基于PSCAD的辅机低电压穿越附加装置仿真分析

汪冬辉，吕文韬，罗华峰，柯人观

（国网浙江省电力公司电力科学研究院，杭州 310014）

基于PSCAD的辅机低电压穿越附加装置仿真分析

汪冬辉，吕文韬，罗华峰，柯人观

（国网浙江省电力公司电力科学研究院，杭州 310014）

由于发电厂厂用电系统或者外部电网的暂态过程，导致输入辅机变频器的电压降低，可能出现辅机工况紊乱，甚至变频器切除，低电压穿越已经成为辅机正常运行必须考虑的问题。安装附加装置可以在尽可能少地改变原电路基础上应对低电压问题，其中增加升压模块、直流侧安装储能装置、交流侧安装在线式UPS是比较典型的方案。通过在PSCAD/EMTDC软件中建模仿真证明，直流侧储能装置以及交流侧UPS系统的安装，在低电压穿越时对辅机变频器基本无影响，但这2种方案费用较高；而增加升压模块可能导致变频器直流侧过电压，需要采取抑制措施，但其费用较低，可根据现场条件以及技术经济性综合考虑采用何种方案。

辅机；变频器；低电压穿越；升压模块；储能装置

0 引言

发电厂辅机的变频化已经得到推广应用。例如对工频运行时能耗大的风机、节流损失大且管损严重的水泵，应用变频技术具有显著提高经济效益、减少故障率的现实意义。然而目前变频器控制系统均以正常运行为前提来设计，当故障导致输入电压略有降低时，控制器为维持工况不变必然要增大电流，从而触发过流保护退出运行；如果直流电压严重跌落，此时变频器控制系统失效，无法维持正常的电压、电流输出，将使辅机输出功率急剧下降，甚至触发保护停机，引发锅炉灭火保护MFT（主燃料跳闸）动作。

对于辅机低电压情况下产生的问题，相关技术标准正在制定中，2014年初发布的《大型汽轮发电机组一类辅机变频器高、低电压穿越技术规范（征求意见稿）》中规定：当电压跌落至20%～60%时，辅机变频器须保持0.5 s不脱网。但是在运行的大多数变频器未采取有效措施应对低电压问题，可行的解决方案主要是对辅机变频器进行改造，安装各类附加装置。

针对目前辅机变频器低电压穿越改造所采用的3种主流方案，分别进行建模仿真，验证其在低电压情况下对于辅机变频器系统的支持能力。分析结果对于选择采用哪种改造方案来满足低电压穿越的要求，具有一定的参考价值。

1 变频器分析

1.1 主电路拓扑

发电厂重要的辅机采用变频调速。主流的变频器产品根据工作电压水平不同，分为中、高压变频器和低压变频器。虽然由于耐压水平的不同导致其拓扑存在差异，然而主流产品的基本原理是相同的。比如高压变频器一般采用多个功率单元串联，而低压变频器则采用单个功率单元便能满足要求。控制策略一般都采用矢量控制，在仿真分析其低电压穿越性能时，低压变频器的结果同样对高压变频器有参考意义，低压变频器基本结构如图1所示。

图1 辅机变频调速拓扑

整流器从厂用电母线上取电，经过不控整流后变为直流，再通过逆变器对电动机进行调速。一旦厂用电母线上发生电压跌落，将会直接引起直流侧电压降低。仿真时电动机基本参数：额定电压380 V，额定功率72 kW，极对数2，频率50 Hz。为了模拟负荷的机械特性，采用了PSCAD（电力系统计算机辅助设计软件）软件中的风机模型，可以较好地模拟机械转矩随着转速的变化情况。

1.2 逆变器控制策略

主功率回路的控制策略采用目前在电动机调速领域广泛配置的，基于空间矢量调制的矢量控制，可以方便地实现转速的精确控制，同时令磁链轨迹逼近圆形，减少转矩脉动，有利于电动机的正常运行。逆变器的控制框图如图2所示。

图2中，ω*，ω表示电动机转子角速度的目标值和实际值；ψ*，ψ表示定子磁链的目标值和实际值表示定子电流d轴分量的目标值和实际值表示定子电流q轴分量的目标值和实际值；Ls，Lr表示定子与转子电流；Lm表示电动机励磁电抗；usd，usq分别表示调制电压的d，q轴分量。

在PSCAD软件中，利用分立元件搭建如图2所示的控制系统，通过改变转速和磁链的目标值，即可令电动机在一个设定的稳定工况下运行。

图2 辅机变频器控制策略

图3 电压跌落至正常20%时动态特性

1.3 低压情况下变频器及辅机性能分析

通过模拟外部系统故障产生低电压的情况，可分析辅机和变频器在低电压情况下的动态特性。

令输入电压跌落至正常的20%并持续0.5 s的情况，观察变频器输出电流以及辅机特性，如图3所示。图中p和q分别表示有功和无功功率，TE与TM分别表示电磁转矩和机械转矩。

从图3可以看出，当变频器输入电压跌落至20%额定值时，其输出电流将先减小，然后持续增大，最后趋于稳定。而在故障切除，电动机自启动时，电流会增大数倍，远大于变频器的额定电流。由于不控整流的特点，变频器的直流电压跌落至原电压的20%；交流电压恢复后，直流电压也由于电动机的特性无法立即恢复稳态，处在持续的波动过程中。电动机转速及电磁转矩立即下降，电动机停止吸收功率甚至向外发送无功。可见，如果不采取有效措施，跌落过程中变频器的过流保护将动作，即使保护不动作，电动机也无法正常带负荷运行。

根据标准要求，令输入电压跌落至额定电压的60%并持续5 s，观察变频器及电动机的特性，如图4所示。

图4 电压跌落至正常的60%时动态特性

如图4所示，故障开始时刻电动机的转速下降，直流电压的下降导致机端电压同时下降，此时电动机除了转速降低，依然能够保持正常运行，但对于变频器而言，其输出电流将会增大。即使这个过程中保护不动作切除，现有变频器的电力电子器件是否能够耐受这样的电流，并持续足够时间，也是一个需要分析的问题。

2 增加升压模块

2.1 升压模块的接入

该方案对原电路不作改动，而是在直流侧附加一个升压模块。当交流侧电压跌落时，控制系统检测到电压的变化立刻启动驱动脉冲，将变频器直流电压控制在给定值上。升压模块由目前技术成熟、成本低廉的不控整流和Boost电路构成，其结构如图5所示。

图5 直流侧增加升压模块

组成该元件的整流器部分以耐压能力较高的二极管为主，成本低，性能稳定。但在电压较低，例如20%额定电压时，器件需要承受5倍额定电流，一般通过计算确认最大电流后，通过多重并联交错Boost模块来解决，这同时也可以减少直流电压的纹波。在仿真时，使用了三重并联交错，其控制策略如图6所示。

图6 Boost模块控制策略

设定直流电压的目标值后，在发生电压跌落情况时，控制系统可以迅速将直流电压抬升至目标，确保电动机的稳定运行。

2.2 仿真分析

在外部线路上设置故障，使得变频器的输入电压降低至额定电压的20%，在接入升压模块的情况下，结果如图7所示。

从图7可以看出，当故障发生检测到电压下降后，瞬间给Boost电路提供触发脉冲启动升压模块，模块工作后迅速给直流电容充电稳定电压，仿真中该值设定为略高于正常运行电压，确保在整个故障过程中电动机的平稳运行。故障切除后，升压模块退出运行，直流电压在退出瞬间有个小于100 V的阶跃，之后迅速恢复至额定值。从图7（b）—（e）可见，电动机的转速，转矩以及功率在整个过程中基本无变化，变频器输出电流无波动，能够继续平稳运行。

在通过模拟外部系统故障使得电压跌至60%的条件下仿真，结果如图8所示。

从图8可见，当故障发生升压模块投入后，整个故障过程以及恢复过程，电动机和变流器均工作正常，功率和电流均没有波动，可以满足低电压穿越要求。

大量仿真发现，在电压跌落程度较高情况下故障切除时，升压模块退出运行后的瞬间就会出现电压突然增加然后恢复的现象。这是由于升压模块退出运行的瞬间，原由升压模块提供的功率将瞬间全部切换到主电路中，功率瞬间切换的暂态过程容易导致电压阶跃的产生，这有可能会触发变频器的过压保护动作。

图7 接入升压模块后电压跌落至正常的20%时动态特性

图8 接入升压模块后电压跌落至正常的60%时动态特性

图9 直流侧额外储能支持

3 直流侧安装蓄电池或类似储能元件

3.1 储能元件的接入

变频器的低电压穿越问题，在不改变拓扑的情况下，最重要的就是维持直流电压的稳定。而在成本允许的情况下，在直流侧添加储能元件是最直接的解决方案，其拓扑如图9所示。

图9所示的拓扑显示，在直流侧安装储能装置，除了储能元件本身，还需要对储能装置的充放电进行控制并增加一套静态开关。实际上，不论是蓄电池还是超级电容储能，这套控制装置都很重要。低电压运行导致储能装置投入的情况并不会时有发生，大部分时候储能装置都处于恒压浮充状态，控制装置一直要投入运行。而这期间蓄电池的损耗，也是需要考虑的成本问题。

3.2 仿真分析

在储能元件投入的情况下，模块外部电压跌至正常的20%，变频器及辅机的动态性能如图10所示。

图10 接入储能元件时电压跌落至正常的20%时动态特性

图11 接入储能元件时电压跌落至正常的60%时动态特性

图12 交流侧在线式UPS支持

如图10所示，当输入电压跌落时，通过静态开关迅速将储能元件并入变频器直流侧，提供电压支持，以确保交流电压跌落时直流电压持续稳定。从辅机和变频器的动态特性来看，当电压跌落至20%额定值时，电动机的正常运行以及变频器的正常工作没有受到任何影响，并且故障切除后系统也未出现明显波动，能够迅速恢复稳态。

同样测试电压跌落至60%时辅机变频器系统的情况，结果如图11所示。

从图11可以看出，当电压跌落程度更小时，储能系统同样能非常好地完成辅机变频器的低电压穿越任务。5 s的故障时间以及故障结束后的恢复过程中，电动机均能正常运行，转速转矩无变化，变频器能够正常输出。

4 交流侧接入在线式UPS

4.1 UPS的接入

在线式UPS将厂用电系统和辅机变频器组从物理上隔离起来。UPS将交流变为直流，同时完成直流侧蓄电池的充电。之后通过逆变器将其变为三相交流电，输入变频器。当厂用电系统发生故障导致电压跌落时，利用直流蓄电池组作为直流源，逆变后继续给变频器提供满足要求的交流电。其拓扑结构如图12所示。

如图12所示，UPS系统除了储能和整流器之外，还额外有一个逆变器。成本更高而控制更加复杂，但是由于不需要拆开原有设备，安装较为方便。

由于不考虑正常运行电池充电的情况，为了仿真方便，整流侧只采用了单环控制浮充电压恒定的控制策略。逆变器则采用了类似图6所示的控制电动机侧电压恒定的控制策略，设定交流电压的目标值后，当母线电压跌落时，控制系统将维持变频器输入电压的稳定。

4.2 仿真分析

在仿真中在变频器前级配置在线式UPS，通过在厂用电系统中设置故障来模拟电压跌落。当输入UPS电压跌落至正常的20%时，结果如图13所示。

图13 电压跌落至正常的20%时动态特性

图14 电压跌落至正常的60%时动态特性

从图13可见，在配置了在线式UPS之后，电压跌落对辅机和变频器的正常运行没有影响，只在供电切换的瞬间，直流电压有轻微的波动。故障切除电压恢复后，电动机和变频器同样能够继续正常工作。

测试电压跌落至正常的60%时，配置在线式UPS系统的辅机及变频器工作的情况，如图14所示。

综合图13和图14的仿真结果来看，配置在线式UPS后，变频器辅机的低电压穿越能力基本无问题，而经济性和可维护性可能是需要关注的重点。

5 结语

直流侧安装升压模块或安装储能元件以及交流侧安装UPS，是对辅机变频器进行低电压穿越改造的几个可选择方案。经过仿真分析，储能元件或UPS的使用都能够很好地解决低电压穿越问题，正常值20%以上的低电压对于辅机和变频器的运行不会产生任何影响，但缺点是成本较高。而升压模块在电压恢复、装置退出的瞬间，如果输入电压过低可能出现直流侧过电压，需要采取措施抑制。但这种方案的成本最低，也可以较好地完成低电压穿越任务。具体采用何种方案，应该根据辅机的重要程度以及经济性因素综合分析决定。

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（本文编辑：杨 勇）

Simulation and Analysis of Auxiliaries LVRT Attachment Based on PSCAD

WANG Donghui，LYU Wentao，LUO Huafeng，KE Renguan
（State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute，Hangzhou 310014，China）

Frequency converter voltage of auxiliaries may drop due to transient state process of power plant auxiliary power system or external power networks，which results in operation condition turbulence of auxiliaries or even frequency converter removal.Therefore，low voltage ride through（LVRT）must be taken into consideration for the normal operation of auxiliaries.By installing attachment the original circuit can be less changed.A typical scheme is to increase voltage boosting modules，install energy storage device at DC side and online UPS at AC side.It is proved by modeling and simulation in PSCAD/EMTDC software that the energy storage device at DC side and UPS at AC side have little impact on frequency converter of auxiliaries during low voltage ride through，but the two schemes are costly；however，increase of voltage boosting modules may result in overvoltage at DC side of frequency converter and some suppression measures must be taken，but this scheme is less costly.The schemes can be chosen in comprehensive consideration of field conditions as well as technical and economical efficiencies.

auxiliary；frequency converter；low voltage ride through；voltage boosting module；energy storage equipment

TM621.7+1

B

1007-1881（2015）11-0079-06

2015-09-17

汪冬辉（1989），男，主要从事继电保护及自动化相关工作。