摘要：本文首先阐述了高压变频器设备现状,接着分析了高压变频器低电压穿越治理系统, 最后对设备改造方案 、实现方法 、效果评价进行了探讨。通过近几年新高压变频器系统的设计，实现了高压变频器的低电压穿越功能。
关键词：高压变频器；低电压穿越功能
引言：
电厂中，高压变频器用于拖动各类辅机，对于电厂的节能环保具有重要作用。由于电网电压不稳定，当高压变频器的输入电压过低时，会触发保护，从而导致辅机停机，甚至引起机组停机，因此要求高压变频器具备低电压穿越的能力。
1设备现状
高压变频器跳闸主要有两个原因：变频器功率回路（变频器动力部分）和控制回路（控制部分）。变频器的功率回路均由整流模块、直流环节、逆变模块组成。在变频系统中，变频器并非独立运行，有相应的控制电路板、采样反馈系统、继电器和接触器与其配合工作，这些部件均需稳定的控制电源供电。电力系统发生低电压故障时，控制电源也会发生跌落，进而造成控制系统与继电器系统的瘫痪，变频器同样无法正常运行，导致高压变频停止运行。
2高压变频器低电压穿越治理系统
2.1高压变频器低电压穿越治理系统逻辑控制
控制单元输入信号：变频器运行状态接点信号；母线电压监测信号。输出信号：断路器、直流接触器的闭合断开信号。交流电压正常条件下低电压穿越治理系统投入过程：变频器电源端送入正常电压，变频器受电，内部CPU准备运行，DCS或PLC控制设备送来启动指令；模拟控制4～20mA电流决定变频器拖动电机的运行转速；等到系统正常运行后变频器状态接点闭合；低电压穿越治理系统控制单元接收到变频器正常运行状态指令后，向执行单元发出合闸指令，这时该回路在热备用状态；此次操作结束。变频器电源失电，控制单元给执行单元一个运行信号，低电压穿越治理系统给变频器直流母线供电，此过程变频器运行不间断。变频器电源供电恢复时其直流环节的电压应立刻上升；执行单元撤出对变频器的供电，变频器转为电源供电。母线电压未恢复，直流支撑系统给变频器供电时间不小于10s。
2.2高压变频器低电压穿越治理系统工作流程
系统直流输出母线由晶闸管和直流压差控制系统控制，正常运行时与变频器完全隔离。电网电压大于90%时，系统不工作，处于热备用状态。当电压跌落到0～90%范围内系统瞬时（＜200μs）启动工作，维持变频器直流母线电压在DC500V左右，保证变频器正常运行。当电网电压恢复时，系统自动退出工作状态，转为热备用状态，变频器自动转换由电网供电。当MFT动作或变频器停止运行时，系统自动退出，转为热备用状态。
3设备改造方案
通常，变频器采用“交－直－交”工作模式，主要有变频器功率回路和控制电源两部分。若要彻底解决变频器因电压低而跳闸的问题，就必须同时解决直流电源支撑问题和控制电源问题。考虑到高压变频器负荷转矩特性，计划为高压变频器加装低电压穿越电源装置。在系统发生低电压期间，低电压穿越装置输出稳定直流，可靠提供高压变频器直流电源，同时提供可靠的控制电源，保障变频器拖动系统的连续稳定运行。
系统主要由蓄电池组、电压暂降保护器、直流隔离单元、执行单元、监控单元等组成，交流电取自变频器输入端交流电源。当电压下降，监控单元检测到直流环节电压下降至低电压穿越保护系统预定阀值时，执行单元瞬间导通，由蓄电池对升压电路充电后，为变频器直流环节提供稳定直流电，保证高压继续运行。正常时，由微机充电装置对蓄电池组进行浮充电，高压变频器及低电压穿越电源装置的控制电源由单独配置的ＵＰＳ系统提供。该方案优点是用部分蓄电池就可解决变频器深度低电压穿越问题，且系统供电可靠性高、对厂用电无冲击、投资相对较低、工程量少；缺点是需定期对蓄电池进行维护。
系统主要由功率变换模块、直流隔离单元、执行单元、监控单元等组成，选用机组１１０Ｖ直流系统作为高压低电压穿越装置的动力电源。当电压波动时，直流电源经过功率变换模块后，为变频器直流环节供给稳定直流电，保证高压继续运行。高压变频器及低电压穿越电源装置的控制电源由机组ＵＰＳ系统提供。该方案优点是无电池维护任务、可实现深度低电压穿越；缺点是一旦装置发生接地或短路故障，就会影响机组直流系统、ＵＰＳ系统的正常运行，且投资相对较高、工作量较大，需要单独敷设动力电缆。
4实现方法
经过几年时间，发电设备成套设计研究院有限责任公司对高压变频器进行了升级改造，实现了低电压穿越功能。当变频器输入电压幅值降低至一定范围内时，首先采用提高输出电压参考值的方法，保证装置的输出电压；如果不能满足，则降频运行。如果输入电压降低很多或者消失，在高压变频器软件中检测到高压消失后，将低电压穿越的过程分为几个区间，分别实施控制策略,如图1所示。
图1低电压穿越的过程
区间Ⅰ：短时封脉冲，小于10ms的电压大幅度跌落，在电压跌落瞬间封锁输出，但变频器保持原来运行状态，电压恢复后，变频器不作调整直接恢复输出（此时会有小幅电流冲击）。
区间Ⅱ：变频器进入低电压穿越区，其封锁输出脉冲，电动机处于自然停车状态，且转速逐渐降低，变频器测量电动机定子侧反电动势（残压），从而对电动机转速进行估算；通过跟踪电动机的转速，估算出电源电压恢复正常时电动机的跟踪频率；当电源电压恢复时，使电动机从估算的跟踪频率开始工作。
区间Ⅲ：电动机残压太低无法检测，当电源电压恢复时，从最后测得的频率起动电动机。
区间Ⅳ：若失电时间大于电动机的自然停车时间，则电源电压恢复从0Hz起动电动机。
区间Ⅴ：如果很长时间没有恢复电源电压，则停机。
通过上述方法，在变频器电源电压偏低或失去时，不会引起变频器故障停机，从而为电厂的安全运行提供保障。在实际应用中，需要根据具体情况，比如电动机的运行性能、电厂的实际要求等，改变封锁脉冲输出的等待时间、估算电动机转速的加速度等变量，并进行灵活的设计。
5效果评价
实施后，对改造后的高压变频器进行性能检测，情况如下：模拟变频器进线电源电压为９０％额定电压，变频器能可靠供电，高压正常运行。模拟变频器进线电源电压跌落到６０％额定电压持续５ｓ，变频器能可靠供电，高压正常运行。模拟变频器进线电源电压跌落到２０％额定电压持续０．５ｓ，变频器能可靠供电，高压正常运行。测试结果表明，加装辅机电源控制系统后的高压变频器低电压穿越能力符合《大型汽轮发电机组一类辅机变频器高、低电压穿越技术规范》相关技术要求。
结束语：
随着电力电子技术的发展，变频器以其调速精确，使用简单，保护齐全等特点广泛应用于电厂辅机调速控制系统中。由于电力电子器件的应用，变频器均带有低电压跳闸保护，电网电压的波动往往会带来变频器的退出运行，从而造成事故的扩大。此类故障期间的非计划停运，一方面影响发电厂发电连续性和经济性，另一方面会进一步对电力系统造成冲击，加剧系统故障程度，严重影响电力系统的安全稳定运行。通过变频器低电压穿越装置改造，能够解决火电厂辅机变频器低电压穿越的难题，提高电源、电网运行的可靠性和稳定性。因此，火电厂变频器低电压穿越装置改造是必要的，具有较好的经济效益和社会效益。
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论文作者:李克磊
论文发表刊物:《电力设备》2019年第6期
论文发表时间:2019/7/8
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