火電廠輔機(jī)變頻器低電壓穿越技術(shù)在電網(wǎng)應(yīng)用研究

張志軒，由新紅，馬 歡，趙 康，周 寧，李常剛

（1.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250003；2.山東大學(xué)電氣工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250061）

0 引言

隨著發(fā)電市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)加劇，火電廠為了降低發(fā)電成本，對(duì)廠內(nèi)低壓電機(jī)設(shè)備進(jìn)行改造，新增具備電力電子特性的變頻器，通過(guò)交流變直流、直流變交流方式實(shí)現(xiàn)節(jié)約廠用電和提高設(shè)備適應(yīng)不同運(yùn)行工況的目標(biāo)［1-2］。但是，變頻器帶來(lái)效益提升的同時(shí)，也造成了潛在的安全隱患，當(dāng)使用抽水泵等大型設(shè)備、升壓站附近發(fā)生短路故障及電網(wǎng)電壓跌落等故障時(shí)，電廠電壓、頻率擾動(dòng)，如果電廠電壓跌落至變頻器的低電壓保護(hù)動(dòng)作電壓值，變頻器低壓保護(hù)動(dòng)作，變頻器瞬間失電停機(jī)［3－4］。給煤機(jī)和空預(yù)器等火電廠一類(lèi)輔機(jī)的變頻器保護(hù)動(dòng)作停機(jī)，會(huì)導(dǎo)致火電機(jī)組非正常停機(jī)，電廠出力降低，造成事故范圍擴(kuò)大［5-6］。因此，為防止交直流混聯(lián)電網(wǎng)頻率、電壓異常等情況引發(fā)連鎖性故障，確保電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，發(fā)電企業(yè)一類(lèi)輔機(jī)變頻器的技術(shù)條件應(yīng)按DL／T 1648—2016《發(fā)電廠及變電站輔機(jī)變頻器高低電壓穿越技術(shù)規(guī)范》執(zhí)行，以杜絕因變頻器故障而引發(fā)電網(wǎng)嚴(yán)重事故。

開(kāi)展Ⅰ類(lèi)輔機(jī)低電壓穿越改造，以保證電廠一類(lèi)輔機(jī)在20%、60%和90%額定電壓下具備低電壓穿越能力。在低電壓穿越試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)變頻器及低電壓穿越裝置工作回路的開(kāi)關(guān)存在保護(hù)跳閘問(wèn)題。由于各電廠電氣設(shè)計(jì)不同，變頻器柜體內(nèi)外的接線方式存在一定差異，跳閘情況分為兩類(lèi)：電廠內(nèi)部交流母線至低電壓穿越柜體安裝位置電纜過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致的試驗(yàn)裝置保護(hù)跳閘；20%壓降試驗(yàn)中，沖擊電流導(dǎo)致試驗(yàn)裝置保護(hù)跳閘。該問(wèn)題是電廠輔機(jī)變頻器改造中亟須解決的問(wèn)題。文獻(xiàn)［7］分析了火力發(fā)電機(jī)組給煤機(jī)空預(yù)器等變頻器的低電壓穿越能力，通過(guò)案例分析發(fā)現(xiàn)了變頻器低電壓穿越能力不足，針對(duì)電流電壓異常提出了低穿裝置電壓電流復(fù)合控制的方案，但并未進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。文獻(xiàn)［8］針對(duì)低電壓穿越試驗(yàn)電壓跌落設(shè)備—電壓暫降儀工作過(guò)程中電壓暫降時(shí)間和沖擊電流等問(wèn)題，提出了基于電力電子的新型電壓暫降儀，解決了舊式電壓暫降儀響應(yīng)速度和電壓諧波等問(wèn)題。文獻(xiàn)［9］針對(duì)接地故障時(shí)電壓過(guò)低導(dǎo)致的變頻器低壓保護(hù)動(dòng)作，設(shè)計(jì)了一種基于電力電子器件的無(wú)源變頻器低電壓穿越電源 （Inverter Low Voltage Through Power，ILP），ILP 由三重并聯(lián)交錯(cuò)Boost 電路的DC-DC 電路、旁路電源電路和控制回路電源構(gòu)成。并未就ILP 的沖擊電流特性進(jìn)行進(jìn)一步的說(shuō)明。

針對(duì)以上問(wèn)題，基于MATLAB 平臺(tái)搭建了低電壓穿越裝置電磁模型，通過(guò)模型參數(shù)調(diào)整實(shí)現(xiàn)了直流電壓平穩(wěn)輸出，并計(jì)算出緩沖電路數(shù)值。并應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，取得良好效果。

1 低電壓穿越技術(shù)

1.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

低電壓穿越電源裝置拓?fù)淙鐖D1 所示。未改造的變頻器有單一的交流電源，即圖1 中線路1 交流供電回路，變頻器經(jīng)線路1 連接至廠用電母線；改造后的變頻器，有兩路電源，除線路1 交流供電回路外，新增線路2 直流供電回路。直流供電回路由三相橋式整流電路和Boost 電路構(gòu)成。

圖1 低電壓穿越電源裝置拓?fù)?/p>

1.2 工作原理

直流供電回路工作過(guò)程： 三相交流電能經(jīng)斷路器送入二極管整流橋構(gòu)成的整流回路，再變換為直流電能并儲(chǔ)存于電容。電感L 與絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）構(gòu)成Boost型式的升壓斬波電路，可將電容上的直流電能變換為電壓等級(jí)更高的直流電能儲(chǔ)存于電容，并經(jīng)二極管防反回路和熔斷器后，送入變頻器的直流輸入端子。

裝置的運(yùn)行模式下有兩種工作狀態(tài)：Boost 工作狀態(tài)、非Boost 工作狀態(tài)。Boost 工作狀態(tài)是指裝置在電網(wǎng)電源發(fā)生跌落時(shí)，Boost 升壓電路可以提供變頻器穩(wěn)定的直流電壓，維持變頻器正常工作；非Boost工作狀態(tài)是指在電網(wǎng)電源正常時(shí)，Boost 升壓電路不參與裝置的運(yùn)行，電能通過(guò)交流旁路向變頻器送電。

當(dāng)電網(wǎng)電壓正常時(shí)裝置待機(jī)，電能通過(guò)原有交流線路向變頻器送電，Boost 升壓電路處于旁路狀態(tài)，不參與裝置運(yùn)行。當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生跌落時(shí)，檢測(cè)裝置檢測(cè)到跌落電壓超過(guò)裝置動(dòng)作閥值，Boost 電路升壓工作狀態(tài)啟動(dòng)，保證直流輸出端子有穩(wěn)定的直流輸出電壓，變頻器繼續(xù)工作。

2 換流器技術(shù)

2.1 整流電路工作原理

電容濾波的三相不可控整流電路中，最常用的是三相橋式結(jié)構(gòu)，電路及工作波形如圖2 所示。

圖2 三相不可控整流電路

該電路中，某一對(duì)二極管導(dǎo)通時(shí)，輸出直流電壓等于交流側(cè)最大線電壓，該線電壓即向電容供電，也向負(fù)載供電。當(dāng)沒(méi)有二極管導(dǎo)通時(shí)，由電容向負(fù)載放電。Ud按指數(shù)規(guī)律下降，此電路工作模式符合變頻器低穿投入工況，變頻器交流母線正常時(shí)，電容充電；變頻器交流母線失電時(shí)，電容向變頻器供電。

供電交流線電壓為

式中：U 為電 網(wǎng) 相電 壓幅 值；ω 為角頻率；δ 為 初相角。

整流電路輸出電壓平均值分為空載和重載兩種情況計(jì)算。

1）空載時(shí)，輸出直流電壓為

2）重載時(shí)，隨著負(fù)載的增加，輸出電壓平均值降低，最終輸出電壓波形為線電壓包絡(luò)線，其值等同于三相全控整流電路輸出直流電壓，即為

式中：α 為觸發(fā)角。當(dāng)α 為0°時(shí)即輸出電壓波形為線電壓包絡(luò)線，Udc=2.34U。輸出直流電壓范圍為：2.34U

2.2 Boost 電路工作原理

低電壓穿越裝置中所應(yīng)用的Boost 電路是直接直流變流電路的一種，功能是將直流電變?yōu)榱硪环悼烧{(diào)節(jié)的直流電，其電路原理如圖3 所示。

圖3 Boost 電路

圖4 電磁模型

開(kāi)關(guān)器件處于通路狀態(tài)的時(shí)間為ton，處于斷路狀態(tài)的時(shí)間為toff。

式中：T 為開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)斷總時(shí)長(zhǎng)，T／toff≥1。

2.3 仿真模型

基于MATLAB 平臺(tái)，搭建了三相不控整流電路和Boost 電路的電磁模型，如圖4 所示。

直流輸出電壓480 V，波形如圖5 所示。

圖5 Boost 電路直流輸出電壓

3 應(yīng)用案例

3.1 某電廠機(jī)組實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

某電廠低穿改造機(jī)組共有12 臺(tái)給煤機(jī)，給煤機(jī)電機(jī)容量5.5 kW，變頻器型號(hào)為西門(mén)子440，低電壓穿越裝置采用交流一拖一方式。

試驗(yàn)中某給煤機(jī)以35 Hz（最大速度）運(yùn)行，在某一時(shí)刻將給煤機(jī)電機(jī)變頻器的交流輸入電壓降至20%額定電壓，電壓暫降持續(xù)時(shí)間是10 s。試驗(yàn)失敗，試驗(yàn)回路32 A 空氣開(kāi)關(guān)在10 s 時(shí)跳閘。波形如圖6 所示。

圖6 35 Hz 20%額定電壓低電壓穿越試驗(yàn)

圖6 中黃色曲線是變頻器交流輸入電壓，藍(lán)色曲線是變頻器直流輸出電壓，紫色曲線是變頻器交流輸出電壓。第10 s 電壓暫降儀恢復(fù)變頻器交流輸入電壓至額定電壓，電壓恢復(fù)瞬間由于低電壓穿越裝置問(wèn)題產(chǎn)生的沖擊電流導(dǎo)致保護(hù)動(dòng)作，工作回路斷電。

降低負(fù)荷，給煤機(jī)以5 Hz 運(yùn)行，交流輸入電壓降至20%額定電壓，電壓暫降持續(xù)時(shí)間是10 s。低電壓穿越裝置未能成功支撐，試驗(yàn)回路32 A 空氣開(kāi)關(guān)在10 s 時(shí)跳閘。波形如圖7 所示。

圖7 5 Hz 20%額定電壓低電壓穿越試驗(yàn)

3.2 參數(shù)改進(jìn)

通過(guò)搭建的電磁模型平臺(tái)，帶入廠內(nèi)電機(jī)負(fù)載及線路阻抗參數(shù)，調(diào)整低電壓穿越裝置整流升壓電路PI 參數(shù)，獲得該廠環(huán)境下的適應(yīng)性PI 參數(shù)。2 s 時(shí)降低交流電源輸出仿真波形如圖8 所示。

圖8 降低交流電源直流輸出電壓波形

由圖8 可知2 s 時(shí)交流電源輸出降低，模性對(duì)應(yīng)直流電壓由600 V 降至540 V，電壓降低期間波動(dòng)平穩(wěn)。將對(duì)應(yīng)參數(shù)用于實(shí)際機(jī)組低電壓穿越裝置后，波形如圖9、圖10 所示。可以看出在變頻器交流輸入電壓降低至20%額定電壓時(shí)，在低電壓穿越裝置輔助下。變頻器直流輸出電壓保持穩(wěn)定，變頻器交流輸出電壓穩(wěn)定，給煤機(jī)電機(jī)正常工作。

圖9 35 Hz 20%額定電壓低電壓穿越試驗(yàn)

圖10 5 Hz 20%額定電壓低電壓穿越試驗(yàn)

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)火電廠機(jī)組I 類(lèi)輔機(jī)變頻器低電壓穿越試驗(yàn)中沖擊電流過(guò)大問(wèn)題，搭建了詳細(xì)的低電壓穿越裝置電磁模型，采用了模型仿真避免了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)設(shè)備的危害，應(yīng)用新參數(shù)成功降低了低電壓穿越裝置的沖擊電流，提高了電廠輔機(jī)變頻器的安全性，保證了電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。試驗(yàn)參數(shù)為根據(jù)經(jīng)驗(yàn)調(diào)整，下一步引進(jìn)相關(guān)算法對(duì)參數(shù)調(diào)整進(jìn)行優(yōu)化。