低压变频器及其电压支撑装置测试系统研究开发

吴跨宇，卢岑岑，陈凯，韩其国

（1.国网浙江省电力公司电力科学研究院，杭州310014；2.杭州东华电气设备有限公司，杭州310014）

低压变频器及其电压支撑装置测试系统研究开发

吴跨宇1，卢岑岑1，陈凯2，韩其国2

（1.国网浙江省电力公司电力科学研究院，杭州310014；2.杭州东华电气设备有限公司，杭州310014）

根据低压变频器电压穿越能力要求和发电厂一类辅机低压变频器配置特点，提出了基于电力电子技术的测试系统电压暂降、暂升发生装置设计思路。对测试系统的变频器负载配置方案进行对比分析，并对不同类型的辅助电压支撑装置测试时的电源要求进行了探讨。最后提出低压变频器及其在辅助电压支撑装置配合下的高、低电压穿越能力测试系统拓扑结构、配置方案、参数要求和功能设置，形成了一整套的测试系统设计开发方案。

低压变频器；电压穿越能力；电压支撑装置；测试系统；研究开发

0 引言

发电厂一类辅机变频器的高、低电压穿越能力直接关系到电网系统、厂用电系统短时故障和异常运行过程中的辅机持续在线运行能力。为防止上述故障和异常运行时一类辅机由于变频器跳闸退出而导致发电机组脱网[1]，造成对系统的进一步冲击甚至失去大量电源支撑后的系统崩溃[2-3]，国家电网公司明确提出了对一类辅机变频器的高、低电压穿越要求。近年来，浙江省开展了大量的调查研究和统计核查，并于2015年全面开展了低压辅机变频器的高、低电压穿越能力提升工作。

目前，提升发电厂一类辅机低压变频器电压穿越能力采用附加支撑装置方案，支撑装置电源来源主要有自身电池储能、厂用直流、交流残压整流升压等方式。为测试一类辅机低压变频器经附加支撑装置改造后的高、低电压穿越能力，评价支撑装置性能和改造效果，适应各种不同原理的支撑装置测试要求，需开发一套完整的测试系统来检测低压变频器及其附加支撑装置的电压穿越能力。同时，为了模拟现场实际，提高测试过程的科学性和准确性，变频器在测试时应带有同等功率负载，电动机负载应能模拟相应的负载特性。为此，在分析了变频器电压穿越能力要求和测试需求的基础上，提出了一整套的测试系统设计方案，包括大功率电压暂升暂降发生装置、电动机负载方案、负载特性模拟方法和相应的系统集成方法。根据相关规范要求提出了测试系统的主要软件功能和设计参数指标，为后续的测试系统软/硬件设计和实现提供指导。

1 低压变频器和辅助装置配置及测试需求

1.1 发电厂用一类低压辅机及其电机配置

为保证工业应用的规范性和标准性，目前国内常规低压三相电动机功率采用标准化规格分档[4]。

发电厂一类辅机是指短时（小于5 s）中断供电将会造成设备损坏、机组停机或机组输出功率大量下降，影响电网安全运行的辅机。根据浙江省内调查统计结果，采用低压变频器的发电厂一类辅机主要有给煤机、空预器和旋转分离器等。

给煤机电动机的单机容量大都采用2.2 kW和5.5 kW功率等级，最小为1.5 kW，最大为11 kW；空预器电动机最小11 kW，最大37 kW，常见的空预器功率为20 kW；旋转分离器电动机功率主要为45 kW和75 kW。为控制特性和节能需要，上述一类辅机均配置变频器，正常运行时一般采用变频控制[5]，也有部分空预器变频器仅用于辅机启动过程，启动完成即切换至工频电源运行。

由于多台给煤机跳闸后会导致锅炉燃烧不稳定，而简单的给煤机跳闸后重启逻辑可能会导致锅炉爆燃，因此给煤机变频器跳闸后一般都设有启动MFT（锅炉主燃料跳闸）的保护逻辑。目前，第一轮发电厂一类辅机电压穿越能力的提升改造工作主要针对给煤机开展，日后根据进一步调查研究和给煤机提升改造情况可能覆盖至空预器等相关辅机。

1.2 电压穿越能力规范要求

综合相关规定和技术标准要求，一类辅机低压变频器的高、低电压穿越能力指标可以归纳为表1所示。

其中，最为关键的指标是20%和130%额定电压下至少0.5 s持续在线运行的要求。同时，考虑到厂用电切换和其他故障时，厂用低压母线短时失电会导致变频器跳闸，因此，在满足规范要求前提下，一般建议采用原理上可以实现短时失压（即零电压）下的变频器在线运行能力的辅助电压支撑装置，即把表1中的20%指标下移至0%。

表1 一类辅机变频器高、低电压穿越能力指标

1.3 电压支撑装置配置方式

浙江省内机组一类辅机低压变频器高、低电压穿越能力改造时配套的辅助电压支撑装置主要采用以下3种配置方式：

1.3.1 自带电池储能方式

自带电池方式最大优点在于支撑装置给失压的变频器提供直流母线电压支撑时，能源来自自带电池储能，不受外部厂用电的影响。电池充电电源来自变频器三相交流电压输入，不需要额外的电缆布线。但采用该方式存在电池维护工作要求，电池对安装运行环境要求相对较高，并需要考虑长期运行后的电池更换问题。

1.3.2 厂用直流供电方式

发电厂都配置有厂用直流电系统，厂用重要负荷尤其是关键控制器和控制回路电源都采用直流电源或有直流电源作为备用。机组在严重事故情况下，例如全厂失电时，直流系统担负着机组安全停机电源保障的重任。由于厂用直流系统在紧急情况下由电池组供电，因此采用厂用直流供电的支撑装置可以满足失压穿越要求，同时避免了穿越装置自带电池组方式的额外维护更换。厂用直流电压只需经升压装置升压至500 V左右即可接入变频器直流母线，通过二极管等隔离措施后可实现失压时的无扰切换支撑。

1.3.3 交流残压整流升压方式

交流残压整流升压是将交流残压整流成直流电压后，再通过Boost电路进行直流升压的方式。该方式的优点在于：一方面避免了自带电池组带来的环境要求和维护问题，另一方面避免了对厂用直流系统容量的要求以及长路径直流电缆布线带来的材料和施工成本。但是采用Boost升压方式的支撑装置原理上是通过电路电流过载能力实现功率传送，受过载容量限制，一般只能满足20%电压下的支撑要求，即配置为5倍电流过载能力。当电压低于20%甚至失压时，变频器无法获得足额支撑。需要注意的是，这类支撑装置启动时会在交流电源侧带来数倍额定电流的过载。

2 测试系统硬件结构与功能设计

2.1 附加支撑装置后的变频器及相应测试量

除了装置的正常投入、退出和自检报警等常规检查项目外，附加电压支撑装置后，在输入侧三相交流电压暂升、暂降过程中的变频器持续稳定在线运行能力是性能检测的核心内容。因此，测试系统首先应提供与变频器现场实际相一致的运行工况条件支持，主要包括负载电动机和机械负载2方面。同时，测试系统应能实现任意幅值和任意持续时间的三相交流电源电压暂升、暂降，实现对附加支撑装置前后变频器输入电源电压暂升、暂降时的运行稳定性测试。

常用低压变频器均为电压型交-直-交变频器，其前置整流均采用交流侧三相不可控整流方式。变频器低电压和过电压的判别参量一般都采用直流母线电压，因此，工程上常采用支撑装置输出直流电压接入变频器直流母线的接线方式，通过直流母线电压支撑来防止变频器在电压短时跌落时跳闸。对于变频器的高电压抑制功能，不论变频器自带模块还是附加支撑装置一般都采用快速投切制动电阻方式。当系统检测到直流母线过电压时，可通过电力电子开关直接在母线上并接分流电阻的方式来抑制直流母线过电压水平，从而实现变频器的高电压穿越。附加高、低电压穿越支撑装置后的低压变频器拓扑原理如图1所示。

图1 附加电压支撑装置后的低压变频器拓扑原理

变频器附加电压支撑装置的目的是在变频器输入交流电压暂升、暂降过程中，保持变频器的稳定在线运行。支撑装置的支撑能力与变频器运行负载状态直接相关，变频器额定负载时应能在交流侧输入电压暂升、暂降过程中保持稳定运行。因此，为提供充分的电压穿越测试结论依据，测试系统至少需要包括以下测试参量：变频器交流侧输入电压、变频器直流母线电压、支撑装置输出电流、变频器输出功率、负载电动机转速。

2.2 测试系统总体设计

2.2.1 电压暂升暂降发生仪功能实现

要实现变频器及其附加支撑装置后对电源电压变化的适应能力，首先需要测试系统提供一个可控的功率电压源装置，用于模拟电源电压波动。电压暂升暂降发生仪的基本拓扑如图2所示。

图2 电压暂升暂降发生仪拓扑

装置采用三相380 V电源接入，经过隔离升压变压器后，由三相二极管整流桥整流成直流电压，再通过基于IGBT（绝缘栅双极型晶体管）的三相逆变桥控制其输出电压幅值。

如前所述，测试系统需要进行变频器输入电压的暂升测试，但基于IGBT的PWM（脉冲宽度调制）逆变器在交流升压技术上存在困难。因此测试系统采用升压变压器将输入三相电压升至690 V，即约1.8倍额定电压，同时IGBT逆变器采用690 V电压，从而使测试系统最大输出电压大于1.4倍额定电压，以满足1.3倍0.5 s的高电压穿越能力测试要求。

正常运行时，通过人为设定逆变器降压至400 V输出运行作为装置额定电压的方式来解决逆变器电压暂升控制问题，从而实现测试系统0%～140%连续可调的电压暂升、暂降输出。

2.2.2 被测变频器负载方式选择

为模拟被测变频器及其支撑装置的现场运行工况，需要变频器带实际负载。根据测试负载功率和负载特性要求，变频器负载电动机可以采用2种可控负载方式。

（1）采用能耗型测功机。

在低功率测试系统中，变频器所带的负载电机可以直接采用能耗型测功机作为机械负载，其原理如图3所示。

图3 能耗型测功机作负载

能耗型测功机可以通过控制励磁电流来控制测功机的机械负载力矩，与电动机转速协调控制后可以实现负载电动机的输出功率控制。这种方式最大的优点在于控制简单，响应速度可以满足一般测试要求，设计开发周期短、成本低。测功机负载可以通过反馈控制方式为变频电动机加载给定转矩，实现定功率点、定转矩等运行模式测试要求。但是能耗型的机械负载受散热能力限制，一般仅限于小功率变频电动机负载使用。

（2）变频器负载电动机拖动发电机。

当用于大功率和精密测试时，负载电动机所带的机械负荷应具有快速的机械负载特性模拟能力，即电动机转速发生变化时其相应的负载转矩应根据设定机械负载特性对应变化，从而提升实验室测试的科学性。为此，测试系统采用变频器负载电动机拖动发电机的基本负载结构。如图4所示。

图4 变频器电动机测试负载配置

变频器拖动电动机工作频率一般不是工频50 Hz，而是根据实际控制需要，在一个接近工频的转速范围内运行。典型的一类辅机变频电动机工作频率为30～50 Hz，因此同轴发电机组发出的三相交流电频率也不是工频，无法实现直接并网后能量反馈。为此，三相交流发电机需要配置一个三相四象限全控并网逆变器，逆变器拓扑原理如图5所示。并网逆变器主要由IGBT整流桥、阻容稳压滤波、IGBT逆变桥、输出滤波单元和相应的控制保护电路组成。由于其整流和逆变均采用基于IGBT的全控桥，从而可以实现对有功功率和无功功率的四象限控制。

图5 四象限逆变器拓扑原理

测试系统中配套发电机机端逆变器的主要功能包括：

频率变换。实现电动机拖动的发电机任意输出频率时，采用变频转换后可以并入50 Hz工频电网。

负载转矩控制。通过实时检测发电机端频率，根据预设负载特性控制发电机输出电磁功率，进而间接实现变频电机在实时转速下的快速负载转矩控制，模拟辅机机械负载特性。

能量回馈。在大功率负载下测试时，变频器和负载电机消耗大量功率，一方面受散热能力限制难以持续采用耗能装置，另一方面采用能量回馈电网方式可以实现绿色节能。

无功平衡。测试系统采用了变频器、变频电机等大量感性负载，消耗的大量无功功率影响实验室所在配电网电压水平。通过负载全控逆变器可以实现无功功率平衡控制，降低成套测试系统对配电网的无功需求。

2.2.3 辅助直流电源配置

采用交流整流后Boost升压方式和采用蓄电池等储能方式的支撑装置，其工作电源一般来自与变频器同源的三相交流电源，因此测试系统无需提供额外的电源支撑。采用发电厂厂用直流系统供电的电压穿越辅助支撑装置，利用厂用直流蓄电池电能实现交流失电时的变频器电压穿越，因此，测试此类支撑装置时，需要提供220 V直流电源，且电源容量应满足测试时最大的变频器负载功率要求。

测试系统采用成熟的厂用直流变换装置组屏，单个变换装置额定电压220 V，额定输出电流20 A，采用3个模块并联输出60 A，对应功率13 kW，可以满足给煤机类变频器最多一拖三配置方式的支撑装置测试需求。直流电源屏工作电源来自实验室三相380 V供电。

2.3 测试系统总体框架

测试系统以工控机为主控平台，采用数据采集卡作为与测试系统各组件的数据交互载体，负责所有相关子系统的协调控制和测试系统的人机界面。

测试系统主要包括三相380 V交流电源、测试电源装置、变频器及其电压支撑装置、负载电机、磁滞测功机、同轴发电机、逆变器及反馈输出等部分，总体布局如图6所示。

图6 测试系统总体框架

系统采用暂升暂降发生仪输出作为变频器及其电压支撑装置的测试电源；负载电机根据不同功率等级采用同轴的发电机或磁滞测功机作为机械负载。测试系统的输入和输出侧均配置有三相交流断路器，紧急情况下可通过内部保护或急停按钮将测试系统与外部电源彻底隔离。电压支撑装置带有旁路隔离开关，以实现变频器带电压支撑装置和不带电压支撑装置2种情况下的高、低电压穿越测试。

2.4 测试系统主要硬件指标设计

2.4.1 测试系统功率指标

目前，发电厂一类辅机低压变频器最大功率为75 kW的旋转分离器电机，空预器电机典型的功率为20 kW，而给煤机类电机则以2～5.5 kW为主。由于变频器及负载电机的允许工作范围一般稳定在其额定功率的20%以上，因此，测试系统最大设计功率以覆盖所有一类辅机低压变频器测试要求为原则，设定为75 kW。

2.4.2 测试系统电压指标

重新爬上床，却横竖睡不着了，身子翻来覆去，心情也变得烦躁起来。越不想去听客厅的动静，耳朵却偏偏侧起来听。于是又听见小母鸡说，咯咯咯，他们可真逗。老母鸡忙不迭地回应，咯咯答，谁说不是呢？

测试系统应具备电压暂升、暂降功能，可模拟系统和厂用电内部最严重的三相短路故障。暂升、暂降电压范围设定为额定电压的0%～140%，即0～532 V，电压暂升通过前置升压隔离变压器升压后人为降至额定运行点方式实现，由于测试系统采用纯电力电子装置，因此电压暂升、暂降的幅度和持续时间可任意设定。

2.4.3 测试系统负载功率指标

考虑到测试系统负载变频器分为高、低功率，高功率为75 kW，低功率为15 kW。低功率测试系统采用变频电机带能耗型磁滞测功机负载方式，实现15 kW以下功率的测试。高功率测试系统采用负载发电机配置并网逆变器的能量回馈测试方式，负责15～75 kW功率的测试。

3 测试系统软件功能配置

3.1 测试系统控制界面

测试系统测控软件基于工控机Windows平台，主要分为测试功能设置和数据波形显示2部分，其主界面如图7所示。

图7 测试系统主界面（60%额定电压5 s暂降测试波形）

测试设置区主要包括电压升降测试仪的升降幅度、升降时间和升降周期的设置，调整控制负载变频器的转速和功率等运行工况设置以及系统采样设置和数据存储设置等。

测试系统用于界面显示和数据存储的主要参量包括：变频器三相进线电压、变频器直流母线电压、辅助穿越装置输出电流、变频器输出转速和变频器输出功率，这5个数据可以任意选择且依次与纵坐标对应，显示在测试软件界面右侧。

3.2 测试项目设置

常规低压变频器均采用交-直-交方式，前置整流桥一般采用不可控二极管三相整流。系统单相接地和相间短路时，其不可控整流桥输出电压均高于等幅度的三相短路。变频器低电压跳闸主要受限于电压降低后为维持输出功率而产生的回路过流，其过流水平与不可控整流桥输出直流电压幅值直接相关。因此，对于变频器的低电压穿越能力测试，仅需采用三相同时暂降来模拟系统三相短路，即采用三相电压同时暂升、暂降至对应电压幅值并维持设定时间，进而对变频器及其电压支撑装置的低电压穿越能力进行测试。

对于采用Boost电路的支撑装置，由于支撑装置启动时会在交流侧产生数倍过载电流，一方面电压暂升、暂降发生装置在元器件选型时已考虑到数倍过载电流的测试需要，另一方面还应适当限制其测试时间，防止测试系统过热。对于采用电池等储能方式和外接直流电压供电的支撑装置，则可以根据需求延长电压暂降时间，以检测支撑装置储能部分的极限支撑时间。例如，可以将采用电池储能支撑方式的变频器进线电压暂降至20%额定电压并维持600 s，观察变频器直流母线电压的跌落幅度，即电池组的放电情况。

对于高电压穿越测试，受制于制动电阻的功率容量，高电压持续时间过长会导致制动电阻过载过热，因此需要进行快速测试。基于电力电子和微机控制的测试系统相对于手动调压器测试方式在控制精度和控制速度方面有着天然优势，测试系统可以通过设置130%～140%额定电压下持续0.5～1 s的电压暂升过程，来检查变频器运行情况，具体测试内容可以参考被测对象的性能参数说明书来设定。

4 结语

在梳理发电厂一类辅机低压变频器及常用电压穿越辅助装置的基础上，提出了变频器及其电压支撑装置测试系统的设计思路和基本方案，以及测试系统关键的三相电压暂升、暂降装置的设计方法和基本电气拓扑。重点对测试系统的变频器负载电机及电动机机械负载配置方式、测试系统总体硬件架构、电气性能参数设计指标和软件功能配置进行了探讨。

测试系统的研究开发可以解决目前缺乏变频器及其在配套各型电压支撑装置后的实际高、低电压穿越能力测试设备的问题。基于电力电子的电压发生仪可任意设定电压瞬变幅值和瞬变维持时间，测试系统可同时实现高电压和低电压穿越能力测试，并且控制变频器在各种运行工况下进行测试，以提升测试结果的科学性、全面性和可信度。

研究工作为目前广泛开展的发电厂一类辅机变频器电压穿越能力实测提供了手段，为大量新入网的电压辅助支撑穿越装置的性能检测提供平台，使得下一步深入开展变频器及其在附加支撑装置后的电压穿越能力测试具备了实验室测试条件，从而有力提升当前变频器电压穿越特性整改工作水平，提高发电厂一类辅机变频器网源协调能力。

[1]陈善国．两起典型引风机变频器故障的分析[J]．浙江电力，2010，29（4）∶44-46．

[2]龚恺恺．凝泵变频器运行故障分析及应对措施[J]．浙江电力，2015，34（3）∶48-51．

[3]武利俊，林雪欣，刘剑，等．低电压穿越装置在火电厂的应用[J]．内蒙古科技与经济，2014，24∶97-100．

[4]GB/T 4772.1-1999旋转电机尺寸和输出功率等级第一部分：机座号56～400和凸缘号55～1080[S].北京：中国标准出版社，1999.

[5]刘刚，郭挥钢，胡国刚．变频器在桥式卸煤机上的应用[J]．浙江电力，2001，20（5）∶55-57．

（本文编辑：方明霞）

Research and Development of Testing System for Low Voltage Frequency Converter and its Voltage Support Device

WU Kuayu1，LU Cencen1，CHEN Kai2，HAN Qiguo2
（1.State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute，Hangzhou 310014，China；
2.Hangzhou Donghua Electrical Equipment Co.，Ltd.，Hangzhou 310014，China）

According to the requirements on voltage ride through capacity（LVRT）of low voltage frequency converter and the current configuration characteristics of low voltage frequency converter of power plant auxiliary machinery，the paper proposes design idea of test system voltage sag and swell generator based on power electronic technology.Frequency converter load configuration scheme of test system is contrasted and analyzed；besides，power requirements of different types of auxiliary voltage support device are discussed.Finally，this paper proposes topology，configuration scheme，parameter requirements and function setting of low voltage frequency converter and its high/low voltage ride through capacity test system with the coordination of voltage support device，forming a complete design and development scheme of test system.

low voltage frequency converter；voltage ride through capacity；voltage support device；test system；research and development

TM712.1+2

：A

：1007-1881（2016）02-0001-06

2015-09-07

吴跨宇（1979），男，高级工程师，主要研究方向为发电机励磁系统、网源协调和电力系统分析。