低电压穿越技术在火电厂给煤机变频器中的应用

2021-11-09周宽宽

中国新技术新产品 2021年16期

周宽宽

（国能（天津）大港发电厂有限公司，天津 300272）

0 引言

现如今在火电厂辅机运行的过程中广泛实现了对变频技术的应用，合理进行变频改造能够有效降低厂用电率，以达到节能降耗的效果，但变频器本身在电压波动方面有较高的敏感性，一旦输入电压比保护定值低，便会自动切断变频器的输出。现如今我国在低电压穿越技术的应用方面仍存在一定不足，有必要对其进行深入探究。

1 低电压穿越问题的产生

如果电源电压出现跌落问题，变频器的各个部分会不同程度地受到低电压的影响，由于其跌落的范围以及具体的持续时间存在一定差异性，所以变频器既有可能出现闭锁停机的问题，也有可能会继续运行。笔者对近年来的相关案例进行分析能够发现，我国的很多火电厂中出现了由于给煤机低压跳闸所造成的停炉事故，严重影响了火电厂的正常运行。从目前来看，我国绝大部分的火电机组给煤机都会使用变频器来保证给煤机的软启动、电动机的无极调速以及经济运行等功能的使用，但对现如今大部分的火电厂机组来说，其所具有的低压辅机变频器本身并不具备较高的低电压穿越能力，甚至还有部分变频器根本没有低电压穿越能力。例如在2013年我国某火电厂便因为其高压变频器并未达到应有的低电压穿越能力要求，所以出现了变频器跳闸事故，给火电厂带来了严重的损失。基于此，若想真正为火电机组的安全稳定供电提供保障，必须确保火电厂给煤机本身具有良好的低电压穿越能力。

从实际情况着手进行分析，低电压穿越基本上会通过变频器呈现，因为火电厂在日常运行的过程中往往处在一个相对较为复杂的环境条件下，并且需要长期连续的运行，所以一旦产生瞬时掉电事故或者是电网电压跌落事故都会严重影响关键设备以及相关装置的正常运用，与此同时，其分散控制系统（DCS）内的控制相对来说比较复杂，如果某个变频器控制的给煤机在产生掉闸问题，则会在极大程度上制约机组整体运行效率的提升。电网在运行中不可避免地会产生电压波动以及厂用电系统内部故障等问题，具体指的是当出现大设备启动、电气设备短路以及接地等问题时，会在产生电压波动的过程中造成变频器的跳闸。其危害主要有以下2点。一方面，其会在现有的基础上对发电厂发电的经济性和连续性造成影响，并且导致电厂发电设备产生损坏。另一方面，则会在一定程度上冲击电力系统，进而增加系统故障的严重性，不利于电力系统整体的持续平稳运行[1]。

2 变频器低压穿越电源的特点

2.1 安全可靠性

良好的变频器低电压穿越可以更有效地为原有送电线路或者是通过旁路开关的设置实现旁路电路，与此同时，在系统电压持续平稳时，变频器则主要是由电力直流进行供电，而电源变换模块则并不会参与到实际运行中，由此可见，其能够在极大程度上为变频性能的可靠性以及安全性提供保障，进而最大限度降低故障出现的可能性。

2.2 定期自检和故障诊断

可以通过变频器低压穿越装置对电流电压所具有的瞬时跌落情况展开实时动态的监控工作，这样一来便能够有效保证变频器低压穿越电源自身的实际效果。与此同时，应用变频器低压穿越装置的过程中不会涉及人工的操作以及维护，其能够定期开展相应的自检和故障诊断工作，进而及时发现问题所在，并针对其展开自动的处理工作，由此可见其在变频器穿越装置故障处理方面具有实效性。这种自动化设计可以有效冲破以往变频器低压穿越装置在运行过程中所遭遇的阻碍，进而从根本上提高运行效率，与此同时，受到宽温度范围的影响，该文所述的变频器低压穿越装置的运行寿命比较长。具体可以结合变频器型号的不同开展定制化生产工作，这无论是在操作还是在安装方面都具有较高的简便性，此外，灵活使用分布式供电解决方案，同样可以提升变频器低压穿越装置实际的利用成效。

3 变频器的选择与维护

3.1 选择

变频器的选择直接影响其运行的实效性，所以应当综合考虑转矩匹配、电流匹配以及电压匹配等多方面内容进而科学展开相应的选型工作。基于此，相关工作人员应当全面系统地了解现场用电的实际情况，还需要针对用电电压的波形质量以及等级等相关内容展开进一步明确，进而为变频器后续的正常使用创造良好的条件。与此同时，相关工作人员还应当详细了解负载的相关内容，从实际情况来看，负载的性能曲线本身对变频器的实际使用方法有一定的决定性作用，普通的离心泵变频器所具有的特定电流能够同电机的额定电流相适应，而深水泵变频器对电流则有更高的要求。

结合相关工程经验进行分析，其实际所应用的电机功率大小直接影响着其所使用的变频器的功率大小，通常情况下，为了能够尽可能留出余量，工作人员一般会选择规格稍大的变频器。如果其现场所使用的电机有频繁的启动和制动的要求，便应当安装制动电阻，同时综合考虑功率的大小选定合适的制动电阻。如果工厂本身的环境条件具有局限性，有较大的粉尘并且不利于散热，工作人员便可以结合实际情况尽量选用水冷式的变频器，此举能够有效降低模块炸裂问题出现的可能性，并且能够在一定程度上缓解噪声问题。当设备有做老化测试的需求时，相关工作人员可以立足于实际要求，选用四象限的产品，可以达到降低功率损耗的效果，当现场存在单独直流电时则可以仅采用纯逆变模组，以起到节约投入的作用[2]。

3.2 维护

变频器本身具有电压保护、过载保护以及过电流保护等多种功能。其中电压保护主要可以划分成欠电压保护和过电压保护2种类型。之所以会出现过电压，主要是因为电源过电压在降速的过程中难以及时释放反馈能力，进而生成再生过电压。因为电路本身包括线路电感以及绕组电感，所以在每个脉冲上升以及下降时，峰值有可能会出现相对较大的脉冲电压。该脉冲电压同直流电压叠压起来便会成为脉冲电压并具有较强的破坏作用。具体应当采用脉冲过电压保护、防止跳闸功能以及预防电源过电压等防护措施。而欠电压的存在主要受到电源缺相、电源电压过低或者是电路和电源方面出现问题等原因的影响。欠电压的出现将会导致电动机的转矩下降，而当前所使用的新型的变频器本身都自带一定的补偿功能，可以为电动机的正常运行提供支持。除此以外，欠电压还会增加电动机的电流，而变频器则能够有效发挥出其本身的过载保护功能，并针对元器件进行及时监察。

4 低电压穿越技术在火电厂给煤机变频器中的应用

4.1 改造方案

该改造工作主要是针对大港电厂#4机组8台给煤机进行相应的给煤机变频器低压穿越设备改造工作，该火电厂所采用的是GLA-20系列变频器低电压穿越电源产品。GLT-20A在主功率输入为三相交流电源，而主功率输出则属于直流电源。三相交流电可以通过断路器QF1进入二极管整流桥TM1-3所形成的整流回路，接下来再通过电控开关KM1使其转换成为直流电能，并实现在电容C1以及C2中的储存。当电网电压处在正常运行状态时，变频器能够利用自身交流侧电能支撑变频器的有效运行，升压电路处在旁路状态，并不会直接参与到装置运行的过程中。一旦电网电压产生短时跌落，便会迅速运行升压电路，并持续稳定地输出直流电压，为变频器提供充足的电压源，以达到维持变频电机转矩以及转速恒定的效果。等到电网电压恢复正常后，升压电路便会自动退出，而变频器则仍能够通过自身交流通路进行送电[3]。

在现场改造施工的过程中选择对变频器原交流供电线路进行保留，变频器低压穿越电源实现同三相380V电源和变频器直流端子之间的串接，具体不需要对变频器的设置以及配置采取任何的改动措施，同时还能够应用现场已经进行铺设的电缆。在开展改造工作时，主要是采用了给煤机变频器一拖一的设计方案进行动力电源的改造，可以为10台变频器进行10套一拖一变频器低压穿越装置的培养，针对机组的给煤机变频器控制电源展开相应的改造工作，进而有效落实380VAC段电源同厂用UPS的有效切换。在该改造工作中，如果给煤机能够处在正常运行的状态下，通电压便会出现一定程度的晃动，所以电压将会在380V时进行三相交流电压的检测，同时将三相交流电压穿越装置整流升压到490V，该穿越过程总共有200ms的持续时间。一拖二装置电源可以在给煤机总电源之间进行有效切换，并从原本的4mm2增加到6mm2。

4.2 试验分析

在该试验中主要采用了电压暂降的方式对火电厂的厂用母线电压进行模拟，使其由原本的正常值分别降至60%以及90%。常用母线维持在60%以及90%的时间为10s，接下来厂用母线电压则会恢复为额定电压。综合上述各种模拟条件，判断当厂用母线电压处在正常状态下、电压暂降时和在电压恢复之后，给煤机变频器主功率回路能否得到持续平稳运行。

当给煤机变频器交流输入电压会下降为原本属于电压的90%，而电压暂降的时间则会持续10s，在该过程中需要针对给煤机以及给煤机变频器的实际运行状况进行详细观察，并通过示波器对给煤机变频器的交流输出电压、直流母线电压、交流输入电压以及电压暂降90%时的维持时间进行记录。如图1所示。

结合图1，通道1波形区段主要代表的是，当给煤机变频器的直流输入电压暂降到90%的情况下其所具有的电压波形，其有效值是356V。而通道2波形区段则代表了当电压暂降至正常电压90%时的直流母线电压波形，其数值是DC520V，则主要是通过使用低电压穿越装置实现的。通道3波形区段所代表的是电压在暂降为90%的情况下变频器的输出电压波形，其具体的有效值是交流350V，该图片中的a和b所代表的为电压暂降的时间为10s。结合上述内容能够表明，厂用母线电压能够暂降为原本电压的90%，与此同时，该低电压值能够有效维持10s。此时给煤机变频器所具有的主输入电源电压将会下降至356V，该过程中灵活应用抗低电压穿越装置，能够保证给煤机变频器主功率回路的正常使用，确保变频器的直流母线电压可以保持在520V状态下。当给煤机变频器的输出交流电压保持在350V状态下时给煤机和给煤机变频器都可以实现正常应用，科学地应用低电压穿越装置能够使电压暂降时，给煤机变频器仍可以稳定运行，并切实提升其输出电压以及工作频率的持续性和稳定性[4]。

图1 电压暂降时间

厂用母线电压暂降为原有电压的60%主要指的是给煤机变频器的交流输入电源下降为原本正常输入电压的60%，其电压的暂降时间基本上会维持在10s，此时工作人员需要针对给煤机以及给煤机变频器的具体运行情况进行详细观察，同时还要使用示波器针对给煤机变频器的交流输出电压、直流母线电压以及交流输电电压暂降为60%情况下的维持时间进行记录，具体如图2所示。

结合试验结果进行分析，图2中的1通道波形区段代表的是交流输入电压暂降为60%时所具有的电压波形，其实际的有效值是231V，而2通道波形则指的是直流母线电压在暂降到60%状态下所具有的电压波形，其数值是DC520V，其都是由低压穿越装置进行提供的。3通道波形区段则是变频器所具有的输出电压波形，有效值是交流350V，该图片中的a和b之间所代表的是电压暂降时间为10s。综合上述试验可以明确，厂用母线电压能够暂降为原有电压的60%，与此同时，该地电压值能够维持在10s，此时其主输入电源电压将会从原本的电压下降至228V。在该工程中，科学采用低电压穿越装置可以稳定提供能量助力给煤机变频器主功率回路的正常运行，并确保变频器所具有的直流母线电压能够保证在520V的状态下。低电压穿越装置的合理应用能够确保给煤机变频器即便是面临电压暂降时也可以正常使用，并切实提升输出电压以及工作频率的科学性以及稳定性[5]。