电压型变频器

电压型变频器（精选七篇）

电压型变频器 篇1

1高压变频器节能原理

由电机学可知n=60f(1-s)/p,三相异步电动机的转速n与电源频率f、转差率s、电机极对数p有关。n与f之间为线性关系,变频调速通过改变电源频率f来实现调节电动机转速,转速调节范围宽,不存在励磁调节和节流作用带来的功率损失。

对于风机和泵类负载,由流体力学理论可知,流体流量Q与风机或泵类的转速一次方成正比,转矩H与转速的二次方成正比,而其功率P则与转速3次方成正比:

转速减少时,电机的能耗将以其3次方的比率下降,由此体现出节能效果。

2高压变频器系统结构

以额定电压6 k V,6级级联电压源型国产高压变频器(H桥元件IGBT)为研究对象。

高压变频器的配置根据电压等级、功率、型号以及其它因素的不同而有所不同,但主体结构基本都包括工频旁路、变压器、功率单元、主控系统等,电压源型高压变频器工作原理是将电网送来的三相6 k V/50 Hz交流电,经移相变压器,供电给18个功率单元,每个功率单元的额定输出电压为577 V,相邻功率单元的输出联接起来,每相6个功率单元进行叠加,使得高压变频器的额定输出相电压为3 464 V。三相共18个功率单元, 形成Y联接结构,使得线电压为6 000 V,直接供给感应电动机,典型电路拓扑结构如图1所示。

每个功率单元承受全部的输出电流,但只提供1/6的相电压和1/18的输出功率。对于不同的输出电压等级,串联的模块数目是不同的,但其基本原理是一样的。

3高压变频器故障形式

高压变频器的故障分为“重故障”和“轻故障”两种,其中“重故障”出现后会立即停机,并切断高压输入电源;“轻故障”不会影响到变频器的正常运行,但是应该及时处理,以免演变为重故障。

当故障出现后虽然变频器自身会有相应的故障信息提示,用于判断故障元件之所在,但是实际应用经验证明并不是所有的故障信息都可以准确定位故障元件,并不是所有的故障元件都可以在报警信息中反映。对于重故障的情况,如果不能一次将所有故障都排除,就会造成高压输入电源开关的多次跳闸,对电源系统造成不利的影响。因此就需要尽可能一次性地将故障排除或者脱离电源系统进行故障排查。

3.1回路故障

有实际案例表明,如果不相邻功率单元的输入回路出现连接交叉错误,变频器启动后会导致输出短路,此时变频器无法正确判断回路错误的功率单元,会引起处于中间位置的无异常功率单元报故障,而处于后面的故障元件由于主控系统已关断输出而报不出故障。

3.2通讯故障

变频器的控制系统和功率单元的信号传输是通过光纤进行,包括上行光纤和下行光纤,如果上行光纤、下行光纤或两端的发送、接收部分有故障时,变频器会报出哪个通道故障,但是无法区分是哪个元件的问题。

3.3过载、过流

变频器的输入、输出均有电流检测,当主控系统检测到输入或输出电流达到过载、过流定值时会重故障停机,一般情况下是由于信号干扰、 电流检测元件故障、电机过载(流)引起保护元件动作。但是还有一种情况就是其中有一个或多个功率单元输出电压较低或无输出,对于这种情况变频器是无法判断出特性欠佳的功率单元的, 并且也难以通过常规检查手段查出。

4高压变频器检测方法

高压变频系统使用灵活,根据实际需求有多种连接方式,图2为典型的一拖一手动旁路系统。

其中移相变压器为Y/△/Yn接线方式,低压侧△采用延边三角形联接,每相分为6个不同的相位组,互差10°(电角度);低压侧Yn额定输出电压380 V,并为主控系统提供输入电源电压信号。

对变频器检测之前首先要甩开高压变频器的输入(移相变压器的输入)电缆和输出(功率单元的输出)电缆,即将变频器从6 k V电源系统完全隔离出来,变频器置变频方式状态。采取从低压侧Yn绕组加入380 V工频电源的方法,模拟为变频器提供输入电源来进行检测,而全部的检测工作需要的仅仅是1台调压器和1个380 V电源。检测接线原理如图3所示。

4.1单体检测

将A,B,C三相所有功率单元的输出串联母排和中性点母线拆开,使用380 V电压输入的调压器作为移相变压器的输入电源,变频器的容量越大要求调压器的容量越大(建议2 000 k V·A以上的变频器使用9 k V·A以上的调压器)。缓慢升高调压器输出电压至380 V(移相变压器高压侧为额定电压6 000 V),测量每个功率单元的输入线电压应为UΦΦ= 6 000/(6 ´ 3)= 577V(实际工程应用中,对于大容量电动机和变频器,满载运行情况下电压会有一定的下降,移相变压器选型时UΦΦ可能会略高于计算值,故UΦΦ应以变压器实际变比为准)。在不具备远程操作条件的情况下,可选择切换至就地方式启动变频器并进行频率调节。

用示波器观察各功率单元的输出PWM波形,脉冲数m与IGBT开关频率F、变频器运行频率f有关,其关系是:m = F/f(上下半波各一半)。 当频率升至50 Hz(IGBT开关频率为1 200 Hz) 时,每个功率单元输出PWM波形,如图4所示 (每个周期内上下半波均为12脉冲)。因模块内部的铜排存在电感,输出电压值U0略高于输入电压,约为1.1 ´ UΦΦ。

当实际测量的输入线电压较UΦΦ有明显的偏差时,应全面检查各功率单元输入回路接线是否存在错误。

4.2整组检测

因为移相变压器每组输出绕组都是独立的, 功率单元的输出也是相互独立的,因此单体检测的成功只能验证各功率单元是完好的,并不意味着整个变频系统是正常的。当级联数较多且相邻功率单元输入接线交叉错误连接时,输入线电压不会有太大的偏差,单体检测时由于各功率单元是相互独立的,变频器不会有故障报警,而功率单元串联运行时会造成变频器的输出短路故障,所以还需要恢复所有功率单元的输出串联母排和中性点母线连接进行整组检测,验证包括外部回路在内的整个变频系统是否正常。检测方法和单体检测相同,变频器输出电压为每相6个功率单元输出电压的串联叠加,线电压为6 000 V (见图5)。

4.3检测结果

顺利通过单体和整组检测的变频器可以认为一切正常,可以带载试运;如果在检测的过程中有故障报警,就需要进行相应的故障排查,重新进行检测,直至全部检测都通过。

4.4注意事项

由于使用该方法进行的变频器检测是空载试验,且输入电源是从移相变压器低压侧施加的,属于非正常运行方式,因此需要强调几点注意事项:

1)此种检测方法仅适用于有变压器的电压源型高压变频器,并不适用于无变压器电压源型和电流源型;

2)必须保证变频器主控系统检测输入电源的回路是正常的,因为主控系统只有在检测到输入电源正常的情况下才可给功率单元发出触发脉冲;

3)在给移相变压器低压侧Yn绕组施加电源之前,应确保Yn绕组不带有任何负载(例如散热风机等),以防调压器副边绕组电流过大,烧坏调压器;

4)为了保证变频器和系统的安全,当变频器重故障时会通过外部回路直接跳开输入电源开关,使得变频器脱离电源系统,因此在检测过程中要做好预防措施,当重故障时要立刻断开调压器输入空气开关,避免出现意外,特别是在启动变频器的时候;

5)当变频器处于工频方式下且电动机在运行中,需要采用此种方法进行检测时,要将变频器重故障跳输入电源开关的回路甩开,防止变频器有故障时将运行中的电源开关误分闸,造成不必要的损失;

6)移相变压器正常运行时为降压变压器,从Yn绕组施加检测电源时变压器会以升压变压器的方式使高压侧输出电压,因此调压器输出需缓慢升压至380 V,并实时监测变频器的输入电压和电流(即调压器输出电压和电流),当输入电流随着输入电压的增大而快速增大时,说明调压器升压太快,应停止升压,待电流回落稳定后方可继续。输入电流的大小与变频器容量有关,容量越大电流越大。

5技术特点

常规的检测方法是直接将高压变频器接入高压电源系统为移相变压器提供电源,只需将变频器输出接线甩开即可。当变频器发生重故障时会将高压侧开关跳开,其最大的缺陷是倘若未能一次性将所有故障都排除,则会造成高压侧开关的多次跳闸,对高压电源系统造成冲击影响; 另外当电动机已切换至工频运行时,则无法对变频器进行检测。

而采用本文的方法进行高压变频器的检测, 与高压电源系统毫无关系,操作简单,特别适用于变频器故障检修而电动机又需要运行的情况, 此时只需将电动机切换为工频运行,再将变频器隔离就可以完成多次、全面的检测工作;同样也适用于变频器修后的检测,在自行检测变频器功能正常后再投入高压电源系统,对变频器的顺利投运是非常有利的。

实际工程案例表明,当处于湿度较大环境中的变频器长时间停运时,功率单元等电子元器件可能由于受潮而不能正常启动运行,反复使用其中的单体检测方法能使受损的功率单元等逐步恢复正常性能。

6结论

电压型变频器 篇2

随着变频调速技术的日益成熟, 变频器调速节能技术在火力发电厂得到广泛应用, 实现无冲击软启动, 并能根据生产实际要求进行调速控制, 使厂用电率明显下降, 节约大量能源, 取得明显经济效益。但是, 变频器在运行中产生的谐波给 (电源侧) 电厂的配电系统造成一定的谐波污染, 其输出电流的谐波信号会使电机产生附加发热, 转矩脉动和噪声污染, 因此, 有必要对变频器输入侧和输出侧采取一定的技术手段加以抑制, 本文将着重对单元串联多电平PWM电压源型变频器输入侧和输出侧谐波抑制所采取的技术方法进行介绍。

二变频器谐波的产生机理

单元串联多电平 (PWM) 电压源型变频器采用若干个低压 (PWM) 变频功率单元串联起来, 功率单元的主电路为交-直-交PWM电压源型主电路结构, 其输入侧接于整流变压器的低压侧640V/50Hz工频电源, 经三相桥式不可控整流电路整流成直流电压信号, 经滤波电容滤波及大功率晶体管开关元件逆变为频率可调的交流信号。如图 (1) 所示。

1) 输入侧产生谐波的机理

变频功率单元的输入侧是桥式不可控整流电路, 必将产生因其非线性而引起的谐波, 在三相桥式整流电路中, 输入电流波形为矩形波, 波形按傅里叶级数分解为基波和各次谐波, 通常含有6n±1 (n=1, 2, 3.....) 次谐波, 其中高次谐波将干扰电源侧供电系统。

2) 输出侧产生谐波的机理

在低压PWM电压源型功率单元的IGBT逆变回路, 输出电压和电流都含有谐波, 其中谐波频率的高低与变频器的调制频率有关, 从输出的电压方波和电流正弦锯齿波中, 用傅里叶级数不难分析出各次谐波的含量, 因此, 输出回路电流信号可分解为只含基波和各次谐波, 其表达式如下:

由此可见, 变频器输出电压或者电流不仅包含基波, 而且还包含高次谐波, 各次谐波有效值与谐波次数的关系为反比, 并且其与基波有效值的比值为谐波次数的倒数。

三变频器的谐波抑制

变频器产生的谐波可分为输入侧谐波和输出侧谐波, 输入侧谐波实质上是指整流回路产生的谐波, 其中高次谐波将沿电源电缆流入供电系统;而输出侧谐波是指逆变回路输出电压和电流中所含的谐波成分, 谐波电流会使电机产生附加发热, 转子转矩脉动, 谐波噪音污染, 因此, 抑制输入和输出谐波显得十分重要。下面将从输入输出两侧介绍功率单元串联多电平PWM电压源型变频器在谐波抑制方面采取的技术方法。

一) 输入侧谐波抑制

1) 原理

为解决输入侧谐波流入供电系统, 在工程应用中设计了干式移相整流变压器, 该变压器为中高压变频器提供多路整流电源, 其副边采用延边三角移相原理, 通过多个不同移相角的二次绕组叠绕, 可组成有效相数为9相, 12相, 18相以及27相等多个绕组。

2) 移相角的计算

变压器二次侧有多个三相绕组, 它们按0°, θ°... (60-θ) °组成各三相绕组的移相位角, 当每相有n个H桥单元串联使, θ角设计上按θ=60°/n计算。如每相有六个单元串联拓扑结构, 则θ=60°/6=10°, A相各单元输入侧的移相角如下表:

同理可求得相中的和的移相角, 这里需要指出的是每个单元三相输入的移相角是相等的, 即A2-A1=B2-B1=C2-C1=...=C6-C5=10°

二) 输出侧谐波抑制

1) 原理

由于每个功率单元输出电压为1.0.-1三种状态电平, 若每相按六个单元串联则输出相电压有13种不同的电平等级, 且每个电平台阶只有单元直流母线电压大小, dv/dt很小, 在各单元IGBT回路晶闸管开关导通控制角aj设置相同情况下, 同相各单元输出电平依次相差一定相位角, 由于逆变器输出采用多电平移相PWM技术, 将不同相位的电平相叠加使输出电压的谐波信号相互抵消, 输出相电压波形非常接近正弦波, 如图 (2) 。

2) 单元串联等效频率抑制输出谐波

由于逆变回路开关频率会直接影响输出电压的谐波特性, 当n个功率单元串联时整个变频器的等效频率是n倍单元频率, 对一个每相6单元串联多电平PWM电压源型变频器来说, 单元开关频率设计上一般取620~700Hz, 这样整个装置的开关等效频率是620*6~700*6Hz, 较高的开关频率使输出电压中高次谐波含量相当低, 输出侧无需加装滤波装置, 这里需要指出的是由于采用功率单元串联, 器件承受的最高电压为单元内直流母线的电压值, 不存在器件串联引起的均压问题。

四输出信号的谐波特性

通过采用单元串联多电平技术实现直接高压输出, 得到的SPWM波电压加到负载上时, 由于负载的电感作用将正弦锯齿形电流波变成非常接近正弦的电流波形, dv/dt很小。将一台每相6单元串联多电平 (PWM) 电压源型ZINVERT系列变频器接于型号为YK1600-2/990额定电压6000V额定电流185A三相异步电动机, 在运行中测得输出的相电压基波为100%, 谐波THD<1.9%, 输出相电流基波100%, 谐波<1.2%, (如图3) 满足IEEE519-1992和GB/T14549-93的要求。

五总结

单元串联多电平PWM电压源型变频器采用若干个低压PWM变频功率单元串联实现直接高压输出, 电源侧采用干式变压器, 其低压侧采用移相延边三角产生多组绕组, 输出侧利用各个单元输出电平PWM移相叠加, 使输入输出侧产生的谐波非常小, 输出电流引起电机附加发热, 转矩脉动以及dv/dt等问题很小, 根本不需要加装滤波器, 同时, 由于采用单元串联技术上不存在器件串联引起的均压问题, 所以该拓扑结构的变频器在工业生产中得到广泛应用。

摘要：介绍PWM电压源型变频器产生谐波的机理, 对在谐波抑制方面比较有代表性的单元串联多电平PWM电压源型变频器所采取的技术方法进行介绍。

火电厂辅机变频器低电压穿越电源 篇3

近年来,为最大限度地降低火电厂厂用电率和发电成本,提高企业的市场竞争力,火电厂对其辅机进行了变频调速改造[1,2,3]。 然而,为变频器供电的母线电压常伴随有瞬间跌落或由于母线切换等情况造成母线电压瞬时失电。 发生母线电压瞬时跌落或失电故障后,变频器会即时停机。 一旦火电厂一些关键的辅机设备由于变频器故障而非正常停机,往往会导致机组负荷大幅下降甚至跳机、锅炉熄火等事故[4,5,6,7]。

国内火电厂也屡次出现由于母线电压不稳定导致变频器低压保护跳闸,造成辅机停机,引起非计划停炉的事故。 2011年1月2日凌晨,华能伊敏煤电有限公司发电厂5053开关A相电流互感器(TA)故障,造成500 k V系统母线接地,A相电压降至16.8 k V (310 k V), 厂用6 k V母线电压下降至3.9 k V, 给煤机变频器闭锁,锅炉主燃料跳闸MFT(Main Fuel Trip动作,4号机组跳机;神华内蒙古国华呼伦贝尔电厂受连续2次的单相接地故障冲击,持续时间分别为65.208 ms和515 ms,间隔632 ms,MFT动作 ,2号机组跳机。 究其原因,主要有2个方面:一方面,厂供电系统故障,造成变频器直流母线电压跌落;另一方面,变频器柜的控制电源电压跌落。

这种由于辅机变频器低压保护跳闸而引起的非计划停炉,给电厂带来很大的经济损失,也是目前电厂面临的比较大的问题,迫切需要解决。 文献[8-9提出对大量无失压再起动功能的变频器进行功能升级,使其具备失压再起动及低电压穿越的功能,但增加这些功能需要变频器厂家对变频器软件及硬件进行大幅改进、升级,该方法在实际中可行性不大文献[10]提出电厂可通过炉膛安全监控系统FSS (Furnace Safety Supervisory System) 给粉机全停逻辑延时来处理这个问题,但从前期调研了解到电厂在初期进行多台给煤机变频器同时失压重起实验时,炉膛压力波动剧烈,延时使得FSSS安全级别降低使用,存在爆炉隐患,这证明该方案的可行性不大;文献[11]提出对变频器结构进行改进,增加储能元件,如为变频器增加不间断电源(UPS)或在变频器直流母线处增加直流蓄电池支撑的方法,但其均引入了蓄电池,而蓄电池存在对温度和运行环境要求高、需定期进行全充 / 全放操作、电池造价高等问题制约了该种方案的广泛推广。 此外,还有采用超导磁储能系统(SMES)或飞轮储能的方式,这种方式较蓄电池储能造价更高,用于变频器电源改造上还是过于复杂且昂贵。

本文提出一种基于电力电子器件的变频器低电压无源穿越电源ILP(Inverter Low-voltage ride-through Power) 的解决方案 , 避免了现有基于蓄电池等有源穿越电源对温度和运行环境要求高 、 电池定期全充全放维护耗时较长 、 电池造价高等问题 。 首先 , 提出了基于三重并联交错Boost的直流供电通道 + 高可靠性的旁路通道 + 控制电源的完整ILP硬件拓扑结构 , 使得其电感电流和电容电压的纹波小 、 变化幅度小 , 提高了装置整体的运行效率和可靠性 。 其次 , 设计了多元化的运行模式 , 尤其是结合上述拓扑结构及控制方法 , 提出的涵盖ILP全部硬件系统的定期自检模式 , 可在不扰动变频器运行状态前提下实现对装置所有部件的性能测试 。 针对第1代ILP控制参数现场整定周期长的问题 , 采用了以输出误差二次方为性能指标的单神经元自适应比例积分 (PI) 控制方法对控制算法进行了优化 , 并进行了仿真验证 。 最后 , 在1台15 k W的样机上进行了实验研究 。

1拓扑结构

ILP的控制目标是在系统电压跌落时,直流母线电压能保持目标电压值,使变频器能够跨越系统低电压跌落过程,保证负载的持续、可靠运行。 设计了基于三重并联交错Boost的直流变换通道+高可靠性的旁路通道+ 控制电源的完整ILP硬件拓扑结构, 如图1所示。 其主功率输入为系统三相交流电源, 主功率输出包括一路控制电源、一路三相交流电源 (旁路通道)和一路直流电源(直流供电通道)。

交流输入电源经保护开关、变压器、UPS为变频器的控制电源供电,保证在系统电压跌落后,变频器柜控制电源不掉电。

交流输入电源经断路器QF1送入装置,分为2路分别为变频器进行供电。 一路为交流供电通路,即旁路通道,其将三相交流电经电控开关KM3直接送入变频器A / B / C三相交流输入端子;另一路为直流供电通路,三相交流电能经电控开关KM1送入由电感L1和二极管整流桥构成的三相不控整流回路,变换为直流电能并储存于电容C1,电感L2与IGBT构成三重交错并联Boost的升压斩波电路,可将C1上的直流电能变换为电压等级更高的直流电能储存于电容C2,并送入变频器的直流输入端子。 电控开关KM2与电阻R构成预充电回路,实现在ILP初始上电时为电容C1、C2平稳充电功能。

2运行模式

针对火电厂辅机变频器低电压穿越的应用特点,结合ILP独特的主电路拓扑,为ILP设置3种运行模式:旁路模式、直流供电模式和自检模式。 这是其他解决方案所不具备的。

a. 旁路模式。

旁路模式是在系统电压正常的状态下,电能通过交流送电回路送入变频器交流输入端子,ILP中的电力电子器件均处于旁路状态,不参与装置运行。 这样大幅降低了ILP装置中电力电子器件投入使用的工作时间,从而降低故障概率,提升给煤机系统整体的连续无故障运行时间和安全可靠性。

b. 直流供电模式。

直流供电模式是当系统电压发生跌落,进而造成C1上整流得到的直流电压跌落时,ILP内置的控制系统中的电网电压跌落快速识别算法实时监测到此电压跌落趋势,并达到起动条件,将电感L2与IGBT构成的Boost斩波升压回路快速投入运行,保证在A / B / C三相电压跌落期间 ,C2上的直流电压被抬 升,维持到可保证变频器输出功率、电机转矩、电机转速均不变的电压水平。 在系统电压跌落结束,恢复正常后,IGBT停止运行,Boost回路退出工作状态变频器的供电仍由三相交流送电回路提供。 其交流供电通道与直流供电通道的切换由电力电子器件IGBT完成,切换动作时间小于1 μs,为无缝切换,对变频器的稳定运行不会造成冲击。

c. 自检模式。

自检模式不同于常规设备的自检,是在供电系统电压正常的条件下检测ILP电气元件的完好性与功率电路可靠性。 依据一定时间间隔,如每隔24 h控制三重交错并联Boost电路,将ILP的输出电压抬升至略高于正常整流输出的电压水平,即1.05 p.u. 可实现在不扰动变频器运行状态前提下完成对装置主功率回路、控制回路、采样回路、保护回路的全面检验,克服了传统意义的自检流程对主功率器件故障检测的不彻底性,防患于未然;避免了在电网电压跌落时,ILP装置无法正常工作,变频器输出转速、转矩及功率发生变化,变频器停机等造成巨大的经济损失。 这也是ILP相对于不具备自检功能、运行维护工作量大的常规蓄电池支撑解决方案的显著优势之一。

3直流变换通道控制方法

3.1电网电压跌落快速识别算法

ILP直流电源采用平时旁路、供电系统故障时动作的控制方式。 因此快速、准确地测量和识别电压跌落,发出起动信号是实现穿越的关键技术之一[12,13,14,15]。

常规异步电机变频器会对直流母线电压进行监视,当出现直流母线电压过低的情况时,变频器会采取相应的保护动作,闭锁变频器输出,以此保证变频器自身的安全。 当电力系统中发生短路故障时,会触发一定程度的交流电压跌落,再经过整流桥的整流作用,体现为其内部直流母线电压的跌落。 由于变频器具有的直流电容支撑,电网电压跌落快速识别算

法通过检测直流侧电容C1上的电压Udc1和直流侧电容C2上的电压Udc作为装置的起动、退出依据。 若直流母线电压Udc<Udc L(Udc L:跌落电压的起动门限值 ), 则起动ILP直流电源,即控制直流母线电压Udc保持目标电压值。 正常退出时,判断Udc1及其前2个采样点电压Udc1_buf1、Udc1_buf2间的关系,若Udc1_buf2- Udc1_buf1> 0、 Udc1- Udc1_buf1> 0、Udc1> Udc H( Udc H: 跌落电压 的退出门 限值)同时成立,则延时1 s后,封锁PWM输出,退出ILP直流电源。

3.2升压闭环自动控制

三重并联交错Boost电路是实现变频器低电压穿越的关键部分,其由3个Boost变换器并联连接, 在控制上实现3个Boost模块均匀分担输入电流,减小开关管的电流应力。 同时,使3个高频PWM开关在相位上均匀错开120°,实现高频电感电流的交错,减小了输入电流的高频纹波[16,17,18]。

三重Boost升压闭环自动控制采用电压、电流双闭环PI控制策略,电压环的输出作为电流环的给定Idcref,其与3个并联模块的输入电感电流总和之差输入电流内环PI控制器,通过电流环的输出调节占空比D,达到保持直流母线电压Udc恒定(540 V)的控制目标。 DC / DC电路工作于Boost升压状态,内环电感电流的方向与参考方向一致,其控制框图如图2所示。 其中,Udc_ref为直流母线目标电压;Udc为装置输出直流电压;Idcref为电流内环的参考电流;IL21、IL22、IL23分别为Boost电路中流 经3个电感的 电流 ;Idc为Boost电路输入的直流电流即3个电感电流之和;Uer为电流内环PI控制器的输出;Udc1为不控整流侧输出电容电压。

考虑到ILP直流电源起动后即Boost升压过程中,由于控制参数不合适等原因出现电压超调较大, 造成变频器过压保护动作的可能,引入双闭环自动控制 + bang-bang控制相结合的复合控制方法,在闭环自动升压控制中,若Udc超过设定限值,则闭锁ILP直流电源控制输出。

然而,PI控制要取得较好的控制效果,就必须调整好比例和积分这2种控制作用,形成控制量中既相互配合又相互制约的关系,但这种关系也不是简单的线性组合。 传统PI控制器的参数是一次整定的,而ILP包括起动、穿越过程及退出等不同运行阶段,难以建立精确数学模型。 其参数常需要实时在线整定,装置在现场调试中存在现场控制参数整定困难、调试周期较长、现场工作效率不高等问题,有必要探索性地尝试一种简单、易行的参数在线自适应调整方法,为第2代ILP的研发做技术储备。

神经网络具有任意非线性表达能力,神经网络P控制可通过对系统性能的自学习,从大量的非线性组合中找出最佳的控制参数。 但神经网络PI控制算法的网络结构复杂,搜索全局或局部最优速度较慢,且计算量大、实时性差。 而单神经元具有结构简单、计算简便、调整方便、调整参数联系紧密等特点[19,20],将其与常规PI控制相结合,可解决常规PI控制器不易在线实时整定参数和难以对一些复杂过程进行有效控制的问题。

3.3单神经元自适应PI控制

单神经元PI控制可以根据给定信号与输出结果改变比例和积分调节器的权值,以保证系统快速跟踪给定,其实质是一个变比例和积分参数控制。 本文将单神经元PI控制器替换电压外环PI控制器来实现直流母线闭环自动升压控制,并设计了基于单神经元的自适应PI控制器,其原理如图3所示。 控制过程为:首先将直流电压参考值Udc_ref与测量的直流电容电压Udc之差输入到状态变换器得到2个变换后的值x1、x2,将这2个量作为神经元的输入。 当神经元输入状态的维数为2时,如图3中虚线框所示即为单神经元模型。 通过有监督的Hebb学习规则在线学习,同时在线修正神经元比例系数K,训练完毕后输出Idcref作为电流内环的电流参考值。

状态转换器的输入反映的是期望输出及实际输出的偏差状态,若输入给定为Udc_ref,输出为Udc,偏差为e(k),则经状态转换器后转换成为神经元的输入x1、x2分别为:

自适应神经元通过关联搜索产生控制信号,神经元的输出信号Idcref(k)为:

其中,wi(k)为对应xi(k)的加权系数 ;K为神经元的比例系数,K>0;Idcref为神经元输出。

单神经元自适应控制器通过对加权系数的调整来实现自适应、自组织功能。 考虑到加权系数wi(k) 与神经元的输入、输出和输出偏差三者的相关函数有关,因此在采用有监督的Hebb学习规则时有:

其中,ri(k)为递进信号 ,随控制过程渐衰减 ;z (k) 为误差信号,z(k)=Udc_ref(k ) - Udc(k ) ;η 为学习速率 , η > 0。

定义以输出误差二次方为单神经元自适应PI控制器的性能指标函数:

使加权系数wi(k)的修正方向沿着E1减小的方向,对wi(k)的负梯度方向搜索调整。 E1关于wi(k)的梯度为:

所以wi(k)的调整量为:

其中,m =I,P;m为I时,ηm为积分系数的学习速率; m为P时,ηm为比例系数的学习速率。

由于未知 , 这里采用近似符号函数取代 , 由此带来的不精确的影响可通过调整学习速率 ηm来补偿[21]。 整理单神经元PI学习算法可得 :

4ILP实验验证及应用

4.1电磁暂态仿真实验及分析

根据本文提出的ILP拓扑结构及控制策略,基于PSCAD/EMTDC对ILP系统进行建模,并通过编程创建自定义模块来实现升压闭环自动控制。 该仿真系统结构如图4所示。 仿真系统的额定交流输入电压为380 V;系统电压跌落至30% 的额定电压;额定直流输出电压为540 V;穿越时间为900 ms;开关管的开关频率为4 k Hz;采样周期为5 μs;输入滤波电感为2 m H,输出滤波电容为4 700 μF。 仿真系统中闭环自动控制模块的电压外环分别采用常规PI控制器和单神经元自适应PI控制器,电流内环采用传统方式的PI控制器,既能满足需要,又简化控制程序。

图5给出了电压跌落且未投入ILP时的系统电压及直流母线电压波形。 由图5可见,当系统电压跌落时,若不起动ILP,直流母线电容电压也将跌落;t= 1 s时,系统电压跌落;1.9 s后,系统开始恢复到跌落前的系统电压和直流母线电容电压。

为验证ILP直流变换通道中采用三重并联交错Boost对ILP直流输出电压稳态性能的改善作用 ,仿真中在采用常规双闭环PI控制器的情况下,分别采用普通Boost电路与三重并联交错Boost电路,得到的直流母线电压波形分别如图6和图7所示。

由图6和图7可看出,系统电压跌落至30% 的额定电压后,直流变换通道采用普通Boost拓扑时, 直流母线电压纹波的峰峰值为15 V;采用三重并联交错Boost后,直流母线电压纹波的峰峰值为3.5 V。 因此,ILP采用三重并联交错Boost后,其交流电压的纹波更小,极大改善了ILP的稳态性能。

为验证本文提出的单神经元PI控制在改善ILP的动态性能及控制参数的自适应性上的优势,在升压闭环自动控制双闭环的外环控制器环节分别采用单神经元PI控制器和常规PI控制器进行了仿真。

单神经元PI可调参数有3个:权值学习速率 ηP、ηI和神经元比例系数K。 由于K具有在线自适应调整作用,使学习速率对控制特性影响很小,所以学习速率的初值可设置为一组任意值,这样K为影响控制特性的主要参数。 其整定方法与常规PI控制比例系数整定方法一致。 经过仿真校正,取 ηP= 5、ηI= 15、 K = 0.002时,电流内环的比例和积分参数分别为10和1,仿真结果如图8和图9所示。

由图5可以看出,未投入ILP时,交流电压跌落至30%的额定电压后,直流电压也响应跌落。 从图可以看出,不论ILP采用常规PI控制器或单神经元PI控制器 ,跌落后的电压都可以泵升至额定电压水平,保证变频器低压保护不动作,负载可在系统电压跌落后,持续运行。 由图9可以看出,常规的PI控制在ILP起动后控制响应缓慢,并且直流母线电压有超调,不能达到良好的跟踪效果;单神经元PI控制由于参数在线更新,系统电压于1 s跌落至30% 的额定电压后,直流侧电容电压在16 ms就基本稳定,恢复到了540 V,其上升时间为12 ms,不到常规PI控制下上升时间的62.8 %,其超调为8.5 %,也远远小于常规PI控制下的超调。 ILP退出运行时,2种控制器的控制效果差异不大。

可见,单神经元PI控制具有一定的自适应能力能够改善直流母线电压振荡,响应快速,超调较小在ILP的不同工作阶段及不同电压跌落深度时系统均具有良好的鲁棒性,尤其是起动阶段作用明显,提高了ILP系统的动态性能。 当然,若有一定专家经验也可采用常规PI控制得到如上控制效果。 本文意在探索性地尝试一种简单、易行的参数在线自适应调整的方法,下一步将应用到第2代ILP中,解决装置现场调试中控制参数整定困难和现场调试周期较长等问题。

4.2现场实验及分析

应用本文所介绍的方案,开发了ILP及控制系统以下以华能伊敏煤电有限责任公司发电厂给煤机的ILP装置为例 ,给出了现场试验结果 。 ILP主要电气参数如下:额定功率为15 k W;额定电压为380 V;最低穿越电压为76 V(0.2 p.u.);系统电压跌落至20% 的额定电压;故障持续时间为1 s。 ILP联调运行结果如图10 — 13所示。 其中,Udc1为不控整流后电容C1上的电压;Udc为Boost电路后电容C2上的电压us为系统线电压;Idc为三重Boost电路输入的直流电流。

如图10所示,当系统电压跌落至20 % 的额定电压后,ILP的投入将直流母线电压保持到540 V, 使系统具有良好的稳定性及鲁棒性,避免了系统电压跌落造成的变频器低压保护动作。

从图11可以看出,系统电压跌落至20 % 的额定电压后,直流侧电容电压在40 ms就基本恢复到了540 V,其上升时间为19 ms,响应快速,基本无超调。 从图12可以看出在穿越过程中ILP稳态特性良好。 从图13可以看出ILP退出平稳,虽然有一定超调, 但远未达到变频器低压保护的动作条件。

4.3实际应用

自2011年9月份投入市场以来,根据本文所述方法设计开发的ILP在东北三省、内蒙古等地区31家电厂的324台辅机变频器的低电压穿越中得到成功应用。 从电厂的反馈来看,所设计的ILP使得变频器完全不受系统电压跌落的影响;其多元化运行模式和免维护设计提高了装置可靠性,减轻了工作人员的工作量,提高了整体效率。 从华能伊敏煤电有限公司发电厂和神华内蒙古国华呼伦贝尔电厂提供的用户报告来看,投运至今装置运行状况稳定、良好。

5结论

本文针对火电厂重要辅机变频器低电压穿越的应用需求,提出了一种基于电力电子器件的ILP装置,其具有以下优点。

a. 多重并联交错的Boost结构,提高了输出直流电能质量,改善了稳态输出特性,降低了设备造价保证了装置可靠性;旁路通道的设计,降低了装置常态损耗与故障风险。

b. 多元化工作模式的设计 ,保证了装置的可靠性和安全性。 尤其是涵盖全部硬件系统的定期自检模式,克服了传统的自检流程对主功率器件故障检测的不彻底性。

c. 在常规闭环升压自动控制 + bang-bang控制的复合控制策略的基础上,引入具有自学习能力的单神经元PI控制算法进行控制算法优化,提高了ILP的动态响应性能,探索性地尝试了一种简单、易行的参数在线自适应调整的方法,下一步将应用到第2代ILP中,解决装置现场调试中控制参数整定困难和现场调试周期较长等问题。

变频器过电压故障原因分析及对策 篇4

一、产生变频器过电压的原因

1. 来自电源输入侧的过电压。

通常情况下的电源电压为380 V, 允许误差为–5%～+10%, 经三相桥式全波整流后中间直流的峰值为591 V, 个别情况下电源线电压达到450 V, 其峰值电压也只有636 V, 并不算很高, 一般电源电压不会使变频器因过电压跳闸。

2. 来自负载侧的过电压。

主要是指由于某种原因使电动机处于再生发电状态时, 电机处于实际转速比变频频率决定的同步转速高的状态, 负载的传动系统中所储存的机械能经电动机转换成电能, 通过逆变器的6个续流二极管回馈到变频器的中间直流回路中。此时的逆变器处于整流状态, 如果变频器中没有采取消耗这些能量的措施, 这些能量将会导致中间直流回路的电容器电压上升, 达到限值就会自动跳闸。

3. 变频器减速时间参数设定相对较小, 未使用变频器减速过电压自处理功能。

当变频器拖动大惯性负载时, 其减速时间设定的比较小, 在减速过程中, 变频器输出频率下降的速度比较快, 而负载惯性比较大, 靠本身阻力减速比较慢, 使负载拖动电动机的转速比变频器输出的频率所对应的转速还要高, 电动机处于发电状态, 而变频器没有能量处理单元或其作用有限, 因而导致变频器中间直流回路电压升高, 超出保护值, 就会出现过电压跳闸故障。

4. 工艺要求在限定时间内减速至规定频率或停止运行。

工艺流程限定了负载的减速时间, 合理设定相关参数也不能减缓这一故障, 系统也没有采取处理多余能量的措施, 必然会引发过压跳闸故障。

5. 当电动机所传动的位能负载下放时, 电动机将处于再生发电制动状态。

位能负载下降过快, 过多回馈能量超过中间直流回路及其能量处理单元的承受能力, 过电压故障也会发生。

6. 变频器负载突降。

变频器负载突降会使负载的转速明显上升, 使负载电机进入再生发电状态, 从负载侧向变频器中间直流回路回馈能量, 短时间内能量的集中回馈, 可能会使中间直流回路及其能量处理单元引发过电压故障。

二、过电压故障处理对策

过电压故障的处理关键有两点, 一是中间直流回路多余能量如何及时处理;二是如何避免或减少多余能量向中间直流回路馈送, 使其过电压的程度限定在允许的限值之内。本文, 笔者结合上述两点, 提出了以下处理对策。

1. 在电源输入侧增加吸收装置, 减少过电压因素。

对于电源输入侧若有冲击过电压、雷电引起的过电压、补偿电容在合闸或断开时形成的过电压发生, 可在输入侧并联浪涌吸收装置或串联电抗器, 机制过电压的产生。

2. 从变频器已设定的参数中寻找解决办法。

不同工艺流程, 负载减速时间的设定不同, 要结合具体情况分析。

(1) 若工艺流程不限定负载减速时间。变频器减速时间参数的设定不要太短, 以免负载动能释放太快。该参数的设定要以不引起中间回路过电压为限, 特别要注意负载惯性较大时该参数的设定。

(2) 若工艺流程对负载减速时间有限制。为了避免在限定时间内变频器出现过电压跳闸现象, 需要设定变频器失速自整定功能;也可先设定变频器不过压情况下可减至的频率值, 暂缓后减速至0, 以减缓频率减小的速度。

3. 通过控制系统的功能优势解决变频器过电压问题。

在很多工艺流程中, 变频器的减速和负载的突降是受控制系统支配的, 可以利用控制系统的某些功能, 在变频器的减速和负载突降前进行控制, 减少过多的能量馈入变频器中间直流回路。

(1) 对于规律性减速过电压故障, 可将变频器输入侧的不可控整流桥换成半可控或全控整流桥, 在减速前将中间直流电压控制在允许的范围内, 相对加大中间直流回路承受馈入能量的能力, 避免产生过电压故障。

(2) 对于规律性负载突降过电压故障, 可利用控制系统 (如SIEMENS的PLC系统) 的控制功能, 在负载突降前, 适当提升变频器的频率, 减少负载侧过多的能量馈入中间直流回路, 防止过电压故障发生。

4. 增加泄放电阻。

通常, 小于7.5 kW的变频器在出厂时内部中间直流回路均装有控制单元和泄放电阻, 大于7.5 kW的变频器需根据实际情况外加控制单元和泄放电阻, 为中间直流回路多余能量释放提供通道。

5. 在中间直流回路上增加合适的电容。

中间直流回路电容可以稳定电压, 提高回路承受过电压的能力。适当增大回路的电容或及时更换运行时间过长且容量下降的电容器, 是解决变频器过电压的有效方法。

6. 在条件允许的情况下适当降低工频电源电压。

变频器过电压故障的原因和解决方案 篇5

变频器是电力电子技术和控制技术发展的产物, 由于其优越的调速性能, 自问世以来, 在工业领域得到广泛的应用。随着电子技术的飞速发展, 新型电子元件的性能越来越优越, 同时一些先进的控制方法逐步趋于成熟, 各种新型的变频器也层出不穷, 性能较之前的产品更加稳定。尽管如此, 变频器在使用过程中仍然会遇到这样或那样的问题, 其中一个很常见的故障就是过电压。过电压产生后, 变频器内部的保护电路会使变频器停止运行, 设备将无法工作。由于变频器的应用环境不尽相同, 所以应根据具体情况分析过压产生的原因, 采取相应的对策。西门子公司推出的S120系列变频器, 较之前的6ES70等产品, 功能更加强大, 使用起来更加方便, 在预防变频器过压故障方面也有很多有效的方法。

2 过电压产生的原因

一般能引起中间直流回路过电压的原因主要来自以下两个方面:

(1) 来自电源输入侧的过电压。以西门子S120为例, 通常情况下, 整流单元进线电源电压为380V, 误差不超过10%。变频器工作的直流电压为经过三相桥式全波整流后的平均值, BLM整流模块输出电压平均为560V, 峰值也不会超过600V。个别情况下电源线电压达到460V, 其峰值电压也不超过650V, 并不算很高, 因此一般情况下进线电源不会导致变频器过压。如果在电源输入侧有强大的电压冲击时, 如雷电等大的电磁干扰, 则会导致变频器过电压。但此种情况并不多见。

(2) 来自负载侧的过电压。变频器过电压主要来自负载侧, 原因主要有以下几方面:当电机带动大负载减速时, 由于变频器设置的减速斜坡时间过短, 变频器输出频率下降的较快, 而负载由于自身惯性很难按照变频器输出频率对应的转速运行, 即电机运行速度比变频器设定的速度要高, 电机转子转速超过了同步转速, 此时电机转差率为负值, 转子绕组切割旋转磁场的方向与电机正常运行时状态时相反, 其电磁转矩为阻碍电机旋转方向的制动转矩。所以此时电机实际上处于发电状态, 负载的动能被“再生”成为电能。再生能量通过变频器中间的逆变回路对直流储能电容器充电, 使直流母线电压上升, 这就是再生过电压。因变频器与电机本身具有一定的消耗能力, 这部分再生能量将被变频器及电机消耗掉。若再生能量超过了变频器与电机的能耗范围, 直流回路的储能电容将会过度充电, 变频器由于自身的保护功能会动作, 使运行停止。

3 过电压的预防措施

变频器在使用过程中产生的过电压主要是由于负载侧引起的再生过电压, 如上所述, 预防直流母线过电压就是要将负载减速或者是停车过程中产生的过多的能量消耗掉, 常用的有如下方法:

(1) 能量消耗法:在变频器的直流回路中并联一个制动电阻, 实时检测变频器运行中直流母线的电压, 并设置合适的阈值来控制一个功率管的通断。在直流母线电压上升至设定的阈值时, 功率管导通, 将再生能量通入电阻, 以热能的形式消耗掉, 从而防止直流电压的上升。由于再生能量没能得到利用, 因此属于能量消耗型。因为能量消耗于电机之外的制动电阻上, 不会导致电机的过热, 因此可重复使用。西门子S120系列变频器BLM型整流单元上可以配置制动单元, 并联制动电阻。当直流母线电压升高到720V时, 制动单元导通, 将多余的能量泄放到制动电阻上。下图即为直流母线连接制动单元和制动电阻的示意图。

(2) 能量回馈法:有些整流单元进线侧变流器是可逆的, 当有再生能量产生时, 回馈给进线电网, 使再生能量得到完全利用。西门子公司推出的S120系列SLM电源模块具备电网回馈的能力。当负载制动使直流母线电压升高时, SLM电源模块将多余的能量自动回馈给进线电网, 保证母线电压维持在一个正常的范围。但是这种方法对电源的稳定性要求较高。

(3) 激活直流母线控制器:应对直流侧过压的问题, 变频器控制单元通过内部PID算法, 以保持直流侧电压不致过高为目的, 自行给出频率。当电机转速有所降低, 并且直流侧电压降低到设定的限值以内后, 继续按减速斜坡减速。如果直流侧电压再次过高, 控制器再次动作。S120变频器激活直流母线控制器的方法是将参数P1200设置为1, 即激活母线电压最大控制器。此种方法适合于由于负载转动惯量大造成的过压, 并且在控制上没有受控减速, 因此有一定的局限性。

4 结束语

本文针对变频器在使用中容易出现过电压的问题, 从理论上分析了过电压产生的主要原因, 并结合西门子公司S120系列变频器的实际应用, 提出了预防过电压的几种措施, 实践表明能量消耗法是最常用也是最有效的方法。

摘要：过电压现象是变频器使用过程中最常见的故障之一, 本文对变频器过压故障的原因做简要的总结, 并结合西门子S120系列变频器的实际应用寻求有效解决过压故障的方法。

电压型变频器 篇6

关键词：低电压,变频器,MFT联动

随着电力电子技术的发展, 变频器以其调速精确、使用简单、保护功能齐全等优点在中间仓储式制粉系统的给粉机上得到广泛应用, 但由于电网电压不稳定, 导致变频器在使用中产生了新的问题———变频器低压保护跳闸。低电压通常都是短时的, 主要是因为电源晃电或备自投切换时间过长。引起电源晃电的原因很多, 如主电网侧的电压波动、负荷不平衡、雷击、电力切换等原因, 负载侧的大型设备启动和应用、线路过载等原因。电厂给粉机变频器在遇到厂用电压瞬时低于变频器的低电压保护值 (根据变频器的型号不同该值也不同) 时变频器停机, 导致给粉机停机, 同时会给FSSS系统发出信号, 导致FSSS系统的M FT动作。

2013年7月7日大唐保定热电厂二厂区6KV X B段失电后, 6KVX B段上所带380V公用段电源失电, 电气B ZT动作。因 #10、#11炉给粉机A B层电源均为公用段带, 电气B ZT动作过程中公用段短时失电, 导致 #10、#11炉给粉机A B层电源分别自动切换到380V X A段、380V X IA段, 因给粉机变频器不具备适应电源瞬时断电能力, 不能满足电源瞬停后来电自启, 致使电源切换过程中两机组A B层给粉机全部掉闸, 机组降负荷。调取变频器故障记录, 变频器故障代码为:D CU N D ER V O LT (直流欠压) , 原因为:1) 供电电源缺相;2) 熔断器熔断;3) 主电源欠压。

因给粉机变频器低压保护跳闸而引起的降负荷、非计划停炉, 给发电企业带来很大的经济损失, 只有很好的解决该问题才能保证机组安全、可靠、高效的正常运行。

1 变频器低电压跳闸的原因

变频器是由整流器、逆变器通过中间的直流环节联结组成的, 变频器的电压检测元件都设置在直流环节, 变频器低电压是指其中间直流回路低电压 (即逆变器输入电压过低) 。一般的变频器都具有过压、失压和瞬间停电的保护功能。在失压或停电后, 将允许变频器继续工作一个短时间td, 若失压或停电时间to<td, 变频器将平稳过渡运行;若失压或停电时间to>td, 变频器自我保护停止运行。一般td都在15~25m s, 只要电源“晃电”较为强烈, to都在几秒钟以上, 变频器自我保护停止运行, 使电动机停止运行。大唐保定热电厂 #10、#11机组于2007年投运, 每台机组给粉机变频器分为A、B、C、D四层, 每层4台, 共16台变频器, 变频器型号为A B B A C S550-01-06A 9-4, 电机功率为2.2k W。每台机组有两台变频器电源柜, 分别控制A、B层和C、D层变频器, 供电回路接线图如图1所示。

工作方式:现场为给粉机变频器提供一路工作电源 (简称A路) 和一路备用电源 (简称B路) 。当A路电压跌落或者故障时, 通过控制接触器自动切换到B路。根据逻辑关系, 当电网工作电源发生故障或者低电压跌落时, 目前现场的供电系统能够实现主/备电源之间的切换。

但是实际现场工作中, 在A路接触器断开至B路接触器吸合这一过程中, 是一系列逻辑关系控制的动作过程, 具有一定的动作时间, 而在这段动作时间过程中, 给粉机变频器有一段掉电时间, 尤其是在带载情况下, 即便对给粉机变频器进行一定的参数设置后, 变频器也会停机, 需要重新启动变频器。

给粉机变频器不能够在A路接触器断开至B路接触器吸合这一过程中 (掉电的情况下) 持续工作, 这种现象是由于变频器的设计原理决定的, 这从变频器的角度是无法进行改进的, 所有厂家的变频器都存在这种问题。而这样的欠压保护和重启将引起生产设备非计划停车, 带来巨大的经济损失。

简而言之, 即便是现在电厂已经使用了两路供电电源, 在A路主电源发生低电压跌落的过程中, 由于两路存在切换时间, 仍然不能够完全保证给粉机变频器持续工作, 这是由切换过程带来的, 仍然存在重大安全隐患。

2 给粉机变频器低电压跳闸问题的主要解决方法

要从根源上杜绝和制止晃电基本上是无法实现的, 解决这一问题采取的办法主要有以下几种:

2.1 为给粉机主、备用电源配置高速切换的静态电子开关

目前电厂为给粉机主、备用电源配置的双电源切换开关切换时间大多在1S以上, 这根本无法满足变频器电源切换的要求。要满足给粉机变频器毫秒级切换的要求, 需要为给粉机变频器配置高速切换的静态电子开关, 当然这还需和上级厂用电源的厂用电快切装置配合使用。这样可避免因电源切换造成的给粉机变频器失压跳闸这类问题的发生, 但是如果是整个电源 (包括备用电源) 系统的长时间大幅度波动, 这种办法仍无法避免给粉变频器低电压跳闸。同时在给粉机变频器双路电源切换中使用静态开关会存在以下问题:1) 静态开关需替代原先的接触器串联在主回路当中, 如静态开关故障则所带的给粉机变频器将全部停止运行。2) 静态开关需选用大功率型号, 长期工作发热严重, 影响使用寿命。3) 静态开关工作环境要求比较高, 工作温度:0~40℃, 无法适应恶劣环境。4) 静态开关不具备低电压穿越功能, 当静态开关双路输入电源均发生故障处于低电压时, 无法实现输出电压正常, 不能保证变频器正常运行。

2.2 为 FSSS 系统的给粉机设置全停逻辑延时 (2~5S) , 给粉机变频器设置快速重启动, 等待电压恢复后给粉机变频器重启动

变频器瞬间失电, 重新上电须经几秒的延时才能恢复到停电前转速, 给粉机断电到恢复供电会造成炉膛瞬间断煤, 炉膛燃烧不稳。如果设置给粉机全停延时, 灭火后不经吹扫再进燃料可能导致炉膛发生爆燃。这种做法既违反了电厂管理规程, 又不能从根本上消除炉膛在晃电时的安全隐患。延时短, 不可避免地造成停炉;延时长, 有可能发生更严重的爆燃事故。

2.3 用直流电源做为变频器的备用电源

变频器的雏形是直流变频器, 交流变频器只是在直流变频器的前端加上了整流器。变频器的控制电源和作功电源都来自于变频器内部的直流母线。新型变频器都有直流母线端子。将给粉机的主、备用电源通过开关分别接入变频器交流输入端和直流母线端子上, 正常工作时将两路电源同时投入, 正常工作时交流电源提供变频器驱动电机的能量, 一旦交流电源中断或电压下降, 直流电源将会给变频器直流母线供电, 维持变频器的正常运行, 在变频器故障或收到相关保护信号时又能快速断开直流电源, 确保系统的安全可靠工作。这是目前解决变频器低压跳闸问题的最好办法。

2.4 为变频器接入在线UPS

变频器的控制电源由U PS提供已有成熟的使用经验, 但采用大型U PS为变频器提供动力电源的方案目前使用不多, 因为动力用U PS容量大、转换效率低、保护级别高、投资成本高, 目前只在极少数电厂使用这种方式。

但随着大型U PS价格的降低, 以及U PS具有成熟的电源管理的软硬件系统, 这种方式的使用会越来越多。

综上所述, 以上四种给粉机变频器低压跳闸问题的主要解决方法, 第一、二两种只能解决一部分问题, 第三、四两种方法任意采用一种都可从根本上解决给粉机变频器低压跳闸的问题, 使其具备低电压穿越能力。

3 大唐保定热电厂给粉机变频器低电压穿越改造解决方案

根据大唐保定热电厂的现场情况设计如图2所示的变频器低电压穿越电源 (一拖三) 的现场改造方案。在给粉机变频器的输入端加装低电压穿越装置。低电压穿越装置是采用升压技术将厂用电整流后经过D C /D C转换将直流输出电源维持在D C 500V左右。利用低电压穿越装置产生的直流后备电源保证在系统电压瞬间故障跌落时给粉变频系统躲过电网低电压正常运行。每台机组配备4台低电压穿越装置, 每台低电压穿越装置分别拖动A、B、C层各一台给粉机变频器 (共计12台) , 每台变频器低电压穿越电源拖动的3台给粉机变频器位于不同层, 这样能降低故障率, 保证在电网电源发生低电压故障时, 即使是一台变频器低电压穿越装置发生故障不能正常启动, 每层仍保证有3台给粉机变频器正常工作, 炉膛火焰不会出现大幅波动。并对现有A C S550系列变频器内部线路进行改造, 将低电压穿越装置输出的直流电源接到变频器的直流端子上。

电网电压正常时, 由厂用电系统给变频器供电:低电压穿越设备处于备用状态。

电网系统故障, 厂用电系统电压跌落时, 变频器低电压穿越电源自动启动工作, 给变频器的直流输入端子供电, 维持变频器直流母线电压为500V, 且切换时间不大于1m s, 保证变频器运转正常。当厂用电母线电压恢复时, 系统自动退出工作状态, 转为备用状态, 变频器自动转换由厂用母线供电;当M FT动作或变频器停止运行时, 系统自动退出, 转为备用状态。

大唐保定热电厂利用2014年#10、#11机组A级检修机会, 对两台机组给粉机变频器进行防止低电压穿越改造, 为给粉机变频器提供稳定的后备动力电源, 确保低电压穿越装置系统自身出现故障不能影响到给粉机变频器的正常运行, 同时确保在电网低电压穿越时给粉机变频器平稳运行, 输出恒定的转速, 在电网电压正常时不干扰给粉机变频器正常运行。

改造工作结束后, 对低电压穿越装置进行了静态及动态试验。

1) 正常启停给粉机变频器和正常闭合断开变频器输入电源时, 低电压穿越装置电源不投入工作, 均处于后备运行方式。

2) M FT联动:在各电源供电电压均正常的情况下, 由D C S系统发出M FT信号, 停止给粉机和给粉机变频器, 同时给低电压穿越电源一个干接点信号, 控制低电压穿越电源的总断路器, 同时断开4台变频器低电压穿越电源。M FT信号必须复位后, 才能再次闭合变频器低电压穿越电源。

3) 低电压跌落试验:将低电压发生装置连接至给粉机变频器工作电源处, 不改变主备电源切换逻辑和控制方式, 由低电压发生装置模拟电网电源跌落至90% 、60% 、20% 额定电压时的情况。通过试验发现在给粉机变频器额定负载运行的情况下, 电源系统电源跌落至90% 、60% 、20% 额定电压时, 低电压穿越电源能够快速投入运行, 保证给粉变频器和给粉机不停机, 工作时间为10S。

4 结语

电压型变频器 篇7

关键词：火电厂,低压辅机变频器,低电压穿越,UPS,DVR

0 引言

近10年来, 火电厂陆续进行了变频改造, 尤其是给煤机、给粉机等低压电机, 几乎全部采用变频器进行调速, 有效改善了跑粉与堵粉问题, 显著节约了能源[1], 但低压变频器的大量使用也带来了新的问题———变频器缺乏低电压穿越能力。当输入电压低于额定值的85%时, 低压变频器会自动启动低电压保护闭锁输出, 转子转速迅速下降, 给煤量或给粉量急剧减少, 联动锅炉全炉膛灭火保护 (MFT) 动作, 最终导致机组跳机。

低压变频器低电压穿越能力的缺失, 导致多起系统瞬时故障造成火电机组停机事件陆续发生, 引起系统震荡或解列、大范围停电减负荷等, 造成一定的社会和经济影响。鉴于此, 通过改造变频器实现低电压穿越亟需进行。

1 动力系统改造措施分类

目前, 变频器动力系统改造主要有以下措施。

(1) 改变变频器控制策略。降额运行, 降低变频器输出频率, 使电机运行在较低转速 (负载需要相应减小) ;利用负载惯性回馈负载动能, 令变频器输出频率对应的同步转速小于电机转速, 使变频器所接辅机工作在发电状态[2]。

(2) 改变变频器硬件结构。将原有变频器中的二极管不可控整流变为可控整流以稳定直流母线处电压[3];增加直流母线处电容容量[4];在滤波电容和逆变器间串接BOOST升压电路[5]等。

(3) 并联直流供电系统。在变频器原有直流母线上并联直流供电系统, 当直流母线电压降低到某阈值时, 为逆变环节提供能量。

(4) 串联交流供电系统。该类方案与配电网中治理电压暂降的方式较为相似, 如采用不间断电源 (UPS) 、动态电压恢复器 (DVR) 为变频器供电。

2 火电厂低压辅机变频器具体实施方案对比

火电厂一类低压辅机主要为给煤机、给粉机, 其转动惯量小, 允许的转速变化范围较小。同时, 火电厂作为用户侧, 更加关注改造方案是否简单、可靠、费用合理。为此, 下面选取了5种具体实施方案进行比较。

方案1:变频器直流母线处并联储能设备。如图1所示, 厂用电正常时, 外加储能设备不参与变频器运行, 附加充电设备对储能设备充电;厂用电异常, 储能设备瞬时投运, 保证变频器继续运行。

方案2:直流母线处并联升压电路。如图2所示, 在电网电压正常时, 并联升压装置处于热备用状态;电网电压发生降落 (降落到20%~90%UN) 时, 将系统残压进行整流升压, 快速接入变频器直流母线作为电压支撑。

方案3:直流母线处并联升压电路并配置少量储能设备。如图3所示, 电压发生暂降时, 储能设备和升压电路接入直流母线, 为变频器提供正常工作电压。

方案4:串联UPS。如图4所示, 将电源进线接入UPS后, 经整流和逆变, 给变频器供电。

方案5:串联DVR。如图5所示, 电网电压跌落时, DVR通过内部逆变装置补偿缺失的电压, 叠加在电网低电压上, 保证变频器输入端电压正常。

这5个方案各有优缺点, 下面将着重从性能、可靠性、寿命、对机组控制的影响几方面对各方案进行对比。

2.1 低电压穿越能力对比

除方案2外, 其余方案都配备有外接储能, 当输入电压降低至设定值时, 自动切换至外接储能供电, 因此可实现零电压穿越, 即当电压降至零时也能保证变频器正常工作。变频器所需电流也由外接储能提供, 不会对电网产生电流冲击。

方案2利用电网残压升压给变频器提供电源, 当电网电压为零 (电压中断) 时, 升压电路便无法工作, 不能实现零电压穿越。同时, 变频器所需电流仍由电网提供, 电网电压降低n倍, 需要提供给变频器的电流就要升高n倍, 若电压较低, 则电流便会很大, 对电网造成一定冲击。

2.2 可靠性

方案1~3为并联系统, 方案4、5为串联系统。设两系统可靠性分别为P1和P2, 则由自动控制原理可知, 系统串联时的可靠性为P1×P2, 并联时的可靠性为1- (1-P1) × (1-P2) 。在各部分可靠性均大于0.9的情况下, 并联系统的可靠性远大于串联系统。若方案中使用直流动力电源, 由于该电源容量大且管理统一, 因此其可靠性较使用专用蓄电池高, 但仍低于不使用蓄电池的方案2。

2.3 寿命

电力电子器件的寿命远大于储能设备, 因此低电压穿越系统的寿命可看作内部储能设备的寿命。若使用蓄电池, 方案4、5中的储能设备在厂用系统电压不是标称电压的情况下便会产生补偿电压, 因此充放电次数最多, 寿命最短。方案1、3中的储能设备使用频率较低, 但每次使用时的放电量和放电时间都较长, 因此寿命中等。方案2中不包含储能设备, 因此寿命最长。方案3~5若接入220V直流动力电源, 则其寿命为电力电子器件寿命。

2.4 改造成本

改造成本主要包括低电压穿越装置费用、相应外设费用 (电缆、断路器等) 、安装人工费等。方案1~3在国内发展较晚, 近10年才开始生产, 生产厂家较少, 设备购买后也需要厂家派专人进行安装 (需要引出变频器的正负端子) , 因此成本较方案4、5略高。方案1有较高的蓄电池费用, 因为需要达到较高的端电压, 所以串联单体数较多。方案2中更换低电压穿越装置前的电缆和断路器的费用较高。方案3若单独配置蓄电池, 则成本与方案1、2基本相同;若使用直流动力电源, 则还需增加更加严格的电源保护, 同时动力直流电源室通常位于机组底层, 与辅机距离远且垂直高差大, 因此电缆所需长度增加、铺设电缆的人工作业费大大提高, 改造成本会增加2~3万元。方案4技术成熟、安装简单、生产厂家众多, 因此成本已降到相对低廉的水平。方案5发展时间较方案4晚, 技术含量和成熟度不如方案4, 因此成本较方案4高, 但较方案1~3低。

以上分析均基于使用相同价位的元件和储能设备, 若储能设备中使用了超级电容等, 或电力电子元件和蓄电池价格昂贵, 则改造成本会明显提升, 但性能也会相应提高。

2.5 后期维护量

改造方案中大多涉及储能设备。若储能设备采用蓄电池, 由于要定期巡检蓄电池电量和状态, 并要对已损坏或缺液的蓄电池进行更换和补液, 因此后期维护工作和成本不可忽略。若使用免维护型蓄电池, 则可减少平时维护的工作量, 但后期更换旧蓄电池的费用不可小觑。方案1中蓄电池单体数量多、所处环境较差, 因此后期维护成本最高。方案2无储能设备, 所以无后期维护成本。方案3~5若单独配置蓄电池, 则会有一定的维护量, 但蓄电池较少, 维护量小于方案1。若采用接入220V动力直流电源, 则不另外增加维护量。

2.6 对机组控制的影响

给煤机或给粉机通常与MFT逻辑联动, 当给煤机或给粉机全停信号发出时, MFT启动, 炉膛灭火, 因此需考虑部分方案对MFT逻辑的影响。

方案1~3中低电压穿越装置正常工作时, 虽然变频器有正常输出, 但是依旧发出停运信号, 因此需要修改MFT逻辑, 只有在低电压穿越装置和变频器都不工作时才启动MFT。

方案4、5中低电压穿越装置正常运行时, 变频器不会发出停运信号。一旦变频器发出停运信号, 就可确定无法实现低电压穿越, 可启动MFT, 因此不需要修改原有控制逻辑。

5种方案各有优缺点。并联设备中, 使用220V直流动力电源的方案3优点显著, 其低电压穿越性能优异, 无需单独加装蓄电池, 后期电池维护量极少, 可靠性极高, 因此目前该方案在火电厂低压辅机的低电压穿越改造中最具有应用前景, 但要解决好直流回路接地和短路的检测和保护。串联设备中, UPS以其低廉的价格独树一帜。串联设备不需要改变机组原有的控制逻辑, 避免了因信号增多而产生错误的可能性, 但其可靠性较低, 使用风险较大。

3 结束语

低压变频器是电压敏感性设备, 极易因电压波动而造成停机事故, 给电厂带来重大损失, 因此国内外提出了众多低电压穿越改造措施。本文将这些措施分为4类, 然后结合我国火电厂配置和低压辅机的特点选择了5种具体实施方案, 最后从性能、可靠性、寿命、成本等方面对这些具体实施方案进行了对比分析。对比分析结果显示, 5种具体实施方案中, 并联BOOST电路且使用直流动力电源的方案在各方面都具有一定优势, 适用性较强。火电厂也可根据自身的预算及需求, 合理选择其它方案, 实现低电压穿越。

参考文献

[1]张文国.变频调速技术在发电厂的应用[D].济南:山东大学, 2011

[2]张海涛, 赵争鸣, 袁立强, 等.一种新的应用于高压大容量变频器的失电跨越控制策略[J].电工电能新技术, 2006 (3) :68-72

[3]Van Zyl, Annabelle, et al."Voltage sag ride-through for adjustable-speed drives with active rectifiers."Industry Applications, IEEE Transactions on 34.6 (1998) :1270-1277

[4]Von Jouanne, Annette, Prasad N.Enjeti, and Basudeb Banerjee."Assessment of ride-through alternatives for adjustablespeed drives."Industry Applications, IEEE Transactions on35.4 (1999) :908-916