火电厂辅机变频器低电压穿越技术在电网应用研究

张志轩，由新红，马 欢，赵 康，周 宁，李常刚

（1.国网山东省电力公司电力科学研究院，山东 济南 250003；2.山东大学电气工程学院，山东 济南 250061）

0 引言

随着发电市场竞争加剧，火电厂为了降低发电成本，对厂内低压电机设备进行改造，新增具备电力电子特性的变频器，通过交流变直流、直流变交流方式实现节约厂用电和提高设备适应不同运行工况的目标［1-2］。但是，变频器带来效益提升的同时，也造成了潜在的安全隐患，当使用抽水泵等大型设备、升压站附近发生短路故障及电网电压跌落等故障时，电厂电压、频率扰动，如果电厂电压跌落至变频器的低电压保护动作电压值，变频器低压保护动作，变频器瞬间失电停机［3－4］。给煤机和空预器等火电厂一类辅机的变频器保护动作停机，会导致火电机组非正常停机，电厂出力降低，造成事故范围扩大［5-6］。因此，为防止交直流混联电网频率、电压异常等情况引发连锁性故障，确保电网安全稳定运行，发电企业一类辅机变频器的技术条件应按DL／T 1648—2016《发电厂及变电站辅机变频器高低电压穿越技术规范》执行，以杜绝因变频器故障而引发电网严重事故。

开展Ⅰ类辅机低电压穿越改造，以保证电厂一类辅机在20%、60%和90%额定电压下具备低电压穿越能力。在低电压穿越试验中发现变频器及低电压穿越装置工作回路的开关存在保护跳闸问题。由于各电厂电气设计不同，变频器柜体内外的接线方式存在一定差异，跳闸情况分为两类：电厂内部交流母线至低电压穿越柜体安装位置电缆过长导致的试验装置保护跳闸；20%压降试验中，冲击电流导致试验装置保护跳闸。该问题是电厂辅机变频器改造中亟须解决的问题。文献［7］分析了火力发电机组给煤机空预器等变频器的低电压穿越能力，通过案例分析发现了变频器低电压穿越能力不足，针对电流电压异常提出了低穿装置电压电流复合控制的方案，但并未进行试验验证。文献［8］针对低电压穿越试验电压跌落设备—电压暂降仪工作过程中电压暂降时间和冲击电流等问题，提出了基于电力电子的新型电压暂降仪，解决了旧式电压暂降仪响应速度和电压谐波等问题。文献［9］针对接地故障时电压过低导致的变频器低压保护动作，设计了一种基于电力电子器件的无源变频器低电压穿越电源 （Inverter Low Voltage Through Power，ILP），ILP 由三重并联交错Boost 电路的DC-DC 电路、旁路电源电路和控制回路电源构成。并未就ILP 的冲击电流特性进行进一步的说明。

针对以上问题，基于MATLAB 平台搭建了低电压穿越装置电磁模型，通过模型参数调整实现了直流电压平稳输出，并计算出缓冲电路数值。并应用于现场试验，取得良好效果。

1 低电压穿越技术

1.1 拓扑结构

低电压穿越电源装置拓扑如图1 所示。未改造的变频器有单一的交流电源，即图1 中线路1 交流供电回路，变频器经线路1 连接至厂用电母线；改造后的变频器，有两路电源，除线路1 交流供电回路外，新增线路2 直流供电回路。直流供电回路由三相桥式整流电路和Boost 电路构成。

图1 低电压穿越电源装置拓扑

1.2 工作原理

直流供电回路工作过程： 三相交流电能经断路器送入二极管整流桥构成的整流回路，再变换为直流电能并储存于电容。电感L 与绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）构成Boost型式的升压斩波电路，可将电容上的直流电能变换为电压等级更高的直流电能储存于电容，并经二极管防反回路和熔断器后，送入变频器的直流输入端子。

装置的运行模式下有两种工作状态：Boost 工作状态、非Boost 工作状态。Boost 工作状态是指装置在电网电源发生跌落时，Boost 升压电路可以提供变频器稳定的直流电压，维持变频器正常工作；非Boost工作状态是指在电网电源正常时，Boost 升压电路不参与装置的运行，电能通过交流旁路向变频器送电。

当电网电压正常时装置待机，电能通过原有交流线路向变频器送电，Boost 升压电路处于旁路状态，不参与装置运行。当电网电压发生跌落时，检测装置检测到跌落电压超过装置动作阀值，Boost 电路升压工作状态启动，保证直流输出端子有稳定的直流输出电压，变频器继续工作。

2 换流器技术

2.1 整流电路工作原理

电容滤波的三相不可控整流电路中，最常用的是三相桥式结构，电路及工作波形如图2 所示。

图2 三相不可控整流电路

该电路中，某一对二极管导通时，输出直流电压等于交流侧最大线电压，该线电压即向电容供电，也向负载供电。当没有二极管导通时，由电容向负载放电。Ud按指数规律下降，此电路工作模式符合变频器低穿投入工况，变频器交流母线正常时，电容充电；变频器交流母线失电时，电容向变频器供电。

供电交流线电压为

式中：U 为电 网 相电 压幅 值；ω 为角频率；δ 为 初相角。

整流电路输出电压平均值分为空载和重载两种情况计算。

1）空载时，输出直流电压为

2）重载时，随着负载的增加，输出电压平均值降低，最终输出电压波形为线电压包络线，其值等同于三相全控整流电路输出直流电压，即为

式中：α 为触发角。当α 为0°时即输出电压波形为线电压包络线，Udc=2.34U。输出直流电压范围为：2.34U

2.2 Boost 电路工作原理

低电压穿越装置中所应用的Boost 电路是直接直流变流电路的一种，功能是将直流电变为另一幅值可调节的直流电，其电路原理如图3 所示。

图3 Boost 电路

图4 电磁模型

开关器件处于通路状态的时间为ton，处于断路状态的时间为toff。

式中：T 为开关器件的开断总时长，T／toff≥1。

2.3 仿真模型

基于MATLAB 平台，搭建了三相不控整流电路和Boost 电路的电磁模型，如图4 所示。

直流输出电压480 V，波形如图5 所示。

图5 Boost 电路直流输出电压

3 应用案例

3.1 某电厂机组实测数据

某电厂低穿改造机组共有12 台给煤机，给煤机电机容量5.5 kW，变频器型号为西门子440，低电压穿越装置采用交流一拖一方式。

试验中某给煤机以35 Hz（最大速度）运行，在某一时刻将给煤机电机变频器的交流输入电压降至20%额定电压，电压暂降持续时间是10 s。试验失败，试验回路32 A 空气开关在10 s 时跳闸。波形如图6 所示。

图6 35 Hz 20%额定电压低电压穿越试验

图6 中黄色曲线是变频器交流输入电压，蓝色曲线是变频器直流输出电压，紫色曲线是变频器交流输出电压。第10 s 电压暂降仪恢复变频器交流输入电压至额定电压，电压恢复瞬间由于低电压穿越装置问题产生的冲击电流导致保护动作，工作回路断电。

降低负荷，给煤机以5 Hz 运行，交流输入电压降至20%额定电压，电压暂降持续时间是10 s。低电压穿越装置未能成功支撑，试验回路32 A 空气开关在10 s 时跳闸。波形如图7 所示。

图7 5 Hz 20%额定电压低电压穿越试验

3.2 参数改进

通过搭建的电磁模型平台，带入厂内电机负载及线路阻抗参数，调整低电压穿越装置整流升压电路PI 参数，获得该厂环境下的适应性PI 参数。2 s 时降低交流电源输出仿真波形如图8 所示。

图8 降低交流电源直流输出电压波形

由图8 可知2 s 时交流电源输出降低，模性对应直流电压由600 V 降至540 V，电压降低期间波动平稳。将对应参数用于实际机组低电压穿越装置后，波形如图9、图10 所示。可以看出在变频器交流输入电压降低至20%额定电压时，在低电压穿越装置辅助下。变频器直流输出电压保持稳定，变频器交流输出电压稳定，给煤机电机正常工作。

图9 35 Hz 20%额定电压低电压穿越试验

图10 5 Hz 20%额定电压低电压穿越试验

4 结语

针对火电厂机组I 类辅机变频器低电压穿越试验中冲击电流过大问题，搭建了详细的低电压穿越装置电磁模型，采用了模型仿真避免了现场试验对设备的危害，应用新参数成功降低了低电压穿越装置的冲击电流，提高了电厂辅机变频器的安全性，保证了电网安全稳定运行。试验参数为根据经验调整，下一步引进相关算法对参数调整进行优化。