大型火力發(fā)電機組給煤機低電壓穿越能力探討

張光慶 李樂鵬 壽軍

摘 要 當供電電源發(fā)生故障或者擾動時會給火力發(fā)電機組給煤機造成一定影響，有必要對該問題展開系統(tǒng)論述。基于此，本文首先就低功率（電壓）穿越能力進行簡要論述，簡單闡述三種常見提高給煤機低電壓穿越能力的有效辦法，總結發(fā)電廠中利用變頻器參數(shù)調(diào)整與熱控邏輯調(diào)整相配合的提升給煤機低電壓穿越能力的案例，具有一定的參考價值。

關鍵詞 大型火力發(fā)電機組 給煤機 變頻器 雙電源切換 低電壓穿越

中圖分類號：TB857 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0745（2021）01-0019-05

現(xiàn)階段，各大發(fā)電企業(yè)以及設計單位在機組輔機設計上比較傾向采用變頻器技術，這主要是因為該技術在電機的啟動方式、變頻調(diào)速、控制策略、經(jīng)濟運行等方面具有顯著優(yōu)勢，也因此得到廣泛應用。ABB、Siemens、Schneider、AB等知名品牌的變頻器正常工作電壓范圍（-15%～10%）UN，電網(wǎng)電壓波動或者瞬時丟失都會導致變頻器跳閘保護動作、給煤機等重要的輔機跳閘、鍋爐MFT動作停機，這將會給電廠及電網(wǎng)公司造成很大的影響。基于火電廠重要輔機變頻器低電壓穿越能力不足的問題，本文提出了依靠變頻器參數(shù)設置與熱控邏輯優(yōu)化相配合的方法，利用雙電源切換裝置的優(yōu)點，在沒有額外加裝低電壓穿越裝置情況下，提高了給煤機低電壓穿越的能力。

1 有關低功率（電壓）穿越能力的介紹

低功率（電壓）穿越能力對變頻器而言，是指變頻器在電源電壓降低時能在一段時間內(nèi)可靠、穩(wěn)定的運行能力。造成變頻器低壓的主要原因是由電網(wǎng)低電壓引起，而低電壓一般情況下是短時的，主要是由于系統(tǒng)故障暫態(tài)或備自投切換時間過長。引起電源晃電的原因諸多，比如主電網(wǎng)側電壓波動、負荷不平衡、雷擊、電力切換等，負載側的大型設備啟動和應用、線路過載等。當母線電壓低于變頻器低電壓保護值（變頻器型號不同，該值也不同）時，在延時一段時間后變頻器跳停。[1]

《DL/T 1648-2016 發(fā)電廠及變電站輔機變頻器高低電壓穿越技術規(guī)范》中對發(fā)電廠一類輔機的定義如下：發(fā)電廠一類輔機是短時（小于5S）中斷供電將會造成機組停機或輸出功率大幅下降，進而影響電網(wǎng)安全運行的輔機，包括給煤機、給粉機、空氣預熱器等（如圖1）。

2 提高給煤機低電壓穿越能力的方法介紹

通過查閱、梳理與分析近年來的相關文獻資料，可以看出，現(xiàn)階段國內(nèi)各大發(fā)電廠在提高重要輔機變頻器低電壓穿越能力時所采取的措施主要有：加裝穩(wěn)壓電源裝置、設置靜態(tài)開關、加裝低電壓穿越裝置。

2.1 給煤機變頻器加裝穩(wěn)壓電源裝置

給煤機變頻器加裝穩(wěn)壓電源裝置有兩種方法，第一種是給變頻器接入在線UPS，這里UPS是給變頻器提供動力電源，該方法從原理可以徹底解決變頻器低電壓穿越問題，但是動力用UPS容量大、轉(zhuǎn)換效率低、保護級別高、投資成本高，現(xiàn)階段僅個別電廠采用該方式;第二種方法是在變頻器直流母線接入一路穩(wěn)定直流電源，電壓在DC580V左右。即在給煤機就地控制柜附近安裝一組蓄電池組，將蓄電池組直流輸出電壓并聯(lián)接入給煤機變頻器直流母線端子。為了保障蓄電池組正常充電，須為其單獨配置蓄電池組充電屏。該方案技術理論簡單、成熟，可是安裝蓄電池組及充電屏占地面積較大，周圍粉塵濃度高，須新建配電室，現(xiàn)場實施難度較大、投資成本較高。[2]

2.2 給煤機變頻器加裝靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關

靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關（STS），用于兩路進線電源，相互備用，自動切換系統(tǒng)。正常工作環(huán)境下，主電源處在正常供電電壓范圍，各饋線負荷連接于主電源。當主電源發(fā)生故障引起供電能力不足時，負載自動切換至備用電源，主電源恢復正常后，負載又自動切換到主電源。整個切換時間基本可以控制在10ms以內(nèi)，這種方法可以解決電源切換過程引起的變頻器低電壓穿越現(xiàn)象。但是當外部系統(tǒng)電源的長時間大幅度波動，仍無法徹底避免變頻器低電壓跳閘問題。

2.3 給煤機變頻器加裝低電壓穿越裝置

國內(nèi)電力市場，主要有北京四方、南瑞北京監(jiān)控、南京國臣等幾家公司產(chǎn)品在火電廠應用較為廣泛，實現(xiàn)抗低電壓穿越的理論大體一致，均采用直流升壓技術來實現(xiàn)。低電壓穿越電源結構主要由整流橋、逆變器等部分構成。在網(wǎng)端電壓正常時，低電壓穿越裝置處于熱備用狀態(tài)，當網(wǎng)端電壓降低到一定程度時，低電壓穿越裝置自動投入，保障變頻器的正常運行。該裝置技術相對成熟，改造過程相對簡單，但費用投入較大，需占用一定的空間。

3 提高給煤機低電壓穿越能力改造方案

某發(fā)電企業(yè)給煤機選用上海發(fā)電設備成套設計研究院產(chǎn)品，每臺機組配備5臺給煤機，采用變頻器控制。變頻器選用ABB ACS800產(chǎn)品，每臺給煤機設計一臺就地控制柜。兩路電源分別取自400V鍋爐PCA、PCB段，經(jīng)柜內(nèi)雙電源切換裝置為給煤機動力及控制回路供電。雙電源切換裝置選用施耐德萬高NSC100B-32A型產(chǎn)品（如圖2）。

3.1 供電電源可靠性分析

3.1.1 給煤機控制柜雙電源切換裝置

給煤機控制柜內(nèi)雙電源切換裝置采用施耐德NSC100B-32A型產(chǎn)品，由施耐德萬高（天津）電氣有限公司生產(chǎn)。工作電壓為AC380V，工作頻率50HZ，主要功能是進行電壓采集，根據(jù)電壓的實時值進行故障判斷，并控制轉(zhuǎn)換開關相應的轉(zhuǎn)換動作，實現(xiàn)常用電源、備用電源相互切換。[3]

（1）正向切換時間約1.7s：常用電源失電切換至備用電源的時間，此時間為切換裝置機械機構固有時間，切換裝置控制器切換時間已調(diào)整為0s，如圖3所示。

（2）反向切換時間約0.5s：備用電源運行模式下，常用電源恢復送電，電源切換回常用電源，切換裝置控制器回切時間已調(diào)整為0s，如圖4所示。

3.1.2 給煤機變頻器

變頻器采用ABB ACS800產(chǎn)品，該變頻器具有電網(wǎng)瞬間掉電時運行保持功能。如果電網(wǎng)電壓瞬間丟失，變頻器傳動單元會采用電動機旋轉(zhuǎn)動能繼續(xù)保持運行。只要電機旋轉(zhuǎn)并給傳動單元提供能量，傳動單元便會繼續(xù)保持正常工作。允許中斷的時間可調(diào)整，出廠設置是5秒，如圖5所示。

3.1.3 給煤機上級電源

（1）給煤機電源設置主備兩路，分別取自400V鍋爐PCA段、PCB段，該PC段未設雙電源切換裝置及備自投，無需考慮此處的切換時間;

（2）10kV廠用電系統(tǒng)設置快切裝置，采用東大金智MFC2000型產(chǎn)品，切換時間100ms左右;

（3）500kV系統(tǒng)震蕩或故障暫態(tài)過程延時時間參考500kV重合閘延時時間，我廠重合閘延時時間為1.4s。

3.2 給煤機控制回路及熱控邏輯優(yōu)化

1.給煤機設置遠方及就地控制模式，遠方控制設置DCS啟動及DCS停止信號，DCS啟動設置自保持時間繼電器FS，時間繼電器延時2s（即自保持延時2s）。當給煤機上級電源切換或故障時，控制回路自保持延時2s滿足給煤機躲低電壓能力的要求。

2.給煤機控制回路自保持延時繼電器延時與DCS跳閘信號延時配合：為保證給煤機DCS遠方操作時可靠分閘，必須保證給煤機DCS跳閘延時大于控制回路自保持繼電器自保持延時。核對熱控DCS邏輯確定DCS跳閘信號延時為3秒，因此滿足要求。

3.熱控DCS中關于給煤機跳閘邏輯是否滿足電氣躲低電壓能力要求：給煤機運行信號取自給煤機就地柜171及172端子，PS電源板輸出繼電器，PS工作電源取自380/110V變壓器，因此需要核對此信號在電氣動力電源失電時（按2秒核對）是否會觸發(fā)，但此信號與“磨煤機停止信號”組成與門，因此在電氣低電壓時也不會引起給煤機誤跳閘，如圖6所示。[4]

3.3 變頻器參數(shù)優(yōu)化

從圖5中可以看出ABB ACS800具備躲低電壓的能力，但參數(shù)需要進行優(yōu)化。

1.參數(shù)組20.06 UNDERVOLTAGECTRL：激活或解除中間直流母線的欠壓控制—激活;如直流電壓因輸入電源切斷而降低，欠電壓控制器會自動減小電機轉(zhuǎn)速以保持電壓在最低極限值之上。通過減小電機轉(zhuǎn)速，負載的慣性將電流回饋到ACS 800，保持直流母線帶電，并防止欠壓跳閘一直到電機慣性停止。在大慣性負載系統(tǒng)中，如離心機或風扇，它的功能相當于一個臨時電源（電源中斷的情況下，由臨時電源繼續(xù)為系統(tǒng)供電）;

2.參數(shù)組31.06 UNDERVOLTAGE：激活直流母線欠電壓故障的自動復位功能—激活;

3.參數(shù)組16.04 FAULT RESET SEL：選擇故障復位信號的信號源。傳動單元故障跳閘，待故障排除后，該信號使傳動單元復位---SEL;

4.參數(shù)組99.04 MOTOR CTRL MODE：選擇電動機的控制模式---DTC直接轉(zhuǎn)矩控制;

5.參數(shù)組10.01 EXT1 STRT/STP/DIR：外部啟動、停機和轉(zhuǎn)向控制信號源---DI1F DI2R;

6.參數(shù)組10.03 REF DIRECTION：允許改變電動機的轉(zhuǎn)向或固定轉(zhuǎn)向---REQUEST;

7.參數(shù)組30.02 PANEL LOSS：控制盤通訊中斷時，ACS800的動作情況—LAST SPEED，ACS800產(chǎn)生一個告警信息，將速度保持為傳動單元最后運轉(zhuǎn)的速度值，而最后10s的平均速度決定了該速度值。[5]

3.4 試驗結果

#1機組給煤機空載運行情況下躲雙電源切換暫態(tài)過程的試驗進行了兩次，結果相差較大，造成這一狀況的原因為：給煤機變頻器選用ABB ACS800系列變頻器，在輸入電壓瞬間丟失后，傳動單元將利用電機旋轉(zhuǎn)的動能輔以轉(zhuǎn)子剩磁為傳動單元提供能量，保持傳動單元正常工作。

第一次試驗時給煤機已經(jīng)停運了40天左右且經(jīng)過了檢修，轉(zhuǎn)子基本沒有剩磁，第二次試驗時是在機組啟動過程中，給煤機已運行了較長時間，轉(zhuǎn)子剩磁較大，所以在雙電源切換過程中第二試驗成功。在以后的運行中應參照第二次試驗結果。在某發(fā)電機組啟動過程中對給煤機1B在負載情況（煤量：25噸、轉(zhuǎn)速253r/min）下進行了一次切換試驗，整個切換過程給煤機運行正常。具體結果見表1，表2。

3.5 試驗總結

（1）給煤機在暫態(tài)穿越區(qū)（≤20% UN，0.5s），給煤機可以運行正常;

（2）由于缺少相關試驗儀器，動態(tài)穿越區(qū)（≥60% UN，≤5s）、穩(wěn)態(tài)穿越區(qū)（≥90% UN，≥5s）無法進行試驗，無法保證給煤機低電壓穿越能力;

（3）變頻器各參數(shù)優(yōu)化后確定了變頻器掉電自保持時間為1.4s左右，此時間從接入系統(tǒng)穩(wěn)定性來看已基本滿足躲系統(tǒng)低電壓穿越能力要求;

（4）雙電源切換裝置固有時間滿足給煤機正常運行及躲低電壓穿越能力需要（切換時間1.7s）。

4 結語

綜上，本文對低電壓穿越能力進行簡單的闡述，并分析了各發(fā)電公司常用的躲低電壓穿越方法，提出了一種新型的躲低電壓穿越的方法，基于ASC800變頻器的固有特性，對變頻器參數(shù)優(yōu)化、控制回路優(yōu)化、熱控邏輯優(yōu)化后的給煤機具備躲過1.5s左右低電壓穿越能力，此時間已基本保證在系統(tǒng)振蕩、故障或機組廠用電切換等原因引起的暫態(tài)低電壓時給煤機可靠連續(xù)運行。

參考文獻：

[1] ASC800固件手冊標準控制程序7.X[S].北京ABB電氣住動系統(tǒng)有限公司，2010.

[2] （IEC61000-2-8：環(huán)境-公共電力供應系統(tǒng)的電壓驟降和短時中斷，統(tǒng)計測量結果2002，IEC6100-2-12）國際電工委員會標準[S].上海，2002.

[3] 余偉權，馬智行，傅富強，周佳潔，王琳，王曙光.提升給煤機低電壓穿越能力的研究及應用[J].發(fā)電設備，2014，28 （01）：49-51.

[4] 張偉.低電壓穿越保護能力改造在電廠輔機上的作用[J].新疆有色金屬，2018，41（S1）：91-92.

[5] 惠海芝. 300MW火電機組給煤機變頻器低電壓穿越能力的研究及應用[D].華北電力大學，2017.

（淮北市申皖發(fā)電有限公司，安徽 淮北 235000）