基于英威腾高压四象限变频器的异步电机发电系统

艾江洪 王冰

本论文重点应用于北方供热企业，是一种易于企业自行维护的补充发电系统，组成的各设备技术成熟、系统可稳定运行。本发明的目的解决了供热企业第二大消耗原料--电能的节能利用，可为企业带来比较大的经济效益。

本发明设备组成：高压异步电动机、四象限高压变频器、汽轮机、高压开关切换柜等。

工作方式：汽轮机做为原动机，带动异步电机，发电时，汽轮机工作于恒速状态（接近电机额定转速），电机与四象限变频器相连，变频器工作于矢量转矩模式，发电转矩采用上位机远程通讯给定，且转矩的给定采用逐步增加。高压四象限变频器采用锁相环+六脉冲方式，满足动态要求。根据现场工况，可以采用电动机拖动风机或循环泵同时运行。如发电和负载同时使用，在汽轮机的选型上，需要在二者的功率和上增大10%拖动余量。发电工艺：汽轮机工作于恒速模式，接近电机额定转速，变频器工作恒转矩模式，通过调节转矩大小，即可设置发电功率。为防止向电网反送电的情况发生，目前采用手动调节发电量，及根据用电量调配，保证用电量大于发电量。

系统各部分详细介绍：

1、发电控制系统采用上位机加组态软件，采用以太网通讯方式，上位机监测部分包括：系统有功功率，无功功率，A＼B＼C线电压，各相回路电流，功率因数，频率，运行状态等参数，操作功能包括：启动、停止、给定等，可在中心控制室操作四象限变频器的运行及发电量控制。现场控制采用可编程控制器PLC，将四象限变频器的各参数采用通讯方式传至上位机，采集的参数包括：频率、电流、电压、工作状态、各单元状态、报警及保护数值。

2、汽轮机控制系统包括：本地＼远程操作，当前转速，转速目标值，转速给定，电磁阀状态，转速异常报警，通讯测试等功能。其速度控制采用汽轮机自带的PID调节。

3、汽轮机采用结构紧凑，操作方便，易维护，安全性能良好，实行双重保护，调速系统采用先进的电子调速系统，调节仪组态方便，调节灵敏度高，与DCS或工控机接口，能够实现远程控制就地控制无扰动切换。

4、高压柜状态采集系统，采用PLC，网络通讯，将各高压柜合闸、分闸状态，反馈至上位机，由上位机中控下达切换指令。

5、高压双电源切换柜，根据发电分配各用电负载调配，采用人工操作，接受中控用电回路调配指令，用于市电及发电回路切换。

6、高压电机采用三相异步电动机，电压：10kv，频率50HZ，接法：Y型，电机测温包括绕组、轴身端和非轴身端。

7、四象限高压变频器是系统的核心，发电系统的稳定、效率都与变频器的性能有直接的关系，选用的英威腾品牌GD5000系列变频器，得益于该产品良好的软硬件设计，以及强大的功能支持，GD5000本机自带触摸屏及LED控制键盘，就地控制界面友好。就地/远程控制切换灵活自如。系统提供16路数字量输入，8路继电器输出，3路模拟量输入，4路模拟量输出，1路高速脉冲输入，1路高速脉冲输出端子，以上提供的用户端子均为可编程端子，每个端子的功能都可以使用功能码进行设定。下图给出简单的控制线路配置方案，用户可根据需要进行修改。具体用户接口将在技术协议或详细设计阶段根据用户要求确定。

本机控制时通过高压变频调速系统控制柜上触摸屏可就地人工启动、停止高压变频调速系统，可以调整电机转速、频率。远程控制放在控制室，设有操作台和上位机，由配电工操作控制。通过上位机配电工可以随时了解设备的运行情况，通过操作台可实现对高压变频调速系統进行简单的远方操作。配电工可以根据工况自由选定高压变频调速系统“手动/自动”调速运行。

发电原理：

当变频器有能量输出状态转入能量回馈状态是，有功功率从电机流入变频器，造成每个功率单元的直流母线电压上升。各功率单元内的控制器检测到这一上升电压后，将从电网流向功率单元的有功电流给定值减小至一负数，这个时候主控制器会预先通过程序锁定电网电压的幅值、香味和频率，然后使功率单元的网侧逆变器输出PWM波，各工况单元产生的PWM波通过叠加后形成与电网相适应的正弦波电压和相位，再向电网回馈有功功率。

操作说明：

系统主动力回路方案：

异步发电机作为四象限高压变频器输入电源，QF1和QF3分别为四象限高压变频器输入输出隔离开关。QF2为高压负载侧开关柜，QF4、QF5、QF6为负载接入开关柜，当启用M2负载时，先将QF3开关合闸，将负载投入，正常用市电接入，启动发电系统，将QF1、QF3闭合，由上位机操作，手动给定恒转矩，直至达到电机的额定功率，即全负荷发电，电能经四象限变频回馈至电网，后经M2负载消耗，根据能量守恒定律，电量即为自发自用，市电消耗减少，节约企业电费支出。

说明：QF1、QF3四象限变频器隔离开关

M1异步发电电动机

QF2、QF4、QF5、QF6负载开关

M2、M3、M4负载