火电厂空预器变频器高低电压穿越能力的实现

童 宇，杨光明

（国电蚌埠发电有限公司，安徽蚌埠 233411）

0 引言

近年国家大力发展太阳能、风能等新能源发电，装机容量占比逐年增高。截至2019 年8 月31 日，安徽省新能源装机容量占全省统调装机容量的16.08%。相比传统火力发电机组，新能源发电机组出力不稳定、调节速率慢。使得火力发电机组要积极参与电网的深度调峰，保证电网稳定运行，这就对火电机组自身的安全稳定提出了更高要求。近年，一些火电厂出现过因外部或内部电压波动、闪变引起的机组跳闸事故，主要原因是辅机特别是一类辅机（给煤机、空预器和一次风机等）变频器不具备高低电压穿越能力，变频器自保护动作致使机组跳机。为降低此类隐患，各级电网公司要求各火电厂对机组重要辅机进行高低电压穿越能力验证。对不能满足的设备，限时完成技术升级改造，特别是空预器和给煤机。

1 空预器变频器现状

国电蚌埠电厂一期有2×630 MW 超临界燃煤机组，每台机组配置2 台空预器，额定电压380 V、额定功率22 kW。每台空预器配置2 台变频器（主辅），变频器型号为ABB ACS510、额定电压380 V、额定功率35 kW。2019 年4 月，华东电网直代管机组涉网保护核查审核意见，确认其不满足高低电压穿越能力要求，按照国网要求需进行技术升级改造。

2 方案设计

火力发电机组空预器变频器应用遇到的主要问题是变频器动力电源和控制电源均取自电厂的厂用电源，当厂用电源因某种原因发生电压扰动时，变频器电压保护快速动作闭锁输出。要彻底解决该问题，就必须同时解决动力电源和控制电源的问题。结合变频器结构和ACDC-AC 的工作原理，计划在变频器直流母线端并联智能功率模块，将变频器直流母线电压稳定在正常值；同时提供可靠的不间断控制电源，保障变频器调速系统可靠稳定运行。

2.1 蓄电池储能方案（图1）

图1 蓄电池储能方案原理

系统交流输入取自变频器输入端电源，装置主要由蓄电池组、整流单元、BOSST 升压单元、直流隔离单元、执行单元和监控单元等组成。蓄电池组电源经过DC/DC 变换，将直流输出电压维持在DC 500 V。当厂用电波动偏离设定值时，高低电压穿越保护瞬时动作，保证负载正常运行。输入正常时，蓄电池组处于浮充状态。空预器变频器及高低电压穿越系统的控制电源均取自机组UPS 系统。该方案的优点是原理简单、可靠性高。缺点是：蓄电池运行环境恶劣，需定期维护且使用寿命短；空预器电机功率大、造价高、设备尺寸大；一旦装置发生接地或短路故障，可能会影响机组UPS 系统正常运行。

2.2 智能功率模块型方案（图2）

图2 智能功率模块方案原理

系统交流输入取自变频器输入端电源，在变频器直流母线端并入一个自动控制的AC-DC 宽输入范围高频电源，利用电网残压升压（BOOST）直流斩波技术，自动跟踪电压状态。当系统电压跌落至10%～90%额定电压时，系统自动投入运行，使输出侧电压维持在DC 500 V，保证空预器变频器输出稳定，转速、功率、转矩不变。同时内置高电压抑制单元，当变频器直流母线的电压偏离设定的阀值时，通过制动电阻来抑制直流母线电压，实现高电压穿越。空预器变频器的控制电源取自机组UPS，高低电压穿越系统装置控制电源由内置的UPS 提供。该方案的优点是智能化、模块化、造价低、免维护、施工量小；缺点是技术难度大，对元器件质量要求高。

3 方案实施

通过综合对比和论证，确定采用智能功率模块型方案。2020 年10 月，对机组空预器变频器实施改造，改造方案如图3 所示。

图3 方案实施拓扑图

选用1 套MZ-HLVRT 型火电机组辅机变频器高低电压穿越系统，同时对主、辅变频器进行高低电压穿越支撑，随主、辅空预器的运行方式变换而自动切换。该系统主要由双电源切换、智能功率模块、UPS 等组成。UPS 用于高低电压穿越系统的二次控制电源。

（1）在电网电压正常时，交流输入稳定，直流母线电压处于正常值，空预器变频器输出稳定；此时系统智能功率模块单元直流回路处于热备用状态，不参与变频器运行。

（2）电网电压跌落时，变频器交流输入随之降低。高低电压穿越系统监测电压跌落深度；高低电压穿越系统瞬时提供直流电源支撑，至变频器直流母线电压稳定在DC 500 V，空预器变频器输出稳定。变频器成功穿越低电压区间。

（3）电网电压升高时，变频器交流输入随之抬高。高低电压穿越系统监测电压升高幅度；高低电压穿越系统智能功率模块单元瞬时吸能释放，至变频器直流母线电压稳定在DC 500 V，空预器变频器输出稳定。变频器成功穿越高电压区间。

（4）当电网电压经过高低电压扰动后恢复正常时，系统智能功率模块单元停止输出退出工作状态，恢复到热备状态，空预器变频器恢复至由电网交流回路供电。

4 结果验证

技术升级改造实施结束后，在空预器变频器高速运行的试验条件下，试验结果如下。

（1）空预器变频器输入电压瞬时升高至额定值的130%，持续0.5 s 时，空预器变频调速系统可持续正常运行。

（2）空预器变频器输入电压瞬时升高至额定值的110%，持续60 s 时，空预器变频调速系统可持续正常运行。

（3）空预器变频器输入电压暂降至额定值的90%，持续60 s 时，空预器变频调速系统可持续正常运行。

（4）空预器变频器输入电压暂降至额定值的60%，持续5 s 时，空预器变频调速系统可持续正常运行。

（5）空预器变频器输入电压暂降至额定值的20%，持续0.5 s时，空预器变频调速系统可持续正常运行。

上述测试结果表明，在静态试验条件下，通过技术升级改造后的空预器变频调速系统满足DL/T 1648—2016《发电厂及变电站辅机变频器高低电压穿越技术规范》的标准要求。

5 结束语

对于火电机组空预器变频器进行的高低电源穿越改造，技术成熟、运行可靠、智能化程度高，很好解决了空预器变频器在电网电压瞬时扰动区间进行穿越，保障了机组稳定、高效运行。