給煤機(jī)變頻器低電壓穿越裝置的優(yōu)化配置方案

劉 輝

?

給煤機(jī)變頻器低電壓穿越裝置的優(yōu)化配置方案

劉 輝

（大唐華中電力試驗研究院，鄭州 450000）

隨著變頻技術(shù)在火電廠輔機(jī)中的廣泛應(yīng)用，為保證機(jī)組在廠用電壓跌落的情況下正常運(yùn)行，輔機(jī)變頻器的低電壓穿越裝置必不可少。本文分析了低電壓穿越裝置的基本原理，并提出了一種針對給煤機(jī)變頻器的低電壓穿越裝置優(yōu)化配置方案。該配置方案能夠保證在廠用母線電壓跌落時機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行，且在經(jīng)濟(jì)性方面要顯著優(yōu)于目前的方案。

變頻器；輔機(jī)；給煤機(jī)；低電壓穿越裝置；優(yōu)化配置

近年來，變頻技術(shù)逐漸在火電廠輔機(jī)運(yùn)行中廣泛應(yīng)用，變頻改造可以降低廠用電率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，但與此同時，變頻器對電壓波動極為敏感，當(dāng)輸入電壓低于變頻器低壓保護(hù)定值時，保護(hù)電路動作，切斷變頻器的輸出，保護(hù)變頻器不受過流損害。

火電廠一些重要輔機(jī)若因電壓跌落而導(dǎo)致變頻器低電壓保護(hù)動作時，短時中斷運(yùn)行就會造成設(shè)備損壞、機(jī)組停機(jī)或輸出功率大量下降。國內(nèi)電廠曾經(jīng)多次出現(xiàn)廠用電電壓跌落導(dǎo)致給煤機(jī)變頻器停運(yùn)，觸發(fā)爐膛滅火保護(hù)（MFT），最終機(jī)組跳機(jī)的案例。因此，為確保機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，有必要讓火電廠輔機(jī)變頻器在電壓跌落情況下，維持一定時間的正常運(yùn)行。

目前，在進(jìn)行低電壓穿越改造的方案中，尚沒有從經(jīng)濟(jì)性和安全性方面進(jìn)行的研究。本文主要探討在對電廠輔機(jī)變頻器進(jìn)行低電壓穿越改造的過程中，如何根據(jù)電廠輔機(jī)的實(shí)際情況，既保證電壓跌落時機(jī)組安全運(yùn)行，又保證低電壓穿越裝置配備方案的經(jīng)濟(jì)性。

1 輔機(jī)變頻器低電壓穿越技術(shù)

輔機(jī)變頻器的低電壓穿越（LVRT）改造，就是使火電廠輔機(jī)在電壓跌落的情況下，具備短時間內(nèi)正常運(yùn)行的能力，在《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》中，對給煤機(jī)等一類輔機(jī)變頻器的低電壓穿越能力要求見表1。

表1 低電壓穿越能力要求

電廠內(nèi)發(fā)生低電壓問題的主要原因可以分為以下幾類：①起動大型廠用電設(shè)備時廠用電低電壓。例如：起動引風(fēng)機(jī)、一次風(fēng)機(jī)、脫硫增壓風(fēng)機(jī)、給水泵等，廠用電源電壓會被拉的較低，且持續(xù)一段時間，時間一般在10～15s，由于有變壓器隔離，這種行為通常只是限于某段母線，是電廠經(jīng)常發(fā)生的一種現(xiàn)象，一般電廠早就已經(jīng)解決；②廠用設(shè)備故障導(dǎo)致低電壓。風(fēng)機(jī)、水泵和變壓器等廠用電設(shè)備由于雷擊、老化、接地等原因出現(xiàn)短路故障，從故障發(fā)生到故障切除這一過程中，廠用電母線電壓會出現(xiàn)短時降低的現(xiàn)象，當(dāng)短路故障點(diǎn)距離廠用母線較近時，廠用母線電壓跌落較為明顯；③電網(wǎng)故障導(dǎo)致低電壓。主保護(hù)未動靠后備保護(hù)切除故障或重合閘合于永久性故障保護(hù)再次跳閘，這時往往會在電廠發(fā)生低電壓故障。這種暫態(tài)低電壓有的時候電壓會很低，甚至達(dá)到額定電壓的60%以下，對輔機(jī)變頻器影響很大。

通常，廠用電母線上小幅度的電壓跌落最為頻繁，但是影響較小，小幅度的電壓波動并不足以使得變頻器低電壓保護(hù)動作，不少變頻器也具備短時間的過載能力，能夠在電壓小幅跌落時保持正常運(yùn)行；大幅度的電壓跌落發(fā)生的概率較小，但是故障對廠用電系統(tǒng)的影響較大，會引起輔機(jī)變頻器大量跳閘，造成輔機(jī)出力大幅波動，影響機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。

從具體實(shí)施方式上，輔機(jī)變頻器的低電壓穿越（LVRT）方法主要包括以下兩類。

1）變頻器的失電再起動功能

由于大多數(shù)電壓跌落故障的持續(xù)時間在10s以內(nèi)，輔機(jī)變頻器在低電壓時間段內(nèi)停止輸出，待電壓恢復(fù)時，變頻器根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速再起動。風(fēng)機(jī)類的輔機(jī)轉(zhuǎn)動慣量大，在變頻器停止輸出后，不會立馬停止，轉(zhuǎn)速適當(dāng)降低也不會對機(jī)組產(chǎn)生巨大的影響，因此，此措施一般適用于高壓輔機(jī)變頻器（如引風(fēng)機(jī)、送風(fēng)機(jī)等）。

2）增加低電壓穿越輔助裝置

火電廠輔機(jī)在電壓跌落情況下停機(jī)是由于變頻器低壓保護(hù)動作導(dǎo)致的，若給予變頻器一個電壓支撐，保持電壓不變，則能為輔機(jī)變頻器提供低電壓穿越功能，比較典型的方案為有源式低電壓穿越裝置和無源式低電壓穿越裝置。

有源式低電壓穿越裝置，即在變頻器交流進(jìn)線側(cè)加裝UPS電源或其他儲能裝置，在變頻器直流側(cè)并聯(lián)蓄電池組或超級電容器等儲能裝置；無源式低電壓穿越裝置，從電網(wǎng)殘壓取電，當(dāng)電壓跌落時利用boost電路升壓，對變頻器的直流母線提供電壓支撐。

2 低電壓穿越裝置的配置方案

火電廠的給煤機(jī)、給粉機(jī)等低壓變頻器一般采用增加圖1所示的低電壓穿越輔助裝置，從電網(wǎng)殘壓取電，當(dāng)電壓跌落時利用boost電路升壓，對變頻器的直流母線提供電壓支撐。

圖1 典型無源式低電壓穿越裝置拓?fù)湓韴D

2.1 低電壓穿越裝置的常規(guī)布置

根據(jù)低電壓穿越裝置和變頻器的配置比例，有一拖一和一拖多兩種配置方案。一拖一配置，即每臺給煤機(jī)變頻器就地配置一個低電壓穿越裝置，在電壓跌落時為變頻器提供一定程度的電壓支撐；一拖多配置，即多臺給煤機(jī)變頻器通過電纜線路與一臺低電壓穿越裝置相連接，在電壓跌落時獲得一定程度的電壓支撐。

無源式低電壓穿越裝置，核心部件為boost電路，電壓跌落后的幅值越低，boost電路升壓所需要支撐的功率越大。例如，額定功率5kW的低電壓穿越裝置，在電壓跌落幅度為0.2p.u.時，匹配功率為5kW，即可以支撐功率為5kW的變頻器正常運(yùn)行；在電壓跌落幅度為0.4p.u.時，匹配功率為10kW，即在電壓為0.4p.u.時可以支撐功率為10kW的變頻器正常運(yùn)行；在電壓跌落幅度為0.6p.u.時，匹配功率為15kW，可以在電壓為0.6p.u.以上時支撐功率為15kW的變頻器正常運(yùn)行。

目前的主流配置方案不考慮經(jīng)濟(jì)性，每臺變頻器均配置低電壓穿越裝置，且所配備裝置的功率遠(yuǎn)大于電壓跌落時所需要的支撐功率。以某電廠為例，3#、4#機(jī)組共給煤機(jī)變頻器12臺，每臺鍋爐裝配6臺給煤機(jī)，3臺雙進(jìn)雙出磨煤機(jī)，分別對應(yīng)鍋爐的上中下3層，每臺給煤機(jī)的功率為4kW。其中，每臺給煤機(jī)均配備低電壓穿越裝置，且每臺低電壓穿越裝置能夠在電壓跌落幅度為0.2p.u.時提供20kW的支撐功率，每臺低電壓穿越裝置費(fèi)用為10萬，設(shè)備購置費(fèi)用共120萬，從經(jīng)濟(jì)性的角度，此方案存在一定的改進(jìn)之處。

2.2 低電壓穿越裝置的優(yōu)化配置

從經(jīng)濟(jì)性和安全性兩個方面，可以對現(xiàn)有的低電壓穿越裝置配備方案進(jìn)行改進(jìn)。一方面，從電廠電壓跌落的實(shí)際情況來看，廠用母線電壓跌落至0.2p.u.的概率較?。涣硪环矫?，雙進(jìn)雙出磨煤機(jī)內(nèi)部有一定的儲煤量，能夠在中斷運(yùn)行的狀態(tài)下支撐鍋爐正常運(yùn)行20～30min左右，在下層磨煤機(jī)和對應(yīng)的給煤機(jī)正常運(yùn)行的情況下，其他幾組給煤機(jī)短時間中斷并不會引起爐膛滅火保護(hù)動作。

根據(jù)對應(yīng)磨煤機(jī)的上中下層位置確定給煤機(jī)優(yōu)先級，下層磨煤機(jī)A對應(yīng)1#、2#給煤機(jī)，中層磨煤機(jī)B對應(yīng)3#、4#給煤機(jī)，上層磨煤機(jī)C對應(yīng)5#、6#給煤機(jī)。1#、2#給煤機(jī)停止運(yùn)行對爐膛燃燒和機(jī)組出力造成的影響要大于5#、6#給煤機(jī)停止運(yùn)行的影響，所以，1#、2#給煤機(jī)優(yōu)先級最高，3#、4#給煤機(jī)其次，5#、6#給煤機(jī)優(yōu)先級最低。

根據(jù)優(yōu)先級劃分階梯等級保護(hù)。優(yōu)先級最高的1#、2#給煤機(jī)，應(yīng)當(dāng)在電壓跌落幅度為0.2p.u.時能夠短時正常運(yùn)行，以保證下層磨煤機(jī)能夠正常向鍋爐里輸送煤粉，機(jī)組正常運(yùn)行；3#、4#給煤機(jī)在電壓跌落幅度為0.4p.u.時能夠短時正常運(yùn)行，低于0.4p.u.時短時間退出；優(yōu)先級最低的5#、6#給煤機(jī)在跌落幅度為0.6p.u.時正常運(yùn)行，低于0.6p.u.時短時間退出。

選用南京國臣額定功率為5kW的一拖一、一拖二、一拖四低電壓穿越裝置，為某電廠3#、4#機(jī)組12臺給煤機(jī)進(jìn)行低電壓穿越改造。1#、2#給煤機(jī)選用額定功率5kW的一拖一低電壓穿越裝置，可以在最低電壓跌落幅度為0.2p.u.時提供功率為5kW；3#、4#給煤機(jī)選用額定功率5kW的一拖二低電壓穿越裝置，可以容許最低電壓跌落幅度為0.4p.u.，提供的功率為10kW；5#、6#給煤機(jī)與4號爐的兩臺給煤機(jī)共用額定功率5kW的一拖四低電壓穿越裝置，保護(hù)跌落幅度為0.65p.u.，對應(yīng)功率為16kW，并將5#、6#給煤機(jī)變頻器設(shè)置短時失電自起動，重起時間為10s。

3 方案的經(jīng)濟(jì)性和安全性分析

在經(jīng)濟(jì)性方面，所提的優(yōu)化配置方案，3#、4#機(jī)組共需購置4臺5kW的一拖一低電壓穿越裝置，2臺5kW的一拖二低電壓穿越裝置，一臺5kW的一拖四低電壓穿越裝置。每臺功率為5kW的低電壓穿越裝置花費(fèi)5萬元，則進(jìn)行低電壓改造設(shè)備購置費(fèi)用共35萬，在經(jīng)濟(jì)性方面優(yōu)于現(xiàn)有的配置方案。

在安全性方面，按照提出的優(yōu)化配置方案，在廠用電母線電壓小幅度跌落至0.65p.u.附近的情況下，所有的給煤機(jī)均能在低電壓穿越裝置的支撐下正常運(yùn)行，不受電壓波動的干擾；在廠用電母線電壓跌落到0.4p.u.與0.65p.u.之間時，1#、2#、3#、4#給煤機(jī)正常運(yùn)行，5#、6#給煤機(jī)有一臺可以正常工作，另一臺給煤機(jī)在短時退出運(yùn)行后重新起動，不影響機(jī)組正常運(yùn)行；在小概率情況下，廠用電母線電壓跌落到0.2p.u.與0.4p.u.之間，此時1#、2#給煤機(jī)正常運(yùn)行，3#、4#給煤機(jī)可以確保一臺正常工作，雙進(jìn)雙出磨煤機(jī)內(nèi)部有一定的儲煤量，能夠在中斷運(yùn)行的狀態(tài)下支撐鍋爐正常運(yùn)行20～30min左右，在下層磨煤機(jī)和對應(yīng)的給煤機(jī)正常運(yùn)行的情況下，其他幾組給煤機(jī)短時間中斷并不會引起爐膛滅火保護(hù)動作。

4 結(jié)論

本文通過研究火電廠輔機(jī)變頻器低電壓穿越的原理，將火電廠給煤機(jī)根據(jù)位置定義優(yōu)先級，提出了一種給煤機(jī)變頻器低電壓穿越裝置的優(yōu)化配置方案。該方案在保障廠用母線電壓跌落時機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，可以顯著節(jié)約設(shè)備的采購費(fèi)用和維護(hù)費(fèi)用，提高電廠的經(jīng)濟(jì)效益。

[1] 鄭重, 李衛(wèi)華, 耿華, 等. 火電廠輔機(jī)變頻器低電壓穿越技術(shù)綜述[J]. 電力自動化設(shè)備, 2016, 36(12): 143-148.

[2] 鄭安. 電廠變頻器用低電壓穿越電源研究[D]. 北京:華北電力大學(xué), 2014.

[3] 石文明. 提高我國大型火電廠一類輔機(jī)變頻器高、低電壓穿越能力的研究[D]. 杭州: 杭州電子科技大學(xué), 2016.

[4] 姚新陽, 黃學(xué)良, 顧文, 等. 火電機(jī)組一類輔機(jī)變頻器低電壓穿越改造技術(shù)研究[J]. 電氣技術(shù), 2015, 16(12): 26-30.

[5] 姜萬東, 周海濤, 王曉堃, 等. 低壓變頻器防晃電方案研究[J]. 電氣技術(shù), 2017, 18(9): 81-84.

[6] 戴鵬, 石祥龍, 朱曉瑩, 等. 有源鉗位三電平變頻器改進(jìn)SVPWM策略[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2017, 32(14): 137-145.

[7] 殷實(shí), 譚國俊, 方磊, 等. 模塊化多電平變流器調(diào)速系統(tǒng)變頻控制[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2016, 31(20): 139-150.

[8] 李濤. 基于變頻調(diào)速系統(tǒng)的低壓穿越性能研究[D]. 合肥: 安徽大學(xué), 2017.

[9] 張彥凱, 智勇, 拜潤卿, 等. 火電廠輔機(jī)變頻器低電壓穿越能力的研究[J]. 電氣傳動, 2014, 44(11): 55-58.

[10] 王曉宇, 張濤, 劉樹, 等. 火電廠輔機(jī)變頻器低電壓穿越電源[J]. 電力自動化設(shè)備, 2015, 35(5): 152-159.

[11] 張東明, 姚秀萍, 王維慶, 等. 含低電壓穿越電源的火電廠輔機(jī)變頻器的研究[J]. 華東電力, 2013, 41(6): 1345-1347.

[12] 宋馭光. 火電廠給粉機(jī)變頻器防低電壓穿越改造研究[D]. 大連: 大連理工大學(xué), 2015.

The optimizing configuration of low voltage through device in coal feeder converter

Liu Hui

(Datang Central-China Electric Power Test Research Institute, Zhengzhou 450000)

With the application of converter in auxiliary engine in power plant, low voltage through device is necessary to guarantees the power quality. The paper analyze the fundamental of low voltage through device, and put forward a program to solve the problem aim at coal feeder converter. The optimizing configuration program is more economical than present scheme on the premise that unit is operating stablely.

converter; auxiliary; coal feeder; LVRT Device; optimizing

2018-02-28

劉 輝（1990-），男，碩士研究生，工程師，主要從事繼電保護(hù)的研究工作。