火电机组一类辅机变频器低电压穿越改造技术研究

姚新阳 黄学良 顾 文 蒋 琛 唐一铭

（1.东南大学电气工程学院，南京 210096；2.江苏方天电力技术有限公司，南京 211102）

随着电力电子技术的发展，变频器技术也日趋完善，无论是从方便起动和控制辅机的角度，还是从节能环保的角度，设计单位和发电企业都提倡和倾向于使用变频器。但是，由于电网电压不稳定，导致变频器在使用中产生了新的问题：变频器低压保护跳闸（即低电压穿越）[1]。多数辅机变频器低电压穿越能力差，有些甚至不具备这种能力。对江苏省火电厂正在使用的辅机变频器调查显示，当输入电压低于60%UN时，90%以上的给煤机变频器会立即断电，不立即断电的也仅能继续工作1s；各类风机变频器在90%UN以下65%UN以上时会降额运行，电压小于65%UN时会立即跳闸停机。

近年来，由于低电压穿越能力的缺失，全国火电厂陆续发生了多起系统瞬时故障造成火电机组停机的事件，引起系统震荡或解列、大范围停电减负荷等，造成了一定的社会和经济影响。江苏省也出现了多次事故，最近一次为2014年5月15日，南京地区一变电所220kV 出线电缆故障，引起系统电压波动，造成2 台600MW 机组、一台300MW 机组和几台地区小机组因给煤机变频器低电压保护动作闭锁输出，联动锅炉全炉膛灭火保护（MFT）动作，机组跳机。

因此，开展火电机组一类辅机变频器低电压穿越改造迫在眉睫。

1 低电压穿越相关概念和技术指标

国家电网对变频器低电压穿越的定义是：变频器及供电对象设备外部故障或扰动引起的暂态、动态或长时间电源进线电压降低到规定的低电压穿越区内时，能够可靠供电，保障供电对象的安全运行。

目前，在国际上已建立起的电能质量标准如图1所示。

图1 电能质量标准图

根据电能质量标准，我国对低电压穿越区进行了相应的规定，在《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（征求意见稿）》中，提出了三个低电压穿越区，并指出变频器在这三个穿越区内应能稳定工作。见表1和图2所示。

表1 大型汽轮发电机组一类辅机变频器低电压穿越区

图2 大型汽轮发电机组一类辅机变频器低电压穿越区

2 高压变频器低电压穿越方法

在火电厂中，高压变频器主要用于送、引风机、一次、二次风机、凝泵等。

2.1 高压变频器的结构

经调查，江苏省火电机组辅机高压变频器多为级联型，如罗宾康公司的完美无谐波变频器、广州智光电气的ZINVERT 系列高压变频器等，同时也有个别电厂采用了西门子SIMOVERT MV 中压变频器（三电平电压源型）。但级联型高压频器适用于高电压、大功率的应用场合，且拥有良好的输出波形，因此，受到了广泛关注，也得到了迅速的发展[2]。

图3是级联型高压变频器的原理图。图3是级联型高压变频器的原理图，主要包括移相变压器、功率单元等。

图3 级联型高压变频器结构图

每一个功率单元有三相整流和单相逆变电路组成，如图4所示。功率单元输出端相连，按星形连接成三相输出，实现变压变频的高压直接输出。

图4 功率单元结构图

2.2 转速跟踪再起动

当输入电压降低时，为保持输出功率不变，高压变频器要增加输出电流，一旦输出电流增大到超过额定电流值，便会触发过流保护，严重地甚至会损毁变频器功率单元。因此，当输入电压在90%UN以下65%UN以上时会降额运行，电压小于65%UN时会立即跳闸停机。所以，高压变频器同样要进行相应改造，提高低电压穿越能力。

但是，高压变频器容量较大，同时没有统一的直流母线，若额外增加电压支撑或能量支撑，设备成本很大。因此，在变频器本身低电压穿越能力不变的情况下，改进软件实现转速跟踪再起动功能，从而提高“变频器-辅机”系统的低电压穿越能力成为目前较为可行的一种方法。使用转速跟踪再起动功能，能够使辅机在转速没有降到零（即完全停车）的情况下实现电机重起，提高了系统恢复正常的速度，同时控制起动电流在允许范围内。

如果高压变频器转速跟踪再起动时输出频率较高（50Hz）而电动机转子速度很慢，必过流跳闸，反之，输出频率较低，定子旋转磁场速度低于电动机转子速度，电动机转子将向定子反送能量给变频器电容充电[3]。目前常见的转速跟踪方法如下：

1）检测定子反电势的频率。变频器失电后，转子电流产生的旋转磁场将在定子中感应反电势，检测定子反电势的频率就可测到转子转速。

2）变频器直流侧最小电流法。给电动机定子一个频率由50Hz 向0Hz 变化且幅值约为10%UN的搜索电压，通过不断检测变频器直流侧的电流来搜索转子转速，直流侧的电流最小时，定子的同步转速就接近等于转子转速。

3）直接测量法。即在电动机轴上安装转速传感器，直接测量转子转速，从而得出重起频率。文献[4]采用了轴编码器结合PLC 实时跟踪电动机转速的方法，直接测出电动机旋转速度。

4）V/F曲线电压比较法。搜索过程中始终保持定子端的输入电流为恒定的额定电流，将变频器输出电压与V/F曲线上的电压计算值做比较，如果二者相等即意味此时输出频率即为转子频率。

5）转矩电流分量最小法。文献[5-6]提出，给电动机定子一个频率由50Hz 向0Hz 变化且幅值约为10%UN的搜索电压，产生的定子电流经过矢量分解可得到转矩电流分量。当定子磁场旋转速度与电动机转子旋转速度相同时，电流转矩分量理论上为零。

3 低压变频器低电压穿越方法

3.1 低压变频器结构

低压变频器的结构较之于高压变频器简单很多，主要由整流、滤波和逆变三部分组成。整流部分一般采用三相不可控整流，滤波部分可采用电容或平波电抗器滤波，逆变部分采用三相全桥逆变。结构如图5所示。

图5 低压变频器结构图

3.2 低压变频器动力回路典型改造方案

江苏省火电厂低压辅机变频器大多数采用每台一路AC 380V 的配置方式，只有个别电厂配置有两路AC 400V 的供电线路。实际现场工作中，在A 路接触器断开至B 路接触器吸合这一过程中，变频器有一段掉电时间，尤其是在带载情况下，即便对变频器进行一定的参数设置后，变频器也会停机，需要重新起动变频器[7]。

当变频器输入电源降低或失电时，变频器检测到直流母线电压降低时，便会触发低电压保护。当电网出现波动或厂用电瞬间失电时，若变频器的直流母线端能保持在运行范围内（约540V），则变频器的交流输出电压就可以保持不变[8]。

1）并联蓄电池

该方案就是在变频器直流母线处加装蓄电池，其余部分不变动，在变频器失电时，给直流母线提供电压支撑。如图6所示。该方案可以实现无扰动切换，对厂用400V 交流母线没有电流冲击，但工作时间受电池容量限制。南京国臣公司研发并已应用的SGS 系列产品便使用了该方案[6]。

图6 并联蓄电池

2）并联升压电路

在电网电压发生降落（降落到20%～90%UN）时，利用系统残压进行整流升压，并联在变频器直流母线上作为电压支撑。如图7所示。文献[9]便使用的该方案，采用多重化BOOST 电路作为直流升压环节。文献[10-11]将该方案应用于邯郸市某火 电厂。

图7 并联升压电路

该方案可实现无扰动切换，可确保电压跌落至20%UN时间大于10s 及20ms 短时中断时变频器正常运行，但对厂用400V 母线有电流冲击，因此这种改造方案只适合于较小功率辅机变频器的改造，不宜在大型辅机变频器改造方案中广泛采用[12]。

3）并联升压电路加少量蓄电池

该方案是将前两个方案相结合，一方面可以增加蓄电池的工作时间，另一方面可以扩大升压电路对直流母线电压进行支撑的范围。如图8所示。本系统需停机维护时，可完全自交流输入及负载隔离，此时即能执行维护工作，完全不会影响负载的运 作[13]。

图8 并联升压电路加少量蓄电池

4）并联升压电路加厂内保安电源

该方案将保安电源作为升压电路的输入，与变频器的电源无关，也不需要使用额外的蓄电池组。如图9所示。该方案与保安电源共用电池组，所以便于集中式管理，减少占地空间，降低电池使用量，减少电池维护工作量。文献[14]所述的大庆石化热电厂低电压穿越改造就采取该方案。

图9 并联升压电路加厂内保安电源

5）串联UPS

该方案将电源进线接入UPS，由UPS 给变频器供电。如图10所示。该方案能够保证变频器在任何情况下都能稳定供电，供电电源经过UPS 后，输出端的电能质量甚至能有所提高。但由于UPS 是串入线路中，所以增加了线路的故障点。

图10 串联UPS

6）串联升压电路

前述所提方案均是保持变频器原有内部接线不变，只是将变频器内部的直流母线引出，并联直流电压支撑。

该方案需要改造变频器内部接线方式，在变频器中的整流单元与逆变单元中间串接升压电路单元，控制逆变单元输入电压大小。如图11所示。文献[15-16]均是采用的该方案。该方案改造方法较为复杂，涉及到变频器内部，需要和变频器生产厂商进行沟通和合作。

图11 串联升压电路

3.3 低压变频器控制回路典型改造方案

低压变频器控制单元供电多取自变频器的交流进线端，一旦电网电压波动，控制单元工作电压随即丢失，变频器势必引发故障报警。

由于控制电源所需电源容量较小，目前主要是使用厂内自备UPS 或者另外使用专用UPS 对变频器控制回路进行保护，同时需要将变频器原有控制电源用380/100V 变压器进行更换以适用于220V 电压，即可保证控制回路不断电。如文献[17]便采用降压变压器DYB 与小型不间断电源UPS，UPS 输出 220V 交流电给变频器控制柜供电，改造效果 良好。

3.4 成功改造案例

1）并联蓄电池方案

南通某发电厂2015年1—2月完成4 台600MW机组部分给煤机变频器的低电压穿越改造工作并投入运行，具体为每台机组的D、E、F 给煤机变频器，共计12 台变频器。动力回路采用3.2 节中并联蓄电池方案，控制回路使用3.3 节所示方案。

经试验，厂用母线电压跌至0%UN、20%UN、60%UN、90%UN，维持60s，期间低电压穿越系统注入480V 直流，给煤机变频调速系统正常工作。在2015年2月23日晚上七点一刻左右该厂2 号机组大负载起动，瞬间将交流母线电压拉低至338V，低电压穿越系统做了有效支撑。

2）串联UPS 方案

镇江某电厂2 台1000MW 机组，于2014年10月利用#1 机组检查性大修的机会，对给煤机电源进行低电压穿越改造。动力回路采用3.2 节中串联UPS方案，每台给煤机对应配置一套UPS，一台机组共增设6 套UPS。

改造完成后，逐台拉开各UPS 交流输入电源，UPS 通过直流母线电源逆变输出，测量UPS 输出电压，3～5min 后恢复UPS 交流输入电源。拉开、合上交流电源瞬间以及失去交流电源期间，变频器与给煤机运行无任何影响。

4 结论

本文对火电机组一类辅机高低压变频器的工作原理、低电压穿越问题的研究现状及改造方案进行了阐述与总结。对变频器进行低电压穿越能力改造，应根据变频器及负载特性，对变频器进行合理参数设置和改造，保证机组不会由于辅机输出转矩的波动导致机组出力大范围波动甚至停机。对于高压变频器，尽量采用具有短时跟踪再起动功能的变频器。对于低压变频器，要根据负载大小、电动机容量及补偿时间，综合考虑成本和效益，选择最优改造 方案。

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