同步整流狀態(tài)      （b）發(fā)電運(yùn)行能量回饋狀態(tài)

圖3 變頻器輸入側(cè)U相電壓、電流波形示例

電功率的大小及流向由單元電壓決定。就同步整流而言，整流側(cè)相當(dāng)于一個(gè)穩(wěn)壓電源，相位差偏差通過矢量控制算法、PID調(diào)節(jié)生成。

濾波環(huán)節(jié)反饋時(shí)經(jīng)LC濾波裝置可有效大大降低反饋電網(wǎng)諧波量，如圖4所示。

圖4  功率單元串聯(lián)圖

2.4 有PG矢量控制方式

HIVERT-YVF系列變頻器采用有PG矢量控制方式，在全頻率段穩(wěn)定輸出正弦波電流。系統(tǒng)可以對(duì)勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流分別進(jìn)行控制，并具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快、電機(jī)的加（減）速度特性好等優(yōu)點(diǎn)。此外，由于系統(tǒng)配置速度編碼器，因此電機(jī)調(diào)速范圍廣，且系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速，具有電機(jī)超速保護(hù)能力。另外，在配合外部保護(hù)信號(hào)情況下，可實(shí)現(xiàn)短時(shí)、快速有效電氣制動(dòng)。

2.5額定功率回饋能力

HIVERT-YVF系列變頻器中功率單元采用PWM全控整流方式，功率單元利用IGBT進(jìn)行同步整流，通過控制整流側(cè)IGBT所產(chǎn)生的電壓與單元輸入電壓的相位差，從而控制電功率在電網(wǎng)與功率單元之間的流向，使變頻器最大回饋功率達(dá)到額定輸出功率，達(dá)到短時(shí)制動(dòng)的要求。

2.6自動(dòng)識(shí)別參數(shù)功能

對(duì)于矢量控制方式下所需的電機(jī)相關(guān)數(shù)據(jù)，HIVERT-YVF系列變頻器可通過“空載啟動(dòng)”模式進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)，檢測(cè)空載勵(lì)磁電流I0和轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)Tr，這兩個(gè)參數(shù)對(duì)于變頻器能否以最優(yōu)性能運(yùn)行至關(guān)重要。

2.7轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制

在電機(jī)運(yùn)行過程中，轉(zhuǎn)速通過脈沖編碼器構(gòu)成閉環(huán)控制。如圖5所示，HIVERT-Y(T)VF系列變頻器速度調(diào)節(jié)器會(huì)自動(dòng)調(diào)整電機(jī)速度，以達(dá)到最快的速度響應(yīng)、最小的超調(diào)范圍。

圖5  轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制

2.8電流閉環(huán)控制

如圖6所示，在電機(jī)運(yùn)行過程中，電流通過霍爾傳感器構(gòu)成閉環(huán)控制。HIVERT-YVF系列變頻器電流調(diào)節(jié)器會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)變頻器輸出電流，以達(dá)到最快的電流響應(yīng)、最小的電流波動(dòng)，如圖6所示。

圖6  電流閉環(huán)控制

2.9電流響應(yīng)

無需電網(wǎng)相序，自動(dòng)并網(wǎng)，實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換回饋，其具有特色的轉(zhuǎn)矩控制算法實(shí)現(xiàn)了高效的能量轉(zhuǎn)換，如圖7所示。

圖7  能量轉(zhuǎn)換回饋

2.10變頻器控制方式

電機(jī)的基本參數(shù)如表2所示。

表2  電機(jī)的基本參數(shù)：

變頻器選型如表3所示。

表3  變頻器選型

2.11  變頻器控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)由控制器、I/O接口板和人機(jī)界面組成，如圖8所示。

圖8  控制系統(tǒng)組成

2.12 變頻器內(nèi)部控制器

控制器由“光纖板、信號(hào)板、主控板、電源板、連接板、母板”組成。控制器內(nèi)各PCB板相互配合實(shí)現(xiàn)控制功能，內(nèi)部信號(hào)傳輸：

(1)光纖板通過光纖與功率單元傳遞數(shù)據(jù)信號(hào)，每塊光纖板控制一相的所有單元：光纖板周期性向單元發(fā)出脈寬調(diào)制（PWM）信號(hào)或工作模式；單元通過光纖接收其觸發(fā)指令和狀態(tài)信號(hào)，并在故障時(shí)向光纖板發(fā)出故障代碼信號(hào)。

(2)信號(hào)板配置有編碼器接口，并采集變頻器的輸出電壓、電流信號(hào)。信號(hào)板將模擬信號(hào)進(jìn)行隔離、濾波和量程轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換后的信號(hào)提供給主控板，用于變頻器控制、保護(hù)。

(3)主控板采用數(shù)字信號(hào)處理器（DSP），運(yùn)用正弦空間矢量方式產(chǎn)生脈寬調(diào)制的三相電壓指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)控制的所有功能。通過RS-232通訊口與人機(jī)界面主控板進(jìn)行交換數(shù)據(jù)，提供變頻器的狀態(tài)參數(shù)，并接受來自人機(jī)界面主控板的參數(shù)設(shè)置。

（4）電源板提供＋5V、±15V電源，分別用于控制板、信號(hào)板供電。

2.13  工況主控制方式：

具體實(shí)現(xiàn)控制方式如圖9所示。

圖9  工況主控制方式

如圖所示：

（1）電機(jī)與汽輪機(jī)同軸，汽輪機(jī)有開度值（送給DCS）。

（2）汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)為30~100r/min，汽輪機(jī)起機(jī)后達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速后啟動(dòng)變頻器，變頻器通過轉(zhuǎn)速跟蹤方式啟動(dòng)，快速跟蹤當(dāng)前汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速。

（3）1600KW異步電動(dòng)機(jī)裝有溫度傳感器，該溫度傳感器信號(hào)送至DCS系統(tǒng).

（4）由于閥門開度決定汽輪機(jī)所能提供的最大能量，為防止汽輪機(jī)被變頻器拉停，汽輪機(jī)閥門開度值應(yīng)該作為系統(tǒng)重要的保護(hù)值之一，閥門開度值由傳感器送至DCS系統(tǒng)中，DCS將汽輪機(jī)閥門開度值送至變頻器，變頻器通過閥門開度值調(diào)節(jié)輸出轉(zhuǎn)矩大小。

（5）當(dāng)前內(nèi)網(wǎng)所消耗的電量值通過電表傳送至DCS，該值是通過以太網(wǎng)傳送至變頻器，作為電機(jī)發(fā)電量的目標(biāo)值，該值也是系統(tǒng)保護(hù)的重要參數(shù)之一，電機(jī)的最大發(fā)電量不能超過場(chǎng)內(nèi)所消耗的電量總量，電機(jī)應(yīng)用發(fā)電量與目標(biāo)值之間的比例或者差值設(shè)定發(fā)電量保護(hù)值，該功能主要是為了防止過度發(fā)電。

（6）變頻器與DCS之間通信如果存在斷線時(shí)，變頻器中可設(shè)置斷線保護(hù)狀態(tài)，改狀態(tài)可以為停機(jī)或者保持當(dāng)前狀態(tài)運(yùn)行。

（7） 控制距離：中控室與變頻器室距離約200m，變頻器與電機(jī)距離約100m。

3  結(jié)束語

異步電動(dòng)機(jī)通過四象限變頻器輕而易舉可實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，多余熱量轉(zhuǎn)換為電能反饋于電網(wǎng)，節(jié)能效果顯著，經(jīng)濟(jì)效益相當(dāng)可觀。

參考文獻(xiàn)：

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[2]張承慧，程金，夏東偉  汽輪機(jī)最有利真空循環(huán)水泵變頻驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，熱能動(dòng)力工程 2004

[3]李紹銘  再生能源回饋電網(wǎng)的電力電子技術(shù)方案的研究  自動(dòng)化與儀器儀表  電子技術(shù)應(yīng)用  2002

作者簡(jiǎn)介：

宮曉鵬（1988.6-）  男   碩士  北京合康新能科技股份有限公司  技術(shù)工程師

研究方向：工業(yè)自動(dòng)化，電氣系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)。