合康高压变频器在沈阳联美热力供暖有限公司二分厂的供电改造
- 关键词：高压变频器,节能发电
- 作者：王平
- 摘要：热力公司冬季耗电量大，由于电的能价比高，在资金有限的情况下，积极引进节电项目能创造更大的效益，减少成本。本项目为合康四象限高压变频器能量回馈的一个应用，能为用户节约用电，具有广泛的应用价值。
一、前言
我国北方冬季时间长，热力公司承担着冬季供暖的任务，温暖着千家万户。正因如此，热力公司冬季耗电量大，由于电的能价比高，在资金有限的情况下，积极引进节电项目能创造更大的效益，减少成本。沈阳联美热力供暖有限公司二分厂供电改造项目为合康四象限高压变频器能量回馈的一个应用，能为用户节约用电，具有广泛的应用价值。
二、改造方案
本项目所用变频器为合康HIVERT-YVF10/154，矢量控制、能量回馈、四象限运行，采用转子带速度反馈的矢量控制技术。由汽轮机+电机+四象限高压变频器构成一套完整的发电系统。系统转速稳定控制由汽轮机按DCS指令统一调度。变频器接收来自本地或上位机的给定和逻辑指令，根据这些指令，由变频控制自动完成发电运行的过程。变频器采用反力矩方式控制发电。
图1 现场系统拓扑图
在该项目中监视器主要包含三方面：上位通讯数据交换、实现功率闭环功能、系统保护；控制器主要实现以下三个功能：转速启动、反力矩方式控制、防反转功能。
2.1 功率开环/闭环控制
开环控制：上位机给定系统发电量，监视器采用接口板所采集的变频器输入功率作为反馈信号进行闭环调节。
闭环控制：上位机给定变电所进线功率目标值，然后通过通信将变电所进线功率的实时采样值传输给监视器，监视器将其作为反馈值进行闭环PI调节。
因此开环控制与闭环控制所采用的控制模式是一样的，但是采用的输入值与反馈值存在区别。
监视器功率闭环控制框图如下所示：
图2 功率闭环控制框图
2.2系统保护功能包括：
（1）厂用电速降功率：
当变电所进线功率小于厂用电速降功率时，则系统进入斜坡停车状态，变频器减小发电功率，防止超发。
（2）厂用电速停功率
当变电所进线功率小于厂用电立停功率后，变频器立即停车，停止发电。
通常设置时，厂用电速降功率>厂用电立停功率。
（3）汽轮机最低转数
当变频器所测转速小于汽轮机最低转数设置值后，系统自动进入斜坡停车状态，变频器减小发电量。当变频器所测转速不再小于汽轮机最低转数设置值，则自动恢复至正常状态。其中还包括汽轮机停机转数，当汽轮机转数小于某一转数，则变频器立刻停机，当前设置为300rpm。
（4）通讯故障保护
闭环运行状态下，当检测到系统发生通讯断线(通过心跳位进行判断)，则变频器侧将自动由闭环运行状态切换至开环运行状态继续运行。
2.3系统限制功能
（1）转矩限制功能
转矩限制值包括用户在DCS直接设置的转矩限制值以及伺服电流限制逻辑计算得到的转矩限制值。对于用户在DCS直接设置的转矩限制值。当系统反馈值还未达到系统给定值时，如果转矩输出值达到限制值后，将以限制值作为输出。比如，开环运行状态下，当转矩限制为30%时，如果尚未达到给定量，则PI输出一直限制在30%，分别在积分值与PI输出处进行限制。但是有一点，假如运行情况下转矩限制值为30%，此时上位机修改转矩限制值为20%，需要斜坡下降到20%，不能直接到20%，防止汽轮机出现转速巨大波动。
汽轮机汽门开度(伺服电流反馈值)达到汽轮机汽门开度限制值(伺服电流设定值)后，计算得出的当前转矩输出值。转矩限制逻辑中，将以较小的数值为准。
（2）发电量限制功能
发电量限制值由用户直接在上位机上设定。开环状态时，发电量限制由变频器输入功率直接进行判断。当变频器输入功率绝对值达到发电量限制值时，则将给定信号进行限制。闭环状态时，给定值为进线功率目标值，反馈值为实际进线功率。此时的发电功率限制值，同样与变频器输入功率进行比较，变频器输入功率的绝对值达到发电功率限制值后，需要对进线功率目标值进行修正。
例如：进线功率目标值=500kW；当前变电所实际进线功率=1000kW；发电功率限制值为300kW。当变频器输入功率达到-300kW时，进线功率目标值将自动调整至700kW。
2.4其它功能
（1）开环、闭环状态自由平滑切换
闭环运行状态下，如果遇到通讯故障，则自动切换到开环运行状态，等通讯恢复后，在用户DCS监控界面可以直接切换至闭环状态。正常运行情况下，用户也可以在DCS监控界面对控制状态进行随意切换。
（2）斜坡停车功能
斜坡停车状态下，系统发电量将以斜坡形式缓慢降落，以防止汽轮机转速波动。若斜坡停车期间再次按下运行按钮，则系统重新开始运行。
2.5转速启动
转速启动又为：“飞车启动”，即在电机旋转状态下启动。变频器转速启动存在于转速启动与转矩控制启动两种方式中。在启动变频器前控制器一直检测电机的转速，一旦接到启动命令，变频器立即输出该转速下对应的频率，并在此频率基础上加减转速或者加减转矩，直到达到给定数值。
2.6反力矩方式控制
反力矩方式控制即通常所说的转矩控制方式。本系统为汽轮机+电机+四象限高压变频器构成的发电系统，以此变频器运行在第四象限，即转矩给定方向与系统转速方向相反。
图3 四象限运行图
2.7防反转功能
防反转功能：通常情况下，由于汽轮机转子在轴瓦内旋转需要油膜，否则就会烧损，但是油膜形成需要条件之一就是有油楔，因为油楔是单向的，长时间反转会烧损轴瓦，故汽轮机一般不能反转。当主轴动力源消失，变频器转矩输出不变的情况下会将系统拖到反向最大转速。因此，控制器做出如下处理：
监视器设置系统运行最低频率(绝对值)，当系统转速运行至最低频率时，变频器将系统转速维持在最低频率运行。这么做存在着弊端：如果变频器处于电动状态，将会维持在最小频率，到达不了最高频率限制。
系统实际运行过程中，汽轮机先行运转，转速通常设定在1000rpm-1400rpm区间，变频器飞车启动去匹配汽轮机转速，而且处于发电状态，因此不会存在运行于最低限制频率。当汽轮器主动力源消失，系统转速下降，维持在最低限制频率，达到防止反转功能。同时，监视器检测实时转速，当转速低于最低频率，则进行停机处理并报故障。
三、合康高压变频器主要技术规范
3.1设备参数
电机的基本参数：
变频器主要技术性能指标：
3.2变频器工艺简介
1.变频器内部通讯采用光纤连接，以提高通讯速度和抗干扰能力，变频器内部强弱电信号分开置光电隔离、铁壳屏蔽，对本体控制系统就地控制柜没有谐波影响，柜内设有屏蔽端子和接地设施。变频器装置冷却系统可靠，考虑沉余配置。单台冷却风机故障不影响系统正常运行，并报警远传到控制室。每一套冷却装置拆装方便，并不影响变频装置的安全可靠运行。
2.变频装置提供电动机所需的过载、过流、过压、欠压、过热、缺相保护以及进线变压器的保护和变频器过载，变频器过热等保护功能。
3.变频装置动力电源和控制电源分开供电，动力电源为变频调速系统内部供电，控制电源独立于动力电源系统。控制电源故障时，变频器不能立即停机，能保持运行半小时以上，以便维护人员处理电源故障。变频器自备UPS，可维持30min 。变频器可在输出不带电机的情况下进行空载调试，也可在使用380VAC进行控制调试。
四、经济效益分析：
现场情况：9台100t锅炉，平时3台备用，11月份运行4台，以此类推，12月份运行5台，1月份最冷月份6台锅炉全运行。
未使用发电系统用电情况如下表：
使用发电系统后节能计算：
装3台1600kW变频器，电机电流108A，如果满负荷运行1500kW/台，则每天发电量计算为：1500kW*3*24= 108000度电。
通过对比可知，使用了汽轮机+电机+四象限高压变频器构成的发电系统后，沈阳联美热力供暖有限公司二分电厂每天可节约了108000度电。
五、结论
由此可见：应用汽轮机+电机+四象限高压变频器构成的发电系统运行良好，具有明显的节电效能，在冬季用电量高时，为企业节约了不少电能。采用变频技术（反力矩控制算法）节电效果明显，符合国家节能政策，达到了节约能源，降低厂用电量的目的，值得进一步推广应用。
参考文献：
[1]北京合康新能科技股份有限公司，HIVERT高压变频器用户手册 2016
[2]李国萍 能量回馈制动变频器相关技术分析，装备制造技术 2008
[3]张承慧，杜春水，李珂 变频驱动异步电机再生制动机馈电技术，电机与控制学报 2006
[4]张承慧，程金，夏东伟 汽轮机最有利真空循环水泵变频驱动控制系统，热能动力工程 2004
作者简介：
王平（1983.1-） 男 本科 北京合康新能变频技术有限公司 产品开发部研发工程师
研究方向：工业自动化及电气系统控制设计。