電廠低壓變頻器低電壓穿越功能完善研究

劉 超

（國網(wǎng)能源哈密煤電有限公司大南湖電廠，新疆哈密 839000）

0 引言

在現(xiàn)有眾多調(diào)速技術(shù)中，變頻器作為異步電機理想的調(diào)速設(shè)備，是因為其調(diào)速精度高、效率高、范圍寬且能根據(jù)所帶設(shè)備運行的變化使電機實現(xiàn)自動、平滑的無級調(diào)速，調(diào)速特性基本保持異步電機轉(zhuǎn)差率較小的特性。同時變頻器具有顯著的節(jié)電效益。對于所帶負(fù)載性質(zhì)、負(fù)載率的不同，變頻器節(jié)電率也不同。對比傳統(tǒng)傳動調(diào)速系統(tǒng)，低壓變頻器控制的設(shè)備，當(dāng)負(fù)載率在0.4～0.6時，節(jié)電率在25%～50%。因而，變頻器被廣泛應(yīng)用于電廠各類生產(chǎn)場所。

由于生產(chǎn)現(xiàn)場對經(jīng)濟運行、變頻調(diào)速的要求不斷提高，變頻器越來越多的被用在電廠生產(chǎn)設(shè)備上，以實現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)節(jié)能調(diào)速。但變頻器內(nèi)部含有大量電子元件，對電源的穩(wěn)定性要求較高，電源電壓的驟降或短時中斷，都會使變頻器停止運行，造成變頻器所帶設(shè)備停運，引起生產(chǎn)系統(tǒng)穩(wěn)定性遭到破壞，導(dǎo)致電廠停爐、停機事故的發(fā)生。

1 變頻器簡介

依據(jù)變頻器主電路結(jié)構(gòu)型式及其交流電變換方式，現(xiàn)有的較為常見的變頻器可以分為交—直—交型和交—交型兩類，各類變頻器特點見表1。

表1 各類變頻器特點

交—交型變頻器雖然僅有一個變換環(huán)節(jié)，但電路結(jié)構(gòu)較交—直—交型變頻器復(fù)雜、造價高，因此電廠生產(chǎn)現(xiàn)場大量使用交—直—交型變頻器。交—直—交型變頻器電路結(jié)構(gòu)框如圖1所示。

圖1 變頻器結(jié)構(gòu)

2 故障現(xiàn)象及分析

某電廠空冷島自投產(chǎn)以來，多次因外部電源故障，導(dǎo)致空冷MCC電源切換，出現(xiàn)空冷變頻器集體（30臺）停運現(xiàn)象，嚴(yán)重影響在運機組的安全穩(wěn)定運行。

2.1 原因分析

空冷MCC段分A、B兩段，每段帶15臺變頻器，共計30臺。正常情況下，每段負(fù)荷（15臺變頻器）分別由對應(yīng)的變壓器A、B獨立供電，變壓器C作為變壓器A、B的備用電源。空冷MCC主接線如圖2所示。

圖2 空冷主接線

空冷MCC段電源切換由變壓器低壓側(cè)空冷備自投裝置控制。每套備自投裝置監(jiān)控一段母線，一對斷路器（1ZKK和3ZKK）裝在工作進線開關(guān)（1ZKK）柜內(nèi)。正常情況下空冷變C為備用電源，備用方式為熱備用，即空冷變C高壓側(cè)開關(guān)處于合閘狀態(tài)。當(dāng)工作電源出現(xiàn)異常時，備自投裝置先跳工作電源開關(guān)1ZKK，確定工作進線開關(guān)1ZKK斷開且無電流后經(jīng)整定延時0.5 s后合上備用電源開關(guān)3ZKK。

由于備自投裝置本身特性，在故障判斷后需要0.5 s的延時，加上斷路器分合時間、備自投裝置出口時間，切換過程中變頻器至少失電0.6 s。查詢備自投切換條件：工作電壓小于280 V（取正常電壓的70%），備自投動作。

依據(jù)DL/T 339—2010《低壓變頻調(diào)速裝置技術(shù)條件》規(guī)定：低壓變頻調(diào)速裝置應(yīng)具有以下保護功能：輸入欠壓（低于額定電壓的80%），變頻器應(yīng)能自動切斷輸出電源。通過以上分析可知，低壓變頻器在交流電源發(fā)生瞬時性故障條件下，無法避免故障低壓對變頻器帶來的影響，由變頻器自身的低壓保護動作將其停運。

3 變頻器低電壓穿越能力分析

3.1 引起變頻器低電壓穿越原因

引起電廠變頻器電源電壓下降的原因主要有以下兩種：①電源側(cè)故障引起電壓下降：如接地、短路、斷路、雷電、大風(fēng)等。這種電壓下降特點是時間較短、殘壓值較高、發(fā)生的概率較低（30%）；②現(xiàn)場設(shè)備正常運行過程中引起的壓降，如大型電機啟動、備自投裝置切換。這種電壓下降特點是時間較長，殘壓值較低、發(fā)生概率較高（70%）。

3.2 變頻器低電壓穿越能力要求

根據(jù)某省對發(fā)電廠重要運行輔機低電壓穿越能力提出具體的要求：重要輔機的變頻拖動系統(tǒng)，在系統(tǒng)電壓跌落至20%連續(xù)0.5 s、跌落至65%連續(xù)3 s的情況下，具備完備可靠的低電壓穿越能力，確保系統(tǒng)故障時發(fā)電機組不因低電壓穿越能力不足而跳閘。

結(jié)合故障分析，依靠變頻器現(xiàn)有的保護功能，無法保證在電壓持續(xù)降低情況下設(shè)備的正常運行。故需對低壓變頻器的保護功能進行完善，使其具備低電壓穿越條件下正常運行的能力。

3.3 變頻器低電壓穿越能力改善方案

根據(jù)是否增加新電源，低壓變頻器低電壓穿越能力完善可以分為依靠完善變頻器功能和增加變頻器電源可靠性兩種方式。

3.3.1 依靠變頻器本身功能完善

從變頻器原理及定值設(shè)置方法進行分析，現(xiàn)有提高變頻器低電壓穿越能力有以下4種方式。

（1）提高變頻器工作進線電壓。低壓變頻器工作電源電壓范圍為80%～115%U n。如果將變頻器的工作電源電壓提高到110%U n，工作電源電壓輕微正向波動，將會引起變頻器過壓保護動作，造成變頻器頻繁停運，不利于設(shè)備的長期運行。同時變頻器長時間工作在額定工作范圍以外，必然減少變頻器使用壽命。

此種方案改變效果有限，只能作為一種補充手段。

（2）增加變頻器中間直流母線穩(wěn)壓電容。直流母線穩(wěn)壓電容數(shù)計算公式：

式中 nc——電容器數(shù)量

P——變頻器負(fù)荷功率，W

U——變頻器負(fù)荷額定電壓，V

cosφ——變頻器負(fù)荷功率因數(shù)

ΔU——電容允許放電電壓差，V

C——電容量，F(xiàn)

t——放單時間，s

假設(shè)變頻器所帶負(fù)荷為10 kW的電阻性負(fù)荷，額定電壓為380 V，電壓允許放電電壓差20%，單個電容容量1 mF，故障時間為0.5 s，帶入公式為：

計算需要新增容量為1 mF電容數(shù)量為346個，單只電容體積D×L為100 mm×170 mm，需要占用大量的空間。增加電容器的同時需要改造變頻器預(yù)充電電路，并嚴(yán)格限制充電電壓，改造費用高。增加大量電解電容易使變頻器直流母線上的直流紋波含量過大，長時間運行易造成電解電容的電解液干涸，且大量電解電容放電存在電氣火災(zāi)隱患。此方案不適合大容量變頻器改造使用。

（3）變頻器延時重啟動。變頻器延時重啟動時間需要由其所供負(fù)荷性質(zhì)決定。對于轉(zhuǎn)動慣量較大的負(fù)荷（如風(fēng)機類負(fù)荷），由于慣性的作用允許變頻器停運較長時間后重新啟動。對于轉(zhuǎn)動慣量較小的負(fù)荷（如給煤機、各泵類負(fù)荷），允許變頻器停運時間較短。

（4）調(diào)整變頻器相關(guān)保護值。設(shè)置變頻器低電壓保護值是為了防止變頻器逆變器因過流損壞，部分變頻器可以調(diào)整本身低電壓定值，低電壓定值可以調(diào)整為DC 300 V。但由于負(fù)荷側(cè)輸出功率限值，在電壓降低的同時，輸出電流升高。低壓定值設(shè)置過低會使變頻器在低電壓穿越時會引起過電流保護動作，造成變頻器故障停運。

3.3.2 增加變頻器電源可靠性

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生低電壓穿越時，最明顯的特征是工作電源電壓降低，供電可靠性下降。因此，可以在發(fā)生低電壓穿越時，將變頻器輸入源切換至穩(wěn)定電源，以此來保正變頻器繼續(xù)正常運行。常用的電源切換方式有兩種，一種為在工作電源側(cè)加入不停電電源，另一種為在變頻器整流后的直流母線上加裝直流供電電源。下面對以上兩種方案進行介紹。

（1）加入交流不間斷電源供電（圖3）。將變頻器工作電源及UPS通過切換裝置接入變頻器。正常時，由正常工作電源供電，發(fā)生低電壓穿越或電壓瞬時下降時，通過切換裝置，將工作電源切換至UPS。變頻器控制電源一直由UPS系統(tǒng)供電。

圖3 引入UPS供電原理

此方法具有改造集中、接線簡單、不需要改變保護定值的優(yōu)點。但是為保證現(xiàn)場設(shè)備穩(wěn)定運行，UPS容量需要為變頻負(fù)載額定功率3倍以上。由于電廠主廠房UPS為單相UPS，但現(xiàn)場變頻器為三相負(fù)荷，因此需新增一套三相UPS系統(tǒng)，改造費用高昂，防護等級低，不適合安裝在變頻器數(shù)量較少的場所。

（2）增加低電壓穿越電源系統(tǒng)（圖4）。通過在變頻器直流母線處新增一路事故備用直流電源，再給控制系統(tǒng)提供穩(wěn)定的交流不間斷電源，確保低電壓穿越時，變頻器正常運行。依據(jù)新增系統(tǒng)是否含蓄電池，可分為單獨低電壓穿越電源系統(tǒng)和含蓄電池低電壓穿越電源系統(tǒng)。

圖4 低電壓穿越電源系統(tǒng)原理

單獨低電壓穿越電源系統(tǒng)工作原理：當(dāng)?shù)蛪号潆娤到y(tǒng)正常供電時，變頻器由工作交流母線供電，單獨低電壓穿越電源系統(tǒng)處于熱備用狀態(tài)。當(dāng)工作母線電壓下降，達到低壓設(shè)定定值時，即變頻器直流母線采集電壓低于低電壓穿越電源系統(tǒng)輸出電壓，低電壓穿越電源系統(tǒng)自動投入為變頻器直流母線提供直流電；同時，不間斷電源給變頻器的控制電路和單獨低電壓穿越電源系統(tǒng)柜內(nèi)的控制電路提供穩(wěn)定的220 V交流電，保證變頻器控制電路正常工作。

該系統(tǒng)通過判斷變頻器直流母線電壓與本身低電壓設(shè)定定值的差值實現(xiàn)系統(tǒng)的自動投切，確保正常運行過程中該系統(tǒng)與變頻器正常供電系統(tǒng)的隔離。且該系統(tǒng)不用蓄電池可以達到低電壓穿越最低要求以上時變頻器持續(xù)正常工作；同時設(shè)計時可實現(xiàn)一對一或一對多，安裝方便，施工量較小。但是該系統(tǒng)不能解決瞬時故障引起電源短時中斷所造成的變頻器自動停運問題。

含蓄電池低電壓穿越電源系統(tǒng)。當(dāng)變頻器工作電壓驟降、短時中斷時，該系統(tǒng)備用的電池組即經(jīng)由系統(tǒng)保護器升壓，維持變頻器運行所需的電壓，不影響變頻所帶電機的正常運行，同時工作母線電源經(jīng)由直流充電系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成直流電，對蓄電池進行充電，使蓄電池維持在飽和滿電的狀態(tài)。當(dāng)工作電源恢復(fù)正常時，變頻器改為工作電源供電，系統(tǒng)保護器自動恢復(fù)成熱備狀態(tài)，同時充電系統(tǒng)對蓄電池單元進行浮充充電。

該系統(tǒng)由電池組為變頻器直流母線提供設(shè)備工作時所需的能量，對交流側(cè)工作母線系統(tǒng)沒有沖擊，可持續(xù)工作時間長。同時只用少量電池組即可實現(xiàn)深度低電壓穿越、短時中斷時變頻器不停運。此方案改造過程中工程量小，同時解決了電池組的軟特性問題。但對比單獨低電壓穿越電源系統(tǒng)，此方案也有少量蓄電池需要維護。

4 處理措施

通過以上分析可知：增加低電壓穿越電源系統(tǒng)、增加變頻器中間直流母線穩(wěn)壓電容等方案只適用小容量的變頻器系統(tǒng)，對大容量（100 kW以上）、大數(shù)量（10臺以上）變頻器系統(tǒng)由于投資高、系統(tǒng)穩(wěn)定性差（大容量電源切換過程中的延時問題）等缺點，需要采用其他方案。考慮空冷島變頻器所帶負(fù)荷為大轉(zhuǎn)動慣量設(shè)備，可以利用變頻器本身的保護功能，實現(xiàn)低電壓穿越工況下，變頻器的正常運行。新方案原理如圖5所示。

圖5 新方案原理

工作原理：正常情況下，變頻器工作電源由正常工作電源供電。控制電源由工作電源和備用電源經(jīng)雙電源切換裝置提供。正常工作時，控制電源由工作電源供電，備用電源熱備，當(dāng)工作電源電壓下降時，雙電源切換裝置自動切換至備用電源供電，保證異常情況下控制電源正常。同時調(diào)整變頻器啟動定值及低壓保護定值，確保發(fā)生低電壓穿越時，變頻器短時停止，待工作電源恢復(fù)正常后，變頻裝置重新啟動。以ABB公司生產(chǎn)的ACS-550系列變頻器為例，變頻器重啟動涉及參數(shù)如下：

4.1 自動復(fù)位

此定值組定義變頻器自動復(fù)位的條件。變頻器檢測到外部電源故障后，經(jīng)過一段延時時間后，能自動重新起動。自動復(fù)位的時間間隔和復(fù)位次數(shù)均可實現(xiàn)自由選擇，也可以對不同類型的故障分別選擇自動復(fù)位。自動復(fù)位定值組主要涉及的定值有復(fù)位次數(shù)、復(fù)位時間、延時時間、故障復(fù)位類型。

4.1.1 復(fù)位次數(shù)

通過此定值可以確定某一時間段內(nèi)變頻器內(nèi)允許自動復(fù)位的次數(shù)，時間由復(fù)位時間定義。超過自動復(fù)位次數(shù)后（依然在復(fù)位時間內(nèi)），變頻器禁止多余的自動復(fù)位動作，并保持停止?fàn)顟B(tài)。

4.1.2 復(fù)位時間

該定值確定在此時間內(nèi)允許變頻器自動復(fù)位。

4.1.3 延時時間

該定值確定變頻器故障發(fā)生后，延時復(fù)位需要的時間。

4.1.4 復(fù)位類型

該定值中，0表示禁止變頻器自動復(fù)位；1表示允許變頻器自動復(fù)位。在復(fù)位延時定值所設(shè)的延時過后，故障報警被自動復(fù)位，變頻器自動恢復(fù)正常運行，見表2。

表2 變頻器故障復(fù)位類型

4.2 啟動/停止

此定值組定義了變頻器所帶電機起動、停止的方式（表3）。

表3 變頻器啟動方式

4.3 欠壓調(diào)節(jié)器

該定值設(shè)置直流欠壓調(diào)節(jié)器工作狀態(tài)。

當(dāng)變頻器輸入電源下降時，內(nèi)部直流母線側(cè)電壓也隨之下降。欠壓調(diào)節(jié)器的主要作用是利用降低電機轉(zhuǎn)速，通過電機回饋到直流母線側(cè)的慣性能量，對直流母線側(cè)充電，彌補暫時的能量空缺，保持直流母線電壓高于變頻器欠壓動作值。避免變頻器因欠壓而停運。

欠壓調(diào)節(jié)功能主要應(yīng)用在在離心泵、風(fēng)機等高轉(zhuǎn)矩負(fù)載場合。

該定值中，0表示禁止，即欠壓調(diào)節(jié)器不工作；1表示允許時間，欠壓調(diào)節(jié)器最長工作時間為500 ms；2表示允許，欠壓調(diào)節(jié)器不受最長時間限制。

通過以上分析，設(shè)置變頻器參數(shù)（表4），在系統(tǒng)電壓跌落至20%連續(xù)0.5 s、跌落至65%連續(xù)3 s的情況下，能滿足變頻器正常運行。針對不同省份低電壓穿越能力要求不同，可適當(dāng)調(diào)整定值，以滿足現(xiàn)場要求。

表4 變頻器設(shè)置參數(shù)

5 結(jié)束語

對火電廠輔機變頻器低電壓穿越問題的產(chǎn)生及相關(guān)文件、規(guī)范的要求系統(tǒng)地進行介紹和分析。并在現(xiàn)有的解決方案基礎(chǔ)上，對大容量低壓變頻器的低電壓穿越問題的提出合理的解決方案，并在生產(chǎn)現(xiàn)場進行改造試運，現(xiàn)設(shè)備已正常運行2年，未出現(xiàn)因低電壓穿越導(dǎo)致批量變頻器停運的問題。同時，此方案也對其他電廠類似風(fēng)機類負(fù)荷解決低電壓穿越問題提供一定的指導(dǎo)意義。