荣  凯1    刘明光1   张元吉1   刘兴状1

（1.开云(中国)电子科技股份有限公司   山东   272500）

       摘要  采用单元级联主回路拓扑结构的四象限变频器装置，具有能量回馈功能。可实现汽轮机不同转速下的发电工况。它相比传统的汽轮机发电具有转速可调、无扰并网、发电控制精准、操作方便、可靠性高等优点，具有很高的推广价值。

      关键词：单元级联  四象限  无扰并网  汽轮机  可调转速

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

为了节省电力成本并充分利用工业剩余蒸汽（过热蒸汽或饱和蒸汽），解决环境污染、创造更好的经济和社会效益，在工业生产过程中，广泛应用汽轮机、异步电动机联合驱动技术。该技术大多采用汽轮机驱动电机直接发电，电机频率为固定50Hz不可调[1]。该技术的系统方案如图1所示。

该技术的应用一定程度地解决了节省电力成本和工业剩余热能利用的问题，但仍然存在余热不能充分利用、驱动系统无法调速，不能满足生产工艺对机械设备速度调节的要求，同时也会造成能源的二次浪费，并网发电时出现冲击过大情况。

图1传统工业剩余蒸汽利用系统

为了解决传统工业剩余蒸汽利用系统的不足，最大限度地节省电力成本、充分利用工业剩余蒸汽，获取更大的经济效益，本文推广应用了汽轮机、电机联合驱动、四象限变频调速及汽轮机、电机联合发电技术。

2  汽轮机、电机联合驱动、变频调速及异步电机发电驱动系统

2.1  系统原理说明

图2四象限变频调速及发电系统

四象限变频调速及发电系统如图2所示，在传统工业剩余蒸汽利用系统中，增加四象限变频器，工频50Hz电网接入AC/AC四象限变频器，四象限变频器输出接电机，电机既可以工作在电动状态，也可以工作在发电状态。

当气源不足，汽轮机不能工作时，四象限变频器拖动电机，电机驱动风机或水泵，处于电动状态。整个系统处于变频调速的电动状态，有效实现工业用电的节能环保。当气源充足时，汽轮机拖动风机或水泵运行，将多余的能量通过发电的形式传递给四象限变频器，四象限变频器将能量回馈到电网，实现汽轮机发电工作。汽轮机可以在工艺允许的范围内可调转速，而发电回馈到电网的电能始终保持50Hz。

2.2  四象限变频器系统结构

图3四象限变频器系统结构

电网电压输入连接到四象限变频器的移相变压器上，移相变压器将电压转换为独立的三相690V电压，给每个功率单元供电。移相变压器的作用：第一是将高压降低为低压，给每个功率单元供电；第二是给每个功率单元提供独立的电源，可以使单元进行级联，第三是移相变压器采用延边三角形结构，使单元的输入电压进行移相，减小了对电网的谐波无污染，为真正的完美无谐波。单元级联通过载波移相技术可以使输出电压谐波变小。完善的控制系统，主控系统采用高速DSP为控制核心，控制算法完全数字化，主控箱与功率单元采用高速光纤通讯。

2.3  单元级联技术

图4功率单元结构

功率单元内部原理图如图4所示，移相变压器次级绕组连接到功率单元的三相输入，三相输入经过三相桥回馈/整流IGBT回路连接单元直流母线电容，直流母线电压经过IGBT组成的H桥，输出PWM波形。在电动模式下，三相输入经过三相桥回馈/整流IGBT回路进行整流滤波后提供给直流母线能量支撑。在发电模式下，三相输入经过三相桥回馈/整流IGBT回路将直流母线能量回馈到电网。

图5单元级联示意图

单元级联如图5所示，由于每个单元的输出电压是相互独立的，单元的输出可以级联在一起，单元的控制信号是通过光纤与主控系统通讯，主控将PWM波信号通过下行通讯光纤传递给每个功率单元，每个功率单元通过相应的单元的保护动作通过上行通讯光纤上传给主控系统。主控产生的PWM信号为载波移相后的PWM信号，单元级联后输出的电压谐波很小。

单元级联输出电压采用自动稳压技术，母线电压高时，输出调制波相应减小，母线电压低时，输出调制波相应增加，可以解决由于负载不平衡导致母线电压不一致，从而出现输出电压不平衡的问题。

2.4  无扰并网

根据三相交流异步电动机同步转速计算公式 n0=60×f/r（f-电源频率，r-电动机极对数）可以看出，电动机的同步转速完全决定于三相交流电源频率[2]。电机的机械特性如图6所示，

图6  改变电源频率的异步电机机械特性

在图6中，当电机转子转速不变的情况下，改变电机电源频率，就可使电机工作在电动或发电状态。并控制电机的转差控制输出转矩。通过对变频器输出电源频率的调整，再配合汽轮机进气量的调节，可实现电动机由电动状态到发电状态的任意转换，同时也可实现电动机速度的灵活调整。

汽轮机投入运行，当气源过剩时，驱动机械系统所需要的力矩逐步被汽轮机的输出力矩所替代，进而电动机的输出力矩由Mn变化为-Mn，变频器和电动机逐渐由第一象限过渡到第二象限，电动机由电动状态逐步变化为发电状态。此时，变频器也由电源输出状态转变为能量回馈状态（第二象限），将电动机发出的任一频率的三相交流电回馈为50Hz的工频电，实现发电机与电网的无扰并网。

四象限变频器将电机的发电功率回馈到50Hz电网的控制原理如图7所示。控制电路通过实时检测输入电压信息，将发电机的能量精准的回馈到电网，在并网回馈的切换控制中无任何冲击，真正无扰并网回馈。

图7  无扰并网能量回馈控制原理

3  结束语

汽轮机、电机联合驱动、四象限变频调速及汽轮机、电机联合发电技术，在工业剩余蒸汽（过热蒸汽或饱和蒸汽）现场，得到很好的应用验证，相信此技术在工业剩余蒸汽（过热蒸汽或饱和蒸汽）现场节能减排方面必然有更大的发展和应用。

参考文献 

[1] 周红卫,刘本明,王志.浅谈发电厂锅炉汽轮机组协调控制系统[J]. 民营科技, 2010(03):11.

[2] 问泽杭，莫兆祥. 基于四象限高压变频器的水泵机组反向发电探讨[J].水力发电,2011,37(2): 75-76.

作者简介

荣凯  男，1986年生，电气工程师  现工作于开云(中国)电子科技股份有限公司，从事电力电子技术工作