火電機組一類輔機變頻器低電壓穿越改造技術研究

姚新陽 黃學良 顧 文 蔣 琛 唐一銘

（1.東南大學電氣工程學院，南京 210096；2.江蘇方天電力技術有限公司，南京 211102）

隨著電力電子技術的發展，變頻器技術也日趨完善，無論是從方便起動和控制輔機的角度，還是從節能環保的角度，設計單位和發電企業都提倡和傾向于使用變頻器。但是，由于電網電壓不穩定，導致變頻器在使用中產生了新的問題：變頻器低壓保護跳閘（即低電壓穿越）[1]。多數輔機變頻器低電壓穿越能力差，有些甚至不具備這種能力。對江蘇省火電廠正在使用的輔機變頻器調查顯示，當輸入電壓低于60%UN時，90%以上的給煤機變頻器會立即斷電，不立即斷電的也僅能繼續工作1s；各類風機變頻器在90%UN以下65%UN以上時會降額運行，電壓小于65%UN時會立即跳閘停機。

近年來，由于低電壓穿越能力的缺失，全國火電廠陸續發生了多起系統瞬時故障造成火電機組停機的事件，引起系統震蕩或解列、大范圍停電減負荷等，造成了一定的社會和經濟影響。江蘇省也出現了多次事故，最近一次為2014年5月15日，南京地區一變電所220kV 出線電纜故障，引起系統電壓波動，造成2 臺600MW 機組、一臺300MW 機組和幾臺地區小機組因給煤機變頻器低電壓保護動作閉鎖輸出，聯動鍋爐全爐膛滅火保護（MFT）動作，機組跳機。

因此，開展火電機組一類輔機變頻器低電壓穿越改造迫在眉睫。

1 低電壓穿越相關概念和技術指標

國家電網對變頻器低電壓穿越的定義是：變頻器及供電對象設備外部故障或擾動引起的暫態、動態或長時間電源進線電壓降低到規定的低電壓穿越區內時，能夠可靠供電，保障供電對象的安全運行。

目前，在國際上已建立起的電能質量標準如圖1所示。

圖1 電能質量標準圖

根據電能質量標準，我國對低電壓穿越區進行了相應的規定，在《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（征求意見稿）》中，提出了三個低電壓穿越區，并指出變頻器在這三個穿越區內應能穩定工作。見表1和圖2所示。

表1 大型汽輪發電機組一類輔機變頻器低電壓穿越區

圖2 大型汽輪發電機組一類輔機變頻器低電壓穿越區

2 高壓變頻器低電壓穿越方法

在火電廠中，高壓變頻器主要用于送、引風機、一次、二次風機、凝泵等。

2.1 高壓變頻器的結構

經調查，江蘇省火電機組輔機高壓變頻器多為級聯型，如羅賓康公司的完美無諧波變頻器、廣州智光電氣的ZINVERT 系列高壓變頻器等，同時也有個別電廠采用了西門子SIMOVERT MV 中壓變頻器（三電平電壓源型）。但級聯型高壓頻器適用于高電壓、大功率的應用場合，且擁有良好的輸出波形，因此，受到了廣泛關注，也得到了迅速的發展[2]。

圖3是級聯型高壓變頻器的原理圖。圖3是級聯型高壓變頻器的原理圖，主要包括移相變壓器、功率單元等。

圖3 級聯型高壓變頻器結構圖

每一個功率單元有三相整流和單相逆變電路組成，如圖4所示。功率單元輸出端相連，按星形連接成三相輸出，實現變壓變頻的高壓直接輸出。

圖4 功率單元結構圖

2.2 轉速跟蹤再起動

當輸入電壓降低時，為保持輸出功率不變，高壓變頻器要增加輸出電流，一旦輸出電流增大到超過額定電流值，便會觸發過流保護，嚴重地甚至會損毀變頻器功率單元。因此，當輸入電壓在90%UN以下65%UN以上時會降額運行，電壓小于65%UN時會立即跳閘停機。所以，高壓變頻器同樣要進行相應改造，提高低電壓穿越能力。

但是，高壓變頻器容量較大，同時沒有統一的直流母線，若額外增加電壓支撐或能量支撐，設備成本很大。因此，在變頻器本身低電壓穿越能力不變的情況下，改進軟件實現轉速跟蹤再起動功能，從而提高“變頻器-輔機”系統的低電壓穿越能力成為目前較為可行的一種方法。使用轉速跟蹤再起動功能，能夠使輔機在轉速沒有降到零（即完全停車）的情況下實現電機重起，提高了系統恢復正常的速度，同時控制起動電流在允許范圍內。

如果高壓變頻器轉速跟蹤再起動時輸出頻率較高（50Hz）而電動機轉子速度很慢，必過流跳閘，反之，輸出頻率較低，定子旋轉磁場速度低于電動機轉子速度，電動機轉子將向定子反送能量給變頻器電容充電[3]。目前常見的轉速跟蹤方法如下：

1）檢測定子反電勢的頻率。變頻器失電后，轉子電流產生的旋轉磁場將在定子中感應反電勢，檢測定子反電勢的頻率就可測到轉子轉速。

2）變頻器直流側最小電流法。給電動機定子一個頻率由50Hz 向0Hz 變化且幅值約為10%UN的搜索電壓，通過不斷檢測變頻器直流側的電流來搜索轉子轉速，直流側的電流最小時，定子的同步轉速就接近等于轉子轉速。

3）直接測量法。即在電動機軸上安裝轉速傳感器，直接測量轉子轉速，從而得出重起頻率。文獻[4]采用了軸編碼器結合PLC 實時跟蹤電動機轉速的方法，直接測出電動機旋轉速度。

4）V/F曲線電壓比較法。搜索過程中始終保持定子端的輸入電流為恒定的額定電流，將變頻器輸出電壓與V/F曲線上的電壓計算值做比較，如果二者相等即意味此時輸出頻率即為轉子頻率。

5）轉矩電流分量最小法。文獻[5-6]提出，給電動機定子一個頻率由50Hz 向0Hz 變化且幅值約為10%UN的搜索電壓，產生的定子電流經過矢量分解可得到轉矩電流分量。當定子磁場旋轉速度與電動機轉子旋轉速度相同時，電流轉矩分量理論上為零。

3 低壓變頻器低電壓穿越方法

3.1 低壓變頻器結構

低壓變頻器的結構較之于高壓變頻器簡單很多，主要由整流、濾波和逆變三部分組成。整流部分一般采用三相不可控整流，濾波部分可采用電容或平波電抗器濾波，逆變部分采用三相全橋逆變。結構如圖5所示。

圖5 低壓變頻器結構圖

3.2 低壓變頻器動力回路典型改造方案

江蘇省火電廠低壓輔機變頻器大多數采用每臺一路AC 380V 的配置方式，只有個別電廠配置有兩路AC 400V 的供電線路。實際現場工作中，在A 路接觸器斷開至B 路接觸器吸合這一過程中，變頻器有一段掉電時間，尤其是在帶載情況下，即便對變頻器進行一定的參數設置后，變頻器也會停機，需要重新起動變頻器[7]。

當變頻器輸入電源降低或失電時，變頻器檢測到直流母線電壓降低時，便會觸發低電壓保護。當電網出現波動或廠用電瞬間失電時，若變頻器的直流母線端能保持在運行范圍內（約540V），則變頻器的交流輸出電壓就可以保持不變[8]。

1）并聯蓄電池

該方案就是在變頻器直流母線處加裝蓄電池，其余部分不變動，在變頻器失電時，給直流母線提供電壓支撐。如圖6所示。該方案可以實現無擾動切換，對廠用400V 交流母線沒有電流沖擊，但工作時間受電池容量限制。南京國臣公司研發并已應用的SGS 系列產品便使用了該方案[6]。

圖6 并聯蓄電池

2）并聯升壓電路

在電網電壓發生降落（降落到20%～90%UN）時，利用系統殘壓進行整流升壓，并聯在變頻器直流母線上作為電壓支撐。如圖7所示。文獻[9]便使用的該方案，采用多重化BOOST 電路作為直流升壓環節。文獻[10-11]將該方案應用于邯鄲市某火 電廠。

圖7 并聯升壓電路

該方案可實現無擾動切換，可確保電壓跌落至20%UN時間大于10s 及20ms 短時中斷時變頻器正常運行，但對廠用400V 母線有電流沖擊，因此這種改造方案只適合于較小功率輔機變頻器的改造，不宜在大型輔機變頻器改造方案中廣泛采用[12]。

3）并聯升壓電路加少量蓄電池

該方案是將前兩個方案相結合，一方面可以增加蓄電池的工作時間，另一方面可以擴大升壓電路對直流母線電壓進行支撐的范圍。如圖8所示。本系統需停機維護時，可完全自交流輸入及負載隔離，此時即能執行維護工作，完全不會影響負載的運 作[13]。

圖8 并聯升壓電路加少量蓄電池

4）并聯升壓電路加廠內保安電源

該方案將保安電源作為升壓電路的輸入，與變頻器的電源無關，也不需要使用額外的蓄電池組。如圖9所示。該方案與保安電源共用電池組，所以便于集中式管理，減少占地空間，降低電池使用量，減少電池維護工作量。文獻[14]所述的大慶石化熱電廠低電壓穿越改造就采取該方案。

圖9 并聯升壓電路加廠內保安電源

5）串聯UPS

該方案將電源進線接入UPS，由UPS 給變頻器供電。如圖10所示。該方案能夠保證變頻器在任何情況下都能穩定供電，供電電源經過UPS 后，輸出端的電能質量甚至能有所提高。但由于UPS 是串入線路中，所以增加了線路的故障點。

圖10 串聯UPS

6）串聯升壓電路

前述所提方案均是保持變頻器原有內部接線不變，只是將變頻器內部的直流母線引出，并聯直流電壓支撐。

該方案需要改造變頻器內部接線方式，在變頻器中的整流單元與逆變單元中間串接升壓電路單元，控制逆變單元輸入電壓大小。如圖11所示。文獻[15-16]均是采用的該方案。該方案改造方法較為復雜，涉及到變頻器內部，需要和變頻器生產廠商進行溝通和合作。

圖11 串聯升壓電路

3.3 低壓變頻器控制回路典型改造方案

低壓變頻器控制單元供電多取自變頻器的交流進線端，一旦電網電壓波動，控制單元工作電壓隨即丟失，變頻器勢必引發故障報警。

由于控制電源所需電源容量較小，目前主要是使用廠內自備UPS 或者另外使用專用UPS 對變頻器控制回路進行保護，同時需要將變頻器原有控制電源用380/100V 變壓器進行更換以適用于220V 電壓，即可保證控制回路不斷電。如文獻[17]便采用降壓變壓器DYB 與小型不間斷電源UPS，UPS 輸出 220V 交流電給變頻器控制柜供電，改造效果 良好。

3.4 成功改造案例

1）并聯蓄電池方案

南通某發電廠2015年1—2月完成4 臺600MW機組部分給煤機變頻器的低電壓穿越改造工作并投入運行，具體為每臺機組的D、E、F 給煤機變頻器，共計12 臺變頻器。動力回路采用3.2 節中并聯蓄電池方案，控制回路使用3.3 節所示方案。

經試驗，廠用母線電壓跌至0%UN、20%UN、60%UN、90%UN，維持60s，期間低電壓穿越系統注入480V 直流，給煤機變頻調速系統正常工作。在2015年2月23日晚上七點一刻左右該廠2 號機組大負載起動，瞬間將交流母線電壓拉低至338V，低電壓穿越系統做了有效支撐。

2）串聯UPS 方案

鎮江某電廠2 臺1000MW 機組，于2014年10月利用#1 機組檢查性大修的機會，對給煤機電源進行低電壓穿越改造。動力回路采用3.2 節中串聯UPS方案，每臺給煤機對應配置一套UPS，一臺機組共增設6 套UPS。

改造完成后，逐臺拉開各UPS 交流輸入電源，UPS 通過直流母線電源逆變輸出，測量UPS 輸出電壓，3～5min 后恢復UPS 交流輸入電源。拉開、合上交流電源瞬間以及失去交流電源期間，變頻器與給煤機運行無任何影響。

4 結論

本文對火電機組一類輔機高低壓變頻器的工作原理、低電壓穿越問題的研究現狀及改造方案進行了闡述與總結。對變頻器進行低電壓穿越能力改造，應根據變頻器及負載特性，對變頻器進行合理參數設置和改造，保證機組不會由于輔機輸出轉矩的波動導致機組出力大范圍波動甚至停機。對于高壓變頻器，盡量采用具有短時跟蹤再起動功能的變頻器。對于低壓變頻器，要根據負載大小、電動機容量及補償時間，綜合考慮成本和效益，選擇最優改造 方案。

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