火力发电机组风机变频改造技术探讨

韩英昆，孟祥荣

（山东电力研究院，山东 济南 250002）

0 引言

节能降耗是现在火力发电机组面临的一个十分重要的问题。原来常规设计中，风机、泵类的控制流量都是通过节流方式实现，而这些设备都是高耗能设备，因此寻求更加节能的控制设备和控制方式是降低能耗的重要手段之一。随着大型变频器技术的成熟，许多火电机组在技术改造中，都对高耗能系统如风机系统、凝结水系统改造加装了变频节能装置，将原来的节流控制模式，改造为节能的变频无级调节运行方式，一方面减少了运行中的节流损失，降低了电机运行电流，起到理想的节能作用；另一方面改善了大功率电机启动电流冲击问题，实现大电机平稳启动。变频改造在火力机组实际应用中取得了较为明显安全效果和经济效果。

1 变频器控制方式

变频器对电动机进行控制是根据电动机的特性参数及电动机运转要求，对电动机提供电压、电流、频率进行控制，达到负载的要求。 变频器的主电路一样，逆变器件相同，单片机位数也一样，只是控制方式不同，其控制效果是不一样的，所以控制方式代表变频器的水平。目前变频器对电动机的控制方式大体可分为：U/f恒定控制、转差频率控制、矢量控制、直接转矩控制等。

U/f恒定控制是在改变电动机电源频率的同时改变电动机电源的电压，使电动机磁通保持一定，在较宽的调速范围内，电动机的效率、功率因数不下降。因为是控制电压 （Voltage）与频率（Frequency）之比，称为 U/f控制。恒定 U/f控制存在的主要问题是低速性能较差，转速极低时，电磁转矩无法克服较大的静摩擦力，不能恰当的调整电动机的转矩补偿和适应负载转矩的变化；其次是无法准确的控制电动机的实际转速。由于恒U/f变频器是转速开环控制，由异步电动机的机械特性图可知，设定值为定子频率也就是理想空载转速，而电动机的实际转速由转差率所决定，所以U/f恒定控制方式存在的稳定误差不能控制，故无法准确控制电动机的实际转速。

转差频率控制是施加于电动机的交流电源频率与电动机速度的差频率。根据异步电动机稳定数学模型可知，当频率一定时，异步电动机的电磁转矩正比于转差率，机械特性为直线。转差频率控制就是通过控制转差频率来控制转矩和电流。转差频率控制需要检出电动机的转速，构成速度闭环，速度调节器的输出为转差频率，然后以电动机速度与转差频率之和作为变频器的给定频率。与U/f控制相比，其加减速特性和限制过电流的能力得到提高。另外，它有速度调节器，利用速度反馈构成闭环控制，速度的静态误差小。然而要达到自动控制系统稳态控制，还达不到良好的动态性能。

矢量控制也称磁场定向控制。该控制方式基于70年代初由西德F.Blasschke提出的 “感应电机磁场定向的控制原理”和美国人P.C.Custman和AA.Clark申请的专利“感应电机定子电压的坐标变换控制”等先进理论，在后期实践中不断改进，逐渐形成矢量控制调速系统。由此开创了交流电动机和等效直流电动机的先河。 矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子交流电流Ia、Ib、Ic。通过三相—二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1、Ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1、It1（Im1相当于直流电动机的励磁电流，It1相当于直流电动机的电枢电流），然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换实现对异步电动机的控制。 矢量控制方法的出现，使异步电动机变频调速在电动机的调速领域里全方位的处于优势地位。 但是，矢量控制技术需要对电动机参数进行正确估算，如何提高参数的准确性是一直研究的话题。

直接转矩控制理论是1985年德国鲁尔大学的DePenbrock教授首次提出的，该技术在很大程度上解决了矢量控制的不足，它不是通过控制电流，磁链等量间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控量来控制。转矩控制的优越性在于，转矩控制是控制定子磁链，在本质上并不需要转速信息，控制上对除定子电阻外的所有电机参数变化鲁棒性良好，所引入的定子磁链观测器能很容易估算出同步速度信息，因而能方便的实现无速度传感器，这种控制被称为无速度传感器直接转矩控制。变频器的选择风机和泵类负载在过载能力方面要求较低，由于负载转矩与速度的平方成反比，所以低速运行时负载较轻（罗茨风机除外），又因为这类负载对转速精度没有什么要求，故选型时通常以价廉为主要原则，选择普通功能型变频器。而多数负载具有恒转矩特性，在转速精度及动态性能等方面要求一般不高，例如挤压机、搅拌机、传送带、厂内运输电车、吊车的平移机构、吊车的提升机构和提升机等，选型时可选U/f控制方式的变频器，但是最好采用具有恒转矩控制功能的变频器。

2 常见变频控制方案

变频控制采用“一拖一”控制方式，即一台变频器对应控制一台风机或泵。正常工况下，风机变频运行，变频器故障时风机切换至工频控制。控制原理如图1所示，QF1为6kV母线开关，QF3为变频器输入开关，QF4为变频器输出开关，QF5为工频旁路控制开关变频控制开关。 QF3、QF4与工频（旁路）开关QF5不能同时闭合，该闭合保护联锁在变频器电气硬联锁及控制逻辑中双重设计，防止损坏设备。该方案在电厂双侧风机控制系统中运用较为普遍。

图1 一拖一变频控制原理框图

变频控制采用“一拖二”或“一拖多”控制方式。即一台变频器对应控制两台或多台电机设备，控制原理如图2所示。该方案节省了变频器改造的前期投入，但是控制系统只能一台设备工作于变频控制模式下，适用于“一用一备”或“一用多备”的控制系统，如电厂凝结水系统、开式循环水系统等。

3 变频改造工程实例

某发电厂风机变频节能改造中，重点放在了锅炉引风机和一次风机变频改造。改造前风机均采用静叶或挡板调节，机组低负荷时风机节流比较厉害，影响整个机组的经济运行。变频改造系统结构采用了简单实用的“一拖一”控制方式，即每台风机对应一台变频器拖动，如图1所示。改造后风机静叶或挡板全开，整个风机风道无节流环节，根据系统风量需求，调节变频器频率，进而控制风机转速，实现系统风量调节，满足机组不同负荷段的经济运行需要。

图2 一拖二变频控制原理框图

风机变频运行过程中，出现风机异常跳闸时，当机组负荷大于50%时，且允许启动工频旁路时，控制逻辑自动完成变频切工频转换，变频器故障的风机转为工频运行，风机静叶或挡板根据机组负荷进行置位，防止运行工况突变，如设定时间内不能完成切换，则直接跳开6 kV母线开关QF1，进入机组RB负荷快切保护逻辑，切换逻辑如图3所示，图中，TP为脉冲信号发生器，TON为延时定时器。负荷小于50%时，直接停止变频器故障的风机。

图3 变频切工频逻辑框图

机组变频改造后，运行情况良好，经济节能比较明显，一般情况下，125MW级机组每年两台引风机能节电200万kW·h以上，300MW级机组引风机变频运行能节电320万kW·h以上。

4 变频改造中需要注意的问题

4.1 系统“抢风”

某厂一次风机变频改造后，低负荷运行情况良好，升负荷过程中，两台一次风机变频指令同步上升，在风机升速过程中，发生两台风机“抢风”，影响了系统自动投入运行。适当关小风机挡板开度后，改善了系统“抢风”，实现系统平稳运行。

4.2 风机振动增大

风机改为变频控制后，转速调节范围增大，由于风机存在轴系及叶片的共振区，假如共振区恰好在风机转速调节区域，则风机振动会明显增大，工况恶劣，可能引起设备损坏。

4.3 变频器本身问题

高压变频器的节能效果很大程度上取决于变频器本身的工作可靠性，在选取变频器时，一定要选取高性能设备，保证机组的安全经济运行。在实际应用过程中，机组变频设备故障往往多发生在变频器本身故障。

另外，需要注意变频器的输出波形对电动机的影响，火电厂变频调速改造时很大部分是旧设备，原有的普通电动机是设计成为电网直接运行的，而电网电压彼形基本为正弦波，对电机要求相对较低，如果变频器输出波形质量不好的话，会对电动机产生不利影响。

考虑到变频器故障时会引起风机停运，造成机组降负荷运行，故采用进线刀闸、旁路刀闸、出线刀闸集成柜，以便在变频器故障时，可顺利自动完成切工频旁路，保持风机的继续运行。

5 结语

高压变频器用于火电厂辅机的调节后，能延长电动机、风机与泵类设备的使用寿命，提高生产效率和机组自动化水平，提高火电厂运行和供电的可靠性，节约大量能源和检修费用，为火电厂带来较大的经济效益和社会效益。 特别是火电机组点全国装机容量的比例很高，其大功率辅机具备由传统挡扳阀门调节改造为变频调节条件的很多，改造后节能潜力很大。