給煤機變頻器低電壓穿越裝置的優化配置方案

劉 輝

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給煤機變頻器低電壓穿越裝置的優化配置方案

劉 輝

（大唐華中電力試驗研究院，鄭州 450000）

隨著變頻技術在火電廠輔機中的廣泛應用，為保證機組在廠用電壓跌落的情況下正常運行，輔機變頻器的低電壓穿越裝置必不可少。本文分析了低電壓穿越裝置的基本原理，并提出了一種針對給煤機變頻器的低電壓穿越裝置優化配置方案。該配置方案能夠保證在廠用母線電壓跌落時機組安全穩定運行，且在經濟性方面要顯著優于目前的方案。

變頻器；輔機；給煤機；低電壓穿越裝置；優化配置

近年來，變頻技術逐漸在火電廠輔機運行中廣泛應用，變頻改造可以降低廠用電率，實現節能降耗，但與此同時，變頻器對電壓波動極為敏感，當輸入電壓低于變頻器低壓保護定值時，保護電路動作，切斷變頻器的輸出，保護變頻器不受過流損害。

火電廠一些重要輔機若因電壓跌落而導致變頻器低電壓保護動作時，短時中斷運行就會造成設備損壞、機組停機或輸出功率大量下降。國內電廠曾經多次出現廠用電電壓跌落導致給煤機變頻器停運，觸發爐膛滅火保護（MFT），最終機組跳機的案例。因此，為確保機組的安全穩定運行，有必要讓火電廠輔機變頻器在電壓跌落情況下，維持一定時間的正常運行。

目前，在進行低電壓穿越改造的方案中，尚沒有從經濟性和安全性方面進行的研究。本文主要探討在對電廠輔機變頻器進行低電壓穿越改造的過程中，如何根據電廠輔機的實際情況，既保證電壓跌落時機組安全運行，又保證低電壓穿越裝置配備方案的經濟性。

1 輔機變頻器低電壓穿越技術

輔機變頻器的低電壓穿越（LVRT）改造，就是使火電廠輔機在電壓跌落的情況下，具備短時間內正常運行的能力，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》中，對給煤機等一類輔機變頻器的低電壓穿越能力要求見表1。

表1 低電壓穿越能力要求

電廠內發生低電壓問題的主要原因可以分為以下幾類：①起動大型廠用電設備時廠用電低電壓。例如：起動引風機、一次風機、脫硫增壓風機、給水泵等，廠用電源電壓會被拉的較低，且持續一段時間，時間一般在10～15s，由于有變壓器隔離，這種行為通常只是限于某段母線，是電廠經常發生的一種現象，一般電廠早就已經解決；②廠用設備故障導致低電壓。風機、水泵和變壓器等廠用電設備由于雷擊、老化、接地等原因出現短路故障，從故障發生到故障切除這一過程中，廠用電母線電壓會出現短時降低的現象，當短路故障點距離廠用母線較近時，廠用母線電壓跌落較為明顯；③電網故障導致低電壓。主保護未動靠后備保護切除故障或重合閘合于永久性故障保護再次跳閘，這時往往會在電廠發生低電壓故障。這種暫態低電壓有的時候電壓會很低，甚至達到額定電壓的60%以下，對輔機變頻器影響很大。

通常，廠用電母線上小幅度的電壓跌落最為頻繁，但是影響較小，小幅度的電壓波動并不足以使得變頻器低電壓保護動作，不少變頻器也具備短時間的過載能力，能夠在電壓小幅跌落時保持正常運行；大幅度的電壓跌落發生的概率較小，但是故障對廠用電系統的影響較大，會引起輔機變頻器大量跳閘，造成輔機出力大幅波動，影響機組安全穩定運行。

從具體實施方式上，輔機變頻器的低電壓穿越（LVRT）方法主要包括以下兩類。

1）變頻器的失電再起動功能

由于大多數電壓跌落故障的持續時間在10s以內，輔機變頻器在低電壓時間段內停止輸出，待電壓恢復時，變頻器根據電機轉速再起動。風機類的輔機轉動慣量大，在變頻器停止輸出后，不會立馬停止，轉速適當降低也不會對機組產生巨大的影響，因此，此措施一般適用于高壓輔機變頻器（如引風機、送風機等）。

2）增加低電壓穿越輔助裝置

火電廠輔機在電壓跌落情況下停機是由于變頻器低壓保護動作導致的，若給予變頻器一個電壓支撐，保持電壓不變，則能為輔機變頻器提供低電壓穿越功能，比較典型的方案為有源式低電壓穿越裝置和無源式低電壓穿越裝置。

有源式低電壓穿越裝置，即在變頻器交流進線側加裝UPS電源或其他儲能裝置，在變頻器直流側并聯蓄電池組或超級電容器等儲能裝置；無源式低電壓穿越裝置，從電網殘壓取電，當電壓跌落時利用boost電路升壓，對變頻器的直流母線提供電壓支撐。

2 低電壓穿越裝置的配置方案

火電廠的給煤機、給粉機等低壓變頻器一般采用增加圖1所示的低電壓穿越輔助裝置，從電網殘壓取電，當電壓跌落時利用boost電路升壓，對變頻器的直流母線提供電壓支撐。

圖1 典型無源式低電壓穿越裝置拓撲原理圖

2.1 低電壓穿越裝置的常規布置

根據低電壓穿越裝置和變頻器的配置比例，有一拖一和一拖多兩種配置方案。一拖一配置，即每臺給煤機變頻器就地配置一個低電壓穿越裝置，在電壓跌落時為變頻器提供一定程度的電壓支撐；一拖多配置，即多臺給煤機變頻器通過電纜線路與一臺低電壓穿越裝置相連接，在電壓跌落時獲得一定程度的電壓支撐。

無源式低電壓穿越裝置，核心部件為boost電路，電壓跌落后的幅值越低，boost電路升壓所需要支撐的功率越大。例如，額定功率5kW的低電壓穿越裝置，在電壓跌落幅度為0.2p.u.時，匹配功率為5kW，即可以支撐功率為5kW的變頻器正常運行；在電壓跌落幅度為0.4p.u.時，匹配功率為10kW，即在電壓為0.4p.u.時可以支撐功率為10kW的變頻器正常運行；在電壓跌落幅度為0.6p.u.時，匹配功率為15kW，可以在電壓為0.6p.u.以上時支撐功率為15kW的變頻器正常運行。

目前的主流配置方案不考慮經濟性，每臺變頻器均配置低電壓穿越裝置，且所配備裝置的功率遠大于電壓跌落時所需要的支撐功率。以某電廠為例，3#、4#機組共給煤機變頻器12臺，每臺鍋爐裝配6臺給煤機，3臺雙進雙出磨煤機，分別對應鍋爐的上中下3層，每臺給煤機的功率為4kW。其中，每臺給煤機均配備低電壓穿越裝置，且每臺低電壓穿越裝置能夠在電壓跌落幅度為0.2p.u.時提供20kW的支撐功率，每臺低電壓穿越裝置費用為10萬，設備購置費用共120萬，從經濟性的角度，此方案存在一定的改進之處。

2.2 低電壓穿越裝置的優化配置

從經濟性和安全性兩個方面，可以對現有的低電壓穿越裝置配備方案進行改進。一方面，從電廠電壓跌落的實際情況來看，廠用母線電壓跌落至0.2p.u.的概率較小；另一方面，雙進雙出磨煤機內部有一定的儲煤量，能夠在中斷運行的狀態下支撐鍋爐正常運行20～30min左右，在下層磨煤機和對應的給煤機正常運行的情況下，其他幾組給煤機短時間中斷并不會引起爐膛滅火保護動作。

根據對應磨煤機的上中下層位置確定給煤機優先級，下層磨煤機A對應1#、2#給煤機，中層磨煤機B對應3#、4#給煤機，上層磨煤機C對應5#、6#給煤機。1#、2#給煤機停止運行對爐膛燃燒和機組出力造成的影響要大于5#、6#給煤機停止運行的影響，所以，1#、2#給煤機優先級最高，3#、4#給煤機其次，5#、6#給煤機優先級最低。

根據優先級劃分階梯等級保護。優先級最高的1#、2#給煤機，應當在電壓跌落幅度為0.2p.u.時能夠短時正常運行，以保證下層磨煤機能夠正常向鍋爐里輸送煤粉，機組正常運行；3#、4#給煤機在電壓跌落幅度為0.4p.u.時能夠短時正常運行，低于0.4p.u.時短時間退出；優先級最低的5#、6#給煤機在跌落幅度為0.6p.u.時正常運行，低于0.6p.u.時短時間退出。

選用南京國臣額定功率為5kW的一拖一、一拖二、一拖四低電壓穿越裝置，為某電廠3#、4#機組12臺給煤機進行低電壓穿越改造。1#、2#給煤機選用額定功率5kW的一拖一低電壓穿越裝置，可以在最低電壓跌落幅度為0.2p.u.時提供功率為5kW；3#、4#給煤機選用額定功率5kW的一拖二低電壓穿越裝置，可以容許最低電壓跌落幅度為0.4p.u.，提供的功率為10kW；5#、6#給煤機與4號爐的兩臺給煤機共用額定功率5kW的一拖四低電壓穿越裝置，保護跌落幅度為0.65p.u.，對應功率為16kW，并將5#、6#給煤機變頻器設置短時失電自起動，重起時間為10s。

3 方案的經濟性和安全性分析

在經濟性方面，所提的優化配置方案，3#、4#機組共需購置4臺5kW的一拖一低電壓穿越裝置，2臺5kW的一拖二低電壓穿越裝置，一臺5kW的一拖四低電壓穿越裝置。每臺功率為5kW的低電壓穿越裝置花費5萬元，則進行低電壓改造設備購置費用共35萬，在經濟性方面優于現有的配置方案。

在安全性方面，按照提出的優化配置方案，在廠用電母線電壓小幅度跌落至0.65p.u.附近的情況下，所有的給煤機均能在低電壓穿越裝置的支撐下正常運行，不受電壓波動的干擾；在廠用電母線電壓跌落到0.4p.u.與0.65p.u.之間時，1#、2#、3#、4#給煤機正常運行，5#、6#給煤機有一臺可以正常工作，另一臺給煤機在短時退出運行后重新起動，不影響機組正常運行；在小概率情況下，廠用電母線電壓跌落到0.2p.u.與0.4p.u.之間，此時1#、2#給煤機正常運行，3#、4#給煤機可以確保一臺正常工作，雙進雙出磨煤機內部有一定的儲煤量，能夠在中斷運行的狀態下支撐鍋爐正常運行20～30min左右，在下層磨煤機和對應的給煤機正常運行的情況下，其他幾組給煤機短時間中斷并不會引起爐膛滅火保護動作。

4 結論

本文通過研究火電廠輔機變頻器低電壓穿越的原理，將火電廠給煤機根據位置定義優先級，提出了一種給煤機變頻器低電壓穿越裝置的優化配置方案。該方案在保障廠用母線電壓跌落時機組安全穩定運行的前提下，可以顯著節約設備的采購費用和維護費用，提高電廠的經濟效益。

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The optimizing configuration of low voltage through device in coal feeder converter

Liu Hui

(Datang Central-China Electric Power Test Research Institute, Zhengzhou 450000)

With the application of converter in auxiliary engine in power plant, low voltage through device is necessary to guarantees the power quality. The paper analyze the fundamental of low voltage through device, and put forward a program to solve the problem aim at coal feeder converter. The optimizing configuration program is more economical than present scheme on the premise that unit is operating stablely.

converter; auxiliary; coal feeder; LVRT Device; optimizing

2018-02-28

劉 輝（1990-），男，碩士研究生，工程師，主要從事繼電保護的研究工作。