火电厂辅机变频器低电压穿越技术综述

郑 重，李卫华 ，耿 华，杨 耕

（1.华北电力科学研究院有限责任公司，北京 100045；2.清华大学 自动化系，北京 100084）

0 引言

近年来，随着对火电厂自身节能减排指标及其参与电网调频、调峰性能要求的日益提高［1］，火电机组的辅机设计开始逐步转向变频技术。基于在辅机的软启动、调速和经济运行等方面的优势，变频器已在火力发电领域得到了广泛应用［2］，约95%的辅机已改用变频驱动方式运行。

然而，变频器对于其供电电源的波动极为敏感，这一问题早已在以变频器为并网接口的风电机组中凸显［3］。为了克服电网电压跌落给风电机组所带来的负面影响进而确保电力系统的安全稳定运行，国内外专家和学者已对风电机组的低电压穿越LVRT（Low-Voltage Ride-Through）问题进行了深入的研究并取得了大量的成果［4-7］。相比之下，火电机组由于采用同步发电机直接并网，其过载能力较强，对电源波动的敏感性远低于风电机组，因而其LVRT问题并未引起足够重视。然而，当采用变频器驱动火电机组辅机时，其辅机变频器过载能力较弱，同样存在类似于风电机组LVRT能力弱的问题，该问题将导致火电机组跳机。由于火电机组单机容量较大，其跳机对电网安全稳定运行的影响更为严重［8］。

本文旨在对现有的火电厂辅机变频器LVRT技术进行综述，以期为该问题的深入研究提供一定的参考。为此，首先分析了电源电压跌落对火电厂辅机变频器的影响，从确保火电机组自身及电网安全稳定运行的角度，指出对火电厂辅机变频器提出LVRT能力要求的必要性；在此基础上，介绍了火电厂辅机变频器LVRT最新的技术规范，并对现有的各种LVRT技术进行了总结和评价；最后，对火电厂辅机变频器LVRT技术未来的发展方向进行了展望。

1 电源电压跌落对辅机变频器的影响

典型的火电厂辅机变频器拓扑结构如图1所示［9］，其对外为三端口结构，可根据实际情况选择交流输入端或直流输入端进行供电，其交流输出端则用于驱动辅机电机。

图1 火电厂辅机变频器拓扑结构Fig.1 Topology of auxiliary equipment inverter of thermal power plant

实际运行时，火电机组辅机变频器的动力电源往往取自厂用电源，当厂用电源因诸如电网故障、大型设备的启停等原因发生电压跌落时，若辅机变频器不具备LVRT能力，则会因低压而闭锁输出［10］。对于火电机组而言，当其重要辅机（如给煤机、空预器等）因变频器低压闭锁而发生大规模停运时会直接触发主燃料跳闸MFT（Main Fuel Trip）保护动作而跳机，造成机组的非停［11-12］。

近年来此类事件在国内火电厂中时有发生，如2011年1月2日因500 kV系统母线发生单相接地故障所引起的给煤机变频器闭锁输出，最终导致了伊敏发电厂4号机组及呼伦贝尔发电厂2号机组跳机［13］。一方面，对于火电机组自身而言，上述情况会影响其经济运行甚至导致锅炉炉膛爆炸；另一方面，对于电网而言，大规模的火电机组解列可能会引发电网崩溃甚至大面积停电。

因此，为确保火电机组自身及电网的安全稳定运行，有必要对火电厂辅机变频器提出LVRT的能力要求，即要求变频器在其动力电源发生电压跌落时能保持不间断连续运行，进而保障重要辅机在低压期间的持续稳定工作。

2 火电厂辅机变频器LVRT技术规范

鉴于近年来因重要辅机低压跳闸所引起的火电机组非停事故频发，全国各级电网公司已先后开展了火电机组重要辅机变频器的LVRT整改工作，并先后出台了相关的技术规范。如国家电网公司所下发的《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）》［14］和内蒙古电力公司所下发的《关于开展火电厂辅机系统变频器低电压穿越能力整改的通知》［15］中均明确给出了变频器LVRT的量化指标，虽然具体要求不尽相同，但都对不同电压跌落深度下变频器不脱网连续运行时间进行了规定。下面以2015年9月由全国电网运行与控制标准化技术委员会最新组织起草的《发电厂、变电站辅机变频器高、低电压穿越技术规范（征求意见稿）》（简称为《技术规范》）①中国电力企业联合会.发电厂、变电站辅机变频器高、低电压穿越技术规范（征求意见稿）.2015.为例，对其中的LVRT要求进行介绍。

如图2所示，《技术规范》要求当外部故障或扰动所引起的变频器进线电压跌落幅度和低电压持续时间在规定的LVRT区内时，变频器应能够可靠供电并保障供电对象的安全运行。其所规定的LVRT区按照电压跌落深度由大到小及低电压持续时间由短到长依次可划分为暂态穿越区、动态穿越区及稳态穿越区，具体技术指标要求如表1所示。需要说明的是，此《技术规范》适用于300 MW及以上的汽轮发电机组，其中一类辅机指的是短时（小于5 s）中断供电将会造成设备损坏、机组停机或机组输出功率大幅下降，影响电网安全运行的辅机。

图2 大型汽轮发电机组一类辅机变频器低电压穿越区Fig.2 LVRT regions of class-I auxiliary equipment inverter for large turbo-generator

表1 一类辅机变频器低电压穿越技术指标要求Table 1 Technical specifications of LVRT for class-I auxiliary equipment inverter

可以看到，随着变频器进线电压跌落幅度的减小，变频器维持不间断连续运行的时间要求不断增加，当电压跌落幅度小于10%时，要求变频器能够保持长时间的稳定运行。上述《技术规范》实质上是对火电厂辅机变频器在其非正常电源电压工况下的运行能力提出了更高的要求。参照此《技术规范》，本文后续部分将对现有的各种火电厂辅机变频器LVRT技术进行介绍。

3 火电厂辅机变频器的LVRT技术

目前已有的火电厂辅机变频器LVRT改造措施主要可分为硬件层面和软件层面2个层面，以下分别介绍。

3.1 硬件层面的LVRT改造措施

硬件层面又可划分为对火电厂辅机变频器自身的功能进行改造和增加额外的辅助穿越装置这两大类。

3.1.1 辅机变频器自身功能改造

鉴于辅机变频器的闭锁输出是因进线电压的降低触发了其直流母线电压的低压保护所引起，因此早期应对此问题所采取的措施主要是改用能够在小幅电压跌落条件下依然能保持正常工作的变频器，如文献［16］中所采用的施耐德ATV71变频器。然而，目前绝大多数的辅机变频器的正常工作电压范围仅为-15%～10%额定电压，显然无法完全满足《技术规范》中对于电压跌落深度的要求。

另外一种思路则是选择具有“失电再启动”功能的变频器，如文献［9］中所采用的ABB-ACS510变频器，能在厂用电瞬时失电后3 s内重新自启动。所谓“失电再启动”功能，是指当电源电压降低时，变频器停止输出但不跳闸，其所驱动的电机处于自由制动状态，转速逐渐降低，期间根据特定的算法对电机转速进行估算得到一个跟踪频率［17］，待电源电压恢复时，变频器从估算的跟踪频率再启动工作，直至电机转速恢复正常。以上过程中电机的转速变化曲线如图3所示①。图中，n0为电机的正常转速，n1为变频器再启动时的电机转速，单位均为r／min；T1为变频器的再启动时间，T2为电机转速的恢复时间，单位均为s。

图3 变频器失电再启动过程中电机的转速变化Fig.3 Variation of motor speed during power-loss and restart

该措施仅适用于自身转动惯量较大的风机类辅机变频器。对于给煤机等转动惯量较小的辅机变频器，由于自由制动状态下电机转速下降得很快，其电源电压尚未恢复便会因锅炉灭火而触发MFT保护动作从而导致停机，因此并不适用。此外，多台辅机（如给煤机）变频器的失电再启动会造成锅炉炉膛压力的剧烈波动，这会对机组的安全运行造成极大的危害。需要强调的是，变频器失电再启动也并非真正意义上的不间断连续运行，因而无法满足《技术规范》的要求。

3.1.2 增加额外辅助穿越装置

随着火电厂辅机变频器LVRT技术规范的出台以及变频器自身功能改造措施的局限性日益凸显，国内外专家和学者开始着眼于为辅机变频器配备额外的辅助装置以助其实现LVRT。此类措施的思路是通过增加额外辅助装置对变频器的供电电源进行补偿，从而将变频器与电源电压跌落故障“隔离”以实现其故障期间的不间断连续运行。由图1可知，变频器存在交流供电和直流供电2种方式，因此补偿方式也相应分为2种。

（1）交流补偿方式。对于交流电压的补偿既可以是并联式装置，也可以是串联式装置。并联式装置一般采用静止同步补偿器STATCOM（STATic synchronous COMpensator）［7，18］，其典型结构为三相桥式逆变器与变频器进线电源并联，通过控制桥式电路开关管的通断，维持逆变器的直流母线电压稳定，同时控制其输出电流。当电源电压发生跌落时，STATCOM输出三相补偿电流，该电流在传输线路上产生压降以补偿变频器进线电压。

鉴于STATCOM的补偿效果需依赖于足够大的线路阻抗，而火电厂辅机变频器的线路结构中阻抗较小，因此实际中较多采用的是如图4所示的串联式装置动态电压恢复器DVR（Dynamic Voltage Restorer）［19］，其典型结 构为三相桥式逆变器通 过变压器耦合串入辅机变频器的电源与交流进线端之间，通过控制桥式电路开关管的通断，维持逆变器的直流母线电压稳定，同时控制其输出电压。当电源电压发生跌落时，DVR输出三相补偿电压，等效于在变频器和其电源之间串入三相电压源，使得变频器完全不受其电源电压跌落的影响，从而保持正常工作。

图4 DVR电压补偿示意图Fig.4 Schematic diagram of DVR voltage compensation

（2）直流补偿方式。由于变频器自身的控制及其功率输出均来源于其直流母线，因而在电源电压发生跌落时对变频器直流母线进行补偿供电确保其母线电压稳定即可实现LVRT，这也是目前国内电力市场上主流的商用化方案。

直流补偿装置可分为有源和无源两大类［20］。有源装置一般采用如图5所示的“不控整流桥+直流蓄电池”的结构［21-22］，正常工况下变频器电源给蓄电池充电，当交流电源电压发生跌落时通过蓄电池放电来对变频器的直流母线电压进行补偿。无源装置一般采用如图6所示的“不控整流桥+升压电路”的结构［12-13，23-25］，正常工况下升压电路被旁路，交流电源为变频器供电，当交流电源电压发生跌落时通过控制升压电路的输出来稳定变频器的直流母线电压。

图5 有源直流补偿装置示意图Fig.5 Schematic diagram of active DC compensation device

图6 无源直流补偿装置示意图Fig.6 Schematic diagram of passive DC compensation device

通过增加额外辅助穿越装置固然可满足LVRT技术规范的要求，但是对于火电厂中众多的辅机变频器而言，增加额外辅助穿越装置将会大幅增加电厂的运行成本，且辅助穿越装置与变频器之间的协调控制问题也较为复杂，这些因素都制约了该方案的推广应用。

3.2 软件层面的LVRT改造措施

与硬件层面的LVRT改造措施相比，部分专家和学者从节约成本的角度考虑，提出了软件层面的改造措施，即通过改进控制方法来实现LVRT，可划分为集散控制系统DCS（Distributed Control System）控制逻辑改进和辅机变频器控制策略改进这两大类。

3.2.1 DCS控制逻辑改进

鉴于实际运行中辅机变频器低压闭锁导致火电机组跳机非停的直接原因是重要辅机的大规模停运触发了MFT信号，因此该类措施的思路是对输入DCS的辅机停止反馈信号加以延迟以跨过辅机变频器电源电压跌落的时间。以给煤机为例，文献［26］提出对锅炉炉膛安全监控系统FSSS（Furnace Safety Supervision System）中的给煤机全停逻辑加以延时，以避免电源电压跌落导致全部给煤机变频器保护闭锁时触发MFT信号。

然而，该类措施在本质上仅是人为地让DCS屏蔽故障信号，对于低压期间辅机变频器跳闸所带来的各种系统安全隐患并无任何改善作用，甚至会因失控而恶化事故的影响。因此，该类措施治标不治本，实际可行性不大。

3.2.2 辅机变频器控制策略改进

考虑到辅机变频器驱动电机的能量源于变频器的进线电源，当电源电压发生跌落时，若继续按原有的转速设定进行控制则容易引起变频器的过流。因此，《技术规范》提出在电源电压跌落期间辅机变频器采用降转速恒磁通的U／f控制方式，即当电压下降的同时降低变频器的控制频率以保持电机磁通不变，同时在负载允许的范围内降低转矩即变频器所需的输出电流，从而实现变频器和电机两者在电源电压跌落期间的安全连续运行。

然而，U／f控制策略是基于电机的静态数学模型而建立的，其在电源电压波动这种较快的动态过程中控制性能较差，而且U／f控制策略仅适用于50%～85%额定电压的低电压范围，因而无法完全满足《技术规范》中对于电压跌落深度的要求。

4 技术展望

鉴于火电厂辅机变频器LVRT问题的提出及相应技术规范的制定均借鉴了风电领域LVRT研究的经验，因此本文同样参照风电机组LVRT技术的发展历程对火电厂辅机变频器LVRT技术未来的发展方向进行以下几点展望。

（1）由前文所述可知，目前仅有增加额外辅助穿越装置这一方案可满足《技术规范》的要求，而本质上所增加的额外辅助穿越装置与辅机变频器一样均为电力电子装置，因此可考虑将两者的功能进行合并，通过对现有的“不控整流+逆变”的变频器拓扑结构进行改进并设计相应的控制方法，来实现满足LVRT要求、降低电厂运行成本的目标。

以目前风电机组中应用最广泛的“背靠背全控型”四象限运行变频器的拓扑结构为例，其可在电源电压发生跌落时，无需外加辅助装置，仅通过对变频器自身整流部分的控制即可维持直流母线电压的稳定，进而保证变频器逆变部分对电机的有效控制，实现LVRT。变频器厂商未来可考虑将此拓扑结构应用于火电厂的辅机驱动。

（2）风电机组LVRT技术的进步与其并网导则的不断发展完善密不可分，其经历了对称LVRT到不对称LVRT、不间断连续运行到提供无功支撑的演变过程。因此可以预见，火电机组未来的LVRT技术规范中也将进一步针对不对称电压跌落的情况加以规定。

当电压发生不对称跌落时，负序电压的存在会使得辅机变频器的母线电压中存在2倍频的波动分量进而严重影响其所驱动设备的安全稳定运行，这对辅机变频器的控制能力提出了更高的要求。而根据风电机组在实现不对称LVRT方面的经验可知，“背靠背全控型”四象限运行变频器具有独特的优势，其能在实现低压期间不间断连续运行的同时消除不对称电压跌落给变频器系统所带来的负面影响，这在客观上进一步推动了此类变频器未来在火电领域的应用。需要强调的是，在不对称电压跌落情况下，“背靠背全控型”四象限运行变频器的整流部分和逆变部分都将面临多目标控制的问题，如何实现变频器容量限制条件下控制目标优先级的划分以及整流部分和逆变部分之间的协调控制将是实现火电厂辅机变频器LVRT的关键所在。

5 结论

本文对火电厂辅机变频器LVRT问题的产生、相关技术规范的要求系统地进行了分析和介绍，并在总结和评价现有的各种LVRT技术的同时，参照风电机组LVRT技术的发展历程对火电厂辅机变频器LVRT技术未来的发展方向进行了展望，指出为适应LVRT技术规范的发展趋势，可考虑将“背靠背全控型”四象限运行变频器应用于火电厂的辅机驱动，以解决LVRT问题。

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