火電廠輔機變頻器低電壓穿越能力的研究

張彥凱，智勇，拜潤卿，安亮亮，梁福波

（國網(wǎng)甘肅省電力公司電力科學研究院，甘肅蘭州730050）

1 引言

近年來，發(fā)電企業(yè)在許多火電機組輔機設計上大量使用變頻器技術(shù)，變頻器在實現(xiàn)電機的無極調(diào)速、輔機軟啟動、優(yōu)化設計、經(jīng)濟運行等方面具有極大的優(yōu)勢［1-2］。但是，目前大多數(shù)火電機組的輔機變頻器低電壓穿越能力較差，有的甚至不具備低電壓穿越能力［3］。近年來火電廠發(fā)生多起系統(tǒng)瞬時故障造成火電機組停機的事故，原因即為在短時低電壓或短時中斷給煤機變頻器閉鎖退出運行，造成爐膛滅火保護（MFT）動作停機［4-5］?；痣姀S由于低電壓引發(fā)的跳機問題，引起了國網(wǎng)公司的高度重視［6-7］。本文針對火電機組不具備低電壓穿越的問題，提出解決方法，提高火電機組輔機低電壓穿越能力，保障火電機組與輔機連續(xù)穩(wěn)定運行。

2 典型變頻器結(jié)構(gòu)及數(shù)學模型

變頻器分主回路、控制及保護回路3 部分，主回路對輸入電壓進行整流、濾波，輸出電壓和頻率可調(diào)的電能，如圖1 所示?？刂苹芈穭t主要根據(jù)外部的運行指令進行運算并發(fā)出控制指令對逆變功率模塊進行控制，對于需要更精確速度或快速響應的場合，常常要對主回路直流部分和交流輸出部分進行檢測運算。保護回路則用來防止因變頻器主回路的過壓、過流引起的器件損壞，還可保護異步電動機及傳動設備等。

圖1 典型變頻器結(jié)構(gòu)Fig.1 Typical variable frequency drive structure

電壓源型變頻器中，大多采用半橋或者全橋結(jié)構(gòu)。本文以圖2所示的全橋為例進行分析。以電感電流iL和電容電壓uC為狀態(tài)變量，逆變橋中點輸出電壓us和輸出電流i0為輸入變量，系統(tǒng)時域下的狀態(tài)方程可列寫為

經(jīng)過拉式變換，可得到頻域下uC的表達式：

式中：負載電流i0可視為外界對系統(tǒng)的擾動。當系統(tǒng)空載時，有

圖2 單項全橋逆變電路Fig.2 Single-phase inverter full bridge diagram

3 變頻器低電壓穿越

3.1 變頻器低電壓穿越問題

近年來電力電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，使得具有調(diào)速精確、簡單實用、保護功能齊全的變頻器廣泛使用。但由于電網(wǎng)電壓不穩(wěn)定，導致變頻器在使用中產(chǎn)生了新的問題：變頻器低壓保護跳閘（即低電壓穿越）。低電壓通常都是瞬時和短時的，對傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)影響較小，而對變頻器則會產(chǎn)生低壓保護跳閘導致電機停機，影響生產(chǎn)和安全。

3.2 輔機變頻器低電壓穿越現(xiàn)狀

目前，火電廠煤粉爐的給煤、給粉機、預熱器、空冷風機系統(tǒng)成為自動化程度最低的薄弱環(huán)節(jié)，特別是電廠內(nèi)部控制給煤給粉機、預熱器、空冷風機的變頻器低電壓保護跳閘問題，對電廠影響尤為嚴重。在實際使用過程中，因為電網(wǎng)發(fā)生低電壓穿越或備自投切換時，廠用電電壓瞬時或短時低于變頻器低電壓保護整定值（根據(jù)變頻器型號不同該值也不同）時，各種低壓變頻器低壓保護會動作，并同時會給FSSS（鍋爐安全監(jiān)控系統(tǒng)）發(fā)出停止信號，引起MFT動作，而廠用電和變頻器母線低電壓保護整定值通常低于變頻器低電壓保護整定值，線路中的其它設備還在正常工作，變頻器跳閘，迫使FSSS 停爐，給電廠帶來很大的經(jīng)濟損失，也成為現(xiàn)在電廠安全事故的高發(fā)區(qū)，同時也是目前電廠面臨的比較大的問題，只有很好地解決該問題，才能保證電廠安全、可靠、高效的正常運行，避免停爐事故發(fā)生。

3.3 變頻器低電壓穿越限值要求

當外部故障或擾動引起的變頻器進線電壓跌落幅值和持續(xù)時間在低電壓穿越區(qū)內(nèi)時（如表1 和圖3 所示），變頻器應能夠保障供電對象的安全運行。驗證發(fā)電機組一類輔機在電網(wǎng)電壓跌落時（由380 V 的額定值分別跌落至額定電壓的20%、60%，持續(xù)運行時間分別為0.5 s，5 s），變頻器正常工作且出力波動不大于10%。

表1 大型汽輪發(fā)電機組一類輔機變頻器低電壓穿越區(qū)Tab.1 Large turbine auxiliary drive for a class of low voltage ride through area

圖3 大型汽輪發(fā)電機組一類輔機變頻器低電壓穿越區(qū)Fig.3 Large turbine auxiliary drive for a class of low voltage ride through area

3.4 變頻器低電壓穿越接線原理

停用需要測試的火電機組輔機和輔機變頻器電源，進行試驗接線，在變頻器輸入空開兩側(cè)接入電壓暫降發(fā)生儀（暫降儀原理見圖4），將變頻器輸入和輸出電流電壓信號接入電量分析儀，對變頻器的輸出電流電壓進行分析。試驗接線原理如圖5所示。

圖4 電壓暫降發(fā)生儀原理Fig.4 Voltage sag occurs meter principle

圖5 試驗接線原理Fig.5 Test connection principle

在不合變頻器輸入空開情況下合上輔機變頻器電源，操作電壓暫降發(fā)生儀輸出正常的電壓，變頻器正常工作后，運行人員啟動輔機電機，調(diào)整輔機負荷。將電壓暫降儀調(diào)整輸出為20%，0.5 s 狀態(tài)，進行20%低穿試驗；將電壓暫降儀調(diào)整輸出為60%，5 s狀態(tài)，進行60%低穿試驗。

3.5 某火電廠輔機變頻器低電壓穿越測試

圖6～圖9 分別是甘肅某火電廠的給煤機及空預器變頻器電壓跌落至額定60%持續(xù)5 s 和給煤機及空預器變頻器電壓跌落至額定20%持續(xù)0.5 s的波形。

圖6 給煤機變頻器輸入電壓降至60%Fig.6 Stoker converter input voltage drops 60%

圖7 空預器變頻器輸入電壓降至60%Fig.7 Air preheater input voltage drops 60%

圖8 給煤機變頻器輸入電壓降至20%Fig.8 Stoker converter input voltage drops 20%

如圖6 所示。當電壓暫降儀的輸出電壓即給煤機變頻器的輸入電壓跌落至額定60%過程中斷電，給煤機停止工作，輸出功率變?yōu)榱?。圖7 中當電壓暫降儀的輸出電壓即給煤機變頻器的輸入電壓跌落至額定60%過程中斷電，給煤機停止工作，輸出功率變?yōu)榱悖? s 后自啟動。根據(jù)變頻器輸入電壓跌落至額定電壓的60%，要求持續(xù)運行時間為5 s，給煤機與空預器變頻器均不能滿足試驗要求的電壓跌落至60%的低電壓穿越能力。

圖8中電壓暫降儀的輸出電壓降至20%時過程中斷電，給煤機停止工作，輸出功率變?yōu)榱悖?.5 s內(nèi)變頻器自啟動且電壓波動大于10%。圖9中變頻器在輸入電壓跌落至額定20%過程中斷電，空預器停止工作，輸出功率變?yōu)榱悖? s內(nèi)自啟動。根據(jù)要求，給煤機與空預器變頻器均不能滿足試驗要求的電壓跌落至20%的低電壓穿越能力。

4 火電廠輔機低電壓穿越解決研究

為了很好地解決目前大型火電機組輔機變頻器低電壓穿越能力，達到實際工作的要求，本文在研究變頻器相關性能的基礎上提出了以下幾種解決方案。

4.1 蓄電池加靜態(tài)開關（SGS）

蓄電池加靜態(tài)開關的原理如圖10所示，其原理簡單易懂，可操作性強。主要優(yōu)點是無擾動切換，可由儲能單元支持輔機變頻器在廠用電中斷或短時壓降時連續(xù)正常運轉(zhuǎn)。

圖10 蓄電池加靜態(tài)開關原理圖Fig.10 Battery plus static switch schematic

4.2 低電壓穿越電源系統(tǒng)（VSP）

圖11 為低電壓穿越電源系統(tǒng)原理圖，其優(yōu)點是變頻器的供電能量來自廠用電，接線簡單快捷，無擾動切換，能在電壓跌至額定電壓的20%大于10 s及20 ms短時中斷變頻器正常運轉(zhuǎn)。圖12 所示的是低電壓穿越電源系統(tǒng)加少量蓄電池的原理圖。

圖11 低電壓穿越電源系統(tǒng)原理圖Fig.11 Low voltage ride-throuch power supply system schematic

圖12 低電壓穿越電源系統(tǒng)加蓄電池原理圖Fig.12 Low voltage ride-throuch system plus battery schematics

4.3 廠內(nèi)保安電源

圖13 給出了低電壓穿越系統(tǒng)加廠內(nèi)保安電源方案，其主要優(yōu)點是保安電源與蓄電池組嵌合，集中管理，能實現(xiàn)無擾動切換，可由保安電源支持輔機變頻器在廠用電中斷或短時降壓時連續(xù)正常運轉(zhuǎn)。

圖13 廠內(nèi)保安電源系統(tǒng)原理圖Fig.13 Power plant security system schematic

5 結(jié)論

變頻器在提高了機組經(jīng)濟性的同時，自身的特性決定了當電源出現(xiàn)大幅波動時，出于自身保護的目的，會退出運行。這將直接導致輔機停運，機組出力大幅波動甚至非停，繼而對電網(wǎng)造成沖擊。本文研究制定的4 種解決方案，簡便易行，針對不同類型不同輔機變頻器，可以擇優(yōu)選取，充分考慮了涉及到的交直流電源負載能力、方案的經(jīng)濟性等因素，具有極強的可操作性。通過本文研究成果，能夠解決火電廠輔機變頻器低電壓穿越的難題，提高電源、電網(wǎng)運行的可靠性和穩(wěn)定性。具有較好的經(jīng)濟效益和社會效益。

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