韓英昆，孟祥榮

（山東電力研究院，山東 濟(jì)南 250002）

0 引言

節(jié)能降耗是現(xiàn)在火力發(fā)電機(jī)組面臨的一個(gè)十分重要的問(wèn)題。原來(lái)常規(guī)設(shè)計(jì)中，風(fēng)機(jī)、泵類的控制流量都是通過(guò)節(jié)流方式實(shí)現(xiàn)，而這些設(shè)備都是高耗能設(shè)備，因此尋求更加節(jié)能的控制設(shè)備和控制方式是降低能耗的重要手段之一。隨著大型變頻器技術(shù)的成熟，許多火電機(jī)組在技術(shù)改造中，都對(duì)高耗能系統(tǒng)如風(fēng)機(jī)系統(tǒng)、凝結(jié)水系統(tǒng)改造加裝了變頻節(jié)能裝置，將原來(lái)的節(jié)流控制模式，改造為節(jié)能的變頻無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)運(yùn)行方式，一方面減少了運(yùn)行中的節(jié)流損失，降低了電機(jī)運(yùn)行電流，起到理想的節(jié)能作用；另一方面改善了大功率電機(jī)啟動(dòng)電流沖擊問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)大電機(jī)平穩(wěn)啟動(dòng)。變頻改造在火力機(jī)組實(shí)際應(yīng)用中取得了較為明顯安全效果和經(jīng)濟(jì)效果。

1 變頻器控制方式

變頻器對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制是根據(jù)電動(dòng)機(jī)的特性參數(shù)及電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)要求，對(duì)電動(dòng)機(jī)提供電壓、電流、頻率進(jìn)行控制，達(dá)到負(fù)載的要求。 變頻器的主電路一樣，逆變器件相同，單片機(jī)位數(shù)也一樣，只是控制方式不同，其控制效果是不一樣的，所以控制方式代表變頻器的水平。目前變頻器對(duì)電動(dòng)機(jī)的控制方式大體可分為：U/f恒定控制、轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等。

U/f恒定控制是在改變電動(dòng)機(jī)電源頻率的同時(shí)改變電動(dòng)機(jī)電源的電壓，使電動(dòng)機(jī)磁通保持一定，在較寬的調(diào)速范圍內(nèi)，電動(dòng)機(jī)的效率、功率因數(shù)不下降。因?yàn)槭强刂齐妷?（Voltage）與頻率（Frequency）之比，稱為 U/f控制。恒定 U/f控制存在的主要問(wèn)題是低速性能較差，轉(zhuǎn)速極低時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩?zé)o法克服較大的靜摩擦力，不能恰當(dāng)?shù)恼{(diào)整電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償和適應(yīng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩的變化；其次是無(wú)法準(zhǔn)確的控制電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速。由于恒U/f變頻器是轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)控制，由異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性圖可知，設(shè)定值為定子頻率也就是理想空載轉(zhuǎn)速，而電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速由轉(zhuǎn)差率所決定，所以U/f恒定控制方式存在的穩(wěn)定誤差不能控制，故無(wú)法準(zhǔn)確控制電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速。

轉(zhuǎn)差頻率控制是施加于電動(dòng)機(jī)的交流電源頻率與電動(dòng)機(jī)速度的差頻率。根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定數(shù)學(xué)模型可知，當(dāng)頻率一定時(shí)，異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩正比于轉(zhuǎn)差率，機(jī)械特性為直線。轉(zhuǎn)差頻率控制就是通過(guò)控制轉(zhuǎn)差頻率來(lái)控制轉(zhuǎn)矩和電流。轉(zhuǎn)差頻率控制需要檢出電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，構(gòu)成速度閉環(huán)，速度調(diào)節(jié)器的輸出為轉(zhuǎn)差頻率，然后以電動(dòng)機(jī)速度與轉(zhuǎn)差頻率之和作為變頻器的給定頻率。與U/f控制相比，其加減速特性和限制過(guò)電流的能力得到提高。另外，它有速度調(diào)節(jié)器，利用速度反饋構(gòu)成閉環(huán)控制，速度的靜態(tài)誤差小。然而要達(dá)到自動(dòng)控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)控制，還達(dá)不到良好的動(dòng)態(tài)性能。

矢量控制也稱磁場(chǎng)定向控制。該控制方式基于70年代初由西德F.Blasschke提出的 “感應(yīng)電機(jī)磁場(chǎng)定向的控制原理”和美國(guó)人P.C.Custman和AA.Clark申請(qǐng)的專利“感應(yīng)電機(jī)定子電壓的坐標(biāo)變換控制”等先進(jìn)理論，在后期實(shí)踐中不斷改進(jìn)，逐漸形成矢量控制調(diào)速系統(tǒng)。由此開(kāi)創(chuàng)了交流電動(dòng)機(jī)和等效直流電動(dòng)機(jī)的先河。 矢量控制變頻調(diào)速的做法是將異步電動(dòng)機(jī)在三相坐標(biāo)系下的定子交流電流Ia、Ib、Ic。通過(guò)三相—二相變換，等效成兩相靜止坐標(biāo)系下的交流電流Ia1、Ib1，再通過(guò)按轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向旋轉(zhuǎn)變換，等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流電流Im1、It1（Im1相當(dāng)于直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流，It1相當(dāng)于直流電動(dòng)機(jī)的電樞電流），然后模仿直流電動(dòng)機(jī)的控制方法，求得直流電動(dòng)機(jī)的控制量，經(jīng)過(guò)相應(yīng)的坐標(biāo)反變換實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的控制。 矢量控制方法的出現(xiàn)，使異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速在電動(dòng)機(jī)的調(diào)速領(lǐng)域里全方位的處于優(yōu)勢(shì)地位。 但是，矢量控制技術(shù)需要對(duì)電動(dòng)機(jī)參數(shù)進(jìn)行正確估算，如何提高參數(shù)的準(zhǔn)確性是一直研究的話題。

直接轉(zhuǎn)矩控制理論是1985年德國(guó)魯爾大學(xué)的DePenbrock教授首次提出的，該技術(shù)在很大程度上解決了矢量控制的不足，它不是通過(guò)控制電流，磁鏈等量間接控制轉(zhuǎn)矩，而是把轉(zhuǎn)矩直接作為被控量來(lái)控制。轉(zhuǎn)矩控制的優(yōu)越性在于，轉(zhuǎn)矩控制是控制定子磁鏈，在本質(zhì)上并不需要轉(zhuǎn)速信息，控制上對(duì)除定子電阻外的所有電機(jī)參數(shù)變化魯棒性良好，所引入的定子磁鏈觀測(cè)器能很容易估算出同步速度信息，因而能方便的實(shí)現(xiàn)無(wú)速度傳感器，這種控制被稱為無(wú)速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制。變頻器的選擇風(fēng)機(jī)和泵類負(fù)載在過(guò)載能力方面要求較低，由于負(fù)載轉(zhuǎn)矩與速度的平方成反比，所以低速運(yùn)行時(shí)負(fù)載較輕（羅茨風(fēng)機(jī)除外），又因?yàn)檫@類負(fù)載對(duì)轉(zhuǎn)速精度沒(méi)有什么要求，故選型時(shí)通常以價(jià)廉為主要原則，選擇普通功能型變頻器。而多數(shù)負(fù)載具有恒轉(zhuǎn)矩特性，在轉(zhuǎn)速精度及動(dòng)態(tài)性能等方面要求一般不高，例如擠壓機(jī)、攪拌機(jī)、傳送帶、廠內(nèi)運(yùn)輸電車(chē)、吊車(chē)的平移機(jī)構(gòu)、吊車(chē)的提升機(jī)構(gòu)和提升機(jī)等，選型時(shí)可選U/f控制方式的變頻器，但是最好采用具有恒轉(zhuǎn)矩控制功能的變頻器。

2 常見(jiàn)變頻控制方案

變頻控制采用“一拖一”控制方式，即一臺(tái)變頻器對(duì)應(yīng)控制一臺(tái)風(fēng)機(jī)或泵。正常工況下，風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行，變頻器故障時(shí)風(fēng)機(jī)切換至工頻控制。控制原理如圖1所示，QF1為6kV母線開(kāi)關(guān)，QF3為變頻器輸入開(kāi)關(guān)，QF4為變頻器輸出開(kāi)關(guān)，QF5為工頻旁路控制開(kāi)關(guān)變頻控制開(kāi)關(guān)。 QF3、QF4與工頻（旁路）開(kāi)關(guān)QF5不能同時(shí)閉合，該閉合保護(hù)聯(lián)鎖在變頻器電氣硬聯(lián)鎖及控制邏輯中雙重設(shè)計(jì)，防止損壞設(shè)備。該方案在電廠雙側(cè)風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)中運(yùn)用較為普遍。

圖1 一拖一變頻控制原理框圖

變頻控制采用“一拖二”或“一拖多”控制方式。即一臺(tái)變頻器對(duì)應(yīng)控制兩臺(tái)或多臺(tái)電機(jī)設(shè)備，控制原理如圖2所示。該方案節(jié)省了變頻器改造的前期投入，但是控制系統(tǒng)只能一臺(tái)設(shè)備工作于變頻控制模式下，適用于“一用一備”或“一用多備”的控制系統(tǒng)，如電廠凝結(jié)水系統(tǒng)、開(kāi)式循環(huán)水系統(tǒng)等。

3 變頻改造工程實(shí)例

某發(fā)電廠風(fēng)機(jī)變頻節(jié)能改造中，重點(diǎn)放在了鍋爐引風(fēng)機(jī)和一次風(fēng)機(jī)變頻改造。改造前風(fēng)機(jī)均采用靜葉或擋板調(diào)節(jié)，機(jī)組低負(fù)荷時(shí)風(fēng)機(jī)節(jié)流比較厲害，影響整個(gè)機(jī)組的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。變頻改造系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用了簡(jiǎn)單實(shí)用的“一拖一”控制方式，即每臺(tái)風(fēng)機(jī)對(duì)應(yīng)一臺(tái)變頻器拖動(dòng)，如圖1所示。改造后風(fēng)機(jī)靜葉或擋板全開(kāi)，整個(gè)風(fēng)機(jī)風(fēng)道無(wú)節(jié)流環(huán)節(jié)，根據(jù)系統(tǒng)風(fēng)量需求，調(diào)節(jié)變頻器頻率，進(jìn)而控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)風(fēng)量調(diào)節(jié)，滿足機(jī)組不同負(fù)荷段的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行需要。

圖2 一拖二變頻控制原理框圖

風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行過(guò)程中，出現(xiàn)風(fēng)機(jī)異常跳閘時(shí)，當(dāng)機(jī)組負(fù)荷大于50%時(shí)，且允許啟動(dòng)工頻旁路時(shí)，控制邏輯自動(dòng)完成變頻切工頻轉(zhuǎn)換，變頻器故障的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)為工頻運(yùn)行，風(fēng)機(jī)靜葉或擋板根據(jù)機(jī)組負(fù)荷進(jìn)行置位，防止運(yùn)行工況突變，如設(shè)定時(shí)間內(nèi)不能完成切換，則直接跳開(kāi)6 kV母線開(kāi)關(guān)QF1，進(jìn)入機(jī)組RB負(fù)荷快切保護(hù)邏輯，切換邏輯如圖3所示，圖中，TP為脈沖信號(hào)發(fā)生器，TON為延時(shí)定時(shí)器。負(fù)荷小于50%時(shí)，直接停止變頻器故障的風(fēng)機(jī)。

圖3 變頻切工頻邏輯框圖

機(jī)組變頻改造后，運(yùn)行情況良好，經(jīng)濟(jì)節(jié)能比較明顯，一般情況下，125MW級(jí)機(jī)組每年兩臺(tái)引風(fēng)機(jī)能節(jié)電200萬(wàn)kW·h以上，300MW級(jí)機(jī)組引風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行能節(jié)電320萬(wàn)kW·h以上。

4 變頻改造中需要注意的問(wèn)題

4.1 系統(tǒng)“搶風(fēng)”

某廠一次風(fēng)機(jī)變頻改造后，低負(fù)荷運(yùn)行情況良好，升負(fù)荷過(guò)程中，兩臺(tái)一次風(fēng)機(jī)變頻指令同步上升，在風(fēng)機(jī)升速過(guò)程中，發(fā)生兩臺(tái)風(fēng)機(jī)“搶風(fēng)”，影響了系統(tǒng)自動(dòng)投入運(yùn)行。適當(dāng)關(guān)小風(fēng)機(jī)擋板開(kāi)度后，改善了系統(tǒng)“搶風(fēng)”，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行。

4.2 風(fēng)機(jī)振動(dòng)增大

風(fēng)機(jī)改為變頻控制后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍增大，由于風(fēng)機(jī)存在軸系及葉片的共振區(qū)，假如共振區(qū)恰好在風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)區(qū)域，則風(fēng)機(jī)振動(dòng)會(huì)明顯增大，工況惡劣，可能引起設(shè)備損壞。

4.3 變頻器本身問(wèn)題

高壓變頻器的節(jié)能效果很大程度上取決于變頻器本身的工作可靠性，在選取變頻器時(shí)，一定要選取高性能設(shè)備，保證機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，機(jī)組變頻設(shè)備故障往往多發(fā)生在變頻器本身故障。

另外，需要注意變頻器的輸出波形對(duì)電動(dòng)機(jī)的影響，火電廠變頻調(diào)速改造時(shí)很大部分是舊設(shè)備，原有的普通電動(dòng)機(jī)是設(shè)計(jì)成為電網(wǎng)直接運(yùn)行的，而電網(wǎng)電壓彼形基本為正弦波，對(duì)電機(jī)要求相對(duì)較低，如果變頻器輸出波形質(zhì)量不好的話，會(huì)對(duì)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生不利影響。

考慮到變頻器故障時(shí)會(huì)引起風(fēng)機(jī)停運(yùn)，造成機(jī)組降負(fù)荷運(yùn)行，故采用進(jìn)線刀閘、旁路刀閘、出線刀閘集成柜，以便在變頻器故障時(shí)，可順利自動(dòng)完成切工頻旁路，保持風(fēng)機(jī)的繼續(xù)運(yùn)行。

5 結(jié)語(yǔ)

高壓變頻器用于火電廠輔機(jī)的調(diào)節(jié)后，能延長(zhǎng)電動(dòng)機(jī)、風(fēng)機(jī)與泵類設(shè)備的使用壽命，提高生產(chǎn)效率和機(jī)組自動(dòng)化水平，提高火電廠運(yùn)行和供電的可靠性，節(jié)約大量能源和檢修費(fèi)用，為火電廠帶來(lái)較大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。 特別是火電機(jī)組點(diǎn)全國(guó)裝機(jī)容量的比例很高，其大功率輔機(jī)具備由傳統(tǒng)擋扳閥門(mén)調(diào)節(jié)改造為變頻調(diào)節(jié)條件的很多，改造后節(jié)能潛力很大。