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應(yīng)用設(shè)計

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高壓變頻器在熱源廠汽輪機拖動異步機發(fā)電應(yīng)用

高壓變頻器在熱源廠汽輪機拖動異步機發(fā)電應(yīng)用

1引言

近年來,隨著國家節(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。但這些鍋爐同時還承擔(dān)著城市集中供熱的任務(wù),不能停止運行。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,而使運行費用居高不下。

汽輪機是將蒸汽的能量轉(zhuǎn)換成為機械功的旋轉(zhuǎn)式動力機械。主要用作發(fā)電用的原動機,也可直接驅(qū)動各種泵、風(fēng)機、壓縮機和船舶螺旋槳等。還可以利用汽輪機的排汽或中間抽汽,滿足生產(chǎn)和生活上的供熱需要 。因此越來越多的企業(yè)選擇運用工業(yè)汽輪機拖動鍋爐鼓、引風(fēng)機、鍋爐給水泵及首站循環(huán)泵等動力機械裝置來達到供熱目的。但汽輪機在運行的過程中往往會產(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白白浪費掉。

2、汽輪機拖動異步機發(fā)電變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計方案

2.1 汽輪機拖動異步并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計方案

2.1.1直接方案

這種方案是異步機的發(fā)電動力端口直接與電網(wǎng)相連,當(dāng)汽輪機拖動電機轉(zhuǎn)子速度高于定子磁場轉(zhuǎn)速,電機處于發(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與電網(wǎng)間加臺四象限能量回饋型變頻器以實現(xiàn)精確能量轉(zhuǎn)換,汽輪機帶動異步機調(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,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: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)子磁場定位坐標(biāo)下,電機定子電流分解成勵磁電流與轉(zhuǎn)矩電流。維持勵磁電流不變,控制轉(zhuǎn)矩電流也就控制了電機轉(zhuǎn)矩。電機轉(zhuǎn)速采用閉環(huán)控制。實際運行中給定轉(zhuǎn)速與實際轉(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*與實際反饋回的勵磁電流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)動信號,如圖1所示,

圖1  矢量控制原理框圖

電機三相電流反饋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)動電機旋轉(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進行同步整流:同步整流控制器實時檢測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)電動運行同步整流狀態(tài)      (b)發(fā)電運行能量回饋狀態(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)可以對勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流分別進行控制,并具有動態(tài)響應(yīng)速度快、電機的加(減)速度特性好等優(yōu)點。此外,由于系統(tǒng)配置速度編碼器,因此電機調(diào)速范圍廣,且系統(tǒng)能夠?qū)崟r準(zhǔn)確的監(jiān)測電機實際轉(zhuǎn)速,具有電機超速保護能力。另外,在配合外部保護信號情況下,可實現(xiàn)短時、快速有效電氣制動。

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到額定輸出功率,達到短時制動的要求。

2.6自動識別參數(shù)功能

對于矢量控制方式下所需的電機相關(guān)數(shù)據(jù),HIVERT-YVF系列變頻器可通過“空載啟動”模式進行參數(shù)辨識,檢測空載勵磁電流I0和轉(zhuǎn)子時間常數(shù)Tr,這兩個參數(shù)對于變頻器能否以最優(yōu)性能運行至關(guān)重要。

2.7轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制

在電機運行過程中,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)器會自動調(diào)整電機速度,以達到最快的速度響應(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,在電機運行過程中,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)器會自動調(diào)節(jié)變頻器輸出電流,以達到最快的電流響應(yīng)、最小的電流波動,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,自動并網(wǎng),實時實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換回饋,其具有特色的轉(zhuǎn)矩控制算法實現(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

電機的基本參數(shù)如表2所示。

表2  電機的基本參數(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、信號板、主控板、電源板、連接板、母板”組成??刂破鲀?nèi)各PCB板相互配合實現(xiàn)控制功能,內(nèi)部信號傳輸:

(1)光纖板通過光纖與功率單元傳遞數(shù)據(jù)信號,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,并在故障時向光纖板發(fā)出故障代碼信號。

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

(3)主控板采用數(shù)字信號處理器(DSP),運用正弦空間矢量方式產(chǎn)生脈寬調(diào)制的三相電壓指令,實現(xiàn)對電機控制的所有功能。通過RS-232通訊口與人機界面主控板進行交換數(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、信號板供電。

2.13  工況主控制方式:

具體實現(xiàn)控制方式如圖9所示。

圖9  工況主控制方式

如圖所示:

(1)電機與汽輪機同軸,汽輪機有開度值(送給DCS)。

(2)汽輪機轉(zhuǎn)速波動為30~100r/min,汽輪機起機后達到目標(biāo)轉(zhuǎn)速后啟動變頻器,變頻器通過轉(zhuǎn)速跟蹤方式啟動,快速跟蹤當(dāng)前汽輪機的轉(zhuǎn)速。

(3)1600KW異步電動機裝有溫度傳感器,該溫度傳感器信號送至DCS系統(tǒng).

(4)由于閥門開度決定汽輪機所能提供的最大能量,為防止汽輪機被變頻器拉停,汽輪機閥門開度值應(yīng)該作為系統(tǒng)重要的保護值之一,閥門開度值由傳感器送至DCS系統(tǒng)中,DCS將汽輪機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,作為電機發(fā)電量的目標(biāo)值,該值也是系統(tǒng)保護的重要參數(shù)之一,電機的最大發(fā)電量不能超過場內(nèi)所消耗的電量總量,電機應(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,變頻器中可設(shè)置斷線保護狀態(tài),改狀態(tài)可以為停機或者保持當(dāng)前狀態(tài)運行。

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

3  結(jié)束語

異步電動機通過四象限變頻器輕而易舉可實現(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)濟效益相當(dāng)可觀。

參考文獻:

[1]北京合康新能科技股份有限公司,HIVERT高壓變頻器用戶手冊

[2]張承慧,程金,夏東偉  汽輪機最有利真空循環(huán)水泵變頻驅(qū)動控制系統(tǒng),熱能動力工程 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  自動化與儀器儀表  電子技術(shù)應(yīng)用  2002

作者簡介:

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)自動化,電氣系統(tǒng)控制設(shè)計。

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