變頻器防低電壓穿越分析

周道軍

(神華國華太倉發電有限公司，江蘇太倉215433)

隨著電力技術的發展及節能降耗的需要，變頻器在發電廠獲得越來越多的應用。變頻器還因具有調速精確、響應速度快、能改善電動機啟動特性等特點廣泛應用于電廠輔機調速控制系統中。當電網發生故障時，將引起電網電壓短時跌落，鄰近的發電廠廠用電系統電壓也相應降低，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變頻器低電壓保護，導致變頻器輸出閉鎖、輔機停機，一旦一類輔機（指短時（＜5 s）失電將會造成設備損壞、機組停運或減出力，影響電網安全運行的輔機）全部停運將會引起發電機組跳閘。此時，對于已經發生故障尚在恢復中的電力系統，發電機組跳閘將再次對系統產生沖擊，嚴重威脅電網穩定運行。在電網發生事故時，電壓跌落持續時間較短，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、直流環節、逆變模塊組成，如圖1所示。變頻器三相輸入電源經整流輸出直流，并儲存于電容中，再經過逆變變換成交流電源，實現頻率變換。當變頻器輸入動力電源因某種原因發生低電壓時，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，將觸發變頻器保護，導致變頻器退出運行。

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 來自電源側低電壓

以低壓變頻器為例，正常情況下電源電壓約400 V，經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），當電源線電壓在-15%～+10%范圍內波動時，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，并且持續時間達一個周期以上，才會引起變頻器低電壓保護動作跳閘。電源側低電壓主要是由于電網故障電壓的波動、雷擊使電源幅值受影響、變壓器超載或負荷不平衡、發電廠廠用電系統事故切換等。

1.2 負載側低電壓

負載側低電壓主要是由于廠用電系統大容量設備突上電、線路過載或啟動大容量電動機設備等情況。

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，如引風機、送風機、一次風機、給水泵、凝結水泵等；低壓（380 V）輔機變頻器，如給煤機、給粉機、空氣預熱器、空冷島冷卻風機等。

2.2 低電壓穿越情況分析

（1）廠用電系統正常運行中的低電壓包括廠用電系統過載、變壓器過載和負荷不對稱、大容量電動機啟動等情況，尤其是廠用電系統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短時較大降幅。通過對某發電廠二十多臺不同容量和類型的電動機啟動錄波試驗，錄波數據顯示高/低壓電動機啟動時間一般在20 s以內。電壓的下降程度與運行工況、設備容量有關。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一般能躲過上述低電壓穿越情況。

（2）發電機正常運行時廠用電母線失壓或工作進線電源開關偷跳（指誤操作、開關機構故障等原因造成的開關誤跳閘），在工/備電源串聯切換（先跳開工作電源開關，確認工作電源開關已跳開且切換條件滿足時，合上備用電源開關）過程中會出現短時母線低電壓。若要降低這類低電壓穿越引起機組誤跳閘風險，一類輔機變頻器設計時一方面需要合理優化接線方式，讓變頻器分布在不同廠用電源段，避免廠用電設備事故時全部變頻器失電導致停機；同時提高變頻器自身躲廠用電系統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）電網電壓振蕩、重負荷電力線路切換、雷擊、電力線路短路或接地等，鄰近發電廠會發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，依靠主保護動作切除故障點，低電壓穿越時間一般小于100ms。倘若發生永久性故障，若主保護未動作依靠后備保護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，但穿越時間也應小于2.0 s。這種暫態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母線側發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），勵磁系統低勵限制動作、系統頻率上升，發電機有功功率驟升46MW后回落正常等異常情況。2011年1月2日，東北電網某電廠出線A相電流互感器故障，引起廠內4號機6 kV廠用電系統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中被普遍使用，由低電壓穿越引發事故已發生多起，生產廠家、使用單位和設計單位都做了很多改進工作。目前部分高/低壓變頻器具有瞬時停電保護功能，即當判斷主電源失電后，變頻器控制電機處于發電狀態運行，為單元電容充電，并為單元控制電源供電，直至主電源恢復，變頻器回到原運行狀態，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，輸出電流會相應增加，這樣在發生低電壓穿越時，變頻器內部將產生較大電流，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品的材料提出嚴格要求。

（2）對于高壓變頻器 （額定輸入電壓為交流1～10 kV），規程規定：在電廠主電源斷電后，廠用電網切換時，變頻器應保證9 s內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內電壓恢復后自啟動功能，但是風機類高壓輔機變頻器即使短時停運也會嚴重威脅發電廠安全運行。

（3）低壓輔機變頻器抗低電壓穿越能力相對較差，已經發生的變頻器低電壓跳機事件多為發電廠給煤機、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值時變頻器停運，導致機組給粉機停機，同時會給鍋爐安全監控系統（FSSS）發出給粉機停止信號，這樣會導致鍋爐全爐膛滅火保護（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，規程規定：為保證切換過程的無擾動，控制部分應由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、溫升保護等，當電壓超過變頻器低電壓保護跳閘下限值時必須跳閘。發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生。

3.1 提高變頻器自身能力

對于新建、改擴建變頻器項目，在設備選型時，參照《大型汽輪發電機組一類輔機變頻器高、低電壓穿越技術規范》[2]要求，變頻器低壓穿越性能應與主機低壓性能相配合，宜與電廠一類輔機的低電壓保護定值相配合。當外部故障或擾動引起的變頻器進線電壓跌落幅值和持續時間在低電壓穿越區內時 （如表3所示），變頻器應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

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

3.2 短時斷電后轉速跟蹤再啟動

對于已經投入運行的變頻器，以給煤機為例，若發生全廠給煤機瞬時停運，磨煤機內儲存的煤粉和煤粉倉內的煤粉短時間內可以繼續為鍋爐提供燃料，保證鍋爐燃燒不受影響。只要在發生低電壓穿越的短時間內不觸發MFT邏輯，通過優化分散控制系統（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，待廠用電電源恢復后，再將給煤機自動啟動，從而實現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控制策略優化可以采用將給煤機“停運”和“運行”信號按躲過電網及廠用電故障增加延時，一般取2～3 s；同時優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熱工自動回路不進行切換，保證整個鍋爐控制系統不產生大的擾動；從DCS送給煤機的啟動指令應在廠用電電壓波動或瞬間失去恢復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保證在廠用電電壓波動或瞬間失去恢復后，能夠在DCS遠方控制。本方案無需額外增加資金投入，優化后沒有增加日常維護工作，且易于現場實施。

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）在旋轉中檢出電機實際轉速后，自動地將變頻器輸出頻率調節在對應值再啟動，即在低電壓穿越區內，變頻器可短時中斷輸出保護自身設備，在電源恢復之后，當電動機仍在運轉時，實現跟蹤電動機轉速再啟動。這種方法應有速度傳感器，應將變頻器的控制電源接到UPS電源。設計參數包括要承受的最長擾動持續時間、從電源恢復到電動機返回原有轉速的時間。變頻器采用這種方法后，當電廠發生低電壓穿越時，不會影響機組有功的大幅波動，可以連續運行。

3.3 加裝抗低電壓穿越裝置

改進變頻器交流側輸入電源，即在變頻器交流電源輸入側加裝抗低電壓穿越的擾動電源設備，當系統電壓正常時，變頻器正常工作，低電壓穿越裝置處于熱備用狀態，不參與變頻器運行。

在系統電壓發生跌落時，低電壓穿越裝置實時監測電壓跌落趨勢，當下降至整定值時，裝置瞬時投入運行，通過升壓泵（BOOST）將直流側電壓提升到500 V以上，保證變頻器輸出功率、電機轉矩、電機轉速均不變的電壓水平，變頻器的直流母線繼續維持對變頻器供電。切換過程由靜態開關（IGBT）完成，切換動作時間小于1μs，可以實現無縫切換，對變頻器的穩定運行不會造成沖擊。在系統電壓跌落結束恢復正常后，低電壓穿越裝置停止運行，升壓回路退出工作狀態，恢復到備用狀態，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備對一次電源部分進行技術改造，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節加裝蓄電池組，其輸出接入變頻器直流母線上，當廠用電系統電壓正常時，變頻器正常工作，外加蓄電池組處于浮充電狀態，不參與變頻器運行。當外部擾動引起廠用電系統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供給變頻器運行；當廠用電系統電壓跌落結束主路交流電源再度恢復正常供電后，變頻器自動切換至主路電源供電。

直流環節一般由蓄電池組、充電器、靜態開關、控制器等部分組成，這種方式可以實現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備進行技術改造，日常維護工作量明顯增加。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 結束語

針對低電壓穿越對發電廠輔機變頻器設備可能產生的危害，總結了幾種典型的現場應用技術方案，綜合比較，對于新建和改擴建的一類輔機變頻器，推薦采用方案1，即參照 《大型汽輪發電機組一類輔機變頻器高、低電壓穿越技術規范》要求，提高變頻器自身躲過低電壓穿越能力。對于已經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；另一方面優化DCS控制策略，并結合不同系統的設備允許電動機停運時間增加延時來躲過低電壓穿越情況，當電源供電恢復時，及時實現變頻器自啟動。

[1]DL/T 994—2006，火力發電廠風機水泵用高壓變頻器[S].

[2]國家電網公司.大型汽輪發電機組一類輔機變頻器高、低電壓穿越技術規范[S].2013：3-4.