火電廠輔機變頻器低電壓穿越技術在電網應用研究

張志軒，由新紅，馬 歡，趙 康，周 寧，李常剛

（1.國網山東省電力公司電力科學研究院，山東 濟南 250003；2.山東大學電氣工程學院，山東 濟南 250061）

0 引言

隨著發電市場競爭加劇，火電廠為了降低發電成本，對廠內低壓電機設備進行改造，新增具備電力電子特性的變頻器，通過交流變直流、直流變交流方式實現節約廠用電和提高設備適應不同運行工況的目標［1-2］。但是，變頻器帶來效益提升的同時，也造成了潛在的安全隱患，當使用抽水泵等大型設備、升壓站附近發生短路故障及電網電壓跌落等故障時，電廠電壓、頻率擾動，如果電廠電壓跌落至變頻器的低電壓保護動作電壓值，變頻器低壓保護動作，變頻器瞬間失電停機［3－4］。給煤機和空預器等火電廠一類輔機的變頻器保護動作停機，會導致火電機組非正常停機，電廠出力降低，造成事故范圍擴大［5-6］。因此，為防止交直流混聯電網頻率、電壓異常等情況引發連鎖性故障，確保電網安全穩定運行，發電企業一類輔機變頻器的技術條件應按DL／T 1648—2016《發電廠及變電站輔機變頻器高低電壓穿越技術規范》執行，以杜絕因變頻器故障而引發電網嚴重事故。

開展Ⅰ類輔機低電壓穿越改造，以保證電廠一類輔機在20%、60%和90%額定電壓下具備低電壓穿越能力。在低電壓穿越試驗中發現變頻器及低電壓穿越裝置工作回路的開關存在保護跳閘問題。由于各電廠電氣設計不同，變頻器柜體內外的接線方式存在一定差異，跳閘情況分為兩類：電廠內部交流母線至低電壓穿越柜體安裝位置電纜過長導致的試驗裝置保護跳閘；20%壓降試驗中，沖擊電流導致試驗裝置保護跳閘。該問題是電廠輔機變頻器改造中亟須解決的問題。文獻［7］分析了火力發電機組給煤機空預器等變頻器的低電壓穿越能力，通過案例分析發現了變頻器低電壓穿越能力不足，針對電流電壓異常提出了低穿裝置電壓電流復合控制的方案，但并未進行試驗驗證。文獻［8］針對低電壓穿越試驗電壓跌落設備—電壓暫降儀工作過程中電壓暫降時間和沖擊電流等問題，提出了基于電力電子的新型電壓暫降儀，解決了舊式電壓暫降儀響應速度和電壓諧波等問題。文獻［9］針對接地故障時電壓過低導致的變頻器低壓保護動作，設計了一種基于電力電子器件的無源變頻器低電壓穿越電源 （Inverter Low Voltage Through Power，ILP），ILP 由三重并聯交錯Boost 電路的DC-DC 電路、旁路電源電路和控制回路電源構成。并未就ILP 的沖擊電流特性進行進一步的說明。

針對以上問題，基于MATLAB 平臺搭建了低電壓穿越裝置電磁模型，通過模型參數調整實現了直流電壓平穩輸出，并計算出緩沖電路數值。并應用于現場試驗，取得良好效果。

1 低電壓穿越技術

1.1 拓撲結構

低電壓穿越電源裝置拓撲如圖1 所示。未改造的變頻器有單一的交流電源，即圖1 中線路1 交流供電回路，變頻器經線路1 連接至廠用電母線；改造后的變頻器，有兩路電源，除線路1 交流供電回路外，新增線路2 直流供電回路。直流供電回路由三相橋式整流電路和Boost 電路構成。

圖1 低電壓穿越電源裝置拓撲

1.2 工作原理

直流供電回路工作過程： 三相交流電能經斷路器送入二極管整流橋構成的整流回路，再變換為直流電能并儲存于電容。電感L 與絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）構成Boost型式的升壓斬波電路，可將電容上的直流電能變換為電壓等級更高的直流電能儲存于電容，并經二極管防反回路和熔斷器后，送入變頻器的直流輸入端子。

裝置的運行模式下有兩種工作狀態：Boost 工作狀態、非Boost 工作狀態。Boost 工作狀態是指裝置在電網電源發生跌落時，Boost 升壓電路可以提供變頻器穩定的直流電壓，維持變頻器正常工作；非Boost工作狀態是指在電網電源正常時，Boost 升壓電路不參與裝置的運行，電能通過交流旁路向變頻器送電。

當電網電壓正常時裝置待機，電能通過原有交流線路向變頻器送電，Boost 升壓電路處于旁路狀態，不參與裝置運行。當電網電壓發生跌落時，檢測裝置檢測到跌落電壓超過裝置動作閥值，Boost 電路升壓工作狀態啟動，保證直流輸出端子有穩定的直流輸出電壓，變頻器繼續工作。

2 換流器技術

2.1 整流電路工作原理

電容濾波的三相不可控整流電路中，最常用的是三相橋式結構，電路及工作波形如圖2 所示。

圖2 三相不可控整流電路

該電路中，某一對二極管導通時，輸出直流電壓等于交流側最大線電壓，該線電壓即向電容供電，也向負載供電。當沒有二極管導通時，由電容向負載放電。Ud按指數規律下降，此電路工作模式符合變頻器低穿投入工況，變頻器交流母線正常時，電容充電；變頻器交流母線失電時，電容向變頻器供電。

供電交流線電壓為

式中：U 為電 網 相電 壓幅 值；ω 為角頻率；δ 為 初相角。

整流電路輸出電壓平均值分為空載和重載兩種情況計算。

1）空載時，輸出直流電壓為

2）重載時，隨著負載的增加，輸出電壓平均值降低，最終輸出電壓波形為線電壓包絡線，其值等同于三相全控整流電路輸出直流電壓，即為

式中：α 為觸發角。當α 為0°時即輸出電壓波形為線電壓包絡線，Udc=2.34U。輸出直流電壓范圍為：2.34U

2.2 Boost 電路工作原理

低電壓穿越裝置中所應用的Boost 電路是直接直流變流電路的一種，功能是將直流電變為另一幅值可調節的直流電，其電路原理如圖3 所示。

圖3 Boost 電路

圖4 電磁模型

開關器件處于通路狀態的時間為ton，處于斷路狀態的時間為toff。

式中：T 為開關器件的開斷總時長，T／toff≥1。

2.3 仿真模型

基于MATLAB 平臺，搭建了三相不控整流電路和Boost 電路的電磁模型，如圖4 所示。

直流輸出電壓480 V，波形如圖5 所示。

圖5 Boost 電路直流輸出電壓

3 應用案例

3.1 某電廠機組實測數據

某電廠低穿改造機組共有12 臺給煤機，給煤機電機容量5.5 kW，變頻器型號為西門子440，低電壓穿越裝置采用交流一拖一方式。

試驗中某給煤機以35 Hz（最大速度）運行，在某一時刻將給煤機電機變頻器的交流輸入電壓降至20%額定電壓，電壓暫降持續時間是10 s。試驗失敗，試驗回路32 A 空氣開關在10 s 時跳閘。波形如圖6 所示。

圖6 35 Hz 20%額定電壓低電壓穿越試驗

圖6 中黃色曲線是變頻器交流輸入電壓，藍色曲線是變頻器直流輸出電壓，紫色曲線是變頻器交流輸出電壓。第10 s 電壓暫降儀恢復變頻器交流輸入電壓至額定電壓，電壓恢復瞬間由于低電壓穿越裝置問題產生的沖擊電流導致保護動作，工作回路斷電。

降低負荷，給煤機以5 Hz 運行，交流輸入電壓降至20%額定電壓，電壓暫降持續時間是10 s。低電壓穿越裝置未能成功支撐，試驗回路32 A 空氣開關在10 s 時跳閘。波形如圖7 所示。

圖7 5 Hz 20%額定電壓低電壓穿越試驗

3.2 參數改進

通過搭建的電磁模型平臺，帶入廠內電機負載及線路阻抗參數，調整低電壓穿越裝置整流升壓電路PI 參數，獲得該廠環境下的適應性PI 參數。2 s 時降低交流電源輸出仿真波形如圖8 所示。

圖8 降低交流電源直流輸出電壓波形

由圖8 可知2 s 時交流電源輸出降低，模性對應直流電壓由600 V 降至540 V，電壓降低期間波動平穩。將對應參數用于實際機組低電壓穿越裝置后，波形如圖9、圖10 所示。可以看出在變頻器交流輸入電壓降低至20%額定電壓時，在低電壓穿越裝置輔助下。變頻器直流輸出電壓保持穩定，變頻器交流輸出電壓穩定，給煤機電機正常工作。

圖9 35 Hz 20%額定電壓低電壓穿越試驗

圖10 5 Hz 20%額定電壓低電壓穿越試驗

4 結語

針對火電廠機組I 類輔機變頻器低電壓穿越試驗中沖擊電流過大問題，搭建了詳細的低電壓穿越裝置電磁模型，采用了模型仿真避免了現場試驗對設備的危害，應用新參數成功降低了低電壓穿越裝置的沖擊電流，提高了電廠輔機變頻器的安全性，保證了電網安全穩定運行。試驗參數為根據經驗調整，下一步引進相關算法對參數調整進行優化。