周道軍

(神華國華太倉發(fā)電有限公司，江蘇太倉215433)

隨著電力技術(shù)的發(fā)展及節(jié)能降耗的需要，變頻器在發(fā)電廠獲得越來越多的應(yīng)用。變頻器還因具有調(diào)速精確、響應(yīng)速度快、能改善電動機啟動特性等特點廣泛應(yīng)用于電廠輔機調(diào)速控制系統(tǒng)中。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時，將引起電網(wǎng)電壓短時跌落，鄰近的發(fā)電廠廠用電系統(tǒng)電壓也相應(yīng)降低，由于變頻器整流逆變元件特性的原因，電源電壓的下降往往會觸發(fā)變頻器低電壓保護(hù)，導(dǎo)致變頻器輸出閉鎖、輔機停機，一旦一類輔機（指短時（＜5 s）失電將會造成設(shè)備損壞、機組停運或減出力，影響電網(wǎng)安全運行的輔機）全部停運將會引起發(fā)電機組跳閘。此時，對于已經(jīng)發(fā)生故障尚在恢復(fù)中的電力系統(tǒng)，發(fā)電機組跳閘將再次對系統(tǒng)產(chǎn)生沖擊，嚴(yán)重威脅電網(wǎng)穩(wěn)定運行。在電網(wǎng)發(fā)生事故時，電壓跌落持續(xù)時間較短，因此開展變頻器防低電壓穿越研究十分必要。

1 變頻器低壓失電閉鎖分析

變頻器功率回路由整流模塊、直流環(huán)節(jié)、逆變模塊組成，如圖1所示。變頻器三相輸入電源經(jīng)整流輸出直流，并儲存于電容中，再經(jīng)過逆變變換成交流電源，實現(xiàn)頻率變換。當(dāng)變頻器輸入動力電源因某種原因發(fā)生低電壓時，直流母線電壓也隨之降低，無法提供逆變模塊所需要的能量，將觸發(fā)變頻器保護(hù)，導(dǎo)致變頻器退出運行。

圖1 變頻器原理示意圖

變頻器低電壓輸出閉鎖主要是由于中間直流回路的低電壓，一般能引起中間直流回路低電壓主要來自2個方面.

1.1 來自電源側(cè)低電壓

以低壓變頻器為例，正常情況下電源電壓約400 V，經(jīng)三相橋式全波整流后中間直流回路電壓值約為540 V（即圖1中UDC電壓），當(dāng)電源線電壓在-15%～+10%范圍內(nèi)波動時，不會造成變頻器的低電壓跳閘，只有電源電壓波動幅度較大，并且持續(xù)時間達(dá)一個周期以上，才會引起變頻器低電壓保護(hù)動作跳閘。電源側(cè)低電壓主要是由于電網(wǎng)故障電壓的波動、雷擊使電源幅值受影響、變壓器超載或負(fù)荷不平衡、發(fā)電廠廠用電系統(tǒng)事故切換等。

1.2 負(fù)載側(cè)低電壓

負(fù)載側(cè)低電壓主要是由于廠用電系統(tǒng)大容量設(shè)備突上電、線路過載或啟動大容量電動機設(shè)備等情況。

2 低電壓穿越對輔機變頻器影響

2.1 廠用輔機變頻器分類

廠用輔機變頻器又分高壓輔機變頻器和低壓輔機變頻器。包括高壓（6 kV或10 kV）輔機變頻器，如引風(fēng)機、送風(fēng)機、一次風(fēng)機、給水泵、凝結(jié)水泵等；低壓（380 V）輔機變頻器，如給煤機、給粉機、空氣預(yù)熱器、空冷島冷卻風(fēng)機等。

2.2 低電壓穿越情況分析

（1）廠用電系統(tǒng)正常運行中的低電壓包括廠用電系統(tǒng)過載、變壓器過載和負(fù)荷不對稱、大容量電動機啟動等情況，尤其是廠用電系統(tǒng)上大容量電動機啟動，此時6 kV或10 kV廠用電母線電壓會出現(xiàn)短時較大降幅。通過對某發(fā)電廠二十多臺不同容量和類型的電動機啟動錄波試驗，錄波數(shù)據(jù)顯示高/低壓電動機啟動時間一般在20 s以內(nèi)。電壓的下降程度與運行工況、設(shè)備容量有關(guān)。某廠正常運行中啟動一臺8100 kW的電動給水泵時，錄波顯示6 kV母線電壓瞬時最低下降13.3%，但廠用電系統(tǒng)電壓低于90%額定電壓只有幾個周波。其下一級380 V母線段因有變壓器隔離，電壓下降程度要小于上一級6 kV或10 kV母線段，高/低壓輔機變頻器低電壓保護(hù)一般能躲過上述低電壓穿越情況。

（2）發(fā)電機正常運行時廠用電母線失壓或工作進(jìn)線電源開關(guān)偷跳（指誤操作、開關(guān)機構(gòu)故障等原因造成的開關(guān)誤跳閘），在工/備電源串聯(lián)切換（先跳開工作電源開關(guān)，確認(rèn)工作電源開關(guān)已跳開且切換條件滿足時，合上備用電源開關(guān)）過程中會出現(xiàn)短時母線低電壓。若要降低這類低電壓穿越引起機組誤跳閘風(fēng)險，一類輔機變頻器設(shè)計時一方面需要合理優(yōu)化接線方式，讓變頻器分布在不同廠用電源段，避免廠用電設(shè)備事故時全部變頻器失電導(dǎo)致停機；同時提高變頻器自身躲廠用電系統(tǒng)短時失電低電壓穿越能力。這類故障電源切換時間一般0.5～1.5 s。

（3）電網(wǎng)電壓振蕩、重負(fù)荷電力線路切換、雷擊、電力線路短路或接地等，鄰近發(fā)電廠會發(fā)生明顯的低電壓穿越情況，以單相接地故障最為常見。對于相間短路和瞬時接地故障情況，依靠主保護(hù)動作切除故障點，低電壓穿越時間一般小于100ms。倘若發(fā)生永久性故障，若主保護(hù)未動作依靠后備保護(hù)動作切除故障或重合閘合于永久性故障再次跳閘，此時低電壓穿越時間較長，但穿越時間也應(yīng)小于2.0 s。這種暫態(tài)低電壓穿越有時電壓幅值下降很大，對輔機變頻器影響很大。例如2009年3月7日，某電廠500 kV母線側(cè)發(fā)生出口金屬性接地故障，相距約100 km另一電廠錄波顯示各側(cè)電壓變化如表1所示。

表1 低電壓穿越時某電廠電壓變化情況

低電壓穿越還引起該廠全部機組無功功率劇烈波動 （最大峰谷差約180Mvar），勵磁系統(tǒng)低勵限制動作、系統(tǒng)頻率上升，發(fā)電機有功功率驟升46MW后回落正常等異常情況。2011年1月2日，東北電網(wǎng)某電廠出線A相電流互感器故障，引起廠內(nèi)4號機6 kV廠用電系統(tǒng)A相電壓降至65%額定電壓，低電壓穿越引起機組跳閘。

2.3 低電壓穿越對輔機變頻器影響

變頻器裝置在電力系統(tǒng)中被普遍使用，由低電壓穿越引發(fā)事故已發(fā)生多起，生產(chǎn)廠家、使用單位和設(shè)計單位都做了很多改進(jìn)工作。目前部分高/低壓變頻器具有瞬時停電保護(hù)功能，即當(dāng)判斷主電源失電后，變頻器控制電機處于發(fā)電狀態(tài)運行，為單元電容充電，并為單元控制電源供電，直至主電源恢復(fù)，變頻器回到原運行狀態(tài)，這種功能有利于變頻器躲低電壓穿越情況。

（1）變頻器在低電壓穿越期間，輸出電流明顯增大，可能會導(dǎo)致變頻器過載。按照公式I=P/U計算變頻器在低電壓穿越時電流變化如表2所示。其中P為電機功率，U為變頻器輸入電壓，I為變頻器輸出電流。

表2 低電壓穿越時電壓電流變化

表2顯示，變頻器隨著輸入電壓下降，輸出電流會相應(yīng)增加，這樣在發(fā)生低電壓穿越時，變頻器內(nèi)部將產(chǎn)生較大電流，這對變頻器通流和散熱能力提出較高要求。此時在低電壓穿越情況下，如果要做到不影響變頻器正常運行，需要對低電壓穿越產(chǎn)品的材料提出嚴(yán)格要求。

（2）對于高壓變頻器 （額定輸入電壓為交流1～10 kV），規(guī)程規(guī)定：在電廠主電源斷電后，廠用電網(wǎng)切換時，變頻器應(yīng)保證9 s內(nèi)再次合閘后能夠自動正常運行[1]。雖然高壓變頻器具有失電9 s內(nèi)電壓恢復(fù)后自啟動功能，但是風(fēng)機類高壓輔機變頻器即使短時停運也會嚴(yán)重威脅發(fā)電廠安全運行。

（3）低壓輔機變頻器抗低電壓穿越能力相對較差，已經(jīng)發(fā)生的變頻器低電壓跳機事件多為發(fā)電廠給煤機、給粉機變頻器跳閘引起。例如，給粉機變頻器在遇到廠用電壓瞬時低于變頻器的低電壓保護(hù)值時變頻器停運，導(dǎo)致機組給粉機停機，同時會給鍋爐安全監(jiān)控系統(tǒng)（FSSS）發(fā)出給粉機停止信號，這樣會導(dǎo)致鍋爐全爐膛滅火保護(hù)（MFT），機組跳閘。

3 低電壓穿越解決方案

變頻器低電壓穿越跳閘一般是由于低電壓引起控制回路失電或變頻器中間直流回路低電壓引起。對于高壓變頻器控制回路供電，規(guī)程規(guī)定：為保證切換過程的無擾動，控制部分應(yīng)由UPS或直流供電，由UPS供電時掉電保持時間不小于5min[1]，低壓變頻器可以參照該規(guī)定引入UPS電源解決低電壓穿越時控制回路電源失電隱患。對于變頻器中間直流回路低電壓，由于變頻器逆變器件固有的溫升特性決定了變頻器必須有過電壓、過電流、溫升保護(hù)等，當(dāng)電壓超過變頻器低電壓保護(hù)跳閘下限值時必須跳閘。發(fā)生低電壓穿越的時間通常很短暫，一般小于2 s，因此可以采取下列幾點措施來防止低電壓穿越事故發(fā)生。

3.1 提高變頻器自身能力

對于新建、改擴(kuò)建變頻器項目，在設(shè)備選型時，參照《大型汽輪發(fā)電機組一類輔機變頻器高、低電壓穿越技術(shù)規(guī)范》[2]要求，變頻器低壓穿越性能應(yīng)與主機低壓性能相配合，宜與電廠一類輔機的低電壓保護(hù)定值相配合。當(dāng)外部故障或擾動引起的變頻器進(jìn)線電壓跌落幅值和持續(xù)時間在低電壓穿越區(qū)內(nèi)時 （如表3所示），變頻器應(yīng)能夠保障供電對象的安全運行。

表3 一類輔機變頻器低電壓穿越區(qū)

滿足表3參數(shù)要求的變頻器能躲過電動機啟動、電網(wǎng)故障、廠用電電源事故切換等多種嚴(yán)重低電壓穿越情況。根據(jù)已掌握的一些發(fā)電廠錄波數(shù)據(jù)，即使發(fā)生嚴(yán)重低電壓穿越情況，6 kV或10 kV廠用電系統(tǒng)電壓一般也高于60%額定電壓。因此特別是一類輔機變頻器，采購時應(yīng)提高對變頻器抗低電壓穿越性能指標(biāo)的要求。

3.2 短時斷電后轉(zhuǎn)速跟蹤再啟動

對于已經(jīng)投入運行的變頻器，以給煤機為例，若發(fā)生全廠給煤機瞬時停運，磨煤機內(nèi)儲存的煤粉和煤粉倉內(nèi)的煤粉短時間內(nèi)可以繼續(xù)為鍋爐提供燃料，保證鍋爐燃燒不受影響。只要在發(fā)生低電壓穿越的短時間內(nèi)不觸發(fā)MFT邏輯，通過優(yōu)化分散控制系統(tǒng)（DCS）控制策略及二次回路接線，配合變頻器瞬時停電自啟動功能，待廠用電電源恢復(fù)后，再將給煤機自動啟動，從而實現(xiàn)變頻器在瞬時失電能夠自啟動，長期失電正常停運。對于給煤機變頻器DCS控制策略優(yōu)化可以采用將給煤機“停運”和“運行”信號按躲過電網(wǎng)及廠用電故障增加延時，一般取2～3 s；同時優(yōu)化廠用電瞬間失去或波動時防止熱工自動回路切換的邏輯，即在這短暫的時間內(nèi)熱工自動回路不進(jìn)行切換，保證整個鍋爐控制系統(tǒng)不產(chǎn)生大的擾動；從DCS送給煤機的啟動指令應(yīng)在廠用電電壓波動或瞬間失去恢復(fù)后能夠自動啟動給煤機，即將DCS啟動給煤機的指令由脈沖改為電平形式；給煤機就地控制柜的邏輯應(yīng)保證在廠用電電壓波動或瞬間失去恢復(fù)后，能夠在DCS遠(yuǎn)方控制。本方案無需額外增加資金投入，優(yōu)化后沒有增加日常維護(hù)工作，且易于現(xiàn)場實施。

變頻器自啟動具體有2種方法：（1）電機完全停止后再啟動。（2）在旋轉(zhuǎn)中檢出電機實際轉(zhuǎn)速后，自動地將變頻器輸出頻率調(diào)節(jié)在對應(yīng)值再啟動，即在低電壓穿越區(qū)內(nèi)，變頻器可短時中斷輸出保護(hù)自身設(shè)備，在電源恢復(fù)之后，當(dāng)電動機仍在運轉(zhuǎn)時，實現(xiàn)跟蹤電動機轉(zhuǎn)速再啟動。這種方法應(yīng)有速度傳感器，應(yīng)將變頻器的控制電源接到UPS電源。設(shè)計參數(shù)包括要承受的最長擾動持續(xù)時間、從電源恢復(fù)到電動機返回原有轉(zhuǎn)速的時間。變頻器采用這種方法后，當(dāng)電廠發(fā)生低電壓穿越時，不會影響機組有功的大幅波動，可以連續(xù)運行。

3.3 加裝抗低電壓穿越裝置

改進(jìn)變頻器交流側(cè)輸入電源，即在變頻器交流電源輸入側(cè)加裝抗低電壓穿越的擾動電源設(shè)備，當(dāng)系統(tǒng)電壓正常時，變頻器正常工作，低電壓穿越裝置處于熱備用狀態(tài)，不參與變頻器運行。

在系統(tǒng)電壓發(fā)生跌落時，低電壓穿越裝置實時監(jiān)測電壓跌落趨勢，當(dāng)下降至整定值時，裝置瞬時投入運行，通過升壓泵（BOOST）將直流側(cè)電壓提升到500 V以上，保證變頻器輸出功率、電機轉(zhuǎn)矩、電機轉(zhuǎn)速均不變的電壓水平，變頻器的直流母線繼續(xù)維持對變頻器供電。切換過程由靜態(tài)開關(guān)（IGBT）完成，切換動作時間小于1μs，可以實現(xiàn)無縫切換，對變頻器的穩(wěn)定運行不會造成沖擊。在系統(tǒng)電壓跌落結(jié)束恢復(fù)正常后，低電壓穿越裝置停止運行，升壓回路退出工作狀態(tài)，恢復(fù)到備用狀態(tài)，變頻器的供電仍由三相交流送電回路提供。

低電壓穿越裝置主要包括旁路回路和升壓回路，這種方式可以實現(xiàn)1臺低電壓穿越裝置帶單臺或多臺電動機變頻器運行，1臺變頻器配1臺低電壓穿越裝置原理示意圖如圖2所示。這種方案需要采購設(shè)備對一次電源部分進(jìn)行技術(shù)改造，若采用1套裝置帶多臺電動機變頻器方式運行，需要考慮低電壓穿越裝置故障風(fēng)險，合理選擇低電壓穿越裝置安裝地點，降低粉塵、溫度、濕度等環(huán)境因素對低電壓穿越裝置元器件性能和使用壽命的影響。

圖2 變頻器低電壓穿越裝置原理示意圖

3.4 外加直流電源裝置

在變頻器整流和逆變中間的直流環(huán)節(jié)加裝蓄電池組，其輸出接入變頻器直流母線上，當(dāng)廠用電系統(tǒng)電壓正常時，變頻器正常工作，外加蓄電池組處于浮充電狀態(tài)，不參與變頻器運行。當(dāng)外部擾動引起廠用電系統(tǒng)電源短時中斷或短時電壓降落時，在電壓下降至整定值時，裝置瞬時投入運行，由外加直流電源繼續(xù)供給變頻器運行；當(dāng)廠用電系統(tǒng)電壓跌落結(jié)束主路交流電源再度恢復(fù)正常供電后，變頻器自動切換至主路電源供電。

直流環(huán)節(jié)一般由蓄電池組、充電器、靜態(tài)開關(guān)、控制器等部分組成，這種方式可以實現(xiàn)1套直流電源裝置帶單臺或多臺電動機變頻器運行，1臺變頻器外加1套直流電源原理示意圖如圖3所示。這種方案也需要采購設(shè)備進(jìn)行技術(shù)改造，日常維護(hù)工作量明顯增加。日常運行中要確保蓄電池組正常浮充電，并定期對蓄電池進(jìn)行均衡充電和核對性充放電活化試驗，合理選擇蓄電池的安裝地點，降低環(huán)境溫度對蓄電池壽命的影響，并定期更換蓄電池組。

圖3 變頻器外加直流原理示意圖

4 結(jié)束語

針對低電壓穿越對發(fā)電廠輔機變頻器設(shè)備可能產(chǎn)生的危害，總結(jié)了幾種典型的現(xiàn)場應(yīng)用技術(shù)方案，綜合比較，對于新建和改擴(kuò)建的一類輔機變頻器，推薦采用方案1，即參照 《大型汽輪發(fā)電機組一類輔機變頻器高、低電壓穿越技術(shù)規(guī)范》要求，提高變頻器自身躲過低電壓穿越能力。對于已經(jīng)投入運行的一類輔機變頻器，推薦采用方案2，即一方面變頻器控制電源采用UPS供電，保證控制電源不中斷；另一方面優(yōu)化DCS控制策略，并結(jié)合不同系統(tǒng)的設(shè)備允許電動機停運時間增加延時來躲過低電壓穿越情況，當(dāng)電源供電恢復(fù)時，及時實現(xiàn)變頻器自啟動。

[1]DL/T 994—2006，火力發(fā)電廠風(fēng)機水泵用高壓變頻器[S].

[2]國家電網(wǎng)公司.大型汽輪發(fā)電機組一類輔機變頻器高、低電壓穿越技術(shù)規(guī)范[S].2013：3-4.