提升火电厂辅机变频系统故障电压穿越性能应用研究

安徽宏网电力设备有限公司 陈 鑫 安徽立卓智能电网科技有限公司 姚 琦

作为衡量电网运行稳定性的一项重要指标，火电厂的故障电压（高、低电压）穿越能力是指当发电系统的并网电压上升或跌落时，系统保持并网状态并向电网提供一定的无功功率以促使电网恢复正常，进而确保系统安全“穿越”故障电压区域。火电厂单机功率及全厂功率均较风电场大，不具备故障电压穿越能力的火电机组辅机，一旦出现电压暂升或暂降的状况，部分辅机变频器易产生闭锁保护动作，致使辅机（电动机）停止运行，进而造成停炉、停机等事故，波及其他入网的电网侧和负荷侧用户，造成多方面的重大损失[1-2]。

火电厂中的给煤机、给粉机等设备作为大型汽轮发电机组Ⅰ类辅机[3]，准确检测其变频器的故障电压穿越能力，并对不具备安全运行能力的变频器进行改造，是关乎电厂甚至电网安全稳定运行的重大问题。

传统的解决方向仅从电厂或电网着手，如给粉机全停逻辑延时、给粉机变频器设置快速重启动、等待电网恢复后给粉机变频器重启动、取消变频器低压保护设置等措施，无法杜绝此类问题的发生。本方案首创性地从电网侧、电源侧和辅机变频器调速系统多个方面综合考虑，对其故障电压穿越性能进行改善。

1 系统主要构成

1.1 电压扰动发生器

考虑到电网电压出现暂升、暂降等故障的不可控性，需要设计能够产生电压瞬变模拟故障电压工作状态，完成火电厂辅机变频调速系统故障穿越能力测试的电压扰动发生器[4]（Voltage Sag Generator,VSG）。对比分析市面上不同类型的电压扰动发生器后，选用基于BOOST升压原理的电力电子变换式电压扰动发生器，作为面向辅机变频调速系统的电压扰动发生源。

在不可控整流电路和逆变电路之间设置升压电路，VSG可模拟电压中断、暂升、暂降等故障情况。同时，在直流侧设置升压电路，相较于利用变压器进行升压的方式，在输出容量相同的情况下，占用体积更小，电压由稳态切换至暂态的时间更短，可达微秒级。整体的设计相较于采用可控整流电路和逆变电路组成的VSG来说，控制算法简单，发热量低，且硬件成本低（如图1所示）。

图1 VSG的电路原理图

1.2 辅机变频调速系统

火电机组的变频调速系统用来调控交流三相电动机的转速，由电力设备（包括变频器、交流电动机）和控制设备（包括开关控制、继电器、电压/频率/电流控制、触发系统、保护、状态监控、通讯、测试、诊断、生产过程接口/端口等）组成。

设定电力生产辅机变频调速系统，包括变频器、变频器所服务的电力生产辅机设备、辅机设备所处生产环境，以及辅机设备所在生产线的特定化工艺作为研究目标，从支撑性能、联动性能、安全性能等多角度，评测电源侧电力生产辅机变频调速系统的高、低电压穿越能力，以及对负荷侧电力用户的用电安全影响。

1.3 抗电压扰动设备

抗电压扰动设备由监控及显示单元、抗电压扰动模块（LVP模块）、主监控单元（MASTER）、电力监测专用软件、直流配电回路、控制回路不间断电源（UPS）等组成，设备如图2所示。

图2 抗扰动设备示意图

模块化设计使得配置方式灵活，主要单元支持热插拔N+1冗余配置，与其他部分相对独立，无相互干扰或影响。人机界面友好，功能完备，方便操作。一体化设计减少占地空间，方便安装调试。防护等级高，适合恶劣环境长期稳定运行。

2 系统工作原理

建立以直流支撑技术为依据的抗电压扰动系统，在出现电压扰动时，确保辅机变频调速系统的转速、功率、转矩不变。

2.1 组成框架

抗电压扰动系统分为数据库内核和外设接口两大部分，数据库内核负责完成信息的处理、功能控制等内容，I/O接口负责外设之间的连接和通信。其组成框图如图3所示，主要由主监控单元、人机交互单元、电压扰动保护模块、储能单元、充电单元、执行单元、交直流监测单元等组成。

图3 抗电压扰动系统组成框图

主监控单元负责监测交、直流电压/电流、电压扰动时间、充电系统运行状况、储能单元运行状况、电压扰动保护模块运行状况等信息，并依据监测信息控制执行单元的动作。支持与HMI触摸屏、DCS系统通讯，并支持与MFT动作联锁等。

电压扰动保护控制模块由滤波单元、BOOST升压电路、保护电路、逆功率防护模块等组成。将储能单元输出电压维持在一定范围内，支持冗余配置。

人机交互单元能够在触摸屏上显示、记录和查询交、直流电压/电流信息、趋势曲线、运行指示、报警指示、SOE记录等，系统参数可人工设置，支持身份验证。

充电单元由高频开关模块并联组成，主要作用是为电池充电，浮充/均充模式能够自动转换；整流模块满足电池组充电、浮充电特性的要求，能承受2Ie以上的短时冲击电流，并具有软启动特性。

2.2 工作原理

该系统输出直流电源与现有火电辅机变频调速系统输入交流动力电源实现变频器交、直流冗余供电，变频调速系统控制电源取自厂内UPS或本系统自带在线式UPS，在变频器制动端口两端并联泄放电阻，为其中间直流回路能够较好地释放多余的能量提供通道，从而预防过电压。

当380V厂用电正常时，低压辅机变频调速系统动力电源由厂用电提供，抗电压扰动系统的输出直流电源处于热备用状态；当380V厂用电压暂降至系统设定支撑阈值以下时，抗电压扰动系统自动投入运行，主动提供直流电源，支撑变频调速系统正常运行，不影响终端电动机的正常运行，直至厂用电再次恢复正常供电时，低压辅机变频调速系统动力电源转由厂用电供电，所有的动作均由系统自动执行，且不对负载有任何影响；当380V厂用电压暂升至斩波投入阈值以上时，变频器制动单元通过自动投入泄放电阻将多余能力释放，从而保证变频器直流环节电压维持在正常工作范围；当抗电压扰动设备联锁动作（MFT动作即主燃料跳闸动作、变频器停止）时，设备自动转入热备用状态。

3 系统性能研究

搭建系统实验平台如图4所示，将电压扰动发生器串联接入被试变频调速系统及AC 380V动力电源之间；电压扰动发生器用来模拟发生0%～130%额定电压扰动信号，作用于被试对象；利用数字存储录波器对扰动电压、变频器直流母线电压、变频器输出电压等多个目标进行同步解析，进而判断被试变频调速系统高、低电压穿越能力。

图4 试验平台示意图

3.1 配置设计

针对各个生产现场的实际状况，设计了分布式和集中式两种支撑方案，以满足不同的实际需求。分布式支撑方案即单套抗电压扰动设备支撑单套变频调速系统，该配置方式可保证任何一套变频器抗电压扰动装置出现异常，都不会影响其他变频器抗电压扰动设备的正常工作，保障机组变频调速系统的可靠性和安全性。集中式支撑方案即单套抗电压扰动设备支撑多套变频调速系统，这种配置方式操作较简单，设备资源投入较少。

3.2 性能指标

当外部故障或扰动引起的变频器进线电压扰动幅值和持续时间在高、低电压穿越区内时，见表1，变频器能够保障供电对象的安全运行。因此，被试系统顺利穿越故障电压区域的前提即测试系统监测到的高、低电压穿越性能指标应符合表1的要求，表中Ue为额定电压。

表1 辅机变频调速系统高、低电压穿越区的指标

3.3 试验结果

当发生380V厂用母线电压输入分别改变至额定值的0%、20%、60%、90%、130%时，被测辅机变频调速系统能够在穿越支撑时间内持续正常运行。部分实验结果如图5、图6所示。

图5 厂用母线电压暂降至额定值60%，维持10s

图6 厂用母线电压暂升至额定值130%，维持0.5s

针对传统火电机组故障电压穿越能力不足的问题，提出了一种综合考虑电网侧、电源侧和辅机变频器调速系统多方面因素的研究方案，有如下特点：一是设定电力生产辅机变频调速系统，包括变频器、变频器所服务的电力生产辅机设备、辅机设备所处生产环境，以及辅机设备所在生产线的特定化工艺作为研究目标；二是利用电压扰动发生器模拟生成0%～130%Ue范围的电网电压波动；三是模块化设计，配置方式灵活，根据不同的现场需求，提供了分布式和集中式支撑两种方案。试验结果表明，系统的故障电压穿越性能得到了有效提升，对保障安全生产、促进电力系统“网源协调”具备较好的工程应用价值。