一、前言

我國北方冬季時間長，熱力公司承擔著冬季供暖的任務(wù)，溫暖著千家萬戶。正因如此，熱力公司冬季耗電量大，由于電的能價比高，在資金有限的情況下，積極引進節(jié)電項目能創(chuàng)造更大的效益，減少成本。沈陽聯(lián)美熱力供暖有限公司二分廠供電改造項目為合康四象限高壓變頻器能量回饋的一個應(yīng)用，能為用戶節(jié)約用電，具有廣泛的應(yīng)用價值。

二、改造方案

本項目所用變頻器為合康HIVERT-YVF10/154，矢量控制、能量回饋、四象限運行，采用轉(zhuǎn)子帶速度反饋的矢量控制技術(shù)。由汽輪機+電機+四象限高壓變頻器構(gòu)成一套完整的發(fā)電系統(tǒng)。系統(tǒng)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定控制由汽輪機按DCS指令統(tǒng)一調(diào)度。變頻器接收來自本地或上位機的給定和邏輯指令，根據(jù)這些指令，由變頻控制自動完成發(fā)電運行的過程。變頻器采用反力矩方式控制發(fā)電。

圖1 現(xiàn)場系統(tǒng)拓撲圖

在該項目中監(jiān)視器主要包含三方面：上位通訊數(shù)據(jù)交換、實現(xiàn)功率閉環(huán)功能、系統(tǒng)保護；控制器主要實現(xiàn)以下三個功能：轉(zhuǎn)速啟動、反力矩方式控制、防反轉(zhuǎn)功能。

2.1 功率開環(huán)/閉環(huán)控制

開環(huán)控制：上位機給定系統(tǒng)發(fā)電量，監(jiān)視器采用接口板所采集的變頻器輸入功率作為反饋信號進行閉環(huán)調(diào)節(jié)。

閉環(huán)控制：上位機給定變電所進線功率目標值，然后通過通信將變電所進線功率的實時采樣值傳輸給監(jiān)視器，監(jiān)視器將其作為反饋值進行閉環(huán)PI調(diào)節(jié)。

因此開環(huán)控制與閉環(huán)控制所采用的控制模式是一樣的，但是采用的輸入值與反饋值存在區(qū)別。

監(jiān)視器功率閉環(huán)控制框圖如下所示：

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圖2 功率閉環(huán)控制框圖

2.2系統(tǒng)保護功能包括：

（1）廠用電速降功率：

當變電所進線功率小于廠用電速降功率時，則系統(tǒng)進入斜坡停車狀態(tài)，變頻器減小發(fā)電功率，防止超發(fā)。

（2）廠用電速停功率

當變電所進線功率小于廠用電立停功率后，變頻器立即停車，停止發(fā)電。

通常設(shè)置時，廠用電速降功率>廠用電立停功率。

（3）汽輪機最低轉(zhuǎn)數(shù)

當變頻器所測轉(zhuǎn)速小于汽輪機最低轉(zhuǎn)數(shù)設(shè)置值后，系統(tǒng)自動進入斜坡停車狀態(tài)，變頻器減小發(fā)電量。當變頻器所測轉(zhuǎn)速不再小于汽輪機最低轉(zhuǎn)數(shù)設(shè)置值，則自動恢復(fù)至正常狀態(tài)。其中還包括汽輪機停機轉(zhuǎn)數(shù)，當汽輪機轉(zhuǎn)數(shù)小于某一轉(zhuǎn)數(shù)，則變頻器立刻停機，當前設(shè)置為300rpm。

（4）通訊故障保護

閉環(huán)運行狀態(tài)下，當檢測到系統(tǒng)發(fā)生通訊斷線(通過心跳位進行判斷)，則變頻器側(cè)將自動由閉環(huán)運行狀態(tài)切換至開環(huán)運行狀態(tài)繼續(xù)運行。

2.3系統(tǒng)限制功能

（1）轉(zhuǎn)矩限制功能

轉(zhuǎn)矩限制值包括用戶在DCS直接設(shè)置的轉(zhuǎn)矩限制值以及伺服電流限制邏輯計算得到的轉(zhuǎn)矩限制值。對于用戶在DCS直接設(shè)置的轉(zhuǎn)矩限制值。當系統(tǒng)反饋值還未達到系統(tǒng)給定值時，如果轉(zhuǎn)矩輸出值達到限制值后，將以限制值作為輸出。比如，開環(huán)運行狀態(tài)下，當轉(zhuǎn)矩限制為30%時，如果尚未達到給定量，則PI輸出一直限制在30%，分別在積分值與PI輸出處進行限制。但是有一點，假如運行情況下轉(zhuǎn)矩限制值為30%，此時上位機修改轉(zhuǎn)矩限制值為20%，需要斜坡下降到20%，不能直接到20%，防止汽輪機出現(xiàn)轉(zhuǎn)速巨大波動。

汽輪機汽門開度(伺服電流反饋值)達到汽輪機汽門開度限制值(伺服電流設(shè)定值)后，計算得出的當前轉(zhuǎn)矩輸出值。轉(zhuǎn)矩限制邏輯中，將以較小的數(shù)值為準。

（2）發(fā)電量限制功能

發(fā)電量限制值由用戶直接在上位機上設(shè)定。開環(huán)狀態(tài)時，發(fā)電量限制由變頻器輸入功率直接進行判斷。當變頻器輸入功率絕對值達到發(fā)電量限制值時，則將給定信號進行限制。閉環(huán)狀態(tài)時，給定值為進線功率目標值，反饋值為實際進線功率。此時的發(fā)電功率限制值，同樣與變頻器輸入功率進行比較，變頻器輸入功率的絕對值達到發(fā)電功率限制值后，需要對進線功率目標值進行修正。

例如：進線功率目標值=500kW；當前變電所實際進線功率=1000kW；發(fā)電功率限制值為300kW。當變頻器輸入功率達到-300kW時，進線功率目標值將自動調(diào)整至700kW。

2.4其它功能

（1）開環(huán)、閉環(huán)狀態(tài)自由平滑切換

閉環(huán)運行狀態(tài)下，如果遇到通訊故障，則自動切換到開環(huán)運行狀態(tài)，等通訊恢復(fù)后，在用戶DCS監(jiān)控界面可以直接切換至閉環(huán)狀態(tài)。正常運行情況下，用戶也可以在DCS監(jiān)控界面對控制狀態(tài)進行隨意切換。

（2）斜坡停車功能

斜坡停車狀態(tài)下，系統(tǒng)發(fā)電量將以斜坡形式緩慢降落，以防止汽輪機轉(zhuǎn)速波動。若斜坡停車期間再次按下運行按鈕，則系統(tǒng)重新開始運行。

2.5轉(zhuǎn)速啟動

轉(zhuǎn)速啟動又為：“飛車啟動”，即在電機旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下啟動。變頻器轉(zhuǎn)速啟動存在于轉(zhuǎn)速啟動與轉(zhuǎn)矩控制啟動兩種方式中。在啟動變頻器前控制器一直檢測電機的轉(zhuǎn)速，一旦接到啟動命令，變頻器立即輸出該轉(zhuǎn)速下對應(yīng)的頻率，并在此頻率基礎(chǔ)上加減轉(zhuǎn)速或者加減轉(zhuǎn)矩，直到達到給定數(shù)值。

2.6反力矩方式控制

反力矩方式控制即通常所說的轉(zhuǎn)矩控制方式。本系統(tǒng)為汽輪機+電機+四象限高壓變頻器構(gòu)成的發(fā)電系統(tǒng)，以此變頻器運行在第四象限，即轉(zhuǎn)矩給定方向與系統(tǒng)轉(zhuǎn)速方向相反。

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圖3 四象限運行圖

2.7防反轉(zhuǎn)功能

防反轉(zhuǎn)功能：通常情況下，由于汽輪機轉(zhuǎn)子在軸瓦內(nèi)旋轉(zhuǎn)需要油膜，否則就會燒損，但是油膜形成需要條件之一就是有油楔，因為油楔是單向的，長時間反轉(zhuǎn)會燒損軸瓦，故汽輪機一般不能反轉(zhuǎn)。當主軸動力源消失，變頻器轉(zhuǎn)矩輸出不變的情況下會將系統(tǒng)拖到反向最大轉(zhuǎn)速。因此，控制器做出如下處理：

監(jiān)視器設(shè)置系統(tǒng)運行最低頻率(絕對值)，當系統(tǒng)轉(zhuǎn)速運行至最低頻率時，變頻器將系統(tǒng)轉(zhuǎn)速維持在最低頻率運行。這么做存在著弊端：如果變頻器處于電動狀態(tài)，將會維持在最小頻率，到達不了最高頻率限制。

系統(tǒng)實際運行過程中，汽輪機先行運轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速通常設(shè)定在1000rpm-1400rpm區(qū)間，變頻器飛車啟動去匹配汽輪機轉(zhuǎn)速，而且處于發(fā)電狀態(tài)，因此不會存在運行于最低限制頻率。當汽輪器主動力源消失，系統(tǒng)轉(zhuǎn)速下降，維持在最低限制頻率，達到防止反轉(zhuǎn)功能。同時，監(jiān)視器檢測實時轉(zhuǎn)速，當轉(zhuǎn)速低于最低頻率，則進行停機處理并報故障。

三、合康高壓變頻器主要技術(shù)規(guī)范

3.1設(shè)備參數(shù)

電機的基本參數(shù)：

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變頻器主要技術(shù)性能指標：

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3.2變頻器工藝簡介

1.變頻器內(nèi)部通訊采用光纖連接，以提高通訊速度和抗干擾能力，變頻器內(nèi)部強弱電信號分開置光電隔離、鐵殼屏蔽，對本體控制系統(tǒng)就地控制柜沒有諧波影響，柜內(nèi)設(shè)有屏蔽端子和接地設(shè)施。變頻器裝置冷卻系統(tǒng)可靠，考慮沉余配置。單臺冷卻風機故障不影響系統(tǒng)正常運行，并報警遠傳到控制室。每一套冷卻裝置拆裝方便，并不影響變頻裝置的安全可靠運行。

2.變頻裝置提供電動機所需的過載、過流、過壓、欠壓、過熱、缺相保護以及進線變壓器的保護和變頻器過載，變頻器過熱等保護功能。

3.變頻裝置動力電源和控制電源分開供電，動力電源為變頻調(diào)速系統(tǒng)內(nèi)部供電，控制電源獨立于動力電源系統(tǒng)。控制電源故障時，變頻器不能立即停機，能保持運行半小時以上，以便維護人員處理電源故障。變頻器自備UPS，可維持30min 。變頻器可在輸出不帶電機的情況下進行空載調(diào)試，也可在使用380VAC進行控制調(diào)試。

四、經(jīng)濟效益分析：

現(xiàn)場情況：9臺100t鍋爐，平時3臺備用，11月份運行4臺，以此類推，12月份運行5臺，1月份最冷月份6臺鍋爐全運行。

未使用發(fā)電系統(tǒng)用電情況如下表：

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使用發(fā)電系統(tǒng)后節(jié)能計算：

裝3臺1600kW變頻器，電機電流108A，如果滿負荷運行1500kW/臺，則每天發(fā)電量計算為：1500kW*3*24= 108000度電。

通過對比可知，使用了汽輪機+電機+四象限高壓變頻器構(gòu)成的發(fā)電系統(tǒng)后，沈陽聯(lián)美熱力供暖有限公司二分電廠每天可節(jié)約了108000度電。

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五、結(jié)論

由此可見：應(yīng)用汽輪機+電機+四象限高壓變頻器構(gòu)成的發(fā)電系統(tǒng)運行良好，具有明顯的節(jié)電效能，在冬季用電量高時，為企業(yè)節(jié)約了不少電能。采用變頻技術(shù)（反力矩控制算法）節(jié)電效果明顯，符合國家節(jié)能政策，達到了節(jié)約能源，降低廠用電量的目的，值得進一步推廣應(yīng)用。

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 2016

[2]李國萍  能量回饋制動變頻器相關(guān)技術(shù)分析，裝備制造技術(shù) 2008

[3]張承慧，杜春水，李珂  變頻驅(qū)動異步電機再生制動機饋電技術(shù)，電機與控制學報 2006

[4]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

作者簡介：

王平（1983.1-）   男  本科  北京合康新能變頻技術(shù)有限公司  產(chǎn)品開發(fā)部研發(fā)工程師  

研究方向：工業(yè)自動化及電氣系統(tǒng)控制設(shè)計。