火电机组辅机变频器低电压穿越问题研究

广西华磊新材料有限公司发电厂 于小杰

随着火电厂整体装机容量的逐步增加，辅机的节能问题也受到人们的广泛关注，而通过进行变频改造，来保证设备的调速及满足节能需求是当前相关生产过程中的重要思路。但是由于相关的变频器在使用过程中对于电源电压具有较强的敏感性，因此在生产过程中容易因为瞬时电压过低而出现跳闸保护的现象，这种现象被称为低电压穿越能力缺失。为了防范这一问题对火电厂造成严重损失，相关单位和人员应当对该问题形成重点关注，并采取相应的改造措施以降低相关问题发生的可能性。

1 辅机变频器低压穿越问题产生的原因

现阶段火电机组的变频改造工作通常集中在针对风系统和水系统的辅机改造过程中，包括一次风机、送风机、引风机、给水泵和凝结水泵等，在变频改造过程中相关单位采取的方式也比较多样，比较典型的为一拖二和一运一备的方式，其电气接线主要为通过共用备用线路与变频器旁路与变频器进行连接，最终保证设备的正常运行，其电气接线图如图1所示。在实际运行过程中，如果因为低电压而造成对应的设备变频器出现停机的现象，则工频备用机组将会适时启动，并保证设备的运行状况。以实际的情况为例，在电厂辅机风机的运行过程中，如果电源电压低于65%UN，则会导致各功率单元的整流输出的直流电压降低，当降低到保护阈值，则变频器将出现停机的现象[1]。变频器停机将会导致辅机的运行状况不佳，以风机的变频器停机为例，相关问题将导致风机的排风量和风压受到影响，不利于正常生产。

图1 一拖二和一运一备电气接线图

从火电厂辅机变频器低电压产生的原因来看，其整体的影响因素是比较多样的，如雷击、电气设备短路、接地等情况出现问题，都会导致对应设备的动力电源和控制电源的电压出现骤降的情况，最终引发设备停机问题。具体分析低电压产生的原因，可以概括为如下几个方面。

第一，电网系统短路故障。如果在相关的系统出现短路的现象，且对应的主保护设备没有形成相应的动作的情况下，则会导致再次跳闸的现象出现，而这种现象将会在火电厂的整体电气系统之中产生暂态的低电压现象，其主要体现就是相关的电压降低到65%UN以下，同时低电压的持续时间往往比较长，影响较为深远。

第二，设备启动导致的低电压。在现阶段的火电厂生产过程中，对一些设备进行启动也会导致低电压现象的产生，如对引风机、一次风机、给水泵等进行启动时，由于这些设备的本身负荷相对较大，在启动阶段比较容易导致电源电压的降低。不过这种现象的持续时间相对较短，一般在10s 左右电压即可恢复正常，但是这种情况依然有可能导致出现变频器跳闸的现象，影响到整体的生产过程。

第三，设备短路。设备短路也是造成低电压的重要原因，在现阶段火电厂的生产过程中，对应的厂用母线负荷内容包括风机、汽机水泵，以及电动机等，如果这些设备出现短路的现象，则需要由设备电流速断保护切除故障，不过在故障发生到故障彻底切断的时间段中，将会导致线路的电压出现跌落，从而引发变频器跳闸。

第四，厂用电源切换导致低电压。在火力发电厂之中，相关的厂用电源切换主要涵盖机组启动和停机阶段，手动进行的电源切换、机组运行过程中出现事故进行的切换，以及各类非正常切换现象。当相关机组处于运行过程中时，由于对应的线路非故障性低压导致的切换现象，则是不正常切换[2]。在不正常切换时，将会造成线路出现较为短暂的低压现象，而这种情况则会造成跳闸事故。

2 解决辅机变频器低电压穿越的思路

如何在低电压穿越的阶段保证电厂辅机变频器不跳和辅机不停是现阶段人们研究的重点问题。从既往的一些经验可以了解到，通过从变频器本身的功能出发，取消变频器的低压保护设置及设置快速启动是一种解决该问题的思路，在这种方式之下相关的变频器将不会面对低压穿越过程中的跳闸问题。但是这种措施也存在一定的缺陷，以煤机为例，在这种方法进行应用的过程中，只能确保相应的电压跌落到额定电压的50%左右，才能让煤机实现正常运行，而重启的过程中又往往会带来锅炉的严重安全隐患，原因是在这个过程中将会导致锅炉的负压出现较大的波动，从而产生爆炸风险。此外，低电压情况下，变频器会表现出过流保护，而如果将过流保护完全取消，则将会导致变频器本身面临较为严重的损坏可能性[3]。同时，针对煤机的低电压穿越问题，相关单位也尝试采取炉膛安全监控系统（FSSS）来进行处置，但这个过程中存在的逻辑延时问题也会导致系统的安全级别降低，因而仍然会导致爆炉风险的出现。针对变频器的电源进行改造也是现阶段处置火电厂辅机低压穿越问题的重要思路，例如通过增加UPS 动力电源，即交流在线UPS来进行火电厂辅机变频器低压穿越问题的解决，但在实际应用过程中UPS 的整体容量相对较低，转换效率不高且成本相对较大，在使用之后往往还会对辅机变频的正常工作造成影响，所以该方法的应用有效性通常不高。

蓄电池思路在现阶段的辅机低压穿越过程中应用比较广泛，这种方式是通过为相应的变频器增加备用电源的方式来达到防范低压穿越问题的目的。相关改造过程中需要将辅机的主、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，正常工作的时候两路电源将会共同投入工作之中，而如果出现线路的电压降低或者断电现象，则备用电源将会取代母线进行供电，在这种方式之下确保对应辅机的变频器始终维持正常的工作状态。而当相关的变频器出现故障或者是接收到保护信号的情况下，又能够迅速地实现与直流电源之间的断开。蓄电池方案同样存在一些缺陷，尤其是相关的蓄电池在日常运行过程中往往处于浮充的状态之下，充电机则一般为电力电子装置，相关装置在运行过程中出现故障的可能性显著高于其他设备[4]。

同时在使用过程中，为了确保对应蓄电池的寿命，往往需要采取定期全充全放的方式来实现良好的维护效果，而这一维护时间往往又比较长，在维护过程中，变频器需要进行电源的切换，这一过程又容易导致辅机出现停机的现象，从而极大地增加整体运行的风险。尽管蓄电池思路在现阶段的应用过程中存在一些不足，但从整体上来看，仍然是解决当前火电机组辅机低压穿越问题比较有效的措施，也正因如此，该方法在目前的整体应用是比较广泛的。

3 解决辅机变频器低压穿越问题的措施分析

3.1 蓄电池加静态开关解决措施

该方案是现阶段解决或电厂辅机低压穿越问题的一种比较重要的思路，在应用过程中相关单位需要通过充电及压差控制系统、储能、监控、执行、直流隔离单元，共同组成一个系统，从而达到防范相关问题的目的。该系统在发挥作用的过程中，当处于无扰动切换的情况下，相关线路将会出现中断或短暂的电压降低现象，而依托这个系统可以通过储能单元来为对应设备的变频器提供能源，从而保证其能够正常运作。在组成方面，该系统的热插拔N+1冗余配置为系统的核心元件，在对应系统出现故障的时候其将不会对正处于正常运行过程中的火电厂设备形成影响，从而能够充分地保障设备运行的安全性和稳定性。采取对应的设备在进行生产的过程中还能够将储能单元的运行工况、交直流电压等进行记录，从而有助于人们对相关问题进行收集和分析[5]。同时蓄电池加静态开关的方式在应用过程中所采取的是阀控式铅蓄电池，这种蓄电池在不同的温度条件、环境条件下其运行状况均相对稳定，可以比较有效地满足火电厂各类辅机的运行需求。由于相关的变频器在运行过程中，其能源为蓄电池组，所以也不会对厂用400V 交流母线产生影响，可以最大限度确保其工作的持续性。

3.2 低电压穿越电源系统解决措施

这种方案在应用过程中能够比较有效地解决对应系统在应用过程中的低电压穿越问题，在组成方面，其主要元件电压暂降保护器、执行、监控单元相关系统在应用的过程中，在无扰动切换下，在持续大于10s 的电压跌落至0.2倍额定值，或者是出现20ms 以内的短时供电中断的情况下，也能充分地保证辅机变频器的正常运行，从而起到防范低压穿越问题对设备使用情况和安全形成影响的作用。同时这一解决方案在应用过程中，各个配置均具有灵活可变的特性，相关人员可以按照当前的设备负载状况，选择应用集中供电或者分散供电的方式，也可以在生产的过程中对MFT 联锁控制进行相应的拓展，在这种方式之下将能够保证整体的供电安全性得到进一步的提升。从现阶段的应用情况来看，目前我国的多数电力企业均对这种设备进行了应用。此外，相关设备还可以将其自身的运行工况进行显示，工作人员能够依据对应的情况进行决策，并根据其所提供的低电压穿越时间进行分析，从而进行整体系统的优化。不过在应用过程中需要注意的是，相关变频器的受电仍然是厂用电，在使用时有可能对常用母线造成电流冲击。

3.3 低电压穿越电源系统加少量蓄电池措施

这种方式在应用过程中对应的系统主要可以分为储能、直流隔离、监控和执行四个单元，以及充电系统和电压暂降保护器等。在无扰动切换的情况下，如果对应的线路之中存在电压中断或者短时的电压降低现象，则可以依托对应的储能单元来保证相关变频器的工作状况，避免其受到电压改变的影响而出现跳闸现象。当然这种低压穿越系统在应用过程中也相对灵活，可以根据不同的负载状况选择采取集中或者分散供电形式。在蓄电池的选择方面，该系统通常选择阀控式铅酸蓄电池，相关系统可以在不同的环境、温度等条件下保持长时间的稳定运行，且由于变频器的电源为蓄电池，所以在使用过程中，也不会对厂用母线形成冲击，具有比较显著的优势。

4 结语

综上所述，在现阶段的火电厂电力生产过程中，辅机低压穿越问题始终是一个影响生产正常性的关键问题，在解决该问题的过程中，相关单位和人员应当对现阶段的火电厂实际生产状况、低压穿越需求等因素进行充分的考量，并根据这些情况制定与现阶段需求相符的改造工作计划。目前来看，采取蓄电池思路来保证火电厂变频器低压穿越能力提升是一种比较可行的思路，相关单位和人员可以从这个角度进行对应方案的拟定，确保火电厂生产的正常和稳定。