低电压穿越对给煤机变频器影响的试验与研究

韩峰，余程

(1.浙江浙能技术研究院有限公司控制技术所，杭州 310000； 2. 浙江浙能兰溪发电有限责任公司， 浙江 兰溪 321100)

0 引言

随着电力技术的发展，变频器在电厂中的应用越来越广泛，浙江浙能兰溪发电有限责任公司(以下简称浙能兰溪电厂)在给煤机、空气预热器、真空皮带机等多处设备都应用了变频器，但由于有时电网电压不稳定，导致变频器在使用中出现欠电压保护动作、过电压保护动作等问题。引起电源电压晃动的原因有很多，如电网电压波动、雷击、大设备启动等。空气预热器、真空皮带机等设备的变频器停运后，可在短时间内抢启备用设备，而给煤机变频器的故障停运会导致给煤机直接跳闸，最终造成锅炉主燃料跳闸(MFT)。

为了避免因系统低电压扰动造成给煤机跳闸，从而触发机组跳闸这一严重事故情况的发生，针对浙能兰溪电厂的设备情况，开展了低电压对给煤机变频器影响的试验与研究。

1 浙能兰溪电厂机组概况

浙能兰溪电厂总装机容量为4台600 MW超临界机组。采用北京巴威公司制造的B&WB-1903/25.40-M型超临界、中间再热、平衡通风、固态排渣、全钢构架、露天布置的P形螺旋炉膛直流锅炉，燃用具有中等结渣性的烟煤；采用正压直吹中速磨煤机制粉系统，前后对冲燃烧方式，每台锅炉配备6台ZGM113G型中速辊式磨煤机，每台磨煤机配有1台GM-BSC22-26型耐压称重式给煤机；对应炉膛两侧墙布置36只DRB-4Z低NOx双调风旋流燃烧器，燃烧器上层配有前后各8个燃尽风门；锅炉露天戴帽布置，喷燃器以下紧身封闭，在尾部竖井下设置2台豪顿华三分仓空气预热器。

2 提高给煤机抗低电压穿越能力的方法

浙能兰溪电厂每台机组配置6台上海大和衡器有限公司生产的耐压称重式给煤机，采用中速磨煤机冷一次风正压直吹式制粉系统，给煤机采用安川电机(中国)有限公司(以下简称安川)生产的VS-606V7变频器，有欠电压自启动功能。整台给煤机主要分为控制电源和动力电源。由于给煤机内仪表的控制电源取自不间断电源(UPS)(220 V AC)，所以控制电源基本不会出现欠电压情况；给煤机动力电源取自电动机控制中心(MCC)段380 V动力电源。电网短时低电压对UPS无任何影响，但对MCC段动力电源影响较大。

通过分析有关变频器的技术资料及变频器欠电压的研究资料，目前针对给煤机低电压跳闸主要有以下几种解决方法。

(1)用蓄电池作为变频器的备用电源。将给煤机的主、备用电源通过开关分别接入变频器交流输入端和直流母线上，正常工作时两路电源同时投入，交流电源提供变频器驱动电机的能量，同时为蓄电池充电。一旦交流电源电压降低或中断，直流电源蓄电池将会给变频器直流母线供电，维持变频器正常运行。供电时间的长短取决于电机的负载和蓄电池的容量，变频器故障或收到其他相关保护信号时快速断开直流电源，确保系统安全可靠运行。目前已有专业的公司开发出成套的系统，例如台湾宏瑞公司的DC-BANK、南京国臣信息自动化技术有限公司的抗晃电系统等[1]。

(2)为变频器接入在线UPS。变频器采用UPS供电，但目前应用大型UPS为变频器供电的案例不多，动力用UPS存在电源容量大、转换效率低、投资成本高、维护成本高等缺点[2]。

(3)为给煤机停运信号设置一定延时，给煤机变频器设置掉电自启动，在设定的延时时间内自启动成功则认为系统正常，否则给煤机跳闸。给煤机判断停运增加延时有两种方法：一是在分散控制系统(DCS)逻辑中增加延时判断给煤机停运，低电压恢复后，DCS远方重新下发启动指令，如果超过一定时间电压未恢复，则发停运指令；二是在就地设备中增加延时，低电压恢复后，变频器自启动。方法2比方法1能够更快速实现自启动。

以上3种方法中，前2种方法投入成本较大，增加了蓄电池等设备，每台给煤机都要增加1套成套的系统，1台小型变频器价格在10 000元以下，而成套装置成本为变频器成本的10倍以上，且有些型号的变频器还要进行改造以符合成套装置的要求；同时，由于大型蓄电池等设备的增加，使设备的定期检修工作更加繁琐，增加了故障点及定期维护工作，不利于给煤机的日常运行及维护。针对浙能兰溪电厂的设备情况，第3种方法简单，不增加设备，投入成本较小，但在逻辑上应设置更加严密的保护，需要试验进一步论证其可行性。

3 给煤机变频器设置自启动方式的可行性

3.1 文献研究分析

以往的文献资料多处提到通过锅炉炉膛安全监控系统(FSSS)的给粉机全停逻辑延时来处理这个矛盾，大都认为：延时会导致FSSS安全级别降低使用，存在爆炉隐患；没有延时，因为给粉跳闸引起停炉，给生产带来巨大经济损失。这些文献多是针对中间储仓式制粉系统，但现有制粉系统主要为中间储仓式制粉系统和直吹式制粉系统。

对于中间储仓式制粉系统，当锅炉负荷变化不大时，一般只改变运行给粉机的转速，从而改变进入一次风管的煤粉量；当锅炉负荷变化较大，已超出给粉机的转速调节范围时，可以通过改变投停燃烧器数量和运行给粉机台数来较大幅度改变煤粉量。所以对于中间储仓式制粉系统来说，如果给粉机变频器停运或给煤机转速迅速降低，将严重影响燃烧器燃烧，多台给粉机同时停运，势必引起锅炉灭火，最终导致停炉。如果此种制粉系统的变频器设置再启动功能，锅炉灭火后大量的煤粉会再次冲入锅炉，造成锅炉爆燃等严重后果[3-5]。

对于直吹式制粉系统来说，制粉系统的出力将直接影响锅炉蒸发量的大小，制粉系统中磨煤机的出力决定了制粉系统的能力。当锅炉负荷变化不大时，一般通过改变运行给煤机的转速来调节煤粉量，但调节燃料量的同时还要调节风量，而风作为煤粉的输送介质，直接影响进入炉膛燃料的多少。磨煤机内可积存一定的煤量，在风量正常的情况下，磨煤机磨出的粉直接吹进锅炉。由于磨煤机出粉存在一定的时间差，在积存的可磨煤能够保持正常燃烧的情况下，给煤机短时间停运不会对系统造成任何影响。直吹式制粉系统磨煤机主要为中速磨煤机和双进双出钢球磨煤机，双进双出钢球磨煤机的煤粉储备量相当于磨煤机运行10～15 min的出粉量[6]，给煤机在低电压情况下短时间停运，完全可以支持正常燃烧。

正压中速磨煤机正常运行过程中，如果出现电网低电压情况，给煤机变频器停运后，磨煤机内部的存煤能稳燃的时间取决于磨煤机的出力和磨煤机内部的存煤量。正压中速磨煤机存在最小出力要求，一般能降到额定出力的40%维持正常运行，低于最小出力运行时，由于磨盘上煤层过薄，研磨部件的金属部分可能会直接接触，导致磨煤机出现强烈磨损或振动等事故，所以正常运行时，都会保持磨煤机磨盘上积存一定的煤量，这小部分存煤能维持数秒燃烧，所以可以设置给煤机变频器低电压自启动功能，以避免电网电压波动的影响。

3.2 正压中速磨煤机支撑正常燃烧的时间

正压中速磨煤机支撑正常燃烧的时间取决于磨煤机内部的存煤量和当时磨煤机的出力，磨煤机的出力与风量、煤种等有关，其中的很多变化因素都很难估算。在人工停运给煤机过程中，对于正压直吹式制粉系统，为了将中速辊式磨煤机内的煤粉燃尽，总会在给煤机停运约1 min后再停磨煤机，而在这段时间内磨煤机仍能正常运行，说明磨煤机内部积存的煤量在风量正常情况下能够支持1 min左右的燃烧。给煤机日常停运曲线如图1所示。

一般情况下，电网低电压穿越故障时间小于2 s，对于中速磨正压直吹式制粉系统或者类似的系统，可利用磨煤机内的存煤支持燃烧，躲避2 s内的低电压穿越，不会对系统造成严重的影响。但在给煤机实际停运的2 s内，保持给煤机虚假运行2 s，给煤量会保持原有数值不变，如停运超过一定时间，则认为系统实际故障停运。

3.3 给煤机短时停运、自启动后对锅炉的影响

图1 给煤机日常停运曲线

图2 3台给煤机同时手动停运10 s再启动

2014年1月21日，浙能兰溪电厂现场测试给煤机变频器停运一定时间后自启动对锅炉运行的影响。选择#2机组负荷480 MW左右，5台磨煤机给煤机同时运行，模拟正常运行过程中1～3台给煤机同时停运数秒后重新恢复。通过DCS手动将单台给煤机给煤量指令打到0，停运时间10 s以上，再进行启动，火检情况正常，无大幅波动情况，火焰燃烧情况与日常正常运行情况基本一致；之后依次进行了2台给煤机同时指令到0，3台给煤机给煤量指令同时到0的试验。从图2可以看出，3台给煤机停运10 s的过程中，火焰信号正常，炉膛压力波动正常，主蒸汽温度等运行平稳。该试验也同时验证了给煤机在低电压情况下设置自启动的可行性， 10 s内自动启动正常不会对整个锅炉系统产生影响。

4 给煤机变频器低电压带载试验

为了验证各种变频器能否在低电压情况下实现掉电自启动，分别选用了安川的V7，H1000以及ABB公司的ACS550等变频器进行了模拟低电压情况下的带载试验。根据电网低电压穿越情况和给煤机设置情况，依据DL/T 1648—2016《发电厂及辅机变频器高低电压穿越技术规范》，分别针对3种低电压穿越区进行试验。

(1)变频器持续低电压穿越区：变频器电源进线电压幅值小于额定电压，且大于或等于90%额定电压，持续时间5 s以上的电压及时间区域。当变频器电源进线电压跌至该区域，变频器应可靠供电，保障对象安全运行。

(2)变频器短时低电压穿越区：变频器电源进线电压幅值小于额定电压，且大于或等于60%额定电压，持续时间不大于5 s的电压及时间区域。当变频器电源进线电压跌至该区域，变频器应可靠供电，保障对象安全运行。

(3)变频器瞬时低电压穿越区：变频器电源进线电压幅值小于额定电压，且大于或等于20%额定电压，持续时间不大于0.5 s的电压及时间区域。当变频器电源进线电压跌至该区域，变频器应可靠供电，保障对象安全运行。

在试验过程中发现，每种变频器所能承受的最低电压不相同，当电压暂降至一定值后，会出现变频器失电停止运行的情况。

系统电压位于持续低电压穿越区时，所有试验型号的变频器都能够满足规范要求，在6 s内稳定运行，对系统没有任何影响。系统电压位于变频器短时低电压穿越区时，持续时间不大于5 s，通过调整变频器运行参数，部分变频器能够保证给煤机处于运行状态。系统电压位于变频器瞬时低电压穿越区时，部分变频器，如ABB的ACS550，在系统电压低于60%额定电压时会出现短时失电，无法保持运行状态信号，导致给煤机控制器认为变频器故障停运，变频器不会重新自启动；高端变频器，如安川的H1000，在达到瞬时低电压穿越区极限值时也不会出现失电停运现象，变频器能够处于带电运行状态，系统电源电压恢复正常后变频器能够继续稳定输出电压。

当系统电压低于变频器瞬时低电压穿越区一定时间后(持续时间大大超过0.5 s)，如安川H1000在电压低于15%额定电压一定时间后，也必然会出现类似ACS550变频器的失电停运现象。此种情况下，掉电自启动设置将会失去重启作用，应在给煤机控制逻辑中引入其他失电判断条件，如引入动力电源监视继电器，判断变频器电源发生低电压情况时，延时一定时间触发给煤机启动指令，如果低电压时间过长，应触发给煤机停运指令，以保证给煤机长时间欠电压后不会再启动[7-8]。

5 结束语

给煤机、磨煤机日常运行数据及试验说明，对于大型火力发电机组正压直吹式制粉系统，可通过磨煤机内积存的煤来支持一定时间的燃烧，可实现给煤机变频器在低电压情况下短暂停运后自启动，对锅炉燃烧系统不会有任何影响。本文通过现场试验，证明可通过设置低电压情况下自启动功能和在控制逻辑中引入其他失电判断条件，实现给煤机变频器低电压穿越。