（国网安徽省电力公司电力科学研究院 安徽合肥 230061）
摘要：目前，火力发电厂重要辅机如给煤机、给粉机变频器大规模使用，然而，由于其本身不具备低电压穿越能力，在发生电压跌落时，变频器会闭锁停机，引起重要辅机停机和机组跳机，对电网安全运行造成不利影响。本文从低电压产生原因开始，讨论了变频器低电压穿越能力，研究了变频器低电压穿越能力测试技术、改造方法及注意事项，测试结果表明改造方案使变频器达到了预期的低电压穿越能力。
关键词：低电压穿越；火电辅机；变频器
前言
火力发电厂均配置大量辅机且常常处于低负荷和变负荷运行状态，通过对辅机加装变频调速系统，可以有效提高节能效益、实现无极调速、提高功率因数和降低启动电流等。然而，低压辅机如给煤机、给粉机等，由于负载较重，且不具备自动工频切换旁路，在发生低电压穿越即电压短时跌落时，变频器会闭锁停机，导致给煤机、给粉机等重要辅机停机，进而引发电厂锅炉停炉、机组停机事故。因而，需要对变频器低电压穿越问题原因、测试、改造等相关问题进行研究。
1 变频器低电压穿越问题原因
近些年，省内外发生多起低电压穿越事件，对电网的安全稳定运行造成严重影响。我省也发生多起变频器低电压穿越事件，变频器低电压穿越时闭锁停机，引起锅炉停炉、机组停机事件，既有外部原因，也有内部原因。外部原因可归纳如下：1）临近线路发生单相接地或两相接地，若主保护未动作依靠后备保护动作切除故障，或重合闸于永久性故障再次跳闸，可能导致电厂出现低电压穿越。2）备自投切换时间过长，当主电源出现电压低，需要切换备用电源时，在主电源断开后备用电源闭合期间，会导致变频器直流母线电压低，引起变频器本身低电压保护动作。3）由于送电网络不断扩大，系统等值阻抗相对下降，发变组阻抗相对增加，在系统发生振荡时，振荡中心落在发电机机端或升压变压器范围内，导致机端电压周期性严重下降，进而导致厂用电电压下降。4）厂用系统过载，即大容量负载电动机启动，由于启动电流较大，影响厂用母线电压下降。5）正常运行时由于工作电源开关偷跳，即误操作、开关机构故障引起厂用母线失压。6）由于电网侧电压波动、负荷不平衡、雷击、电压切换等引起的电压短时降低。
2 变频器低电压穿越能力测试方案
变频器低电压穿越能力测试方案如下：将电压暂降发生仪串接于380V厂用母线与变频器交流输入电压之间，利用电压暂降发生仪模拟380V厂用母线电压暂降过程，将变频器交流输入电压、变频器交流输出电压、变频器直流母线电压接入数字存储录波器，利用数字存储录波器记录变频器交流输入侧、交流输出侧及直流环节电压波形，以此分析判断变频器及被试辅机的工作情况。
电压暂降发生仪可模拟380V厂用母线电压暂降至额定电压20%、60%、90%，并可在设定的电压暂降持续时间到达后重新恢复至380V。为验证变频器低电压穿越能力，对技术规范[1]中三种不同工况进行测试：1、电压暂降至额定值20%并持续0.5s后恢复；2、电压暂降至额定值60%并持续5s后恢复；3、电压暂降至额定值90%并持续60s后恢复。
在进行低电压穿越能力测试时，对于控制回路取自交流母线电压的情况，应将电压暂降发生仪串接于动力回路和控制回路之上，确保控制回路的低电压穿越能力也在测试范围之内。若变频器控制回路取自厂用UPS或变频器自身直流母线段，则不需测试控制回路低电压穿越能力。
3 变频器低电压穿越能力改造方案
对于动力回路改造，现有的变频器低电压穿越能力改造方案可分为两类：一类在变频器的直流端加装抗低电压扰动设备[2,3]，当发生低电压穿越时，通过该设备为变频器直流端提供输出；另一类在变频器的交流输入端加装抗低电压扰动装置[4]，在发生低电压穿越时为变频器提供稳定的交流电压输出。下面重点介绍该方案。
该方案中储能单元通过BOOST升压回路将直流输出电压维持在480V左右，正常运行时该系统与变频器完全隔离，处于热备用状态；当发生低电压穿越后，变频器直流母线电压低于480V时，系统瞬时启动工作，维持变频器直流母线电压在480V左右，保证变频器正常运行；当厂用母线电压恢复时，系统自动退出工作，转为热备用状态，变频器自动转换为由厂用母线供电；此外，通过接入MFT动作信号和变频器运行信号，保证当MFT动作及辅机正常退出运行时，系统自动退出并转为热备用状态。
在进行变频器低电压穿越改造过程中，我省部分电厂提出使用变频器本身转速跟踪再启动功能，即在发生电压跌落时，使变频器处于自由制动状态，变频器停止输出但不发出停运信号，待一定的等待时间后电压恢复，变频器重启并恢复正常运行。此时，等待时间设置存在难题，若等待时间太短，则变频器重启不成功，会导致变频器停机；若等待时间太长，由于给煤机、给粉机等负载较重，自身惯量较小，给煤机、给粉机电动机在电压降低阶段转速下降很快，会引起锅炉压力不稳，影响机组出力，严重时锅炉可能熄火，此外，在变频器重启成功后，给煤机、给粉机重新给煤给粉，可能会造成更严重的爆燃现象，严重影响锅炉的安全稳定运行。因而，这种方法不能从根本上解决变频器低电压穿越能力问题。
4 变频器低电压穿越能力测试结果
变频器低电压穿越能力测试包括低电压穿越改造之前的实测及改造之后的验证试验。下面仅介绍另外两种工况试验结果。
某厂给煤机变频器运行至33Hz，当发生交流输入电压暂降至额定值20%，持续0.5s工况时，直流母线电压在前120ms内逐渐下降，变频器交流输出电压也随之下降，但此时变频器仍能保持正常的PWM波形输出。当直流母线电压下降至约360V后，变频器闭锁输出，直流母线电压基本保持360V不变，且交流输出电压迅速下降，当交流输入电压恢复至额定值后，直流母线电压恢复至正常值，交流输出电压保持0V不变。某电厂给煤机变频器运行至33Hz，交流输入电压暂降至额定值20%，持续0.5s时电压波形
某厂给煤机变频器运行至33Hz，当发生交流输入电压暂降至额定值60%，持续5s工况时，直流母线电压随交流输入电压同比下降，由570V左右快速下降至344V，此时变频器交流输出电压逐渐趋近于0V，当交流输入电压恢复至额定值后，交流输出电压保持0V不变。值得注意的是，直流母线电压下降过程中同样维持了短时的正常输出，随着电压的进一步下降，变频器闭锁输出。某电厂给煤机变频器运行至33H，交流输入电压暂降至额定值60%，持续5s时电压波形
从上述结果可发现，在发生低电压穿越后，由于直流母线电容的存在，变频器可在极短时间内保持输出，但由于变频器的设计并没有考虑较长时间电压暂降，变频器为保护自身，会闭锁输出，进而引起锅炉停炉机组停机等严重后果。
图1为变频器加装抗低电压扰动装置后，将变频器运行至33Hz，在发生厂用母线电压暂降至额定值20%，持续0.5s时电压波形，此时由于电压暂降，抗低电压扰动设备直流输出（480V）大于变频器直流母线电压，此时由抗低电压扰动设备输出直流电压至直流母线，由抗低电压扰动设备提供电能供给输出，变频器保持正常运行。由于抗低电压扰动设备输出直流为480V，低于正常运行时直流母线电压570V，故其交流输出比正常运行时略低。在交流输入电压恢复正常时，变频器转换为正常交流供电。
图1
图2为变频器加装抗低电压扰动装置后，将变频器运行至33Hz，在发生厂用母线电压暂降至额定值60%，持续5s时电压波形。此波形与上图类似，在发生电压暂降时，由抗低电压扰动设备输出480V直流进行支撑，以确保变频器工作正常，进而确保变频器交流输出保持正常。
图2
从图1和图2试验结果可知，在发生低电压穿越期间，通过抗低电压扰动装置输出直流至变频器直流母线，保证逆变环节交流输出正常工作，进而保证辅机变频器及机组正常工作。在电压恢复正常后，抗低电压扰动装置恢复热备用状态，由变频器进线交流正常供电。此外，通过引入MFT信号及变频器正常运行信号，确保了在MFT动作及正常停给煤机时抗低电压扰动装置正确退出。
结束语
通过对电厂厂用电低电压产生的原因进行阐述，结合变频器结构及其低电压保护设置，分析了变频器低电压穿越问题的根本原因，并介绍了目前变频器低电压穿越测试技术、改造方案及相关注意事项。对改造前后进行的试验结果进行对比可知：通过加装抗低电压扰动装置，保证了在发生低电压穿越时变频器直流母线电压维持正常值，避免了重要辅机保护先于主机保护动作，使变频器可持续稳定输出，进而确保了机组及电网的安全稳定运行。
参考文献
[1] 国家电网公司. 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[S]. 2013:3-4.
[2] 张彦凯等. 火电厂辅机变频器低电压穿越能力的研究[J]. 电气传动.2014, 44(11):55-58.
[3] 王昌. 低电压穿越技术在石化热电厂的应用[J]. 电气应用.2015, 34(3):40-43.
[4] 邵文权等. 火电厂给煤机变频器电压暂降抗扰力[J]. 电力建设.2015, 26(3):88-93.
论文作者:汪玉,高博,罗亚桥,郑国强,丁津津,俞斌,李远松
论文发表刊物:《电力设备》2016年第14期
论文发表时间:2016/10/11
标签：变频器论文; 电压论文; 低电压论文; 母线论文; 发生论文; 降至论文; 辅机论文; 《电力设备》2016年第14期论文;