姚新陽，黃學良，王正齊，顧文，蔣琛，唐一銘

（1.東南大學電氣工程學院，江蘇 南京 210096；2.江蘇方天電力技術有限公司，江蘇 南京 211102）

火電廠風機系統(tǒng)低電壓穿越解決方案

姚新陽1，黃學良1，王正齊1，顧文2，蔣琛2，唐一銘2

（1.東南大學電氣工程學院，江蘇 南京 210096；2.江蘇方天電力技術有限公司，江蘇 南京 211102）

針對火電廠風機系統(tǒng)無速度傳感器V/f控制的高壓變頻器，提出了一種按失電時間分別測量定子剩磁電壓或?qū)⒍ㄗ与娏魇噶糠纸獾霓D(zhuǎn)速估算方法，從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)速跟蹤再啟動。對該方法進行了全系統(tǒng)的Matlab仿真和分析。研究表明，該方法能在1～2 s內(nèi)準確跟蹤風機轉(zhuǎn)速，并迅速使轉(zhuǎn)速恢復正常，實現(xiàn)系統(tǒng)低電壓穿越，防止因變頻器低電壓保護造成火電機組停機、甚至大范圍停電等事故。

風機系統(tǒng)；高壓變頻器；無速度傳感器；轉(zhuǎn)速跟蹤再啟動；低電壓穿越

火電廠一類輔機中，風機系統(tǒng)的工作狀態(tài)直接影響到鍋爐系統(tǒng)的工作狀態(tài)，如送風機全停、風量小于25%等條件會引發(fā)機組MFT動作及機組RB［1］，待風機轉(zhuǎn)速降到零以后勘察事故原因，再人工重啟。整個過程中機組其他設備都要相應停機，汽輪機停止發(fā)電，耗時極長，損失巨大。近年來，風機系統(tǒng)進行了大量的變頻改造，但大多數(shù)火電機組的輔機高壓變頻器不具備低電壓穿越能力［2］，當輸入電壓降至額定值的65%以下時，便會自動停止輸出，退出運行［3］。為減小損失，在發(fā)生暫態(tài)性電壓降落時，要提高變頻器—輔機系統(tǒng)的低電壓穿越能力，盡量保持風機轉(zhuǎn)速與輸出平穩(wěn)。因此，解決火電廠風機系統(tǒng)低電壓穿越問題迫在眉睫。

若要從根本上解決該問題，必須要在失電源期間為高壓變頻器提供能量支撐。例如在高低高型高壓變頻器直流母線上增加儲能。但目前大多數(shù)高壓變頻器都采用級聯(lián)結構，并無統(tǒng)一的直流母線，同時，風機的功率大多為兆瓦級，所需要的蓄電池容量極大，成本非常高。

風機系統(tǒng)中，電機轉(zhuǎn)子及所帶葉片的轉(zhuǎn)動慣量很大，從旋轉(zhuǎn)狀態(tài)到靜止狀態(tài)的自由停車時間可達幾十min甚至幾h［4］。而電壓暫態(tài)性故障時間只持續(xù)幾s。如果在電壓恢復時，能重新啟動旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的風機，使風機的運行狀態(tài)和火電機組的出力迅速恢復到正常狀態(tài)，避免大范圍停機，實現(xiàn)低電壓穿越。因此，轉(zhuǎn)速跟蹤再啟動，即飛車啟動應運而生。

目前，轉(zhuǎn)速跟蹤再啟動包括如下幾種方法。

1）在電機軸上安裝測速裝置，如軸編碼器［5］等。當系統(tǒng)恢復供電時，控制系統(tǒng)以編碼器中的速度值為起始點進行重新啟動。但額外的硬件設備增加了系統(tǒng)的成本，也降低了系統(tǒng)的可靠性。

2）檢測定子反電動勢（即剩磁電壓）的頻率。但由于轉(zhuǎn)子電流衰減得很快，該方法對檢測時間要求很高。

3）變頻器直流側最小電流法。給電機定子一定的搜索電壓，直流側的電流最小時，定子的同步轉(zhuǎn)速就接近轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。但由于通用高壓變頻器的直流環(huán)節(jié)沒有電流傳感器，此方法在實際工況中難以實現(xiàn)［6］。

4）V/f曲線電壓比較法。西門子變頻器手冊［7］提到該方法，即保持定子端的輸入電流為恒定的額定電流，將變頻器輸出電壓與V/f曲線上的電壓計算值做比較。但實際上，V/f曲線與定子電流的物理關系并不明確［8］。

本文提出了一種基于失電時間的轉(zhuǎn)速跟蹤再啟動方法，將檢測剩磁電壓和測量轉(zhuǎn)矩電流相結合，以失電時間與去磁時間的關系作為檢測不同電氣量的判斷標準。該方法無需增加額外的硬件裝置，可以跟蹤到風機的任意轉(zhuǎn)速，可靠性高，而且設置簡單。

1 基于失電時間的轉(zhuǎn)速跟蹤再啟動方法

1.1 計算去磁時間

異步電機正常運行時，轉(zhuǎn)子中存在低頻電流。失電后由于轉(zhuǎn)子電阻的存在，轉(zhuǎn)子電流逐漸衰減，定子感應電壓隨之衰減，從斷電到剩磁電壓衰減到接近于零（根據(jù)測量設備的精度，可設置為1%UN）的這段時間稱為去磁時間tqc。去磁時間主要與運行頻率和電機功率有關，運行頻率越高去磁時間越短，電機功率越大去磁時間越長。去磁時間為

其中，系數(shù)k可以通過實驗測量數(shù)據(jù)擬合得出。

1.2 檢測剩磁電壓

失電時間小于tqc時，采用檢測定子剩磁電壓的跟蹤方法。當定子失電時，轉(zhuǎn)子電流不會立即減小到零，在衰減的過程中，轉(zhuǎn)子由于慣性繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速相同的旋轉(zhuǎn)并衰減的氣隙磁場。轉(zhuǎn)速與磁通的乘積得到感應電動勢，此時異步電動機工作在發(fā)電狀態(tài)，定子側將會感應出包含轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速信息的感應電動勢，測量定子電壓的頻率f即可推算出轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n，即

1.3 測量定子轉(zhuǎn)矩電流

失電時間大于tqc時，采用基于轉(zhuǎn)矩電流的跟蹤方法。tqc時間段外，定子電壓和電流均接近于零，因此需要外加激勵產(chǎn)生可測的且含有轉(zhuǎn)速信息的電氣量，從而判斷轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的大小。本文采用在定子側施加測試電壓，以定子電壓矢量定向，測量定子電流的轉(zhuǎn)矩分量，直至轉(zhuǎn)矩分量接近于零，此時，測試電壓頻率對應的同步轉(zhuǎn)速即為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。

為防止電動機處于發(fā)電狀態(tài)，使變頻器電容電壓泵升過壓，故搜索過程從高于電機轉(zhuǎn)子頻率起，考慮所有可能性取最高50 Hz，故搜索頻率從50 Hz向0 Hz變化。同時，搜索電壓產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩不能大幅度改變電機原有的工作狀態(tài)，也不能使定子電流過大，因此電壓幅值約為10%UN，實際運用時可根據(jù)電機轉(zhuǎn)動慣量大小做相應調(diào)整。

按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的mt坐標系中的電磁轉(zhuǎn)矩表達式為

因此，當轉(zhuǎn)子磁鏈Ψr恒定時，可認為電磁轉(zhuǎn)矩與定子電流轉(zhuǎn)矩分量it成正比，it反映出電磁轉(zhuǎn)矩的大小和方向。

但按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的方法分解定子電流時，要測量轉(zhuǎn)子磁鏈的相位角φ。但重啟動時，轉(zhuǎn)子磁鏈的初始相角并不確定，也無法測量，因此，重啟動時計算定子電流轉(zhuǎn)矩分量并不能直接以轉(zhuǎn)子磁鏈定向。本文采用以定子電壓矢量定向的方法，即令t軸與定子電壓矢量重合，近似求得轉(zhuǎn)矩電流。

感應電機數(shù)學模型中，由于定子阻抗較小，相對于定子感應電勢可以忽略，即同時，定子漏抗也很小，可近似認為定子磁鏈即為氣隙磁鏈。感應電機的矢量圖可以簡化為圖1所示，其中和定子電壓矢量同向，將產(chǎn)生有功功率，可近似認為是定子電流的轉(zhuǎn)矩分量。

圖1 感應電機近似矢量圖Fig.1 Approximate vector diagram of induction motor

圖2 風機定子電流矢量分解示意圖Fig.2 Diagram of fan stator current vector decomposition

由圖2可得：

開始輸入測試電壓的時刻設為t0，高壓變頻器接收的參數(shù)為電壓幅值U和頻率 f,t0時刻初始相角為θ0，則

計算出轉(zhuǎn)矩電流it后，便可根據(jù)其大小和正負判斷是否跟蹤到轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。理論上，如果測試電壓頻率對應的同步速恰好與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速相同，則異步電機轉(zhuǎn)差率為零，不產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，即轉(zhuǎn)矩電流為零。

但實際上，由于采用的是定子電壓矢量定向，忽略了定子阻抗壓降和定子漏抗的作用，并且轉(zhuǎn)矩電流的測量中存在濾波環(huán)節(jié)造成的延時，現(xiàn)場中也有測量誤差和外界干擾，因此，當轉(zhuǎn)矩電流接近于零時即可認為跟蹤到轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。可設定一個轉(zhuǎn)矩電流閾值I0，當轉(zhuǎn)矩電流下降到閾值時，即可認為轉(zhuǎn)速跟蹤成功。

1.4 逐級升壓再啟動

再啟動階段：設當轉(zhuǎn)矩電流達到閾值時，測試電壓的頻率為 fc，幅值為10%UN。該幅值只能使電機產(chǎn)生可測的轉(zhuǎn)矩電流，提供轉(zhuǎn)速信息，不能改變電機的運動狀態(tài)。因此，要使電機能夠盡快恢復到原有工作狀態(tài)，需要提升壓頻比。但若將壓頻比瞬時恢復至額定值，會出現(xiàn)定子過電流的情況。本文方法中令壓頻比逐級上升。設Δf為目標頻率 fN與重啟動初始頻率 fc之差，則頻率增加（0～10%）Δf,（10%～20%）Δf,（20%～30%）Δf期間，壓頻比分別為正常值的50%，80%，90%，之后恢復正常的壓頻比，并升壓至目標值。

因此，轉(zhuǎn)速跟蹤再啟動的實現(xiàn)流程如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)速跟蹤再啟動方法流程圖Fig.3 Flow chart of flying restart

2 仿真與分析

2.1 主電路仿真

針對本文提出的方法，進行了Matlab的仿真驗證。主電路由三相交流電源、高壓變頻器、三相斷路器和風機負載組成，控制電路根據(jù)不同的工作階段分別仿真。

單元級聯(lián)型多電平高壓變頻器是高壓變頻器中廣泛應用的一種拓撲結構，具有控制簡單、可靠性高、諧波小的優(yōu)點［9］。本仿真中的6 kV高壓變頻器采用該拓撲，同時采用以｛-24°，-12°，0°，12°，24°｝為移相角構成的多重移相變壓器，減少了對電網(wǎng)側的諧波污染［10］，整體結構如圖4所示。

圖4 級聯(lián)型高壓變頻器結構圖Fig.4 Structure diagram of the cascaded multicell high-voltage inverter

5級功率單元采用多重移相SPWM調(diào)制，每相需5路形狀完全相同但相角依次相差Ts/5（Ts為三角載波周期）的三角載波和2路幅值相同、相位相反的正弦調(diào)制波。正弦調(diào)制波由2個參數(shù)控制：調(diào)制比m和正弦波頻率f。則Ut=m,Um=0,通過Park逆變換和Clarke逆變換得到調(diào)制波［uAuBuC］T。

輸入不同m和f即可給電機輸入變頻電源，輸出波形如圖5所示。由于多電平輸出，電壓波形非常接近正弦波，并且電壓越大，正弦度越高。

圖5 高壓變頻器輸出電壓波形Fig.5 Output voltage waveforms of high voltage frequency converter

三相斷路器用于在電源電壓下降到65%UN以下時，斷開高壓變頻器與負載的連接。

風機負載采用鼠籠式異步電動機。額定功率2 900 kW，額定電壓6 kV，定子電阻0.063 1 Ω，定子電感5.964 8 mH，轉(zhuǎn)子電阻3.684 9 Ω，轉(zhuǎn)子電感5.964 8 mH，勵磁電感0.258 16 H，轉(zhuǎn)動慣量300 kg·m2，2對極。風機類負載轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的平方成正比，因此本仿真中設TL=4.5×10-3×n2。

2.2 轉(zhuǎn)速跟蹤再啟動控制系統(tǒng)仿真與分析

2.2.1 檢測剩磁電壓的仿真與分析

當失電時間小于tqc時，采用檢測定子剩磁電壓的跟蹤方法?？刂齐娐穼Χㄗ邮４烹妷哼M行過零檢測，將正弦波轉(zhuǎn)換為方波，測量方波上升沿和下降沿的時間差，便可求得方波的頻率，再根據(jù)式（1）推算出電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。仿真電路圖如圖6所示。

圖6 檢測剩磁電壓仿真電路圖Fig.6 Simulation circuit diagram of detecting the remanence voltage

轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、剩磁電壓和用于測頻率的方波波形如圖7所示，隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速自由下降，剩磁電壓的幅值和頻率均相應減小。

圖7 風機轉(zhuǎn)速、定子剩磁電壓及對應方波波形圖Fig.7 Waveforms of fan speed，stator remanence voltage and corresponding square wave

取不同的時刻，計算轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，并與仿真測得的實際轉(zhuǎn)速相比較，結果如表1所示?？梢钥闯?，檢測剩磁電壓測轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的精度較高，誤差很小。

表1 剩磁電壓法下搜索轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速對比Tab.1 Search speed compared with the actual speed under the remanence voltage method

2.2.2 測量轉(zhuǎn)矩電流的仿真與分析

當失電時間大于tqc時，采用測量轉(zhuǎn)矩電流的跟蹤方法。本仿真中，1～2 s變頻器由于電網(wǎng)電壓下降，閉鎖輸出，電機轉(zhuǎn)速自由下降，在此期間剩磁電壓衰減完畢。2～4 s變頻器輸出幅值為10%UN，頻率由50 Hz向0 Hz變化的測試電壓，測量電機轉(zhuǎn)矩電流，直至轉(zhuǎn)矩電流小于閾值6 A（約為空載電流的10%），此時，搜索到轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。仿真電路圖如圖8所示。

圖8 測量轉(zhuǎn)矩電流仿真電路圖Fig.8 Simulation circuit diagram of detecting the torque current

輸出結果如圖9所示，從圖中可以清晰看出，當測試電壓對應的空載轉(zhuǎn)速逐漸接近轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速時，定子轉(zhuǎn)矩電流也逐漸接近閾值。

圖9 變化的測試電壓下定子轉(zhuǎn)矩電流變化情況圖Fig.9 Change trend of stator torque current under the metabolic test voltage

當電機失電轉(zhuǎn)速不同時，搜索到的轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速的誤差大小也不同。在搜索速度均為25 Hz/s時，對比情況如表2所示。

表2 不同失電轉(zhuǎn)速下搜索轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速對比Tab.2 Search speed compared with the actual speed under different losing electricity speed

從表2中可得，該方法能有效捕捉轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，失電轉(zhuǎn)速為中高轉(zhuǎn)速時，誤差較小，但在失電轉(zhuǎn)速較低時，受定子電阻影響較大，誤差較大。因此速度搜索必須考慮下限頻率，當搜索頻率低于下限頻率可認為電機處于靜止，終止速度搜索，將啟動模式轉(zhuǎn)為常規(guī)模式。

同時，由于檢測和濾波環(huán)節(jié)的延遲及電壓電流諧波的存在，轉(zhuǎn)矩電流閾值的設置將在很大程度上影響測量誤差的大小。經(jīng)仿真，閾值設置在約空載電流的10%時，誤差可接受。實際運行時，要根據(jù)現(xiàn)場實驗來設置合適的轉(zhuǎn)矩電流閾值。

當搜索電壓頻率變化的速度不同時，搜索到的轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速的誤差大小也不同。在失電轉(zhuǎn)速均為1 073 r/min時，對比情況如表3所示。可明顯看出，搜索速度越慢，搜索精度越高，但搜索到轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的時間就越長。實際使用過程中，要結合生產(chǎn)要求，綜合選擇搜索速度。

表3 不同搜索速度下搜索轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速對比Tab.3 Search speed compared with the actual speed under different search speed

轉(zhuǎn)速搜索成功后進入再啟動階段，本仿真采用漸進壓頻比升壓法，在搜索到轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速后，壓頻比由搜索時的10%，逐步上升至50%，80%，90%進行磁化，最終到達額定壓頻比。該方法有效保證了啟動電流不會出現(xiàn)過電流現(xiàn)象。全過程中風機轉(zhuǎn)速及定子電壓電流的波形如圖10所示，可見該方法下，定子電流較為穩(wěn)定。

圖10 轉(zhuǎn)速跟蹤再啟動方法下風機轉(zhuǎn)速及定子電壓電流的典型波形圖Fig.10 The typical waveforms figure of fan speed，stator voltage and current using flying restart

2.2.3 轉(zhuǎn)速跟蹤再啟動對風機輸出的影響

風機的輸出流量與其轉(zhuǎn)速成正比，輸出壓力與其轉(zhuǎn)速的平方成正比。輸出流量與輸出壓力的變化趨勢如圖11所示。從斷電到恢復原運行狀態(tài)的整個過程中，輸出流量和輸出壓力存在最小值，且該最小值和電機的轉(zhuǎn)動慣量、斷電時間有關。相同條件下，轉(zhuǎn)動慣量越大，最小值越大；斷電時間越長，最小值越小。

圖11 風機輸出流量與輸出壓力的變化趨勢Fig.11 The tendency of the fan output flow and pressure

采用該功能后，要對機組調(diào)控方式做出一定的修改。不能完全以變頻器或風機的啟停信號作為FSSS的控制信號，而是加入風量等性能指標為考核參數(shù)，在合格范圍內(nèi)則不啟動RB。同時，在停電和重啟動時間段內(nèi)，風機的工作狀態(tài)不可調(diào)控，因此，火電機組的控制系統(tǒng)要將風機的輸出量作為控制命令，協(xié)調(diào)機組其他設備的工作狀態(tài)，穩(wěn)定整個火電機組出力。

3 結論

本文針對火電廠風機系統(tǒng)無速度傳感器V/f控制的高壓變頻器，提出了一種按失電時間分別測量定子剩磁電壓或定子電流矢量分解的轉(zhuǎn)速估算方法，并實現(xiàn)了轉(zhuǎn)速跟蹤再啟動。仿真表明，該方法能有效搜索到轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，使風機再啟動過程平滑穩(wěn)定，實現(xiàn)低電壓穿越，避免對鍋爐等設備造成過大影響。在斷電時間較短、轉(zhuǎn)速變化較小的情況下，風機輸出流量和輸出壓力甚至能基本保持不變，機組出力基本保持平穩(wěn)。

［1］楊成民.300MW火電機組仿真運行［M］.北京：中國電力出版社，2009.

［2］張彥凱，智勇，拜潤卿，等.火電廠輔機變頻器低電壓穿越能力的研究［J］.電氣傳動，2014，44（11）：55-58.

［3］付淑波，張春暉，張志新.高壓變頻器掉電恢復自動重啟功能的探討［J］.黑龍江電力，2009，31（4）：299-300.

［4］宋瑞智，劉賀平，趙敏.高壓變頻器瞬時停電再啟動方法的MATLAB仿真［J］.電機與控制應用，2010，37（8）：54-58.

［5］蔣世用，成凌飛，李金格.高壓變頻器瞬時失電再啟動的新型實現(xiàn)方法［J］.煤炭工程，2012（2）：12-14.

［6］王宏英，龔世纓.電機重啟動的控制策略［J］.電氣傳動，2013，43（7）：68-71.

［7］西門子（中國）有限公司.SIEMENS MicroMaster4 MM440操作手冊使用大全［Z］.2002：104-107.

［8］趙文才，金富寬，王傲能，等.一種異步電機再啟動時轉(zhuǎn)速估算方法［J］.電氣傳動，2012，42（9）：11-15.

［9］李柱炎.單元級聯(lián)型多電平高壓變頻器的研究［D］.武漢：華中科技大學，2012.

［10］陳瓊.H橋級聯(lián)型高壓變頻器的仿真與實驗［D］.長沙：湖南大學，2010.

Solution of Low Voltage Ride Through of Fan System in Thermal Power Plant

YA0 Xinyang1，HUANG Xueliang1，WANG Zhengqi1，GU Wen2，JIANG Chen2，TANG Yiming2
（1.School of Electrical Engineering，Southeast University，Nanjing 210096，Jiangsu，China；2.Jiangsu Frontier Electric Technology Co.，Ltd.，Nanjing 211102，Jiangsu，China）

In order to realize flying restart，a new speed estimation method based on stator residual magnetism voltage or the vector decomposition of stator current determined by power losing time was proposed，which aimed at high-voltage inverter using speed sensorless V/f control in thermal power plant fan system.Then，the whole system was simulated and analyzed by Matlab.Study shows that this method can track the fan speed precisely in 1～2 s and make the speed return to normal fast.Low voltage ride through is achieved and thermal power unit downtime or widespread power outages caused by the converter low voltage protection is prevented.

fan system；high-voltage frequency converter；speed sensorless；flying restart；low voltage ride through

TM921

A

10.19457/j.1001-2095.20161012

2015-09-10

修改稿日期：2016-03-10

江蘇省電力公司科技項目（J2015007）

姚新陽（1991-），女，碩士在讀，Email：yxy19911005@163.com