发电厂锅炉给粉机变频器低电压穿越技术的应用

于 哲，张 月

（1.鞍钢股份能源管控中心；2.鞍钢钢铁研究院，辽宁鞍山 114000）

引言

目前，在火电厂辅机设备运行中广泛使用变频技术来实现节能降耗。但由于电网电压波动时，变频器会出现低电压闭锁、停止电流输出等现象。变频器接至电厂重要辅机设备上时，变频器的停运可直接导致发电机组非计划停机，对企业造成严重的经济损失和设备危害[1]。

能源管控中心中央电站二期2台220 t/h掺烧煤气锅炉发电机组，发电机有功功率为25 000 kW。每台锅炉配备12 台给粉机，采用ABB ACS550 型变频器驱动,给粉机控制柜控制电源、动力电源均取自厂用电。2019 年8 月14 日16 时18 分，由于电网波动，相应厂用电瞬时电压降低，由于变频调速设备不具备低电压穿越功能，中央电站二期2#炉1#～8#、11#给粉机变频低电压保护动作，变频器闭锁输出，造成机组停机事故发生。此类非计划停机事故，直接影响生产连续性和经济性，并容易造成电气设备损坏。为保证中央电站二期机组安全稳定运行，对二期2台锅炉共计24台给粉机变频器加装2套低电压穿越装置。

1 锅炉给粉机变频器供电现状

每台锅炉的1#～12#给粉机额定功率为2.2 kW，额定电压为380 V，采用ABB ACS550 型变频器驱动，拖动方式为一拖一。1#～6#给粉机变频器由厂用电380 V系统的1#、2#两路交流电源供电，7#～12#给粉机变频器由厂用电380 V 系统的3#、4#两路交流电源供电,两路电源互为备用。由于1#～4#交流电源均来自厂用380 V 系统，当厂用电系统出现电压暂降时，两路电源的供电方式也无法保证给粉机变频器的持续运行。

2 低电压穿越系统的工作原理及组成

当电网电压正常时，变频器由交流母线供电,低电压穿越系统处于热备用状态。当发生低电压穿越时，变频器直流母线电压低于低电压穿越系统输出电压，转由低电压穿越系统给变频器提供直流电，保证变频器正常工作。

低电压穿越系统由整流充电单元、RTM 模块、监测单元、执行单元、电池巡检仪等组成[2]。其中RTM 是一种用于直流负载的电压暂降保护设备，若系统出现故障，可以快速切断输入与输出的联系，起到快速保护系统以及模块本身的作用，能对电压暂降作快速和精确的校正，并有连续的电压调节和负载电压补偿的功能。

低电压穿越系统采用集中式供电方式，单套低穿柜对应单台机组的1#～12#给粉机变频器，低穿柜一路交流电源输入、两路直流电源输入。由厂用380 V 系统向低穿柜提供一路交流电源，由中央电站三期直流屏向低穿柜提供直流电源，直流电直接与RTM模块中直流输入端相连。

3 改造内容

3.1 给粉机变频器控制回路改造

给粉机控制电源改造，给粉机控制电源原本是取自厂用电380 V 一火线一零线220 V 的电源供给的，当电网电压发生暂降时，厂用电电压也会降低，这样会导致变频器控制面板等欠压失效，变频器势必引发故障报警，所以控制电源需要用UPS 改造。由原来的一火一零改为低电压穿越系统UPS 输出的AC220 V，为给粉机控制柜提供不间断交流电源。UPS 由一路直流和一路交流供电，直流电源取自中央电站三期直流屏DC220 V，交流电源取自厂用电AC380 V。见图1。

图1 改造后低电压穿越系统原理图

3.2 给粉机变频器动力回路改造

给粉机变频器动力单元的电压变化过程是工频380 V交流电源经整流器先整流成直流电[3]，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，利用逆变器功率元件的通断控制，将直流电源逆变成频率、电压可调的三相交流电源供负载使用[4]。当电网电压出现波动时，低电压穿越系统的监测单元检测到给粉机变频器直流环节电压下降至设定值，RTM 电压暂降保护装置将厂用DC220 V 升压后输出稳定的500 V 高压直流电，为变频器直流环节提供稳定直流电源。1 台RTM 装置对应2 台给粉机变频器，RTM 的直流输出回路正极引出线接至变频器直流母线的正极端子，由于ABB ACS550 变频器的直流负线没有外出的端子，所以需要将整流桥后的直流负线引到变频器外接端子，和低穿柜变频器的直流馈出负线对接。见图2。

图2 RTM系统外围接线框图

电网波动时，给粉机变频器运行参数能够保持稳定，锅炉发电机组安全运行。当电网电压恢复正常后，低电压穿越系统自动退出，处于待机状态，变频器自动转换由厂用380 V动力母线供电。

3.3 低电压穿越系统联锁控制改造

岗位运行人员通过DCS 远方控制（也可以就地控制）给粉机的运行、停止和转速，电机按模拟控制4～20 mA 电流决定变频器拖动电机的运行转速。低电压穿越系统柜向DCS 提供一路无源常开接点，向DCS 反馈低穿系统的故障信号，用于岗位人员监控低穿系统运行状况。DCS向低电压穿越系统柜提供一路无源常开接点，用于MFT（炉膛灭火保护）信号采集，作为低穿系统柜内联锁控制。事故情况下，当锅炉MFT 动作，快速切断设备电源，停止设备的运行，确保低电压穿越装置不影响系统正常操作。

4 低电压穿越系统功能测试

4.1 单台给粉机变频器断电测试

启动1#炉1#给粉机变频器，合上低电压穿越系统直流输出MCB401 断路器，断开1#炉1#给粉机变频器交流电源开关，低电压穿越系统自动投入运行，测量系统输出电压为500 VDC 左右。10 s 内变频器保持正常运行，输出频率、给粉电机转矩、给粉电机转数无变化。10 s 后自动跳开RTM 和给煤机之间的接触器，低电压穿越系统自动退出运行，合上1#炉1#给粉机变频器交流电源开关，低电压穿越系统恢复为备用状态，变频器转为由厂用380 V 交流电源继续供电。

4.2 1#炉1#～6#给粉机变频器总电源断电测试

启动1#炉1#～6#给粉机变频器，合上低电压穿越系统直流输出MCB401～MCB406 断路器，断开1#炉1#～6#给粉机变频器两路交流电源总开关，低电压穿越系统自动投入运行，测量系统输出支撑电压为DC500 V 左右，1#～6#给粉机变频器保持正常运行，输出频率、给粉电机转矩、给粉电机转数无变化。8 s 后合上1#炉1#～6#给粉机变频器交流总电源，低电压穿越系统自动退出运行，恢复为备用状态，1#炉1#～6#给粉机变频器转为由厂用380 V交流电源继续供电。

4.3 MFT联锁控制测试

启动1#炉7#～12#给粉机变频器，确认低电压穿越系统处于正常待机备用状态。从远方DCS 发出MFT 控制信号，低电压穿越系统的MC407～MC412直流输出接触器动作，与1#炉的7#～12#给粉机变频器断开连接，1#炉的7#～12#给粉机同时跳闸，低电压穿越系统未影响原有的控制系统。

5 经济效益分析

2 台发电机组，发电机有功功率为25 000 kW。按发电机组非计划停机次数3 次/年，每次停机时间3.5 h，发电机组稳定发电能力20 000 kW 计算,每年造成电量损失约210 000 kWh，应用低电压穿越系统后，电价按0.5 元/kWh,全年可压减非计划停机事故损失约10.5 万元。

同时，低电压穿越装置可以避免突然失电对变频器的损坏，在电网波动时不会对给粉机造成较大的启动转矩冲击，延长变频器和电机的使用寿命，每年可节省维修费用、材料费用约10 万元。

6 结语

通过能源管控中心中央电站锅炉给粉机变频器低电压穿越系统改造，给粉机变频器及其拖动系统可实现在电力系统发生短时电压降落或失电时，输出转矩、保证转速和功率等技术参数均不变，解决了因电网电压波动引起的给粉机变频器低电压保护跳闸问题，避免了低电压造成的非计划停炉和关键设备的损坏，提高了燃煤锅炉发电机组的经济效益。