汇川技术HD9X系列高压变频器在40MW垃圾焚烧发电厂应用

一、引言

垃圾焚烧处理方法中，垃圾的燃烧过程，本质上是质量传递、热传递、动量传递、化学反应、结构变化等物理化学反应综合在一起的一个复杂过程。其中，垃圾焚烧余热的利用成为人们普遍关注的问题，其利用方式主要有三种：发电、供热和热电联产，受我国可再生能源的影响，绝大多数垃圾焚烧余热都是用于发电，极少部分开始用于供热或热电联产。利用垃圾焚烧发电，可以有效利用能源，解决垃圾围城的环境污染问题。

二、电厂发电工艺介绍

2.1该项目实施的垃圾焚烧发电厂为凝汽式垃圾焚烧电厂。

2.2垃圾焚烧发电厂主要包括以下六个系统：

2.3垃圾焚烧发电厂汽水系统基本流程及组成：

图2汽水系统工艺流程图

过热蒸汽——〉主蒸汽管道——〉汽轮机（冲动汽轮机叶片转动，带动发电机旋转产生电能，自身温度、压力下降）——〉凝汽器（被冷却水/循环水冷却）——〉凝结水汇集在凝汽器中的热水井中——〉经凝结水泵打至低压加热器中加热——〉由除氧器除氧并继续加热成为锅炉给水——〉经给水泵升压和高压加热器加热后送入锅炉汽包

2.4引风机工艺介绍：

根据GB50049-94《小型火力发电厂设计规范》规定：对于锅炉风机裕量不宜小于计算风量的10%，压头不宜小于计算压头的20%。垃圾焚烧发电厂的运行工况特点：机组的大修周期较短；设备常因腐蚀等原因发生泄漏，引起风量增加；因长期运行、管道积灰和堵塞等原因引起烟道阻力增加；锅炉掺烧煤种的变化也可能引起风量和压力的变化等。基于上述原因，在对锅炉风机选型时，风量和压头的裕量达到20%-30%是比较常见的。由于生活垃圾可燃烧成分的多样性，当供热负荷发生变化时，在锅炉低负荷运行工况下对风机的调节尤其重要。

对于垃圾焚烧发电厂，主要通过引风机来调节锅炉炉膛要求的压力，使炉膛保持在一定的负压，确保焚烧及烟气净化系统正常稳定运行。当变频器故障后，炉膛压力变化波动较大，因此需要系统停机，等待变频器修复，因此对变频器可靠性要求较高。

三、项目概况

该项目实施的垃圾焚烧发电厂工程建设规模为40MW机组，每套配有引风机4台，功率为10kv/560KW。由于机组负荷的变化挡板控制，导致部分能量浪费，而且控制效率低；改造后采用高压变频器调节速度，机组风机高效运行，达到生产效率及用电方面节能。

四、变频系统方案

4.1现场电机参数

4.2风机参数

4.3高压变频器选型

根据现场电机参数及实际运行需求，对高压变频器进行如下选型：

4.4方案介绍

该项目实施的垃圾焚烧发电厂采用汇川技术生产的HD9X系列高压变频器，采用自动一拖一控制方案。变频调速系统接入电厂现有的DCS系统，DCS根据生产的负荷情况，对风机风量进行实时控制，并且对4台高压变频器运行状态进行集中监控。

4.4.1一次系统方案

4台450KW引风机均采用一拖一自动切换方案。其主回路如下图所示：

图3 一拖一自动旁路变频器方案

方案说明：

KM1、KM2、KM3为3个接触器，其中KM1、KM2处于变频运行回路上，KM3为用户工频回路接触器。KM2与KM3采用机械和电气互锁，确保不向变频器输出端反送电。

当变频运行时，KM1、KM2闭合，KM3断开，合上高压开关柜QF1，电机变频运行；

当工频运行时，KM1、KM2断开，KM3闭合，合上高压开关柜QF1，电机工频运行。

这是高压变频器工变频自动切换的典型应用。

4.4.2控制系统方案

采用集控DCS给定模拟信号控制变频器输出频率，变频器作为DCS的执行机构，即使发生模拟信号给定掉线或短路时，变频器不仅可以提供报警信号，也可以同时保持原有输出频率不变。

高压变频器与DCS系统有较好的接口能力，其控制部分由高速DSP+RAM+FPGA作为核心的处理器共同构成。DSP实现矢量控制算法和功率单元的保护。人机界面提供友好的全中文监控界面，同时可以实现远程监控和网络化控制。DCS系统与高压变频器之间的信号开关量15个，模拟量3个，共有18个；DCS系统与旁路柜之间的信号3个，均为开关量信号在0~50Hz范围内运行。具体接口信息如下：

图4  端口通信图

变频器采用三线式或两线式控制模式均可，通过DI9、DI10两个端口分别控制变频器启动、停止，频率给定采用4~20mA模拟量信号，对应变频器输出频率0~50Hz； 

与高压开关柜联锁信号：

1）合闸允许：常开接点，闭合有效，此信号串联在供电高压开关柜的合闸回路中，当变频器自检完成或系统处于工频状态时，信号闭合，允许用户合高压电；

2）高压跳闸：常闭接点，断开有效，此信号并联在供电高压开关柜的分闸回路上，当变频器发生重故障或急停信号有效时，分断用户高压电；

变频器DO信号：

以上输出信号全部为独立无源干接点，默认为常开接点，闭合有效，容量大小为250V AC 5A。

变频器DI信号：

以上输入信号仅需客户提供独立无源干接点，脉冲信号，除急停外，其它信号均默认为常开接点，闭合有效；

变频器AI信号：

变频器AO信号：

注：如果有特殊接口需求，可提前与我公司联系，进行定制.

五、汇川HD9X系列高压变频器可靠性保障

1、先进的异步电机磁链闭环矢量控制算法

HD92系列高压变频器具备独有的磁链闭环矢量控制技术，基于电机d-q轴数学方程式解析，通过对电机的磁链、电流进行解藕，完成对磁链、电流闭环控制。从矢量控制最基层的角度全面掌握电机运行曲线，实现了对电机的磁链闭环矢量控制。控制算法框图如下：

图5：矢量控制算法框图

这种矢量控制算法在保持较高动态性能的基础上，克服了转子电阻、电感参数对调速系统性能的影响。对电机转速控制精度高，加速时电流环响应快，低频运行时转矩响应可达750rad/s，并且能够实现更高的节电效率。磁链闭环矢量控制算法解决了挤出机启动转矩大，加速大电流，稳速精度高等高要求，保证了产线可靠运行。

2、可靠的非对称机械旁路技术    

汇川HD92高压变频器功率单元采用两电平拓扑结构，输出采用机械旁路设计，整个功率单元由全桥整流、直流滤波、逆变三大部分组成，功率单元拓扑结构如下：

图6：功率单元拓扑图

功率单元整体拓扑结构为交一直一交三相整流/单相逆变输出结构.整流侧为二极管三相全桥整流，将输入的三相交流整成直流，并通过电容器滤波。逆变侧为IGBT模块H桥单相逆变，通过对逆变桥进行SPWM控制，得到正弦的单相交流输出。其中每个单元均配备了机械旁路功能，同时采用非对称旁路技术，可靠性与稳定性大大提升。

图7：非对称旁路技术示意图

如上图所示，HD92系列高压变频器采用单元级联方式，当其中某个单元出现故障后，通过非对称旁路技术可以使系统不停机运行。HD92的非对称技术可以实现比传统旁路方案更高的电压输出幅值，电压输出能力相比传统方式最高能提高20%，这使得整个系统的可靠性大大提高。

3、柔和快速的飞车启动功能

HD92系列高压变频器具备飞车启动功能，能够在未知电机旋转速度的状况下启动变频器，变频器自动进行频率搜索，直至搜索到与电机实时旋转频率相符的频率，此时变频器输出相应频率，并控制电机旋转至指定频率，此技术能有效减少瞬间停电对挤出机生产的影响以及对电网的冲击，避免了胶料因意外停机凝固在螺杆中的情况。现场调测时的波形图如下。

图8：飞车启动波形图

4、长寿命设计

汇川技术HD9X系列高压变频器全部采用85℃10000小时长寿命电容，使用寿命为普通电解电容的5倍以上，确保了变频器的使用寿命；

六、总结

汇川技术依托多年的自动化行业的应用经验，对电力行业的变频应用具有独到的方案解决能力，汇川技术高压变频器不仅在电厂的风机上有良好的运行，在电厂端的循环水泵、凝结水泵、给水泵等都有良好的运行案例， HD9X系列高压变频器得到了电力客户的一致好评，汇川技术有限公司生产的高压变频器为采用矢量控制技术的高性能变频器，产品适用于电力、冶金、化工、市政、橡胶等多个应用领域，公司一直本着以用户的实际需求来创造产品，给用户提供最佳的控制方案为宗旨，在各行业得到用户的一致认可！