發電廠鍋爐給粉機變頻器低電壓穿越技術的應用

于 哲，張 月

（1.鞍鋼股份能源管控中心；2.鞍鋼鋼鐵研究院，遼寧鞍山 114000）

引言

目前，在火電廠輔機設備運行中廣泛使用變頻技術來實現節能降耗。但由于電網電壓波動時，變頻器會出現低電壓閉鎖、停止電流輸出等現象。變頻器接至電廠重要輔機設備上時，變頻器的停運可直接導致發電機組非計劃停機，對企業造成嚴重的經濟損失和設備危害[1]。

能源管控中心中央電站二期2臺220 t/h摻燒煤氣鍋爐發電機組，發電機有功功率為25 000 kW。每臺鍋爐配備12 臺給粉機，采用ABB ACS550 型變頻器驅動,給粉機控制柜控制電源、動力電源均取自廠用電。2019 年8 月14 日16 時18 分，由于電網波動，相應廠用電瞬時電壓降低，由于變頻調速設備不具備低電壓穿越功能，中央電站二期2#爐1#～8#、11#給粉機變頻低電壓保護動作，變頻器閉鎖輸出，造成機組停機事故發生。此類非計劃停機事故，直接影響生產連續性和經濟性，并容易造成電氣設備損壞。為保證中央電站二期機組安全穩定運行，對二期2臺鍋爐共計24臺給粉機變頻器加裝2套低電壓穿越裝置。

1 鍋爐給粉機變頻器供電現狀

每臺鍋爐的1#～12#給粉機額定功率為2.2 kW，額定電壓為380 V，采用ABB ACS550 型變頻器驅動，拖動方式為一拖一。1#～6#給粉機變頻器由廠用電380 V系統的1#、2#兩路交流電源供電，7#～12#給粉機變頻器由廠用電380 V 系統的3#、4#兩路交流電源供電,兩路電源互為備用。由于1#～4#交流電源均來自廠用380 V 系統，當廠用電系統出現電壓暫降時，兩路電源的供電方式也無法保證給粉機變頻器的持續運行。

2 低電壓穿越系統的工作原理及組成

當電網電壓正常時，變頻器由交流母線供電,低電壓穿越系統處于熱備用狀態。當發生低電壓穿越時，變頻器直流母線電壓低于低電壓穿越系統輸出電壓，轉由低電壓穿越系統給變頻器提供直流電，保證變頻器正常工作。

低電壓穿越系統由整流充電單元、RTM 模塊、監測單元、執行單元、電池巡檢儀等組成[2]。其中RTM 是一種用于直流負載的電壓暫降保護設備，若系統出現故障，可以快速切斷輸入與輸出的聯系，起到快速保護系統以及模塊本身的作用，能對電壓暫降作快速和精確的校正，并有連續的電壓調節和負載電壓補償的功能。

低電壓穿越系統采用集中式供電方式，單套低穿柜對應單臺機組的1#～12#給粉機變頻器，低穿柜一路交流電源輸入、兩路直流電源輸入。由廠用380 V 系統向低穿柜提供一路交流電源，由中央電站三期直流屏向低穿柜提供直流電源，直流電直接與RTM模塊中直流輸入端相連。

3 改造內容

3.1 給粉機變頻器控制回路改造

給粉機控制電源改造，給粉機控制電源原本是取自廠用電380 V 一火線一零線220 V 的電源供給的，當電網電壓發生暫降時，廠用電電壓也會降低，這樣會導致變頻器控制面板等欠壓失效，變頻器勢必引發故障報警，所以控制電源需要用UPS 改造。由原來的一火一零改為低電壓穿越系統UPS 輸出的AC220 V，為給粉機控制柜提供不間斷交流電源。UPS 由一路直流和一路交流供電，直流電源取自中央電站三期直流屏DC220 V，交流電源取自廠用電AC380 V。見圖1。

圖1 改造后低電壓穿越系統原理圖

3.2 給粉機變頻器動力回路改造

給粉機變頻器動力單元的電壓變化過程是工頻380 V交流電源經整流器先整流成直流電[3]，直流中間電路對整流電路的輸出進行平滑濾波，利用逆變器功率元件的通斷控制，將直流電源逆變成頻率、電壓可調的三相交流電源供負載使用[4]。當電網電壓出現波動時，低電壓穿越系統的監測單元檢測到給粉機變頻器直流環節電壓下降至設定值，RTM 電壓暫降保護裝置將廠用DC220 V 升壓后輸出穩定的500 V 高壓直流電，為變頻器直流環節提供穩定直流電源。1 臺RTM 裝置對應2 臺給粉機變頻器，RTM 的直流輸出回路正極引出線接至變頻器直流母線的正極端子，由于ABB ACS550 變頻器的直流負線沒有外出的端子，所以需要將整流橋后的直流負線引到變頻器外接端子，和低穿柜變頻器的直流饋出負線對接。見圖2。

圖2 RTM系統外圍接線框圖

電網波動時，給粉機變頻器運行參數能夠保持穩定，鍋爐發電機組安全運行。當電網電壓恢復正常后，低電壓穿越系統自動退出，處于待機狀態，變頻器自動轉換由廠用380 V動力母線供電。

3.3 低電壓穿越系統聯鎖控制改造

崗位運行人員通過DCS 遠方控制（也可以就地控制）給粉機的運行、停止和轉速，電機按模擬控制4～20 mA 電流決定變頻器拖動電機的運行轉速。低電壓穿越系統柜向DCS 提供一路無源常開接點，向DCS 反饋低穿系統的故障信號，用于崗位人員監控低穿系統運行狀況。DCS向低電壓穿越系統柜提供一路無源常開接點，用于MFT（爐膛滅火保護）信號采集，作為低穿系統柜內聯鎖控制。事故情況下，當鍋爐MFT 動作，快速切斷設備電源，停止設備的運行，確保低電壓穿越裝置不影響系統正常操作。

4 低電壓穿越系統功能測試

4.1 單臺給粉機變頻器斷電測試

啟動1#爐1#給粉機變頻器，合上低電壓穿越系統直流輸出MCB401 斷路器，斷開1#爐1#給粉機變頻器交流電源開關，低電壓穿越系統自動投入運行，測量系統輸出電壓為500 VDC 左右。10 s 內變頻器保持正常運行，輸出頻率、給粉電機轉矩、給粉電機轉數無變化。10 s 后自動跳開RTM 和給煤機之間的接觸器，低電壓穿越系統自動退出運行，合上1#爐1#給粉機變頻器交流電源開關，低電壓穿越系統恢復為備用狀態，變頻器轉為由廠用380 V 交流電源繼續供電。

4.2 1#爐1#～6#給粉機變頻器總電源斷電測試

啟動1#爐1#～6#給粉機變頻器，合上低電壓穿越系統直流輸出MCB401～MCB406 斷路器，斷開1#爐1#～6#給粉機變頻器兩路交流電源總開關，低電壓穿越系統自動投入運行，測量系統輸出支撐電壓為DC500 V 左右，1#～6#給粉機變頻器保持正常運行，輸出頻率、給粉電機轉矩、給粉電機轉數無變化。8 s 后合上1#爐1#～6#給粉機變頻器交流總電源，低電壓穿越系統自動退出運行，恢復為備用狀態，1#爐1#～6#給粉機變頻器轉為由廠用380 V交流電源繼續供電。

4.3 MFT聯鎖控制測試

啟動1#爐7#～12#給粉機變頻器，確認低電壓穿越系統處于正常待機備用狀態。從遠方DCS 發出MFT 控制信號，低電壓穿越系統的MC407～MC412直流輸出接觸器動作，與1#爐的7#～12#給粉機變頻器斷開連接，1#爐的7#～12#給粉機同時跳閘，低電壓穿越系統未影響原有的控制系統。

5 經濟效益分析

2 臺發電機組，發電機有功功率為25 000 kW。按發電機組非計劃停機次數3 次/年，每次停機時間3.5 h，發電機組穩定發電能力20 000 kW 計算,每年造成電量損失約210 000 kWh，應用低電壓穿越系統后，電價按0.5 元/kWh,全年可壓減非計劃停機事故損失約10.5 萬元。

同時，低電壓穿越裝置可以避免突然失電對變頻器的損壞，在電網波動時不會對給粉機造成較大的啟動轉矩沖擊，延長變頻器和電機的使用壽命，每年可節省維修費用、材料費用約10 萬元。

6 結語

通過能源管控中心中央電站鍋爐給粉機變頻器低電壓穿越系統改造，給粉機變頻器及其拖動系統可實現在電力系統發生短時電壓降落或失電時，輸出轉矩、保證轉速和功率等技術參數均不變，解決了因電網電壓波動引起的給粉機變頻器低電壓保護跳閘問題，避免了低電壓造成的非計劃停爐和關鍵設備的損壞，提高了燃煤鍋爐發電機組的經濟效益。