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四象限變頻器在汽輪機發(fā)電領(lǐng)域的應用

發(fā)布時(shí)間:2023-02-07 作者:新風(fēng)光

榮  凱1    劉明光1   張元吉1   劉興狀1

(1.新風(fēng)光電子科技股份有限公司   山東   272500)

       摘要  采用單元級聯(lián)主回路拓撲結構的四象限變頻器裝置,具有能量回饋功能。可實(shí)現汽輪機不同轉速下的發(fā)電工況。它相比傳統的汽輪機發(fā)電具有轉速可調、無(wú)擾并網(wǎng)、發(fā)電控制精準、操作方便、可靠性高等優(yōu)點(diǎn),具有很高的推廣價(jià)值。


      關(guān)鍵詞:?jiǎn)卧壜?lián)  四象限  無(wú)擾并網(wǎng)  汽輪機  可調轉速


The application of four quadrant frequency converter in the field of steam turbine power generation 

Rong Kai 1   Liu Ming Guang 1  Lu Han 1

(1. WindSun Science & Technology Co.,Ltd.  Shandong  272500  China)

Abstract  Four quadrant frequency converter, which adopts cells cascaded main circuit topology, has energy feedback function. Power generation conditions at different speeds of steam turbines can be realized. It compared to traditional generator powered has adjustable speed, undisturbed power generation, precision control of power generation, convenient operation, high reliability advantages, has the very high popularization value.

Key words: cells cascaded, four quadrant, undisturbed power generation, steam turbine , adjustable speed


1  引言

為了節省電力成本并充分利用工業(yè)剩余蒸汽(過(guò)熱蒸汽或飽和蒸汽),解決環(huán)境污染、創(chuàng )造更好的經(jīng)濟和社會(huì )效益,在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中,廣泛應用汽輪機、異步電動(dòng)機聯(lián)合驅動(dòng)技術(shù)。該技術(shù)大多采用汽輪機驅動(dòng)電機直接發(fā)電,電機頻率為固定50Hz不可調[1]。該技術(shù)的系統方案如圖1所示。

該技術(shù)的應用一定程度地解決了節省電力成本和工業(yè)剩余熱能利用的問(wèn)題,但仍然存在余熱不能充分利用、驅動(dòng)系統無(wú)法調速,不能滿(mǎn)足生產(chǎn)工藝對機械設備速度調節的要求,同時(shí)也會(huì )造成能源的二次浪費,并網(wǎng)發(fā)電時(shí)出現沖擊過(guò)大情況。

圖片1.png

圖1傳統工業(yè)剩余蒸汽利用系統

為了解決傳統工業(yè)剩余蒸汽利用系統的不足,最大限度地節省電力成本、充分利用工業(yè)剩余蒸汽,獲取更大的經(jīng)濟效益,本文推廣應用了汽輪機、電機聯(lián)合驅動(dòng)、四象限變頻調速及汽輪機、電機聯(lián)合發(fā)電技術(shù)。

2  汽輪機、電機聯(lián)合驅動(dòng)、變頻調速及異步電機發(fā)電驅動(dòng)系統

2.1  系統原理說(shuō)明


圖片2.png

圖2四象限變頻調速及發(fā)電系統

四象限變頻調速及發(fā)電系統如圖2所示,在傳統工業(yè)剩余蒸汽利用系統中,增加四象限變頻器,工頻50Hz電網(wǎng)接入AC/AC四象限變頻器,四象限變頻器輸出接電機,電機既可以工作在電動(dòng)狀態(tài),也可以工作在發(fā)電狀態(tài)。

當氣源不足,汽輪機不能工作時(shí),四象限變頻器拖動(dòng)電機,電機驅動(dòng)風(fēng)機或水泵,處于電動(dòng)狀態(tài)。整個(gè)系統處于變頻調速的電動(dòng)狀態(tài),有效實(shí)現工業(yè)用電的節能環(huán)保。當氣源充足時(shí),汽輪機拖動(dòng)風(fēng)機或水泵運行,將多余的能量通過(guò)發(fā)電的形式傳遞給四象限變頻器,四象限變頻器將能量回饋到電網(wǎng),實(shí)現汽輪機發(fā)電工作。汽輪機可以在工藝允許的范圍內可調轉速,而發(fā)電回饋到電網(wǎng)的電能始終保持50Hz。

2.2  四象限變頻器系統結構

圖片3.png

圖3四象限變頻器系統結構

電網(wǎng)電壓輸入連接到四象限變頻器的移相變壓器上,移相變壓器將電壓轉換為獨立的三相690V電壓,給每個(gè)功率單元供電。移相變壓器的作用:第一是將高壓降低為低壓,給每個(gè)功率單元供電;第二是給每個(gè)功率單元提供獨立的電源,可以使單元進(jìn)行級聯(lián),第三是移相變壓器采用延邊三角形結構,使單元的輸入電壓進(jìn)行移相,減小了對電網(wǎng)的諧波無(wú)污染,為真正的完美無(wú)諧波。單元級聯(lián)通過(guò)載波移相技術(shù)可以使輸出電壓諧波變小。完善的控制系統,主控系統采用高速DSP為控制核心,控制算法完全數字化,主控箱與功率單元采用高速光纖通訊。

2.3  單元級聯(lián)技術(shù)

 圖片4.png

圖4功率單元結構

功率單元內部原理圖如圖4所示,移相變壓器次級繞組連接到功率單元的三相輸入,三相輸入經(jīng)過(guò)三相橋回饋/整流IGBT回路連接單元直流母線(xiàn)電容,直流母線(xiàn)電壓經(jīng)過(guò)IGBT組成的H橋,輸出PWM波形。在電動(dòng)模式下,三相輸入經(jīng)過(guò)三相橋回饋/整流IGBT回路進(jìn)行整流濾波后提供給直流母線(xiàn)能量支撐。在發(fā)電模式下,三相輸入經(jīng)過(guò)三相橋回饋/整流IGBT回路將直流母線(xiàn)能量回饋到電網(wǎng)。

圖片5.png

圖5單元級聯(lián)示意圖

單元級聯(lián)如圖5所示,由于每個(gè)單元的輸出電壓是相互獨立的,單元的輸出可以級聯(lián)在一起,單元的控制信號是通過(guò)光纖與主控系統通訊,主控將PWM波信號通過(guò)下行通訊光纖傳遞給每個(gè)功率單元,每個(gè)功率單元通過(guò)相應的單元的保護動(dòng)作通過(guò)上行通訊光纖上傳給主控系統。主控產(chǎn)生的PWM信號為載波移相后的PWM信號,單元級聯(lián)后輸出的電壓諧波很小。

單元級聯(lián)輸出電壓采用自動(dòng)穩壓技術(shù),母線(xiàn)電壓高時(shí),輸出調制波相應減小,母線(xiàn)電壓低時(shí),輸出調制波相應增加,可以解決由于負載不平衡導致母線(xiàn)電壓不一致,從而出現輸出電壓不平衡的問(wèn)題。

2.4  無(wú)擾并網(wǎng)

根據三相交流異步電動(dòng)機同步轉速計算公式 n0=60×f/r(f-電源頻率,r-電動(dòng)機極對數)可以看出,電動(dòng)機的同步轉速完全決定于三相交流電源頻率[2]。電機的機械特性如圖6所示,

圖片6.png

圖6  改變電源頻率的異步電機機械特性

在圖6中,當電機轉子轉速不變的情況下,改變電機電源頻率,就可使電機工作在電動(dòng)或發(fā)電狀態(tài)。并控制電機的轉差控制輸出轉矩。通過(guò)對變頻器輸出電源頻率的調整,再配合汽輪機進(jìn)氣量的調節,可實(shí)現電動(dòng)機由電動(dòng)狀態(tài)到發(fā)電狀態(tài)的任意轉換,同時(shí)也可實(shí)現電動(dòng)機速度的靈活調整。

汽輪機投入運行,當氣源過(guò)剩時(shí),驅動(dòng)機械系統所需要的力矩逐步被汽輪機的輸出力矩所替代,進(jìn)而電動(dòng)機的輸出力矩由Mn變化為-Mn,變頻器和電動(dòng)機逐漸由第一象限過(guò)渡到第二象限,電動(dòng)機由電動(dòng)狀態(tài)逐步變化為發(fā)電狀態(tài)。此時(shí),變頻器也由電源輸出狀態(tài)轉變?yōu)槟芰炕仞仩顟B(tài)(第二象限),將電動(dòng)機發(fā)出的任一頻率的三相交流電回饋為50Hz的工頻電,實(shí)現發(fā)電機與電網(wǎng)的無(wú)擾并網(wǎng)。

四象限變頻器將電機的發(fā)電功率回饋到50Hz電網(wǎng)的控制原理如圖7所示。控制電路通過(guò)實(shí)時(shí)檢測輸入電壓信息,將發(fā)電機的能量精準的回饋到電網(wǎng),在并網(wǎng)回饋的切換控制中無(wú)任何沖擊,真正無(wú)擾并網(wǎng)回饋。


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圖7  無(wú)擾并網(wǎng)能量回饋控制原理

3  結束語(yǔ)

汽輪機、電機聯(lián)合驅動(dòng)、四象限變頻調速及汽輪機、電機聯(lián)合發(fā)電技術(shù),在工業(yè)剩余蒸汽(過(guò)熱蒸汽或飽和蒸汽)現場(chǎng),得到很好的應用驗證,相信此技術(shù)在工業(yè)剩余蒸汽(過(guò)熱蒸汽或飽和蒸汽)現場(chǎng)節能減排方面必然有更大的發(fā)展和應用。

參考文獻 

[1] 周紅衛,劉本明,王志.淺談發(fā)電廠(chǎng)鍋爐汽輪機組協(xié)調控制系統[J]. 民營(yíng)科技, 2010(03):11.

[2] 問(wèn)澤杭,莫兆祥. 基于四象限高壓變頻器的水泵機組反向發(fā)電探討[J].水力發(fā)電,2011,37(2): 75-76.

作者簡(jiǎn)介

榮凱  男,1986年生,電氣工程師  現工作于新風(fēng)光電子科技股份有限公司,從事電力電子技術(shù)工作


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