电厂低压变频器低电压穿越功能完善研究

刘 超

（国网能源哈密煤电有限公司大南湖电厂，新疆哈密 839000）

0 引言

在现有众多调速技术中，变频器作为异步电机理想的调速设备，是因为其调速精度高、效率高、范围宽且能根据所带设备运行的变化使电机实现自动、平滑的无级调速，调速特性基本保持异步电机转差率较小的特性。同时变频器具有显著的节电效益。对于所带负载性质、负载率的不同，变频器节电率也不同。对比传统传动调速系统，低压变频器控制的设备，当负载率在0.4～0.6时，节电率在25%～50%。因而，变频器被广泛应用于电厂各类生产场所。

由于生产现场对经济运行、变频调速的要求不断提高，变频器越来越多的被用在电厂生产设备上，以实现生产系统节能调速。但变频器内部含有大量电子元件，对电源的稳定性要求较高，电源电压的骤降或短时中断，都会使变频器停止运行，造成变频器所带设备停运，引起生产系统稳定性遭到破坏，导致电厂停炉、停机事故的发生。

1 变频器简介

依据变频器主电路结构型式及其交流电变换方式，现有的较为常见的变频器可以分为交—直—交型和交—交型两类，各类变频器特点见表1。

表1 各类变频器特点

交—交型变频器虽然仅有一个变换环节，但电路结构较交—直—交型变频器复杂、造价高，因此电厂生产现场大量使用交—直—交型变频器。交—直—交型变频器电路结构框如图1所示。

图1 变频器结构

2 故障现象及分析

某电厂空冷岛自投产以来，多次因外部电源故障，导致空冷MCC电源切换，出现空冷变频器集体（30台）停运现象，严重影响在运机组的安全稳定运行。

2.1 原因分析

空冷MCC段分A、B两段，每段带15台变频器，共计30台。正常情况下，每段负荷（15台变频器）分别由对应的变压器A、B独立供电，变压器C作为变压器A、B的备用电源。空冷MCC主接线如图2所示。

图2 空冷主接线

空冷MCC段电源切换由变压器低压侧空冷备自投装置控制。每套备自投装置监控一段母线，一对断路器（1ZKK和3ZKK）装在工作进线开关（1ZKK）柜内。正常情况下空冷变C为备用电源，备用方式为热备用，即空冷变C高压侧开关处于合闸状态。当工作电源出现异常时，备自投装置先跳工作电源开关1ZKK，确定工作进线开关1ZKK断开且无电流后经整定延时0.5 s后合上备用电源开关3ZKK。

由于备自投装置本身特性，在故障判断后需要0.5 s的延时，加上断路器分合时间、备自投装置出口时间，切换过程中变频器至少失电0.6 s。查询备自投切换条件：工作电压小于280 V（取正常电压的70%），备自投动作。

依据DL/T 339—2010《低压变频调速装置技术条件》规定：低压变频调速装置应具有以下保护功能：输入欠压（低于额定电压的80%），变频器应能自动切断输出电源。通过以上分析可知，低压变频器在交流电源发生瞬时性故障条件下，无法避免故障低压对变频器带来的影响，由变频器自身的低压保护动作将其停运。

3 变频器低电压穿越能力分析

3.1 引起变频器低电压穿越原因

引起电厂变频器电源电压下降的原因主要有以下两种：①电源侧故障引起电压下降：如接地、短路、断路、雷电、大风等。这种电压下降特点是时间较短、残压值较高、发生的概率较低（30%）；②现场设备正常运行过程中引起的压降，如大型电机启动、备自投装置切换。这种电压下降特点是时间较长，残压值较低、发生概率较高（70%）。

3.2 变频器低电压穿越能力要求

根据某省对发电厂重要运行辅机低电压穿越能力提出具体的要求：重要辅机的变频拖动系统，在系统电压跌落至20%连续0.5 s、跌落至65%连续3 s的情况下，具备完备可靠的低电压穿越能力，确保系统故障时发电机组不因低电压穿越能力不足而跳闸。

结合故障分析，依靠变频器现有的保护功能，无法保证在电压持续降低情况下设备的正常运行。故需对低压变频器的保护功能进行完善，使其具备低电压穿越条件下正常运行的能力。

3.3 变频器低电压穿越能力改善方案

根据是否增加新电源，低压变频器低电压穿越能力完善可以分为依靠完善变频器功能和增加变频器电源可靠性两种方式。

3.3.1 依靠变频器本身功能完善

从变频器原理及定值设置方法进行分析，现有提高变频器低电压穿越能力有以下4种方式。

（1）提高变频器工作进线电压。低压变频器工作电源电压范围为80%～115%U n。如果将变频器的工作电源电压提高到110%U n，工作电源电压轻微正向波动，将会引起变频器过压保护动作，造成变频器频繁停运，不利于设备的长期运行。同时变频器长时间工作在额定工作范围以外，必然减少变频器使用寿命。

此种方案改变效果有限，只能作为一种补充手段。

（2）增加变频器中间直流母线稳压电容。直流母线稳压电容数计算公式：

式中 nc——电容器数量

P——变频器负荷功率，W

U——变频器负荷额定电压，V

cosφ——变频器负荷功率因数

ΔU——电容允许放电电压差，V

C——电容量，F

t——放单时间，s

假设变频器所带负荷为10 kW的电阻性负荷，额定电压为380 V，电压允许放电电压差20%，单个电容容量1 mF，故障时间为0.5 s，带入公式为：

计算需要新增容量为1 mF电容数量为346个，单只电容体积D×L为100 mm×170 mm，需要占用大量的空间。增加电容器的同时需要改造变频器预充电电路，并严格限制充电电压，改造费用高。增加大量电解电容易使变频器直流母线上的直流纹波含量过大，长时间运行易造成电解电容的电解液干涸，且大量电解电容放电存在电气火灾隐患。此方案不适合大容量变频器改造使用。

（3）变频器延时重启动。变频器延时重启动时间需要由其所供负荷性质决定。对于转动惯量较大的负荷（如风机类负荷），由于惯性的作用允许变频器停运较长时间后重新启动。对于转动惯量较小的负荷（如给煤机、各泵类负荷），允许变频器停运时间较短。

（4）调整变频器相关保护值。设置变频器低电压保护值是为了防止变频器逆变器因过流损坏，部分变频器可以调整本身低电压定值，低电压定值可以调整为DC 300 V。但由于负荷侧输出功率限值，在电压降低的同时，输出电流升高。低压定值设置过低会使变频器在低电压穿越时会引起过电流保护动作，造成变频器故障停运。

3.3.2 增加变频器电源可靠性

当系统发生低电压穿越时，最明显的特征是工作电源电压降低，供电可靠性下降。因此，可以在发生低电压穿越时，将变频器输入源切换至稳定电源，以此来保正变频器继续正常运行。常用的电源切换方式有两种，一种为在工作电源侧加入不停电电源，另一种为在变频器整流后的直流母线上加装直流供电电源。下面对以上两种方案进行介绍。

（1）加入交流不间断电源供电（图3）。将变频器工作电源及UPS通过切换装置接入变频器。正常时，由正常工作电源供电，发生低电压穿越或电压瞬时下降时，通过切换装置，将工作电源切换至UPS。变频器控制电源一直由UPS系统供电。

图3 引入UPS供电原理

此方法具有改造集中、接线简单、不需要改变保护定值的优点。但是为保证现场设备稳定运行，UPS容量需要为变频负载额定功率3倍以上。由于电厂主厂房UPS为单相UPS，但现场变频器为三相负荷，因此需新增一套三相UPS系统，改造费用高昂，防护等级低，不适合安装在变频器数量较少的场所。

（2）增加低电压穿越电源系统（图4）。通过在变频器直流母线处新增一路事故备用直流电源，再给控制系统提供稳定的交流不间断电源，确保低电压穿越时，变频器正常运行。依据新增系统是否含蓄电池，可分为单独低电压穿越电源系统和含蓄电池低电压穿越电源系统。

图4 低电压穿越电源系统原理

单独低电压穿越电源系统工作原理：当低压配电系统正常供电时，变频器由工作交流母线供电，单独低电压穿越电源系统处于热备用状态。当工作母线电压下降，达到低压设定定值时，即变频器直流母线采集电压低于低电压穿越电源系统输出电压，低电压穿越电源系统自动投入为变频器直流母线提供直流电；同时，不间断电源给变频器的控制电路和单独低电压穿越电源系统柜内的控制电路提供稳定的220 V交流电，保证变频器控制电路正常工作。

该系统通过判断变频器直流母线电压与本身低电压设定定值的差值实现系统的自动投切，确保正常运行过程中该系统与变频器正常供电系统的隔离。且该系统不用蓄电池可以达到低电压穿越最低要求以上时变频器持续正常工作；同时设计时可实现一对一或一对多，安装方便，施工量较小。但是该系统不能解决瞬时故障引起电源短时中断所造成的变频器自动停运问题。

含蓄电池低电压穿越电源系统。当变频器工作电压骤降、短时中断时，该系统备用的电池组即经由系统保护器升压，维持变频器运行所需的电压，不影响变频所带电机的正常运行，同时工作母线电源经由直流充电系统转换成直流电，对蓄电池进行充电，使蓄电池维持在饱和满电的状态。当工作电源恢复正常时，变频器改为工作电源供电，系统保护器自动恢复成热备状态，同时充电系统对蓄电池单元进行浮充充电。

该系统由电池组为变频器直流母线提供设备工作时所需的能量，对交流侧工作母线系统没有冲击，可持续工作时间长。同时只用少量电池组即可实现深度低电压穿越、短时中断时变频器不停运。此方案改造过程中工程量小，同时解决了电池组的软特性问题。但对比单独低电压穿越电源系统，此方案也有少量蓄电池需要维护。

4 处理措施

通过以上分析可知：增加低电压穿越电源系统、增加变频器中间直流母线稳压电容等方案只适用小容量的变频器系统，对大容量（100 kW以上）、大数量（10台以上）变频器系统由于投资高、系统稳定性差（大容量电源切换过程中的延时问题）等缺点，需要采用其他方案。考虑空冷岛变频器所带负荷为大转动惯量设备，可以利用变频器本身的保护功能，实现低电压穿越工况下，变频器的正常运行。新方案原理如图5所示。

图5 新方案原理

工作原理：正常情况下，变频器工作电源由正常工作电源供电。控制电源由工作电源和备用电源经双电源切换装置提供。正常工作时，控制电源由工作电源供电，备用电源热备，当工作电源电压下降时，双电源切换装置自动切换至备用电源供电，保证异常情况下控制电源正常。同时调整变频器启动定值及低压保护定值，确保发生低电压穿越时，变频器短时停止，待工作电源恢复正常后，变频装置重新启动。以ABB公司生产的ACS-550系列变频器为例，变频器重启动涉及参数如下：

4.1 自动复位

此定值组定义变频器自动复位的条件。变频器检测到外部电源故障后，经过一段延时时间后，能自动重新起动。自动复位的时间间隔和复位次数均可实现自由选择，也可以对不同类型的故障分别选择自动复位。自动复位定值组主要涉及的定值有复位次数、复位时间、延时时间、故障复位类型。

4.1.1 复位次数

通过此定值可以确定某一时间段内变频器内允许自动复位的次数，时间由复位时间定义。超过自动复位次数后（依然在复位时间内），变频器禁止多余的自动复位动作，并保持停止状态。

4.1.2 复位时间

该定值确定在此时间内允许变频器自动复位。

4.1.3 延时时间

该定值确定变频器故障发生后，延时复位需要的时间。

4.1.4 复位类型

该定值中，0表示禁止变频器自动复位；1表示允许变频器自动复位。在复位延时定值所设的延时过后，故障报警被自动复位，变频器自动恢复正常运行，见表2。

表2 变频器故障复位类型

4.2 启动/停止

此定值组定义了变频器所带电机起动、停止的方式（表3）。

表3 变频器启动方式

4.3 欠压调节器

该定值设置直流欠压调节器工作状态。

当变频器输入电源下降时，内部直流母线侧电压也随之下降。欠压调节器的主要作用是利用降低电机转速，通过电机回馈到直流母线侧的惯性能量，对直流母线侧充电，弥补暂时的能量空缺，保持直流母线电压高于变频器欠压动作值。避免变频器因欠压而停运。

欠压调节功能主要应用在在离心泵、风机等高转矩负载场合。

该定值中，0表示禁止，即欠压调节器不工作；1表示允许时间，欠压调节器最长工作时间为500 ms；2表示允许，欠压调节器不受最长时间限制。

通过以上分析，设置变频器参数（表4），在系统电压跌落至20%连续0.5 s、跌落至65%连续3 s的情况下，能满足变频器正常运行。针对不同省份低电压穿越能力要求不同，可适当调整定值，以满足现场要求。

表4 变频器设置参数

5 结束语

对火电厂辅机变频器低电压穿越问题的产生及相关文件、规范的要求系统地进行介绍和分析。并在现有的解决方案基础上，对大容量低压变频器的低电压穿越问题的提出合理的解决方案，并在生产现场进行改造试运，现设备已正常运行2年，未出现因低电压穿越导致批量变频器停运的问题。同时，此方案也对其他电厂类似风机类负荷解决低电压穿越问题提供一定的指导意义。