劉慧瑾張大鵬邢錦磊

1.上海上電漕涇發(fā)電有限公司

2.上海商湯科技開發(fā)有限公司

3.施耐德電氣（中國）有限公司

0 引言

在大型火力發(fā)電廠和石油石化企業(yè)中，許多泵、風機都是由電機驅(qū)動的，而這些電機以固定轉(zhuǎn)速運行時，低負載階段工作效率很低，導(dǎo)致大量的電能浪費，因此采用變頻器是實現(xiàn)節(jié)能的重要手段。對重要的電動機，由于關(guān)系到生產(chǎn)安全，不允許中斷供電，因此需配置雙套變頻電源，一套運行，一套備用。為節(jié)約投資及考慮到兩臺電動機變頻電源同時故障的概率較小，且可輪流檢修等，故常采用多套主變頻共用一套備用變頻電源的方案。

圖1為某石化企業(yè)3臺大功率電動機配電系統(tǒng)一次單線圖。10 kV母線四分段通過4套變頻器對3臺高壓電動機進行供電，通過變頻器下的旁路母線及饋線不僅保證了3臺電動機及變頻器的正常運行，還保證了變頻器檢修維護時，通過倒閘供電回路保證電動機的正常工作。

圖1 某石化企業(yè)配電系統(tǒng)一次單線圖

1 低頻準同期裝置

傳統(tǒng)的自動同期裝置除完成發(fā)電機的自動并機外還對手動并機進行監(jiān)控，但該同期裝置只能在50 Hz或60 Hz工頻附近運行，如要滿足變頻并機，需將同期裝置工作頻率范圍調(diào)整到5～55 Hz之間［1］。

1.1 基本功能

為實現(xiàn)自動準同期，同期裝置需具備測量、頻率跟蹤、頻率與電壓調(diào)節(jié)脈沖和檢同期子功能模塊。

(1)測量子功能模塊

測量子功能模塊對備用變頻母線電壓VBUS和電動機機端電壓VMOT的電壓幅值、相角、頻率進行采集和監(jiān)視，以計算這兩個實時電壓的幅差、頻差和角差。

(2)頻率跟蹤子功能模塊

VMOT用作頻率跟蹤，其采樣率需根據(jù)電動機機端電壓最新頻率進行調(diào)整，以保證低頻下信號精度。VBUS和VMOT要采用相同的采樣率，當兩個電壓信號間的頻差增加時，VMOT的測量精度會下降。當VBUS和VMOT間的頻差大于1 Hz時，檢同期將VBUS視作無效值，會閉鎖電壓調(diào)節(jié)功能，不允許斷路器合閘。

(3)頻率與電壓調(diào)節(jié)脈沖子功能模塊

當兩個電壓間的頻差大于設(shè)定值ΔFset（0.1～0.2 Hz）、幅差大于ΔUset（1%～5%Un）時，需頻率與電壓調(diào)節(jié)脈沖子模塊來調(diào)節(jié)備用變頻系統(tǒng)的輸出。另外，由于VBUS和VMOT間的頻差大于1 Hz時，電壓調(diào)節(jié)會被閉鎖，故只有在小頻差時電壓調(diào)節(jié)才有意義。脈沖寬度調(diào)節(jié)與頻差、壓差成正比，縮放系數(shù)df/dt和du/dt可以根據(jù)勵磁系統(tǒng)和調(diào)速器的特性進行調(diào)整。

(4)檢同期子功能模塊

檢同期子功能模塊用來檢測斷路器上側(cè)有無電壓，如果有壓且兩個電壓信號的矢量角差、頻差和幅差在允許范圍內(nèi)時，才允許給斷路器發(fā)合閘命令。

檢同期用于：①手動并機操作時對其輸出進行監(jiān)視。手動操作輸出節(jié)點與斷路器通過硬接線連接，避免手動并機的誤操作。②自動同期的執(zhí)行。當角差接近零時，通過實時頻差和斷路器合閘時間計算同期點并自動同期。檢同期功能如圖2所示［2］。

圖2 檢同期功能

自動同期邏輯如圖3所示。

圖3 自動同期邏輯圖

1.2 頻率跟蹤詳述

快速頻率跟蹤和采樣頻率調(diào)整功能用來保證頻率在10 Hz到55 Hz間的寬范圍操作。

初始采樣率可采用2 400 Hz，為系統(tǒng)工頻50 Hz的48倍?；诟道锶~變換，每個采樣周期內(nèi)電壓相位角都會被計算的原理，當電壓信號采樣頻率與采樣中心頻率基本相同時，兩個連續(xù)正弦波的相位角也基本一致，因此當電壓信號頻率發(fā)生變化且與采樣中心頻率不同時，兩個連續(xù)正弦波之間會存在角差，根據(jù)角差即可得出頻差，根據(jù)頻差調(diào)整采樣中心頻率，經(jīng)多輪迭代后，采樣中心頻率與電壓信號頻率基本一致。頻率跟蹤過程如圖4所示。

圖4 頻率跟蹤過程圖

在低頻同期裝置中，有兩個電壓輸入信號，但采樣頻率的調(diào)整是基于VMOT頻率跟蹤來實現(xiàn)的。當VBUS和VMOT之間存在較大的頻差時，VMOT測量值的幅值和頻率精度會降低，當頻差小于1 Hz時，頻率的誤差小于0.05 Hz，幅值的誤差小于2%。

當VBUS和VMOT的頻差較大時，根據(jù)頻差信號使用頻率調(diào)節(jié)脈沖（F+/F-）來進行快速粗調(diào)，頻率的精度對快速粗調(diào)沒有影響。當VBUS和VMOT的頻差小于1 Hz時，根據(jù)頻差信號使用頻率調(diào)節(jié)脈沖（F+/F-）來進行慢速微調(diào)，當頻率調(diào)節(jié)處于慢速微調(diào)時才允許進行電壓調(diào)節(jié)。

2 應(yīng)用場景

以3號電動機變頻電源切換為例，如圖5所示。

圖5 3號電動機變頻電源切換圖

雙變頻系統(tǒng)的切換有兩個應(yīng)用場景，一是手動并列操作，即在斷開主變頻電源前的并列操作；二是同期捕獲，主變頻電源先斷開，快速捕捉兩套變頻電源的同期點，若捕捉失敗，則采用殘壓切換。

2.1 手動并列

當主變頻電源需例行檢修時，為實現(xiàn)變頻電源的無擾切換，首先低頻同期裝置快速跟蹤電動機機端電壓和頻率，調(diào)整備用電源的電壓和頻率，使其接近主變頻電源，當兩個電源滿足式（1）所示條件時，發(fā)出并列命令。

并機完成后，延時0.5~1 s，原主變頻電源切除，如沒有及時切除，備用變頻電源則跳開，以避免長時間雙路電源的并列運行。

2.2 同期捕獲

當主變頻電源發(fā)生故障時，電動機機端電壓和頻率將隨電動機轉(zhuǎn)速的下降而下降，如果備用變頻電源的頻率低于主電源正常工作時的頻率，則在電動機機端電壓衰減過程中主變頻電源頻率會與備用電源頻率相交，同期裝置檢查頻差、幅差和角差，當均小于設(shè)置的同期點時，同期裝置發(fā)出斷路器合閘命令。

頻差和角差判斷公式為（2）和（3）：

圖6同期捕獲矢量圖

圖7 角差軌跡

如果頻差在1 Hz瞬間的初始角度大-180 °，有兩個機會滿足角差。

2.3 殘壓同期

在“同期捕獲”模式下，低頻同期裝置將檢查同期點和電機殘壓幅值，如果殘壓幅值小于設(shè)定值，則無論頻差、幅差和角差如何，斷路器都會發(fā)出合閘命令。

3 結(jié)論

本文提出了一種可應(yīng)用于大型火力發(fā)電廠及石化企業(yè)的雙變頻電源系統(tǒng)，在保證安全生產(chǎn)的同時實現(xiàn)了節(jié)能：為了在變頻母線和工頻母線間切換電機負載，采用低頻檢同期裝置來提供常規(guī)檢同期功能和10～55 Hz的寬頻工作范圍；對同期切換，在電機斷開前進行并機操作；對同期捕獲，在電源切換前直接斷開，同期裝置在電機殘壓衰減期間滿足同期條件，否則通過殘壓方式合閘。