火电厂辅机变频器低电压穿越能力的研究

张彦凯，智勇，拜润卿，安亮亮，梁福波

（国网甘肃省电力公司电力科学研究院，甘肃兰州730050）

1 引言

近年来，发电企业在许多火电机组辅机设计上大量使用变频器技术，变频器在实现电机的无极调速、辅机软启动、优化设计、经济运行等方面具有极大的优势［1-2］。但是，目前大多数火电机组的辅机变频器低电压穿越能力较差，有的甚至不具备低电压穿越能力［3］。近年来火电厂发生多起系统瞬时故障造成火电机组停机的事故，原因即为在短时低电压或短时中断给煤机变频器闭锁退出运行，造成炉膛灭火保护（MFT）动作停机［4-5］。火电厂由于低电压引发的跳机问题，引起了国网公司的高度重视［6-7］。本文针对火电机组不具备低电压穿越的问题，提出解决方法，提高火电机组辅机低电压穿越能力，保障火电机组与辅机连续稳定运行。

2 典型变频器结构及数学模型

变频器分主回路、控制及保护回路3 部分，主回路对输入电压进行整流、滤波，输出电压和频率可调的电能，如图1 所示。控制回路则主要根据外部的运行指令进行运算并发出控制指令对逆变功率模块进行控制，对于需要更精确速度或快速响应的场合，常常要对主回路直流部分和交流输出部分进行检测运算。保护回路则用来防止因变频器主回路的过压、过流引起的器件损坏，还可保护异步电动机及传动设备等。

图1 典型变频器结构Fig.1 Typical variable frequency drive structure

电压源型变频器中，大多采用半桥或者全桥结构。本文以图2所示的全桥为例进行分析。以电感电流iL和电容电压uC为状态变量，逆变桥中点输出电压us和输出电流i0为输入变量，系统时域下的状态方程可列写为

经过拉式变换，可得到频域下uC的表达式：

式中：负载电流i0可视为外界对系统的扰动。当系统空载时，有

图2 单项全桥逆变电路Fig.2 Single-phase inverter full bridge diagram

3 变频器低电压穿越

3.1 变频器低电压穿越问题

近年来电力电子技术的迅猛发展，使得具有调速精确、简单实用、保护功能齐全的变频器广泛使用。但由于电网电压不稳定，导致变频器在使用中产生了新的问题：变频器低压保护跳闸（即低电压穿越）。低电压通常都是瞬时和短时的，对传统的控制系统影响较小，而对变频器则会产生低压保护跳闸导致电机停机，影响生产和安全。

3.2 辅机变频器低电压穿越现状

目前，火电厂煤粉炉的给煤、给粉机、预热器、空冷风机系统成为自动化程度最低的薄弱环节，特别是电厂内部控制给煤给粉机、预热器、空冷风机的变频器低电压保护跳闸问题，对电厂影响尤为严重。在实际使用过程中，因为电网发生低电压穿越或备自投切换时，厂用电电压瞬时或短时低于变频器低电压保护整定值（根据变频器型号不同该值也不同）时，各种低压变频器低压保护会动作，并同时会给FSSS（锅炉安全监控系统）发出停止信号，引起MFT动作，而厂用电和变频器母线低电压保护整定值通常低于变频器低电压保护整定值，线路中的其它设备还在正常工作，变频器跳闸，迫使FSSS 停炉，给电厂带来很大的经济损失，也成为现在电厂安全事故的高发区，同时也是目前电厂面临的比较大的问题，只有很好地解决该问题，才能保证电厂安全、可靠、高效的正常运行，避免停炉事故发生。

3.3 变频器低电压穿越限值要求

当外部故障或扰动引起的变频器进线电压跌落幅值和持续时间在低电压穿越区内时（如表1 和图3 所示），变频器应能够保障供电对象的安全运行。验证发电机组一类辅机在电网电压跌落时（由380 V 的额定值分别跌落至额定电压的20%、60%，持续运行时间分别为0.5 s，5 s），变频器正常工作且出力波动不大于10%。

表1 大型汽轮发电机组一类辅机变频器低电压穿越区Tab.1 Large turbine auxiliary drive for a class of low voltage ride through area

图3 大型汽轮发电机组一类辅机变频器低电压穿越区Fig.3 Large turbine auxiliary drive for a class of low voltage ride through area

3.4 变频器低电压穿越接线原理

停用需要测试的火电机组辅机和辅机变频器电源，进行试验接线，在变频器输入空开两侧接入电压暂降发生仪（暂降仪原理见图4），将变频器输入和输出电流电压信号接入电量分析仪，对变频器的输出电流电压进行分析。试验接线原理如图5所示。

图4 电压暂降发生仪原理Fig.4 Voltage sag occurs meter principle

图5 试验接线原理Fig.5 Test connection principle

在不合变频器输入空开情况下合上辅机变频器电源，操作电压暂降发生仪输出正常的电压，变频器正常工作后，运行人员启动辅机电机，调整辅机负荷。将电压暂降仪调整输出为20%，0.5 s 状态，进行20%低穿试验；将电压暂降仪调整输出为60%，5 s状态，进行60%低穿试验。

3.5 某火电厂辅机变频器低电压穿越测试

图6～图9 分别是甘肃某火电厂的给煤机及空预器变频器电压跌落至额定60%持续5 s 和给煤机及空预器变频器电压跌落至额定20%持续0.5 s的波形。

图6 给煤机变频器输入电压降至60%Fig.6 Stoker converter input voltage drops 60%

图7 空预器变频器输入电压降至60%Fig.7 Air preheater input voltage drops 60%

图8 给煤机变频器输入电压降至20%Fig.8 Stoker converter input voltage drops 20%

如图6 所示。当电压暂降仪的输出电压即给煤机变频器的输入电压跌落至额定60%过程中断电，给煤机停止工作，输出功率变为零。图7 中当电压暂降仪的输出电压即给煤机变频器的输入电压跌落至额定60%过程中断电，给煤机停止工作，输出功率变为零，7 s 后自启动。根据变频器输入电压跌落至额定电压的60%，要求持续运行时间为5 s，给煤机与空预器变频器均不能满足试验要求的电压跌落至60%的低电压穿越能力。

图8中电压暂降仪的输出电压降至20%时过程中断电，给煤机停止工作，输出功率变为零，2.5 s内变频器自启动且电压波动大于10%。图9中变频器在输入电压跌落至额定20%过程中断电，空预器停止工作，输出功率变为零，2 s内自启动。根据要求，给煤机与空预器变频器均不能满足试验要求的电压跌落至20%的低电压穿越能力。

4 火电厂辅机低电压穿越解决研究

为了很好地解决目前大型火电机组辅机变频器低电压穿越能力，达到实际工作的要求，本文在研究变频器相关性能的基础上提出了以下几种解决方案。

4.1 蓄电池加静态开关（SGS）

蓄电池加静态开关的原理如图10所示，其原理简单易懂，可操作性强。主要优点是无扰动切换，可由储能单元支持辅机变频器在厂用电中断或短时压降时连续正常运转。

图10 蓄电池加静态开关原理图Fig.10 Battery plus static switch schematic

4.2 低电压穿越电源系统（VSP）

图11 为低电压穿越电源系统原理图，其优点是变频器的供电能量来自厂用电，接线简单快捷，无扰动切换，能在电压跌至额定电压的20%大于10 s及20 ms短时中断变频器正常运转。图12 所示的是低电压穿越电源系统加少量蓄电池的原理图。

图11 低电压穿越电源系统原理图Fig.11 Low voltage ride-throuch power supply system schematic

图12 低电压穿越电源系统加蓄电池原理图Fig.12 Low voltage ride-throuch system plus battery schematics

4.3 厂内保安电源

图13 给出了低电压穿越系统加厂内保安电源方案，其主要优点是保安电源与蓄电池组嵌合，集中管理，能实现无扰动切换，可由保安电源支持辅机变频器在厂用电中断或短时降压时连续正常运转。

图13 厂内保安电源系统原理图Fig.13 Power plant security system schematic

5 结论

变频器在提高了机组经济性的同时，自身的特性决定了当电源出现大幅波动时，出于自身保护的目的，会退出运行。这将直接导致辅机停运，机组出力大幅波动甚至非停，继而对电网造成冲击。本文研究制定的4 种解决方案，简便易行，针对不同类型不同辅机变频器，可以择优选取，充分考虑了涉及到的交直流电源负载能力、方案的经济性等因素，具有极强的可操作性。通过本文研究成果，能够解决火电厂辅机变频器低电压穿越的难题，提高电源、电网运行的可靠性和稳定性。具有较好的经济效益和社会效益。

［1］陈学杰，张大海，张海瑞.火电机组变频器的应用研究［J］.山西电力，2006（4）：7-9.

［2］师迎新，胡坤，陈文波.基于电网安全的火电厂辅机低电压穿越装置应用［J］.河南电力，2013（2）：12-13.

［3］张东明，姚秀萍，王维庆，等.含低电压穿越电源的火电厂辅机变频器的研究［J］.华东电力，2013（6）：5-7.

［4］庞胜汉，江伟.防低电压穿越装置在给煤变频器上的应用［J］.电气技术，2013（3）：7-9.

［5］蔚兰.分布式并网发电系统低电压穿越问题的若干关键技术研究［D］.上海：上海大学，2011.

［6］胡坤，孙岩州，郑云，等.火力发电辅机变频器低电压穿越装置实际应用［J］.电源技术应用，2012（9）：49-51.

［7］张文亮，丘明，来小康.储能技术在电力系统中的应用［J］.电网技术，2008（7）：21-23.