呂兆俊 金文建 張劍峰

摘?要：高壓大容量變頻器的低電壓穿越性能治理是近年來(lái)不斷研究、實(shí)施的重要新型課題之一。本文分析了百萬(wàn)機(jī)組吸風(fēng)機(jī)大容量變頻器低電壓穿越性能治理的方法及測(cè)試方案，為相類(lèi)似容量變頻器低電壓穿越性能的治理積累了經(jīng)驗(yàn)，具有參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：高壓變頻器;大容量電動(dòng)機(jī);低電壓穿越

隨著變頻技術(shù)在電力系統(tǒng)發(fā)電企業(yè)中的廣泛應(yīng)用，發(fā)電廠一類(lèi)高低壓輔機(jī)的變頻器在電網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生低電壓穿越時(shí)、或者廠用系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)是否能夠抵御住電源系統(tǒng)的擾動(dòng)，將直接關(guān)系到發(fā)電廠機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，也將對(duì)這個(gè)電網(wǎng)的穩(wěn)定起到關(guān)鍵性的作用。高低壓變頻器低電壓穿越性能的治理將是現(xiàn)階段的主要工作之一，其中高壓大容量變頻器的低電壓穿越性能治理又是其重中之重的舉措。

一、概述

2016年國(guó)家能源局正式發(fā)布了《發(fā)電廠及變電站輔機(jī)變頻器高低壓穿越技術(shù)規(guī)范》（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“《技術(shù)規(guī)范》”）[1]，《技術(shù)規(guī)范》中明確要求：

（1）當(dāng)外部故障或擾動(dòng)引起的變頻器進(jìn)線電壓幅值小于額定電壓且大于等于20%額定電壓，且持續(xù)時(shí)間小于等于0.5s的瞬時(shí)低電壓穿越區(qū)內(nèi)時(shí)，變頻器應(yīng)能夠保障供電對(duì)象的安全運(yùn)行。

（2）當(dāng)外部故障或擾動(dòng)引起的變頻器進(jìn)線電壓幅值小于額定電壓且大于等于60%額定電壓，且持續(xù)時(shí)間大于0.5s、小于等于5s的短時(shí)低電壓穿越區(qū)內(nèi)時(shí)，變頻器應(yīng)能夠保障供電對(duì)象的安全運(yùn)行。

（3）當(dāng)外部故障或擾動(dòng)引起的變頻器進(jìn)線電壓幅值小于額定電壓且大于等于90%額定電壓，且持續(xù)時(shí)間大于5s的持續(xù)低電壓穿越區(qū)內(nèi)時(shí)，變頻器應(yīng)能夠保障供電對(duì)象的安全運(yùn)行。

漕涇電廠是一家建設(shè)有2臺(tái)1000MW發(fā)電機(jī)組的新型火電企業(yè)，每臺(tái)鍋爐配置了兩臺(tái)吸風(fēng)機(jī)且采用并列運(yùn)行的方式，吸風(fēng)機(jī)采用東方日立全進(jìn)口HI系列的6kV高壓變頻器，變頻器容量為8000kVA。該系列變頻器的低電壓穿越功能僅能實(shí)現(xiàn)在動(dòng)力電源電壓幅值跌至75%額定電壓以下時(shí)維持2.2s的要求，無(wú)法達(dá)到《技術(shù)規(guī)范》中變頻器在短時(shí)低電壓穿越區(qū)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

由于當(dāng)電網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生短時(shí)低電壓穿越工況時(shí)，1臺(tái)機(jī)組的兩臺(tái)吸風(fēng)機(jī)變頻器可能因這個(gè)原因而跳閘，繼而造成機(jī)組的跳閘，極端情況時(shí)甚至可能造成全廠停電事故。即，在電網(wǎng)發(fā)生低電壓穿越工況、需要大容量機(jī)組予以強(qiáng)有力支持的時(shí)候，反而由于變頻器的低電壓穿越能力不足而反過(guò)來(lái)對(duì)整個(gè)電網(wǎng)又產(chǎn)生了惡劣的影響、加速了電網(wǎng)的惡化狀況，故不管從哪方面說(shuō)，都必須對(duì)吸風(fēng)機(jī)高壓變頻器的低電壓穿越性能進(jìn)行治理。

二、低電壓穿越性能進(jìn)行治理方案

一臺(tái)變頻器三相共有15臺(tái)功率單元，每臺(tái)功率單元電源變壓器的原邊接功率單元的三相輸入，副邊接單元控制板。經(jīng)充分論證，決定在原控制板的直流接口上并接一塊超級(jí)儲(chǔ)能板，超級(jí)儲(chǔ)能板主要由整流元件和超級(jí)電容構(gòu)成，變頻器正常時(shí)超級(jí)電容被充滿電，實(shí)現(xiàn)充電儲(chǔ)能功能。當(dāng)電源恢復(fù)后，超級(jí)儲(chǔ)能板將再次捕獲能量吸收被充滿電，控制板則繼續(xù)由輸入電源供電。此種方案可以保證在整個(gè)低電壓穿越過(guò)程中控制板件保持正常工作狀態(tài)。

三、低電壓穿越性能治理方案中的其他問(wèn)題說(shuō)明

（一）低電壓穿越期間的變頻器過(guò)流問(wèn)題

電網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生低電壓穿越時(shí)，變頻器動(dòng)力電源側(cè)的電壓元件可以在10ms以?xún)?nèi)檢測(cè)到并觸發(fā)低電壓穿越功能，隨后立即停止變頻器的輸出。此時(shí)由于變頻器移相變壓器和功率單元直流電容的儲(chǔ)能作用，此時(shí)實(shí)際輸出電壓并沒(méi)有發(fā)生變化，也不會(huì)觸發(fā)變頻器過(guò)流單元?jiǎng)幼鳌?/p>

（二）變頻器電源側(cè)電壓的小幅波動(dòng)問(wèn)題

鑒于超級(jí)電容并聯(lián)在原控制板上，控制板件內(nèi)部DC轉(zhuǎn)化芯片采用了寬電壓設(shè)計(jì)（5.5V～60V），變頻器電源側(cè)電壓的小幅波動(dòng)引起超級(jí)電容的充放電電流是在電容允許范圍之內(nèi)的，故不需要考慮變頻器動(dòng)力電源的正常波動(dòng)給超級(jí)電容帶來(lái)的影響。

（三）超級(jí)電容的壽命問(wèn)題

超級(jí)電容僅在電網(wǎng)系統(tǒng)中發(fā)生低電壓穿越時(shí)使用，在變頻器正常工作時(shí)超級(jí)電容幾乎無(wú)充放電過(guò)程（變頻器電源側(cè)電壓正常波動(dòng)時(shí)，超級(jí)電容的充放電電流非常?。食?jí)電容內(nèi)部溫度穩(wěn)定，其發(fā)熱也可忽略，對(duì)超級(jí)電容的壽命無(wú)影響。同時(shí)，根據(jù)超級(jí)電容廠家提供的技術(shù)資料，超級(jí)電容充放電次數(shù)可達(dá)百萬(wàn)次，遠(yuǎn)大于功率單元上電解電容的壽命。

（四）超級(jí)電容的保護(hù)設(shè)置問(wèn)題

超級(jí)電容并聯(lián)在原控制板上，其相關(guān)的保護(hù)功能均由控制板實(shí)現(xiàn)，超級(jí)電容本身僅包含限流及過(guò)壓保護(hù)功能。同時(shí)超級(jí)電容是物理方法儲(chǔ)能不同于二次電池，不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，其利用活性炭表面粒子的物理吸附實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能，因此不需要配置低壓過(guò)放電保護(hù)。

四、低電壓穿越性能治理后的驗(yàn)證試驗(yàn)

（一）常規(guī)測(cè)試方案

方案1：在變頻器控制板的電源側(cè)增加小開(kāi)關(guān)。在變頻器控制板的輸入電壓檢測(cè)端設(shè)置一個(gè)開(kāi)關(guān)，變頻器正常運(yùn)行后斷開(kāi)此開(kāi)關(guān)，變頻器控制板檢測(cè)不到電源的二次電壓，以此用來(lái)模擬變頻器進(jìn)入了瞬停狀態(tài)。5s后合上此開(kāi)關(guān)，變頻器控制板檢測(cè)到電源的二次電壓恢復(fù)正常，即模擬變頻器瞬停狀態(tài)結(jié)束，此時(shí)觀察變頻器如能不報(bào)“重故障”而重新啟動(dòng)成功，即表明變頻器的低電壓穿越性能正常。該試驗(yàn)方案存在一定的缺憾，即其僅在變頻器電壓檢測(cè)處模擬二次電源失電，考驗(yàn)了變頻器的控制邏輯判別能力，但變頻器的主電源實(shí)際并沒(méi)有發(fā)生跌落，變頻器的一次功率單元未能收到真正的考驗(yàn)。

方案2：在變頻器輸入側(cè)設(shè)置一套電網(wǎng)跌落模擬器，在變頻器正常時(shí)模擬電網(wǎng)電壓的跌落（電壓跌落時(shí)間可進(jìn)行設(shè)定，時(shí)間過(guò)后自動(dòng)恢復(fù)系統(tǒng)電壓），用以觀察變頻器的低電壓穿越性能是否正常。

方案3：在變頻器的電源輸入側(cè)設(shè)置一套高壓變頻器作為被測(cè)高壓變頻器的電源，實(shí)驗(yàn)時(shí)電源模擬高壓變頻器先按照正常運(yùn)行電源電壓給被試高壓變頻器供電，隨后按照《技術(shù)規(guī)范》的要求模擬被試高壓變頻器經(jīng)受低電壓穿越的全過(guò)程，用以觀察其穿越性能是否正常。

方案4：在運(yùn)行中將變頻器從A段母線切換為B段母線，切換時(shí)間為5s，用以觀察變頻器的低電壓穿越性能是否正常。需說(shuō)明的是，由于開(kāi)關(guān)切換可能引起瞬時(shí)過(guò)電壓，為安全計(jì)，需在變頻器輸入側(cè)增加一組過(guò)電壓吸收器。

（二）各測(cè)試方案的優(yōu)劣比較

方案1：僅在變頻器電壓檢測(cè)處模擬失電，變頻器主電源實(shí)際沒(méi)有發(fā)生跌落，對(duì)變頻器功率單元未能實(shí)現(xiàn)考驗(yàn);方案2：該方案僅適用于小容量的變頻器。吸風(fēng)機(jī)變頻器的容量為8000kVA，無(wú)合適容量的電網(wǎng)電壓模擬跌落器進(jìn)行試驗(yàn);方案3：兩臺(tái)吸風(fēng)機(jī)、兩臺(tái)同容量的變頻器，可實(shí)現(xiàn)測(cè)試的要求;方案4：測(cè)試的風(fēng)險(xiǎn)較大。

五、結(jié)語(yǔ)

百萬(wàn)機(jī)組火力發(fā)電廠中的吸風(fēng)機(jī)在采用變頻控制以后，節(jié)能效果為發(fā)電企業(yè)帶來(lái)了豐厚的效益，但是高壓變頻器（尤其是全進(jìn)口變頻器）在低電壓穿越能力上的短板日益顯現(xiàn)，做好吸風(fēng)機(jī)等一類(lèi)輔機(jī)變頻器的低電壓穿越性能治理工作就顯得尤為重要。本文重點(diǎn)通過(guò)對(duì)吸風(fēng)機(jī)變頻器低電壓穿越性能治理的硬件手段、大容量變頻器低電壓穿越性能測(cè)試的方案進(jìn)行分析，確認(rèn)了性能治理的總體思路和具體方案，大大提高了高壓變頻器的運(yùn)行可靠性，繼而保障了發(fā)電機(jī)組在電網(wǎng)發(fā)生低電壓穿越工況時(shí)的運(yùn)行穩(wěn)定性及安全性。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：呂兆?。?972—?），男，漢族，上海人，專(zhuān)科，工程師/技師，主要從事電力系統(tǒng)電氣、繼電保護(hù)專(zhuān)業(yè)的技術(shù)管理及實(shí)踐工作;金文建（1970—?），男，漢族，上海人，專(zhuān)科，助理工程師/技師，主要從事電力系統(tǒng)發(fā)變配電電氣設(shè)備檢修及隱患缺陷排查工作;張劍鋒（1972—?），男，漢族，上海人，專(zhuān)科，高級(jí)技師，主要從事電力系統(tǒng)變電檢修工作。