火电厂给煤机变频器电压暂降抗扰力

邵文权，王龙，王建波，吴波，杨亚鹏

(1.西安工程大学电气工程系，西安市 710048；2.国网陕西省电力公司电力科学研究院，西安市 710054；3.中国铁建电气化局第二工程有限公司，太原市 030023)



火电厂给煤机变频器电压暂降抗扰力

邵文权1，王龙1，王建波2，吴波3，杨亚鹏1

(1.西安工程大学电气工程系，西安市 710048；2.国网陕西省电力公司电力科学研究院，西安市 710054；3.中国铁建电气化局第二工程有限公司，太原市 030023)

随着火电厂辅机系统变频器的大规模使用，电网电压暂降引起大量火电机组跳闸的问题凸显。结合陕西电网典型火电机组给煤机变频器低电压穿越特性试验现场试验数据，系统地分析了电压暂降主要因素对变频器输出特性的影响，提出采用动态电压恢复器(dynamic voltage restorer，DVR)进行电压暂降快速补偿的方案。电网电压暂降深度、电压暂降持续时间、负载大小、电压暂降类型等因素对火电机组给煤机变频器工作特性影响较大，导致电压敏感设备变频器直流工作电压降低超限甚至失压，进而引发变频器工作回路动作跳闸退出运行。利用PSCAD/EMTDC搭建典型的变频器电压暂降实验及补偿模型，结果表明采用动态电压恢复器能够很好的稳定变频器直流工作电压，有利于提高变频器电压暂降抗扰能力。

电压暂降；变频器；抗扰力；动态电压恢复器(DVR)

0 引 言

近年来，电网电压暂降导致内蒙古、东北等多地的火电机组辅机多次跳闸，严重影响了电力工业的正常生产，因此研究火电厂辅机敏感设备电压暂降抗扰力有利于实施有效的电压暂降治理措施。

变频器是火电厂重要的辅机调速设备，其对电网电压质量具有较强的敏感性。当发生电网故障引起电压暂降时，为了保持辅机正常运行，变频器需要输出更大的电流，但是由于对抗过电流的能力不足，出于自我保护，变频器会发生闭锁输出，引起锅炉给煤机等设备停运，导致局部电网失稳，造成重大的经济影响[1]。目前，多地发电企业已经开展给煤机变频器电压暂降抗扰力实验研究。文献[2-5]提出在给煤机变频器上增加低电压穿越装置来提高变频器的抗扰能力。通过对变频器直流侧增加不间断电源(uninterruptible power supply，UPS)电池组，在变频器前段增加抗扰设备，或者增加保安电源来有效地解决变频器的低压穿越。文献[6]则针对现有的变频器供电线路进行分析，设计了一种最大限度降低故障率的低电压穿越改造线路连接方式。文献[7]提出更换变频器型号及给煤机专用微机板保证变频系统的低电压穿越能力。但是，加装UPS、改造线路以及更换变频系统的费用都较为昂贵，不具有较高的经济性。动态电压恢复器(dynamic voltage restorers，DVR)是一种串联型的电压暂降补偿装置，能够在1 ms之内快速补尝跌落电压幅值及相位，具有良好的动态电压补偿能力。并且其成本较低，经济性价比较高，具有良好的市场应用率。目前，对于480 V以下的电压暂降补偿，DVR的效率可达99%以上，响应时间小于2 ms[8]。

本文结合陕西电网典型火电厂辅机变频器电压敏感用户在电压暂降情况下的工作特性试验数据，分析电压暂降的跌落深度、持续时间等主要因素对变频器的工作特性的影响，提出使用DVR作为火电厂变频器敏感设备的电压暂降补偿方案，为提升陕西电网重要电厂的电压敏感用户预防抵御电压暂降能力提供参考。

1 火电厂给煤机变频器电压暂降抗扰试验

为了检验陕西电网火电厂重要辅机变频器的电压暂降抗扰能力，国网陕西省电力公司电力科学研究院选择陕西电网内典型电厂的给煤机变频器进行了2次严重的电压暂降扰动(变频器三相供电电压由380 V的额定值分别跌落至60%、20%额定电压，持续运行时间分别为5、0.5 s)，并记录了给煤机变频器输入和输出电压变化情况。各电厂采用的变频器以ABB ACS510系列变频器为主，部分电厂采用三菱变频器，其中郭家湾电厂的变频器设置了自启动功能。试验时，变频器所带负载不超过额定值的20%。略阳电厂与郭家湾电厂给煤机变频器电压暂降抗扰试验记录曲线如图1所示。

从图1可以看出：略阳电厂给煤机变频器在2次干扰下均退出工作，需要现场手动重启；郭家湾电厂给煤机变频器虽然设置了自启动功能，但变频器恢复工作需要30 s以上，可能危及发电机组安全运行。因此，略阳电厂和郭家湾电厂的给煤机变频器均未通过电压暂降抗扰检测，陕西其他火电厂情况类似，其结果如表1所示，其中UN为额定电压。

2 变频器电压暂降抗扰影响主要因素分析

2.1 电压暂降对变频器的影响原因

从火电厂给煤机变频器电压暂降抗扰试验结果可以看出变频器对电压暂降非常敏感[9-12]，影响给煤机变频器电压暂降抗扰力的因素包括：电压暂降深度、电压暂降持续时间、负载大小、变频器低电压阀值、电压暂降类型等。但影响变频器耐受力的直接原因是变频器直流侧电压降到某一限值以下。而变频器直流侧电压降低的本质原因是变频器输入与输出功率不平衡。当发生电压暂降时，输入端的交流电压突然降低，变频器无法从输入端获取足够的能量，而输出端所带的负载功率基本不变，两者之间的不平衡功率需要由变频器直流侧电容来放电提供，造成了变频器直流侧电压下降，因此直流侧电容容量的选取对变频器耐受力有一定的影响。同时，发生电压暂降时，变频器直流侧电压的降低引起驱动控制器的误动作或跳闸。电压暂降结束后的过电流使直流电容充电，会引起过电流跳闸，使保护电力电子器件的熔断器熔断，切断直流工作回路。

图1 略阳电厂、郭家湾电厂给煤机变频器 电压暂降抗扰试验曲线Fig.1 Voltage sag immunity tests of coal feeder inverters in Lueyang and Guojiawan power plants表1 陕西省各火电厂给煤机变频器电压暂降抗扰情况Table 1 Various situations of voltage sag immunity tests of coal feeder inverters in different power plants in Shaanxi province

2.2 不同影响因素下的实验分析

本次变频器电压暂降抗扰力试验中，变频器型号为ABB ACS800，额定输入电压为380 V，直流母线低电压保护阀值设为307 V(相当于变频器交流输入电压降为60%)，试验通过调节电压暂降深度、电压暂降持续时间、以及负载大小检测该变频器的电压暂降耐受力。

2.2.1 电压暂降幅值、持续时间

变频器半载情况下，电压暂降幅值Usag、时间对变频器的影响见表2所示。

表2 电压暂降时间、幅值影响分析

Table 2 Influence of voltage sag and duration time

从表2可见，电压暂降时间、暂降深度对变频器输出均有明显的影响，但当电压暂降值低于变频器低压保护阀值时，电压暂降深度对变频器抗扰力影响不明显，变频器的电压暂降耐受时间稳定在24～27 ms。

2.2.2 变频器负载

当电压暂降值为20%额定电压，变频器低压保护阀值不变时，负载大小对变频器电压暂降抗扰力的影响见表3所示。

表3 负载大小影响分析

Table 3 Influence of various load

从表3可见，负载大小对变频器电压暂降抗扰力具有明显的影响。当变频器空载时，其电压暂降耐受时间不低于2 s；当变频器半载时，其电压暂降耐受时间稳定在24～27 ms；当变频器满载时，其电压暂降耐受时间低于10 ms。

2.2.3 电压暂降故障类型试验

由于电压暂降发生源的限制，无法分别进行单相暂降、两相暂降试验，所以通过PSCAD仿真验证单相暂降和两相暂降对变频器直流侧母线电压的影响。仿真时电网额定电压为380 V，电压暂降值为20%额定电压，变频器负载为半载，电压暂降开始时间为1 s，持续时间为0.5 s。

(1)单相接地故障。假定A相接地，电网电压产生不对称故障，进而引起变频器直流侧电压发生波动，如图2所示。变频器直流母线电压值由正常电压值545 V跌落至530 V，暂降深度为3%，因此变频器工作不受影响。

图2 单相接地故障下变频器直流电压Fig.2 DC voltage of inverter under single phase grounding fault

(2)两相故障。两相故障分为不接地故障和接地故障。假设AB两相不接地故障，变频器直流侧电压如图3所示。变频器直流母线电压值由545 V跌落至450 V，暂降深度为17%。由于变频器设置的低电压保护阀值一般取75%额定电压且两相短路故障持续时间非常短，因此变频器可躲过两相不接地故障时的电压暂降影响。假设AB两相接地故障，变频器直流侧电压如图4所示。变频器直流侧电压值由545 V跌落到约为350 V，暂降深度为36%。大多数变频器无法躲过两相接地故障引起的电压暂降。

图3 两相不接地故障下变频器直流侧电压Fig.3 DC voltage of inverter under two phase fault

综上分析，提高火电厂给煤机变频器电压暂降抗扰力的方法在于保证变频器直流侧工作电压稳定。

图4 两相接地故障下变频器直流侧电压Fig.4 DC voltage of inverter under two phase grounding fault

3 动态电压恢复器

目前，提高变频器电压暂降抗干扰力的措施主要集中在直流侧增加储能保护电路，交流侧增加电压暂降补偿装置。直流增加储能保护电路涉及对变频器控制回路的改造，较为复杂，并且成本较高。在交流侧装设电压暂降补偿装置，具有维护简单，经济实用性较高等特点。

3.1 DVR结构

DVR是一种具有较高经济适用性的电压暂降补偿装置，能够在发生电压扰动后几 ms内将线路电压恢复到正常值，从而避免对后级负荷的干扰[13]。电路结构主要由储能单元、电压型逆变器、控制单元、输出滤波器和耦合单元组成[14-16]，结构示意如图5所示。

图5 DVR结构示意图Fig.5 Structure of DVR

3.2 DVR在电网电压暂降中的应用

3.2.1 DVR的补偿原理

当电网电压正常时，旁路开关闭合，动态电压恢复器出于旁路状态。当本线路外部原因引起公共连接点(PCC)处电压UP发生跌落时，旁路开关断开，DVR串入线路中，并且向线路中注入一个相位和幅值可控的电压UD，使其等于跌落前后的UP之差，保整负载端电压UL不变。DVR补偿原理如图6所示。

图6 DVR的补偿原理Fig.6 Compensation principle of DVR

3.2.2 DVR的电压暂降幅值及相位检测

在DVR实施暂降补偿的过程中，需要实时地检测电压的幅值和相位变化。目前基于瞬时无功功率理论的dq检测法及其改进方法得到了广泛应用，该方法具有较高的实时性和测量精度[17-19]，能够提高DVR的动态响应时间。电压暂降检测原理如图7所示。

将abc坐标系下的三相电压转换到dq坐标系下，其关系式[20]为

(1)

其中：

(2)

(3)

(4)

当电网发生电压暂降时，根据式(3)、(4)计算可得电压暂降幅值和跳变角度。通过计算得出暂降幅值，即可知电压跌落深度。对已有的DVR容量大小及补偿能力进行分析，给出相应的控制补偿策略控制DVR逆变器输出补偿电压。

3.2.3DVR逆变器控制策略

线性控制具有完善的理论、稳定性好、控制精度高和工程应用成熟等特点在DVR的控制中被广泛采用。采用比例、积分、微分等典型的控制模块和校正网络就可以达到工程预期目标。

图8 电压环反馈跟踪控制Fig.8 Feedback tracking control of voltage loop

4 仿真验证

为了验证DVR的暂降补偿效果，本文在PSCAD/EMTDC仿真软件中搭建采用DVR提高变频器电压暂降抗干扰力的仿真平台，如图9。

图9 三单相结构DVRFig.9 DVR based on three single-phases

仿真平台参数如下：电网电压380 V，电压暂降类型采用暂降深度为74%额定电压的三相电压暂降为例，负载为满载，DVR的LC滤波器参数中电感参数L为0.2 H，电容参数为1.2 μF。暂降开始时间为1 s，持续时间0.5 s。仿真波形如图10所示。

图10 DVR补偿效果的仿真曲线Fig.10 Simulation curve of DVR compensation effect

由图10可见，当电压暂降到36%额定电压时，DVR可以有效的补偿电压暂降，变频器直流侧电压波动较小，始终保持在动态平衡状态，使变频器能够躲过PCC点发生的严重的三相电压暂降。综上所述，使用DVR对变频器进行补偿能有效的提高变频器对电压暂降的抗干扰能力。

5 结 论

通过对电厂重要辅机变频器进行电压暂降抗扰力试验分析，结果表明：电压暂降深度、电压暂降持续时间、负载大小、电压暂降类型等对变频器工作性能影响较大，单相接地、两相不接地故障引起的电压暂降对变频器影响小，三相短路故障、两相接地故障所引起的电压暂降常导致变频器低压保护动作退出运行；采用动态电压恢复器可以有效的补偿电压暂降，能够实现严重电压暂降情况下变频器持续工作，进而提高电压敏感设备的电压暂降抵御能力。

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(编辑：蒋毅恒)

Voltage Sag Immunity of Coal Feeder Inverter in Power Plants

SHAO Wenquan1,WANG Long1,WANG Jianbo2,WU Bo3,YANG Yapeng1

(1.Department of Electrical Engineering, Xi’an Polytechnic University, Xi’an 710048, China;2.Shaanxi Electric Power Research Institute, Xi’an 710054, China;3.The 2STEngineering Co., Ltd.of China Railway Construction Electrrfication Bureau Group, Taiyuan 030023,China)

As the large-scale usage of auxiliary system inverter in power plants, large tripping problems of thermal power units caused by voltage sag are more and more obvious.Combining with the field test data of low voltage ride through(LVRT) for coal feeder inverter in thermal power units in Shaanxi Grid, this paper analyzed the effect of main factors of voltage sag on the output characteristics of inverters, and used dynamic voltage restorers (DVR) as a rapid compesation method to solve voltage sag.The sag dephth, duration time, load, sag types and other factors had great influence on the operating featuer of coal feeder inverters in thermal power units, which might lead to the DC working voltage of inverter reducing, even triggering inverter circuit tripping out of service.The voltage sag experiments and compensation stimulation model were established with using PSCAD/EMTDC.The results show that DVR have good ability to steady the DC working voltage and can promote inverter through the serious voltage sag.

voltage sag; inverter; immunity; dynamic voltage restorer(DVR)

西安工程大学博士启动基金(BS1018)。

TM 621

A

1000-7229(2015)03-0088-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.03.015

2014-10-15

2014-12-15

邵文权(1978)，男，博士，副教授，研究方向为电力系统继电保护及电能质量分析与控制；

王龙(1989)，男，硕士研究生，研究方向为电能质量分析与控制；

王建波(1979)，男，硕士，高级工程师，研究方向为电网电能质量检测、评估、治理等方面；

吴波(1980)，男，学士，工程师，研究方向为电力系统自动化；

杨亚鹏(1991)，男，硕士研究生，研究方向为新能源并网技术。