双变频电源切换在电力系统中的应用

刘慧瑾张大鹏邢锦磊

1.上海上电漕泾发电有限公司

2.上海商汤科技开发有限公司

3.施耐德电气（中国）有限公司

0 引言

在大型火力发电厂和石油石化企业中，许多泵、风机都是由电机驱动的，而这些电机以固定转速运行时，低负载阶段工作效率很低，导致大量的电能浪费，因此采用变频器是实现节能的重要手段。对重要的电动机，由于关系到生产安全，不允许中断供电，因此需配置双套变频电源，一套运行，一套备用。为节约投资及考虑到两台电动机变频电源同时故障的概率较小，且可轮流检修等，故常采用多套主变频共用一套备用变频电源的方案。

图1为某石化企业3台大功率电动机配电系统一次单线图。10 kV母线四分段通过4套变频器对3台高压电动机进行供电，通过变频器下的旁路母线及馈线不仅保证了3台电动机及变频器的正常运行，还保证了变频器检修维护时，通过倒闸供电回路保证电动机的正常工作。

图1 某石化企业配电系统一次单线图

1 低频准同期装置

传统的自动同期装置除完成发电机的自动并机外还对手动并机进行监控，但该同期装置只能在50 Hz或60 Hz工频附近运行，如要满足变频并机，需将同期装置工作频率范围调整到5～55 Hz之间［1］。

1.1 基本功能

为实现自动准同期，同期装置需具备测量、频率跟踪、频率与电压调节脉冲和检同期子功能模块。

(1)测量子功能模块

测量子功能模块对备用变频母线电压VBUS和电动机机端电压VMOT的电压幅值、相角、频率进行采集和监视，以计算这两个实时电压的幅差、频差和角差。

(2)频率跟踪子功能模块

VMOT用作频率跟踪，其采样率需根据电动机机端电压最新频率进行调整，以保证低频下信号精度。VBUS和VMOT要采用相同的采样率，当两个电压信号间的频差增加时，VMOT的测量精度会下降。当VBUS和VMOT间的频差大于1 Hz时，检同期将VBUS视作无效值，会闭锁电压调节功能，不允许断路器合闸。

(3)频率与电压调节脉冲子功能模块

当两个电压间的频差大于设定值ΔFset（0.1～0.2 Hz）、幅差大于ΔUset（1%～5%Un）时，需频率与电压调节脉冲子模块来调节备用变频系统的输出。另外，由于VBUS和VMOT间的频差大于1 Hz时，电压调节会被闭锁，故只有在小频差时电压调节才有意义。脉冲宽度调节与频差、压差成正比，缩放系数df/dt和du/dt可以根据励磁系统和调速器的特性进行调整。

(4)检同期子功能模块

检同期子功能模块用来检测断路器上侧有无电压，如果有压且两个电压信号的矢量角差、频差和幅差在允许范围内时，才允许给断路器发合闸命令。

检同期用于：①手动并机操作时对其输出进行监视。手动操作输出节点与断路器通过硬接线连接，避免手动并机的误操作。②自动同期的执行。当角差接近零时，通过实时频差和断路器合闸时间计算同期点并自动同期。检同期功能如图2所示［2］。

图2 检同期功能

自动同期逻辑如图3所示。

图3 自动同期逻辑图

1.2 频率跟踪详述

快速频率跟踪和采样频率调整功能用来保证频率在10 Hz到55 Hz间的宽范围操作。

初始采样率可采用2 400 Hz，为系统工频50 Hz的48倍。基于傅里叶变换，每个采样周期内电压相位角都会被计算的原理，当电压信号采样频率与采样中心频率基本相同时，两个连续正弦波的相位角也基本一致，因此当电压信号频率发生变化且与采样中心频率不同时，两个连续正弦波之间会存在角差，根据角差即可得出频差，根据频差调整采样中心频率，经多轮迭代后，采样中心频率与电压信号频率基本一致。频率跟踪过程如图4所示。

图4 频率跟踪过程图

在低频同期装置中，有两个电压输入信号，但采样频率的调整是基于VMOT频率跟踪来实现的。当VBUS和VMOT之间存在较大的频差时，VMOT测量值的幅值和频率精度会降低，当频差小于1 Hz时，频率的误差小于0.05 Hz，幅值的误差小于2%。

当VBUS和VMOT的频差较大时，根据频差信号使用频率调节脉冲（F+/F-）来进行快速粗调，频率的精度对快速粗调没有影响。当VBUS和VMOT的频差小于1 Hz时，根据频差信号使用频率调节脉冲（F+/F-）来进行慢速微调，当频率调节处于慢速微调时才允许进行电压调节。

2 应用场景

以3号电动机变频电源切换为例，如图5所示。

图5 3号电动机变频电源切换图

双变频系统的切换有两个应用场景，一是手动并列操作，即在断开主变频电源前的并列操作；二是同期捕获，主变频电源先断开，快速捕捉两套变频电源的同期点，若捕捉失败，则采用残压切换。

2.1 手动并列

当主变频电源需例行检修时，为实现变频电源的无扰切换，首先低频同期装置快速跟踪电动机机端电压和频率，调整备用电源的电压和频率，使其接近主变频电源，当两个电源满足式（1）所示条件时，发出并列命令。

并机完成后，延时0.5~1 s，原主变频电源切除，如没有及时切除，备用变频电源则跳开，以避免长时间双路电源的并列运行。

2.2 同期捕获

当主变频电源发生故障时，电动机机端电压和频率将随电动机转速的下降而下降，如果备用变频电源的频率低于主电源正常工作时的频率，则在电动机机端电压衰减过程中主变频电源频率会与备用电源频率相交，同期装置检查频差、幅差和角差，当均小于设置的同期点时，同期装置发出断路器合闸命令。

频差和角差判断公式为（2）和（3）：

图6同期捕获矢量图

图7 角差轨迹

如果频差在1 Hz瞬间的初始角度大-180 °，有两个机会满足角差。

2.3 残压同期

在“同期捕获”模式下，低频同期装置将检查同期点和电机残压幅值，如果残压幅值小于设定值，则无论频差、幅差和角差如何，断路器都会发出合闸命令。

3 结论

本文提出了一种可应用于大型火力发电厂及石化企业的双变频电源系统，在保证安全生产的同时实现了节能：为了在变频母线和工频母线间切换电机负载，采用低频检同期装置来提供常规检同期功能和10～55 Hz的宽频工作范围；对同期切换，在电机断开前进行并机操作；对同期捕获，在电源切换前直接断开，同期装置在电机残压衰减期间满足同期条件，否则通过残压方式合闸。