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解決方案
四象限變頻器在汽輪機發電領域的應用
榮 凱1 劉明光1 張元吉1 劉興狀1
（1.新風光電子科技股份有限公司 山東 272500）
摘要 采用單元級聯主回路拓撲結構的四象限變頻器裝置，具有能量回饋功能。可實現汽輪機不同轉速下的發電工況。它相比傳統的汽輪機發電具有轉速可調、無擾并網、發電控制精準、操作方便、可靠性高等優點，具有很高的推廣價值。
關鍵詞：單元級聯 四象限 無擾并網 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剩余蒸汽（過熱蒸汽或飽和蒸汽），解決環境污染、創造更好的經濟和社會效益，在工業生產過程中，廣泛應用汽輪機、異步電動機聯合驅動技術。該技術大多采用汽輪機驅動電機直接發電，電機頻率為固定50Hz不可調[1]。該技術的系統方案如圖1所示。
該技術的應用一定程度地解決了節省電力成本和工業剩余熱能利用的問題，但仍然存在余熱不能充分利用、驅動系統無法調速，不能滿足生產工藝對機械設備速度調節的要求，同時也會造成能源的二次浪費，并網發電時出現沖擊過大情況。
圖1傳統工業剩余蒸汽利用系統
為了解決傳統工業剩余蒸汽利用系統的不足，最大限度地節省電力成本、充分利用工業剩余蒸汽，獲取更大的經濟效益，本文推廣應用了汽輪機、電機聯合驅動、四象限變頻調速及汽輪機、電機聯合發電技術。
2 汽輪機、電機聯合驅動、變頻調速及異步電機發電驅動系統
2.1 系統原理說明
圖2四象限變頻調速及發電系統
四象限變頻調速及發電系統如圖2所示，在傳統工業剩余蒸汽利用系統中，增加四象限變頻器，工頻50Hz電網接入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狀態，也可以工作在發電狀態。
當氣源不足，汽輪機不能工作時，四象限變頻器拖動電機，電機驅動風機或水泵，處于電動狀態。整個系統處于變頻調速的電動狀態，有效實現工業用電的節能環保。當氣源充足時，汽輪機拖動風機或水泵運行，將多余的能量通過發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，實現汽輪機發電工作。汽輪機可以在工藝允許的范圍內可調轉速，而發電回饋到電網的電能始終保持50Hz。
2.2 四象限變頻器系統結構
圖3四象限變頻器系統結構
電網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，給每個功率單元供電；第二是給每個功率單元提供獨立的電源，可以使單元進行級聯，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行移相，減小了對電網的諧波無污染，為真正的完美無諧波。單元級聯通過載波移相技術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 單元級聯技術
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，三相輸入經過三相橋回饋/整流IGBT回路連接單元直流母線電容，直流母線電壓經過IGBT組成的H橋，輸出PWM波形。在電動模式下，三相輸入經過三相橋回饋/整流IGBT回路進行整流濾波后提供給直流母線能量支撐。在發電模式下，三相輸入經過三相橋回饋/整流IGBT回路將直流母線能量回饋到電網。
圖5單元級聯示意圖
單元級聯如圖5所示，由于每個單元的輸出電壓是相互獨立的，單元的輸出可以級聯在一起，單元的控制信號是通過光纖與主控系統通訊，主控將PWM波信號通過下行通訊光纖傳遞給每個功率單元，每個功率單元通過相應的單元的保護動作通過上行通訊光纖上傳給主控系統。主控產生的PWM信號為載波移相后的PWM信號，單元級聯后輸出的電壓諧波很小。
單元級聯輸出電壓采用自動穩壓技術，母線電壓高時，輸出調制波相應減小，母線電壓低時，輸出調制波相應增加，可以解決由于負載不平衡導致母線電壓不一致，從而出現輸出電壓不平衡的問題。
2.4 無擾并網
根據三相交流異步電動機同步轉速計算公式 n0=60×f/r（f-電源頻率，r-電動機極對數）可以看出，電動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或發電狀態。并控制電機的轉差控制輸出轉矩。通過對變頻器輸出電源頻率的調整，再配合汽輪機進氣量的調節，可實現電動機由電動狀態到發電狀態的任意轉換，同時也可實現電動機速度的靈活調整。
汽輪機投入運行，當氣源過剩時，驅動機械系統所需要的力矩逐步被汽輪機的輸出力矩所替代，進而電動機的輸出力矩由Mn變化為-Mn，變頻器和電動機逐漸由第一象限過渡到第二象限，電動機由電動狀態逐步變化為發電狀態。此時，變頻器也由電源輸出狀態轉變為能量回饋狀態（第二象限），將電動機發出的任一頻率的三相交流電回饋為50Hz的工頻電，實現發電機與電網的無擾并網。
四象限變頻器將電機的發電功率回饋到50Hz電網的控制原理如圖7所示。控制電路通過實時檢測輸入電壓信息，將發電機的能量精準的回饋到電網，在并網回饋的切換控制中無任何沖擊，真正無擾并網回饋。
圖7 無擾并網能量回饋控制原理
3 結束語
汽輪機、電機聯合驅動、四象限變頻調速及汽輪機、電機聯合發電技術，在工業剩余蒸汽（過熱蒸汽或飽和蒸汽）現場，得到很好的應用驗證，相信此技術在工業剩余蒸汽（過熱蒸汽或飽和蒸汽）現場節能減排方面必然有更大的發展和應用。
參考文獻
[1] 周紅衛,劉本明,王志.淺談發電廠鍋爐汽輪機組協調控制系統[J]. 民營科技, 2010(03):11.
[2] 問澤杭，莫兆祥. 基于四象限高壓變頻器的水泵機組反向發電探討[J].水力發電,2011,37(2): 75-76.
作者簡介
榮凱 男，1986年生，電氣工程師 現工作于新風光電子科技股份有限公司，從事電力電子技術工作
