變頻器防低電壓穿越分析

周道軍

(神華國華太倉發(fā)電有限公司，江蘇太倉215433)

隨著電力技術(shù)的發(fā)展及節(jié)能降耗的需要，變頻器在發(fā)電廠獲得越來越多的應(yīng)用。變頻器還因具有調(diào)速精確、響應(yīng)速度快、能改善電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)特性等特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于電廠輔機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)中。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，將引起電網(wǎng)電壓短時(shí)跌落，鄰近的發(fā)電廠廠用電系統(tǒng)電壓也相應(yīng)降低，由于變頻器整流逆變?cè)匦缘脑?，電源電壓的下降往往?huì)觸發(fā)變頻器低電壓保護(hù)，導(dǎo)致變頻器輸出閉鎖、輔機(jī)停機(jī)，一旦一類輔機(jī)（指短時(shí)（＜5 s）失電將會(huì)造成設(shè)備損壞、機(jī)組停運(yùn)或減出力，影響電網(wǎng)安全運(yùn)行的輔機(jī)）全部停運(yùn)將會(huì)引起發(fā)電機(jī)組跳閘。此時(shí)，對(duì)于已經(jīng)發(fā)生故障尚在恢復(fù)中的電力系統(tǒng)，發(fā)電機(jī)組跳閘將再次對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生沖擊，嚴(yán)重威脅電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。在電網(wǎng)發(fā)生事故時(shí)，電壓跌落持續(xù)時(shí)間較短，因此開展變頻器防低電壓穿越研究十分必要。

1 變頻器低壓失電閉鎖分析

變頻器功率回路由整流模塊、直流環(huán)節(jié)、逆變模塊組成，如圖1所示。變頻器三相輸入電源經(jīng)整流輸出直流，并儲(chǔ)存于電容中，再經(jīng)過逆變變換成交流電源，實(shí)現(xiàn)頻率變換。當(dāng)變頻器輸入動(dòng)力電源因某種原因發(fā)生低電壓時(shí)，直流母線電壓也隨之降低，無法提供逆變模塊所需要的能量，將觸發(fā)變頻器保護(hù)，導(dǎo)致變頻器退出運(yùn)行。

圖1 變頻器原理示意圖

變頻器低電壓輸出閉鎖主要是由于中間直流回路的低電壓，一般能引起中間直流回路低電壓主要來自2個(gè)方面.

1.1 來自電源側(cè)低電壓

以低壓變頻器為例，正常情況下電源電壓約400 V，經(jīng)三相橋式全波整流后中間直流回路電壓值約為540 V（即圖1中UDC電壓），當(dāng)電源線電壓在-15%～+10%范圍內(nèi)波動(dòng)時(shí)，不會(huì)造成變頻器的低電壓跳閘，只有電源電壓波動(dòng)幅度較大，并且持續(xù)時(shí)間達(dá)一個(gè)周期以上，才會(huì)引起變頻器低電壓保護(hù)動(dòng)作跳閘。電源側(cè)低電壓主要是由于電網(wǎng)故障電壓的波動(dòng)、雷擊使電源幅值受影響、變壓器超載或負(fù)荷不平衡、發(fā)電廠廠用電系統(tǒng)事故切換等。

1.2 負(fù)載側(cè)低電壓

負(fù)載側(cè)低電壓主要是由于廠用電系統(tǒng)大容量設(shè)備突上電、線路過載或啟動(dòng)大容量電動(dòng)機(jī)設(shè)備等情況。

2 低電壓穿越對(duì)輔機(jī)變頻器影響

2.1 廠用輔機(jī)變頻器分類

廠用輔機(jī)變頻器又分高壓輔機(jī)變頻器和低壓輔機(jī)變頻器。包括高壓（6 kV或10 kV）輔機(jī)變頻器，如引風(fēng)機(jī)、送風(fēng)機(jī)、一次風(fēng)機(jī)、給水泵、凝結(jié)水泵等；低壓（380 V）輔機(jī)變頻器，如給煤機(jī)、給粉機(jī)、空氣預(yù)熱器、空冷島冷卻風(fēng)機(jī)等。

2.2 低電壓穿越情況分析

（1）廠用電系統(tǒng)正常運(yùn)行中的低電壓包括廠用電系統(tǒng)過載、變壓器過載和負(fù)荷不對(duì)稱、大容量電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)等情況，尤其是廠用電系統(tǒng)上大容量電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，此時(shí)6 kV或10 kV廠用電母線電壓會(huì)出現(xiàn)短時(shí)較大降幅。通過對(duì)某發(fā)電廠二十多臺(tái)不同容量和類型的電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)錄波試驗(yàn)，錄波數(shù)據(jù)顯示高/低壓電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)間一般在20 s以內(nèi)。電壓的下降程度與運(yùn)行工況、設(shè)備容量有關(guān)。某廠正常運(yùn)行中啟動(dòng)一臺(tái)8100 kW的電動(dòng)給水泵時(shí)，錄波顯示6 kV母線電壓瞬時(shí)最低下降13.3%，但廠用電系統(tǒng)電壓低于90%額定電壓只有幾個(gè)周波。其下一級(jí)380 V母線段因有變壓器隔離，電壓下降程度要小于上一級(jí)6 kV或10 kV母線段，高/低壓輔機(jī)變頻器低電壓保護(hù)一般能躲過上述低電壓穿越情況。

（2）發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)廠用電母線失壓或工作進(jìn)線電源開關(guān)偷跳（指誤操作、開關(guān)機(jī)構(gòu)故障等原因造成的開關(guān)誤跳閘），在工/備電源串聯(lián)切換（先跳開工作電源開關(guān)，確認(rèn)工作電源開關(guān)已跳開且切換條件滿足時(shí)，合上備用電源開關(guān)）過程中會(huì)出現(xiàn)短時(shí)母線低電壓。若要降低這類低電壓穿越引起機(jī)組誤跳閘風(fēng)險(xiǎn)，一類輔機(jī)變頻器設(shè)計(jì)時(shí)一方面需要合理優(yōu)化接線方式，讓變頻器分布在不同廠用電源段，避免廠用電設(shè)備事故時(shí)全部變頻器失電導(dǎo)致停機(jī)；同時(shí)提高變頻器自身躲廠用電系統(tǒng)短時(shí)失電低電壓穿越能力。這類故障電源切換時(shí)間一般0.5～1.5 s。

（3）電網(wǎng)電壓振蕩、重負(fù)荷電力線路切換、雷擊、電力線路短路或接地等，鄰近發(fā)電廠會(huì)發(fā)生明顯的低電壓穿越情況，以單相接地故障最為常見。對(duì)于相間短路和瞬時(shí)接地故障情況，依靠主保護(hù)動(dòng)作切除故障點(diǎn)，低電壓穿越時(shí)間一般小于100ms。倘若發(fā)生永久性故障，若主保護(hù)未動(dòng)作依靠后備保護(hù)動(dòng)作切除故障或重合閘合于永久性故障再次跳閘，此時(shí)低電壓穿越時(shí)間較長(zhǎng)，但穿越時(shí)間也應(yīng)小于2.0 s。這種暫態(tài)低電壓穿越有時(shí)電壓幅值下降很大，對(duì)輔機(jī)變頻器影響很大。例如2009年3月7日，某電廠500 kV母線側(cè)發(fā)生出口金屬性接地故障，相距約100 km另一電廠錄波顯示各側(cè)電壓變化如表1所示。

表1 低電壓穿越時(shí)某電廠電壓變化情況

低電壓穿越還引起該廠全部機(jī)組無功功率劇烈波動(dòng) （最大峰谷差約180Mvar），勵(lì)磁系統(tǒng)低勵(lì)限制動(dòng)作、系統(tǒng)頻率上升，發(fā)電機(jī)有功功率驟升46MW后回落正常等異常情況。2011年1月2日，東北電網(wǎng)某電廠出線A相電流互感器故障，引起廠內(nèi)4號(hào)機(jī)6 kV廠用電系統(tǒng)A相電壓降至65%額定電壓，低電壓穿越引起機(jī)組跳閘。

2.3 低電壓穿越對(duì)輔機(jī)變頻器影響

變頻器裝置在電力系統(tǒng)中被普遍使用，由低電壓穿越引發(fā)事故已發(fā)生多起，生產(chǎn)廠家、使用單位和設(shè)計(jì)單位都做了很多改進(jìn)工作。目前部分高/低壓變頻器具有瞬時(shí)停電保護(hù)功能，即當(dāng)判斷主電源失電后，變頻器控制電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)運(yùn)行，為單元電容充電，并為單元控制電源供電，直至主電源恢復(fù)，變頻器回到原運(yùn)行狀態(tài)，這種功能有利于變頻器躲低電壓穿越情況。

（1）變頻器在低電壓穿越期間，輸出電流明顯增大，可能會(huì)導(dǎo)致變頻器過載。按照公式I=P/U計(jì)算變頻器在低電壓穿越時(shí)電流變化如表2所示。其中P為電機(jī)功率，U為變頻器輸入電壓，I為變頻器輸出電流。

表2 低電壓穿越時(shí)電壓電流變化

表2顯示，變頻器隨著輸入電壓下降，輸出電流會(huì)相應(yīng)增加，這樣在發(fā)生低電壓穿越時(shí)，變頻器內(nèi)部將產(chǎn)生較大電流，這對(duì)變頻器通流和散熱能力提出較高要求。此時(shí)在低電壓穿越情況下，如果要做到不影響變頻器正常運(yùn)行，需要對(duì)低電壓穿越產(chǎn)品的材料提出嚴(yán)格要求。

（2）對(duì)于高壓變頻器 （額定輸入電壓為交流1～10 kV），規(guī)程規(guī)定：在電廠主電源斷電后，廠用電網(wǎng)切換時(shí)，變頻器應(yīng)保證9 s內(nèi)再次合閘后能夠自動(dòng)正常運(yùn)行[1]。雖然高壓變頻器具有失電9 s內(nèi)電壓恢復(fù)后自啟動(dòng)功能，但是風(fēng)機(jī)類高壓輔機(jī)變頻器即使短時(shí)停運(yùn)也會(huì)嚴(yán)重威脅發(fā)電廠安全運(yùn)行。

（3）低壓輔機(jī)變頻器抗低電壓穿越能力相對(duì)較差，已經(jīng)發(fā)生的變頻器低電壓跳機(jī)事件多為發(fā)電廠給煤機(jī)、給粉機(jī)變頻器跳閘引起。例如，給粉機(jī)變頻器在遇到廠用電壓瞬時(shí)低于變頻器的低電壓保護(hù)值時(shí)變頻器停運(yùn)，導(dǎo)致機(jī)組給粉機(jī)停機(jī)，同時(shí)會(huì)給鍋爐安全監(jiān)控系統(tǒng)（FSSS）發(fā)出給粉機(jī)停止信號(hào)，這樣會(huì)導(dǎo)致鍋爐全爐膛滅火保護(hù)（MFT），機(jī)組跳閘。

3 低電壓穿越解決方案

變頻器低電壓穿越跳閘一般是由于低電壓引起控制回路失電或變頻器中間直流回路低電壓引起。對(duì)于高壓變頻器控制回路供電，規(guī)程規(guī)定：為保證切換過程的無擾動(dòng)，控制部分應(yīng)由UPS或直流供電，由UPS供電時(shí)掉電保持時(shí)間不小于5min[1]，低壓變頻器可以參照該規(guī)定引入U(xiǎn)PS電源解決低電壓穿越時(shí)控制回路電源失電隱患。對(duì)于變頻器中間直流回路低電壓，由于變頻器逆變器件固有的溫升特性決定了變頻器必須有過電壓、過電流、溫升保護(hù)等，當(dāng)電壓超過變頻器低電壓保護(hù)跳閘下限值時(shí)必須跳閘。發(fā)生低電壓穿越的時(shí)間通常很短暫，一般小于2 s，因此可以采取下列幾點(diǎn)措施來防止低電壓穿越事故發(fā)生。

3.1 提高變頻器自身能力

對(duì)于新建、改擴(kuò)建變頻器項(xiàng)目，在設(shè)備選型時(shí)，參照《大型汽輪發(fā)電機(jī)組一類輔機(jī)變頻器高、低電壓穿越技術(shù)規(guī)范》[2]要求，變頻器低壓穿越性能應(yīng)與主機(jī)低壓性能相配合，宜與電廠一類輔機(jī)的低電壓保護(hù)定值相配合。當(dāng)外部故障或擾動(dòng)引起的變頻器進(jìn)線電壓跌落幅值和持續(xù)時(shí)間在低電壓穿越區(qū)內(nèi)時(shí) （如表3所示），變頻器應(yīng)能夠保障供電對(duì)象的安全運(yùn)行。

表3 一類輔機(jī)變頻器低電壓穿越區(qū)

滿足表3參數(shù)要求的變頻器能躲過電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、電網(wǎng)故障、廠用電電源事故切換等多種嚴(yán)重低電壓穿越情況。根據(jù)已掌握的一些發(fā)電廠錄波數(shù)據(jù)，即使發(fā)生嚴(yán)重低電壓穿越情況，6 kV或10 kV廠用電系統(tǒng)電壓一般也高于60%額定電壓。因此特別是一類輔機(jī)變頻器，采購時(shí)應(yīng)提高對(duì)變頻器抗低電壓穿越性能指標(biāo)的要求。

3.2 短時(shí)斷電后轉(zhuǎn)速跟蹤再啟動(dòng)

對(duì)于已經(jīng)投入運(yùn)行的變頻器，以給煤機(jī)為例，若發(fā)生全廠給煤機(jī)瞬時(shí)停運(yùn)，磨煤機(jī)內(nèi)儲(chǔ)存的煤粉和煤粉倉內(nèi)的煤粉短時(shí)間內(nèi)可以繼續(xù)為鍋爐提供燃料，保證鍋爐燃燒不受影響。只要在發(fā)生低電壓穿越的短時(shí)間內(nèi)不觸發(fā)MFT邏輯，通過優(yōu)化分散控制系統(tǒng)（DCS）控制策略及二次回路接線，配合變頻器瞬時(shí)停電自啟動(dòng)功能，待廠用電電源恢復(fù)后，再將給煤機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)變頻器在瞬時(shí)失電能夠自啟動(dòng)，長(zhǎng)期失電正常停運(yùn)。對(duì)于給煤機(jī)變頻器DCS控制策略優(yōu)化可以采用將給煤機(jī)“停運(yùn)”和“運(yùn)行”信號(hào)按躲過電網(wǎng)及廠用電故障增加延時(shí)，一般取2～3 s；同時(shí)優(yōu)化廠用電瞬間失去或波動(dòng)時(shí)防止熱工自動(dòng)回路切換的邏輯，即在這短暫的時(shí)間內(nèi)熱工自動(dòng)回路不進(jìn)行切換，保證整個(gè)鍋爐控制系統(tǒng)不產(chǎn)生大的擾動(dòng)；從DCS送給煤機(jī)的啟動(dòng)指令應(yīng)在廠用電電壓波動(dòng)或瞬間失去恢復(fù)后能夠自動(dòng)啟動(dòng)給煤機(jī)，即將DCS啟動(dòng)給煤機(jī)的指令由脈沖改為電平形式；給煤機(jī)就地控制柜的邏輯應(yīng)保證在廠用電電壓波動(dòng)或瞬間失去恢復(fù)后，能夠在DCS遠(yuǎn)方控制。本方案無需額外增加資金投入，優(yōu)化后沒有增加日常維護(hù)工作，且易于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施。

變頻器自啟動(dòng)具體有2種方法：（1）電機(jī)完全停止后再啟動(dòng)。（2）在旋轉(zhuǎn)中檢出電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速后，自動(dòng)地將變頻器輸出頻率調(diào)節(jié)在對(duì)應(yīng)值再啟動(dòng)，即在低電壓穿越區(qū)內(nèi)，變頻器可短時(shí)中斷輸出保護(hù)自身設(shè)備，在電源恢復(fù)之后，當(dāng)電動(dòng)機(jī)仍在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，實(shí)現(xiàn)跟蹤電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速再啟動(dòng)。這種方法應(yīng)有速度傳感器，應(yīng)將變頻器的控制電源接到UPS電源。設(shè)計(jì)參數(shù)包括要承受的最長(zhǎng)擾動(dòng)持續(xù)時(shí)間、從電源恢復(fù)到電動(dòng)機(jī)返回原有轉(zhuǎn)速的時(shí)間。變頻器采用這種方法后，當(dāng)電廠發(fā)生低電壓穿越時(shí)，不會(huì)影響機(jī)組有功的大幅波動(dòng)，可以連續(xù)運(yùn)行。

3.3 加裝抗低電壓穿越裝置

改進(jìn)變頻器交流側(cè)輸入電源，即在變頻器交流電源輸入側(cè)加裝抗低電壓穿越的擾動(dòng)電源設(shè)備，當(dāng)系統(tǒng)電壓正常時(shí)，變頻器正常工作，低電壓穿越裝置處于熱備用狀態(tài)，不參與變頻器運(yùn)行。

在系統(tǒng)電壓發(fā)生跌落時(shí)，低電壓穿越裝置實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電壓跌落趨勢(shì)，當(dāng)下降至整定值時(shí)，裝置瞬時(shí)投入運(yùn)行，通過升壓泵（BOOST）將直流側(cè)電壓提升到500 V以上，保證變頻器輸出功率、電機(jī)轉(zhuǎn)矩、電機(jī)轉(zhuǎn)速均不變的電壓水平，變頻器的直流母線繼續(xù)維持對(duì)變頻器供電。切換過程由靜態(tài)開關(guān)（IGBT）完成，切換動(dòng)作時(shí)間小于1μs，可以實(shí)現(xiàn)無縫切換，對(duì)變頻器的穩(wěn)定運(yùn)行不會(huì)造成沖擊。在系統(tǒng)電壓跌落結(jié)束恢復(fù)正常后，低電壓穿越裝置停止運(yùn)行，升壓回路退出工作狀態(tài)，恢復(fù)到備用狀態(tài)，變頻器的供電仍由三相交流送電回路提供。

低電壓穿越裝置主要包括旁路回路和升壓回路，這種方式可以實(shí)現(xiàn)1臺(tái)低電壓穿越裝置帶單臺(tái)或多臺(tái)電動(dòng)機(jī)變頻器運(yùn)行，1臺(tái)變頻器配1臺(tái)低電壓穿越裝置原理示意圖如圖2所示。這種方案需要采購設(shè)備對(duì)一次電源部分進(jìn)行技術(shù)改造，若采用1套裝置帶多臺(tái)電動(dòng)機(jī)變頻器方式運(yùn)行，需要考慮低電壓穿越裝置故障風(fēng)險(xiǎn)，合理選擇低電壓穿越裝置安裝地點(diǎn)，降低粉塵、溫度、濕度等環(huán)境因素對(duì)低電壓穿越裝置元器件性能和使用壽命的影響。

圖2 變頻器低電壓穿越裝置原理示意圖

3.4 外加直流電源裝置

在變頻器整流和逆變中間的直流環(huán)節(jié)加裝蓄電池組，其輸出接入變頻器直流母線上，當(dāng)廠用電系統(tǒng)電壓正常時(shí)，變頻器正常工作，外加蓄電池組處于浮充電狀態(tài)，不參與變頻器運(yùn)行。當(dāng)外部擾動(dòng)引起廠用電系統(tǒng)電源短時(shí)中斷或短時(shí)電壓降落時(shí)，在電壓下降至整定值時(shí)，裝置瞬時(shí)投入運(yùn)行，由外加直流電源繼續(xù)供給變頻器運(yùn)行；當(dāng)廠用電系統(tǒng)電壓跌落結(jié)束主路交流電源再度恢復(fù)正常供電后，變頻器自動(dòng)切換至主路電源供電。

直流環(huán)節(jié)一般由蓄電池組、充電器、靜態(tài)開關(guān)、控制器等部分組成，這種方式可以實(shí)現(xiàn)1套直流電源裝置帶單臺(tái)或多臺(tái)電動(dòng)機(jī)變頻器運(yùn)行，1臺(tái)變頻器外加1套直流電源原理示意圖如圖3所示。這種方案也需要采購設(shè)備進(jìn)行技術(shù)改造，日常維護(hù)工作量明顯增加。日常運(yùn)行中要確保蓄電池組正常浮充電，并定期對(duì)蓄電池進(jìn)行均衡充電和核對(duì)性充放電活化試驗(yàn)，合理選擇蓄電池的安裝地點(diǎn)，降低環(huán)境溫度對(duì)蓄電池壽命的影響，并定期更換蓄電池組。

圖3 變頻器外加直流原理示意圖

4 結(jié)束語

針對(duì)低電壓穿越對(duì)發(fā)電廠輔機(jī)變頻器設(shè)備可能產(chǎn)生的危害，總結(jié)了幾種典型的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用技術(shù)方案，綜合比較，對(duì)于新建和改擴(kuò)建的一類輔機(jī)變頻器，推薦采用方案1，即參照 《大型汽輪發(fā)電機(jī)組一類輔機(jī)變頻器高、低電壓穿越技術(shù)規(guī)范》要求，提高變頻器自身躲過低電壓穿越能力。對(duì)于已經(jīng)投入運(yùn)行的一類輔機(jī)變頻器，推薦采用方案2，即一方面變頻器控制電源采用UPS供電，保證控制電源不中斷；另一方面優(yōu)化DCS控制策略，并結(jié)合不同系統(tǒng)的設(shè)備允許電動(dòng)機(jī)停運(yùn)時(shí)間增加延時(shí)來躲過低電壓穿越情況，當(dāng)電源供電恢復(fù)時(shí)，及時(shí)實(shí)現(xiàn)變頻器自啟動(dòng)。

[1]DL/T 994—2006，火力發(fā)電廠風(fēng)機(jī)水泵用高壓變頻器[S].

[2]國家電網(wǎng)公司.大型汽輪發(fā)電機(jī)組一類輔機(jī)變頻器高、低電壓穿越技術(shù)規(guī)范[S].2013：3-4.