火電廠給煤機變頻器電壓暫降抗擾力

邵文權，王龍，王建波，吳波，楊亞鵬

(1.西安工程大學電氣工程系，西安市 710048；2.國網陜西省電力公司電力科學研究院，西安市 710054；3.中國鐵建電氣化局第二工程有限公司，太原市 030023)

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火電廠給煤機變頻器電壓暫降抗擾力

邵文權1，王龍1，王建波2，吳波3，楊亞鵬1

(1.西安工程大學電氣工程系，西安市 710048；2.國網陜西省電力公司電力科學研究院，西安市 710054；3.中國鐵建電氣化局第二工程有限公司，太原市 030023)

隨著火電廠輔機系統變頻器的大規模使用，電網電壓暫降引起大量火電機組跳閘的問題凸顯。結合陜西電網典型火電機組給煤機變頻器低電壓穿越特性試驗現場試驗數據，系統地分析了電壓暫降主要因素對變頻器輸出特性的影響，提出采用動態電壓恢復器(dynamic voltage restorer，DVR)進行電壓暫降快速補償的方案。電網電壓暫降深度、電壓暫降持續時間、負載大小、電壓暫降類型等因素對火電機組給煤機變頻器工作特性影響較大，導致電壓敏感設備變頻器直流工作電壓降低超限甚至失壓，進而引發變頻器工作回路動作跳閘退出運行。利用PSCAD/EMTDC搭建典型的變頻器電壓暫降實驗及補償模型，結果表明采用動態電壓恢復器能夠很好的穩定變頻器直流工作電壓，有利于提高變頻器電壓暫降抗擾能力。

電壓暫降；變頻器；抗擾力；動態電壓恢復器(DVR)

0 引 言

近年來，電網電壓暫降導致內蒙古、東北等多地的火電機組輔機多次跳閘，嚴重影響了電力工業的正常生產，因此研究火電廠輔機敏感設備電壓暫降抗擾力有利于實施有效的電壓暫降治理措施。

變頻器是火電廠重要的輔機調速設備，其對電網電壓質量具有較強的敏感性。當發生電網故障引起電壓暫降時，為了保持輔機正常運行，變頻器需要輸出更大的電流，但是由于對抗過電流的能力不足，出于自我保護，變頻器會發生閉鎖輸出，引起鍋爐給煤機等設備停運，導致局部電網失穩，造成重大的經濟影響[1]。目前，多地發電企業已經開展給煤機變頻器電壓暫降抗擾力實驗研究。文獻[2-5]提出在給煤機變頻器上增加低電壓穿越裝置來提高變頻器的抗擾能力。通過對變頻器直流側增加不間斷電源(uninterruptible power supply，UPS)電池組，在變頻器前段增加抗擾設備，或者增加保安電源來有效地解決變頻器的低壓穿越。文獻[6]則針對現有的變頻器供電線路進行分析，設計了一種最大限度降低故障率的低電壓穿越改造線路連接方式。文獻[7]提出更換變頻器型號及給煤機專用微機板保證變頻系統的低電壓穿越能力。但是，加裝UPS、改造線路以及更換變頻系統的費用都較為昂貴，不具有較高的經濟性。動態電壓恢復器(dynamic voltage restorers，DVR)是一種串聯型的電壓暫降補償裝置，能夠在1 ms之內快速補嘗跌落電壓幅值及相位，具有良好的動態電壓補償能力。并且其成本較低，經濟性價比較高，具有良好的市場應用率。目前，對于480 V以下的電壓暫降補償，DVR的效率可達99%以上，響應時間小于2 ms[8]。

本文結合陜西電網典型火電廠輔機變頻器電壓敏感用戶在電壓暫降情況下的工作特性試驗數據，分析電壓暫降的跌落深度、持續時間等主要因素對變頻器的工作特性的影響，提出使用DVR作為火電廠變頻器敏感設備的電壓暫降補償方案，為提升陜西電網重要電廠的電壓敏感用戶預防抵御電壓暫降能力提供參考。

1 火電廠給煤機變頻器電壓暫降抗擾試驗

為了檢驗陜西電網火電廠重要輔機變頻器的電壓暫降抗擾能力，國網陜西省電力公司電力科學研究院選擇陜西電網內典型電廠的給煤機變頻器進行了2次嚴重的電壓暫降擾動(變頻器三相供電電壓由380 V的額定值分別跌落至60%、20%額定電壓，持續運行時間分別為5、0.5 s)，并記錄了給煤機變頻器輸入和輸出電壓變化情況。各電廠采用的變頻器以ABB ACS510系列變頻器為主，部分電廠采用三菱變頻器，其中郭家灣電廠的變頻器設置了自啟動功能。試驗時，變頻器所帶負載不超過額定值的20%。略陽電廠與郭家灣電廠給煤機變頻器電壓暫降抗擾試驗記錄曲線如圖1所示。

從圖1可以看出：略陽電廠給煤機變頻器在2次干擾下均退出工作，需要現場手動重啟；郭家灣電廠給煤機變頻器雖然設置了自啟動功能，但變頻器恢復工作需要30 s以上，可能危及發電機組安全運行。因此，略陽電廠和郭家灣電廠的給煤機變頻器均未通過電壓暫降抗擾檢測，陜西其他火電廠情況類似，其結果如表1所示，其中UN為額定電壓。

2 變頻器電壓暫降抗擾影響主要因素分析

2.1 電壓暫降對變頻器的影響原因

從火電廠給煤機變頻器電壓暫降抗擾試驗結果可以看出變頻器對電壓暫降非常敏感[9-12]，影響給煤機變頻器電壓暫降抗擾力的因素包括：電壓暫降深度、電壓暫降持續時間、負載大小、變頻器低電壓閥值、電壓暫降類型等。但影響變頻器耐受力的直接原因是變頻器直流側電壓降到某一限值以下。而變頻器直流側電壓降低的本質原因是變頻器輸入與輸出功率不平衡。當發生電壓暫降時，輸入端的交流電壓突然降低，變頻器無法從輸入端獲取足夠的能量，而輸出端所帶的負載功率基本不變，兩者之間的不平衡功率需要由變頻器直流側電容來放電提供，造成了變頻器直流側電壓下降，因此直流側電容容量的選取對變頻器耐受力有一定的影響。同時，發生電壓暫降時，變頻器直流側電壓的降低引起驅動控制器的誤動作或跳閘。電壓暫降結束后的過電流使直流電容充電，會引起過電流跳閘，使保護電力電子器件的熔斷器熔斷，切斷直流工作回路。

圖1 略陽電廠、郭家灣電廠給煤機變頻器 電壓暫降抗擾試驗曲線Fig.1 Voltage sag immunity tests of coal feeder inverters in Lueyang and Guojiawan power plants表1 陜西省各火電廠給煤機變頻器電壓暫降抗擾情況Table 1 Various situations of voltage sag immunity tests of coal feeder inverters in different power plants in Shaanxi province

2.2 不同影響因素下的實驗分析

本次變頻器電壓暫降抗擾力試驗中，變頻器型號為ABB ACS800，額定輸入電壓為380 V，直流母線低電壓保護閥值設為307 V(相當于變頻器交流輸入電壓降為60%)，試驗通過調節電壓暫降深度、電壓暫降持續時間、以及負載大小檢測該變頻器的電壓暫降耐受力。

2.2.1 電壓暫降幅值、持續時間

變頻器半載情況下，電壓暫降幅值Usag、時間對變頻器的影響見表2所示。

表2 電壓暫降時間、幅值影響分析

Table 2 Influence of voltage sag and duration time

從表2可見，電壓暫降時間、暫降深度對變頻器輸出均有明顯的影響，但當電壓暫降值低于變頻器低壓保護閥值時，電壓暫降深度對變頻器抗擾力影響不明顯，變頻器的電壓暫降耐受時間穩定在24～27 ms。

2.2.2 變頻器負載

當電壓暫降值為20%額定電壓，變頻器低壓保護閥值不變時，負載大小對變頻器電壓暫降抗擾力的影響見表3所示。

表3 負載大小影響分析

Table 3 Influence of various load

從表3可見，負載大小對變頻器電壓暫降抗擾力具有明顯的影響。當變頻器空載時，其電壓暫降耐受時間不低于2 s；當變頻器半載時，其電壓暫降耐受時間穩定在24～27 ms；當變頻器滿載時，其電壓暫降耐受時間低于10 ms。

2.2.3 電壓暫降故障類型試驗

由于電壓暫降發生源的限制，無法分別進行單相暫降、兩相暫降試驗，所以通過PSCAD仿真驗證單相暫降和兩相暫降對變頻器直流側母線電壓的影響。仿真時電網額定電壓為380 V，電壓暫降值為20%額定電壓，變頻器負載為半載，電壓暫降開始時間為1 s，持續時間為0.5 s。

(1)單相接地故障。假定A相接地，電網電壓產生不對稱故障，進而引起變頻器直流側電壓發生波動，如圖2所示。變頻器直流母線電壓值由正常電壓值545 V跌落至530 V，暫降深度為3%，因此變頻器工作不受影響。

圖2 單相接地故障下變頻器直流電壓Fig.2 DC voltage of inverter under single phase grounding fault

(2)兩相故障。兩相故障分為不接地故障和接地故障。假設AB兩相不接地故障，變頻器直流側電壓如圖3所示。變頻器直流母線電壓值由545 V跌落至450 V，暫降深度為17%。由于變頻器設置的低電壓保護閥值一般取75%額定電壓且兩相短路故障持續時間非常短，因此變頻器可躲過兩相不接地故障時的電壓暫降影響。假設AB兩相接地故障，變頻器直流側電壓如圖4所示。變頻器直流側電壓值由545 V跌落到約為350 V，暫降深度為36%。大多數變頻器無法躲過兩相接地故障引起的電壓暫降。

圖3 兩相不接地故障下變頻器直流側電壓Fig.3 DC voltage of inverter under two phase fault

綜上分析，提高火電廠給煤機變頻器電壓暫降抗擾力的方法在于保證變頻器直流側工作電壓穩定。

圖4 兩相接地故障下變頻器直流側電壓Fig.4 DC voltage of inverter under two phase grounding fault

3 動態電壓恢復器

目前，提高變頻器電壓暫降抗干擾力的措施主要集中在直流側增加儲能保護電路，交流側增加電壓暫降補償裝置。直流增加儲能保護電路涉及對變頻器控制回路的改造，較為復雜，并且成本較高。在交流側裝設電壓暫降補償裝置，具有維護簡單，經濟實用性較高等特點。

3.1 DVR結構

DVR是一種具有較高經濟適用性的電壓暫降補償裝置，能夠在發生電壓擾動后幾 ms內將線路電壓恢復到正常值，從而避免對后級負荷的干擾[13]。電路結構主要由儲能單元、電壓型逆變器、控制單元、輸出濾波器和耦合單元組成[14-16]，結構示意如圖5所示。

圖5 DVR結構示意圖Fig.5 Structure of DVR

3.2 DVR在電網電壓暫降中的應用

3.2.1 DVR的補償原理

當電網電壓正常時，旁路開關閉合，動態電壓恢復器出于旁路狀態。當本線路外部原因引起公共連接點(PCC)處電壓UP發生跌落時，旁路開關斷開，DVR串入線路中，并且向線路中注入一個相位和幅值可控的電壓UD，使其等于跌落前后的UP之差，保整負載端電壓UL不變。DVR補償原理如圖6所示。

圖6 DVR的補償原理Fig.6 Compensation principle of DVR

3.2.2 DVR的電壓暫降幅值及相位檢測

在DVR實施暫降補償的過程中，需要實時地檢測電壓的幅值和相位變化。目前基于瞬時無功功率理論的dq檢測法及其改進方法得到了廣泛應用，該方法具有較高的實時性和測量精度[17-19]，能夠提高DVR的動態響應時間。電壓暫降檢測原理如圖7所示。

將abc坐標系下的三相電壓轉換到dq坐標系下，其關系式[20]為

(1)

其中：

(2)

(3)

(4)

當電網發生電壓暫降時，根據式(3)、(4)計算可得電壓暫降幅值和跳變角度。通過計算得出暫降幅值，即可知電壓跌落深度。對已有的DVR容量大小及補償能力進行分析，給出相應的控制補償策略控制DVR逆變器輸出補償電壓。

3.2.3DVR逆變器控制策略

線性控制具有完善的理論、穩定性好、控制精度高和工程應用成熟等特點在DVR的控制中被廣泛采用。采用比例、積分、微分等典型的控制模塊和校正網絡就可以達到工程預期目標。

圖8 電壓環反饋跟蹤控制Fig.8 Feedback tracking control of voltage loop

4 仿真驗證

為了驗證DVR的暫降補償效果，本文在PSCAD/EMTDC仿真軟件中搭建采用DVR提高變頻器電壓暫降抗干擾力的仿真平臺，如圖9。

圖9 三單相結構DVRFig.9 DVR based on three single-phases

仿真平臺參數如下：電網電壓380 V，電壓暫降類型采用暫降深度為74%額定電壓的三相電壓暫降為例，負載為滿載，DVR的LC濾波器參數中電感參數L為0.2 H，電容參數為1.2 μF。暫降開始時間為1 s，持續時間0.5 s。仿真波形如圖10所示。

圖10 DVR補償效果的仿真曲線Fig.10 Simulation curve of DVR compensation effect

由圖10可見，當電壓暫降到36%額定電壓時，DVR可以有效的補償電壓暫降，變頻器直流側電壓波動較小，始終保持在動態平衡狀態，使變頻器能夠躲過PCC點發生的嚴重的三相電壓暫降。綜上所述，使用DVR對變頻器進行補償能有效的提高變頻器對電壓暫降的抗干擾能力。

5 結 論

通過對電廠重要輔機變頻器進行電壓暫降抗擾力試驗分析，結果表明：電壓暫降深度、電壓暫降持續時間、負載大小、電壓暫降類型等對變頻器工作性能影響較大，單相接地、兩相不接地故障引起的電壓暫降對變頻器影響小，三相短路故障、兩相接地故障所引起的電壓暫降常導致變頻器低壓保護動作退出運行；采用動態電壓恢復器可以有效的補償電壓暫降，能夠實現嚴重電壓暫降情況下變頻器持續工作，進而提高電壓敏感設備的電壓暫降抵御能力。

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(編輯：蔣毅恒)

Voltage Sag Immunity of Coal Feeder Inverter in Power Plants

SHAO Wenquan1,WANG Long1,WANG Jianbo2,WU Bo3,YANG Yapeng1

(1.Department of Electrical Engineering, Xi’an Polytechnic University, Xi’an 710048, China;2.Shaanxi Electric Power Research Institute, Xi’an 710054, China;3.The 2STEngineering Co., Ltd.of China Railway Construction Electrrfication Bureau Group, Taiyuan 030023,China)

As the large-scale usage of auxiliary system inverter in power plants, large tripping problems of thermal power units caused by voltage sag are more and more obvious.Combining with the field test data of low voltage ride through(LVRT) for coal feeder inverter in thermal power units in Shaanxi Grid, this paper analyzed the effect of main factors of voltage sag on the output characteristics of inverters, and used dynamic voltage restorers (DVR) as a rapid compesation method to solve voltage sag.The sag dephth, duration time, load, sag types and other factors had great influence on the operating featuer of coal feeder inverters in thermal power units, which might lead to the DC working voltage of inverter reducing, even triggering inverter circuit tripping out of service.The voltage sag experiments and compensation stimulation model were established with using PSCAD/EMTDC.The results show that DVR have good ability to steady the DC working voltage and can promote inverter through the serious voltage sag.

voltage sag; inverter; immunity; dynamic voltage restorer(DVR)

西安工程大學博士啟動基金(BS1018)。

TM 621

A

1000-7229(2015)03-0088-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.03.015

2014-10-15

2014-12-15

邵文權(1978)，男，博士，副教授，研究方向為電力系統繼電保護及電能質量分析與控制；

王龍(1989)，男，碩士研究生，研究方向為電能質量分析與控制；

王建波(1979)，男，碩士，高級工程師，研究方向為電網電能質量檢測、評估、治理等方面；

吳波(1980)，男，學士，工程師，研究方向為電力系統自動化；

楊亞鵬(1991)，男，碩士研究生，研究方向為新能源并網技術。