具備自動旁路功能的高壓變頻器在發電廠的應用

談 強

（廣州市旺隆熱電有限公司，廣州 511340）

廣州市旺隆熱電有限公司在對全廠6kV輔機進行節能效果預測分析后，采用廣州智光公司ZINVERT高壓變頻器對鍋爐排粉風機和增壓風機進行高壓變頻改造。排粉風機和增壓風機均是電廠的重要輔機，運行中一旦出現故障停運輕則影響機組負荷，重則將導致機組被迫停運。為確保設備的可靠性，改造采用了一拖一帶自動旁路功能的高壓變頻器，實現了運行中的工變頻切換和變頻器故障時自動切換至工頻旁路的功能。

1 高壓變頻器的自動旁路功能

改造采用的一拖一帶自動旁路功能的 ZINVERT高壓變頻器一次接線圖如圖1所示，它的自動旁路具備三個功能，既在變頻器正常運行時變頻器由變頻狀態運行轉為工頻狀態運行、變頻器由工頻狀態運行轉為變頻狀態運行和在變頻器重故障時自動轉為工頻狀態運行。

圖1 變頻器電氣一次接線圖

變頻器切換時 QF均保持合閘狀態，由變頻狀態切換至工頻狀態時，變頻器停止輸出，并依次斷開J2、J1后再合上J3，通過接觸器動作間隔配合來實現“慢速切換”，保證電動機重新合上電源時電動機上的電壓小于電動機的允許起動電壓（1.1倍電動機額定電壓）[1]；當變頻器由工頻狀態切換至變頻狀態時，先斷開J3再依次合上J1、J2，利用ZINVERT高壓變頻器特有的“STT”（Speed Tracing Technology）技術實現變頻器在調速范圍內的任何轉速下，無需停車即可直接起動系統，起動時無任何電流沖擊[2]。

K1與K2只是在檢修時由手動斷開以形成明顯的斷開點，確保工作人員的安全，在工頻和變頻狀況下均處于閉合狀態。

然而高壓變頻器自動旁路要能夠實現成功的切換并不能簡單的認為只是變頻器自動旁路能進行切換，應該同時滿足如下3個條件：

1）變頻器自身各元件動作正確，自動旁路能實現正常切換。

2）變頻器至 DCS的各信號正常，切換過程迅速，對運行參數的擾動較小，不會引起熱工保護動作。

3）切換時電流沖擊在保護范圍內，不會引起變頻器自身保護或電源開關繼電保護動作。

2 高壓變頻器的自動旁路切換策略

在實際工程應用中，不同電廠對參與熱工保護邏輯的變頻器信號選擇各不相同，變頻器自動切換策略也大相徑庭。 以下介紹旺隆電廠高壓變頻器的控制策略。

1）變頻器與DCS接口信號

旺隆電廠在DCS系統中采用電源斷路器QF位置信號作為風機的運行信號，參與所有相關的熱工保護邏輯；同時由變頻器提供J3常開輔助接點作為工頻狀態信號，J1常開輔助接點與J2常開輔助接點串聯后作為變頻狀態信號，而未單獨提供J1、J2狀態信號，工頻狀態和變頻狀態信號僅作為變頻器的狀態顯示和工/變頻切換時的輔助判斷條件，不參與風機相關的熱工保護邏輯。

相比采用工頻狀態和變頻狀態作為風機運行信號，和改造前同樣采用 QF作為風機運行信號，改造前后相關的熱工聯鎖、保護幾乎可以不用進行修改，大大簡化了熱工邏輯；同時避免了因為遷就切換過程中工變頻狀態信號存在短暫消失而在熱工聯鎖、保護中設置延時，保證了熱工聯鎖、保護的及時性。

在接口信號設計時，特別是對于采用變頻器工、變頻狀態作為風機運行信號時，須直接采用接觸器的輔助觸點，而不能采用通過擴展繼電器或者變頻器PLC合成的信號作為變頻器的工、變頻狀態信號，否則一旦控制回路失電就可能引起狀態信號丟失，導致DCS邏輯誤判斷，筆者就了解到曾有電廠因為這個原因引起熱工保護動作導致風機跳閘。

2）工/變頻轉換的DCS邏輯

在有計劃性的進行變頻器工/變頻切換時，可以先對變頻器和風門進行調整，滿足預先設置好的條件，盡量減少變頻器切換過程對運行參數的擾動[3]。

以排粉風機為例，在進行工頻轉變頻操作前，須先在DCS中將變頻器目標頻率設為 50Hz，以便在變頻器切換至變頻狀態并自起動成功后能自動提速至50Hz。變頻器工頻轉變頻的邏輯如圖2所示。

圖2 變頻器由工頻轉變頻的邏輯

在進行變頻轉工頻操作前，須在穩定出口風壓的情況下逐漸關小風門，同時提高變頻器的運行頻率，只有在變頻器運行頻率大于48Hz（接近工頻）時才允許進行切換操作。變頻器變頻轉工頻的邏輯如圖3所示。

圖3 變頻器由變頻轉工頻的邏輯

3）風門擋板的超馳控制

在變頻器故障退出切換至工頻旁路時，為減少對運行參數的擾動，必須盡快關小相應風門[4]。

同樣以排粉風機為例，通過風機試驗確定了風壓與風門開度之間的對應關系，通常情況下工頻狀態時風門擋板開度約為45%，而當風門擋板開啟到75%左右時其通流特性已經與開度100%相差無幾。為了縮短變頻器故障切換至工頻旁路時擋板自動關回時間，同時也為了防止擋板在端部可能發生的卡滯，變頻狀態時擋板開度固定在80%，變頻器故障切換時觸發排粉風機風門動作條件，排粉風機風門迅速按照 DCS中預先設定的參數關小到對應的開度（45%），從而令變頻器故障切換過程中出口風壓變化更為平滑和穩定。變頻器故障時風門擋板的超馳控制邏輯如圖4所示。

圖4 變頻器故障時風門擋板的超馳控制邏輯

3 高壓變頻器的繼電保護配置

高壓變頻器在工頻狀態運行時，電源開關保護裝置保護范圍應為開關出線以及電動機本體；當風機在變頻狀態運行時，電源開關保護裝置的保護范圍應為開關出現以及移相變壓器，電動機成為與廠用電母線隔離后的高壓變頻器的負荷，因而對于電動機的保護應由高壓變頻器實現[5]。

因為無法實現保護裝置或保護定值的自動切換，具備自動旁路功能的高壓變頻器只能在電源開關配置一套保護裝置和定值。為了保證電動機的工頻正常啟動，定值須按電動機保護進行整定，同時電流速斷保護應按移相變壓器低壓側最小短路電流進行保護靈敏度校驗。若靈敏度能滿足要求，J1可以選擇真空接觸器，短路故障通過電源開關切除；若靈敏度不能滿足要求，因為真空接觸器限分斷電流能力較差，J1應選擇真空斷路器，通過變頻器輸入速斷保護或配置專用保護裝置切除短路故障。

4 高壓變頻器自動切換的實際效果

改造后，針對高壓變頻器自動旁路切換功能進行的一系列試驗，以2#爐B排粉風機切換試驗為例，試驗數據如下。

1）人工將變頻器由工頻轉變頻運行。從切換開始到變頻器頻率升至50Hz約12s，期間電動機的轉速最多時僅下降約4%，出口風壓幾乎未發生變化，變頻器故障切換時各參數趨勢如圖5所示。

2）人工將變頻器由變頻轉工頻運行。從切換開始到工頻旁路投入僅2s，出口風壓幾乎未發生變化，變頻器故障切換時各參數趨勢如圖6所示。

圖5 變頻器故障切換趨勢圖

圖6 變頻器故障切換趨勢圖

3）變頻器重故障跳閘切換至工頻運行。從故障信號發出到出口風壓穩定降至正常值的過程約25s，入口風門開度由79%關至44%，出口風壓由2.04kPa升至2.25kPa，期間出口風壓值最高值達到2.83kPa，并未對鍋爐運行造成大的影響。變頻器故障切換時各參數趨勢如圖7所示。

圖7 變頻器故障切換趨勢圖

試驗結果表明，正常情況下變頻器能順利實現工/變頻切換，但為避免極端情況下可能存在切換失敗和對電動機電流沖擊的風險，正常情況下均采用變頻方式起停風機，不進行工/變頻切換操作，僅在緊急狀態下使用切換功能。

5 結論

旺隆電廠高壓變頻器投入運行已有一年多時間，變頻器投運后發電廠用電率下降了約 0.6個百分點，節能效果顯著。同時變頻器在全部5次因各種原因故障跳閘時均成功切換至工頻旁路運行，并實現了在工頻旁路運行時對變頻器故障的處理及修后自動切換至變頻狀態運行。未發生過因為高壓變頻器導致機組減出力或停運的情況，確保了電廠的安全、經濟、穩定的運行。

[1]石峰. 380V廠用電快切裝置的應用[J]. 廣東電力,2011, 24(7).

[2]劉力, 郭威, 譚顯亮. Zinvert系列高壓變頻調速系統在 600MW 機組雙引風機上的應用[J]. 電氣時代,2010(5).

[3]陳建鑫, 華兆軍. 引風機和一次風機自動旁路高壓變頻改造熱控方案[J]. 華電技術, 2011, 33(5).

[4]楊海龍, 張澄, 余錦龍. 高壓變頻器工變頻自動切換應用改造[J]. 內蒙古電力技術, 2011,29(3).

[5]王衛宏, 姜新宇, 許賢昶, 等. 火電廠輔機高壓變頻調速系統的保護配置探討[J]. 電力設備, 2007, 8(4).