提升火電廠輔機變頻系統故障電壓穿越性能應用研究

安徽宏網電力設備有限公司 陳 鑫 安徽立卓智能電網科技有限公司 姚 琦

作為衡量電網運行穩定性的一項重要指標，火電廠的故障電壓（高、低電壓）穿越能力是指當發電系統的并網電壓上升或跌落時，系統保持并網狀態并向電網提供一定的無功功率以促使電網恢復正常，進而確保系統安全“穿越”故障電壓區域。火電廠單機功率及全廠功率均較風電場大，不具備故障電壓穿越能力的火電機組輔機，一旦出現電壓暫升或暫降的狀況，部分輔機變頻器易產生閉鎖保護動作，致使輔機（電動機）停止運行，進而造成停爐、停機等事故，波及其他入網的電網側和負荷側用戶，造成多方面的重大損失[1-2]。

火電廠中的給煤機、給粉機等設備作為大型汽輪發電機組Ⅰ類輔機[3]，準確檢測其變頻器的故障電壓穿越能力，并對不具備安全運行能力的變頻器進行改造，是關乎電廠甚至電網安全穩定運行的重大問題。

傳統的解決方向僅從電廠或電網著手，如給粉機全停邏輯延時、給粉機變頻器設置快速重啟動、等待電網恢復后給粉機變頻器重啟動、取消變頻器低壓保護設置等措施，無法杜絕此類問題的發生。本方案首創性地從電網側、電源側和輔機變頻器調速系統多個方面綜合考慮，對其故障電壓穿越性能進行改善。

1 系統主要構成

1.1 電壓擾動發生器

考慮到電網電壓出現暫升、暫降等故障的不可控性，需要設計能夠產生電壓瞬變模擬故障電壓工作狀態，完成火電廠輔機變頻調速系統故障穿越能力測試的電壓擾動發生器[4]（Voltage Sag Generator,VSG）。對比分析市面上不同類型的電壓擾動發生器后，選用基于BOOST升壓原理的電力電子變換式電壓擾動發生器，作為面向輔機變頻調速系統的電壓擾動發生源。

在不可控整流電路和逆變電路之間設置升壓電路，VSG可模擬電壓中斷、暫升、暫降等故障情況。同時，在直流側設置升壓電路，相較于利用變壓器進行升壓的方式，在輸出容量相同的情況下，占用體積更小，電壓由穩態切換至暫態的時間更短，可達微秒級。整體的設計相較于采用可控整流電路和逆變電路組成的VSG來說，控制算法簡單，發熱量低，且硬件成本低（如圖1所示）。

圖1 VSG的電路原理圖

1.2 輔機變頻調速系統

火電機組的變頻調速系統用來調控交流三相電動機的轉速，由電力設備（包括變頻器、交流電動機）和控制設備（包括開關控制、繼電器、電壓/頻率/電流控制、觸發系統、保護、狀態監控、通訊、測試、診斷、生產過程接口/端口等）組成。

設定電力生產輔機變頻調速系統，包括變頻器、變頻器所服務的電力生產輔機設備、輔機設備所處生產環境，以及輔機設備所在生產線的特定化工藝作為研究目標，從支撐性能、聯動性能、安全性能等多角度，評測電源側電力生產輔機變頻調速系統的高、低電壓穿越能力，以及對負荷側電力用戶的用電安全影響。

1.3 抗電壓擾動設備

抗電壓擾動設備由監控及顯示單元、抗電壓擾動模塊（LVP模塊）、主監控單元（MASTER）、電力監測專用軟件、直流配電回路、控制回路不間斷電源（UPS）等組成，設備如圖2所示。

圖2 抗擾動設備示意圖

模塊化設計使得配置方式靈活，主要單元支持熱插拔N+1冗余配置，與其他部分相對獨立，無相互干擾或影響。人機界面友好，功能完備，方便操作。一體化設計減少占地空間，方便安裝調試。防護等級高，適合惡劣環境長期穩定運行。

2 系統工作原理

建立以直流支撐技術為依據的抗電壓擾動系統，在出現電壓擾動時，確保輔機變頻調速系統的轉速、功率、轉矩不變。

2.1 組成框架

抗電壓擾動系統分為數據庫內核和外設接口兩大部分，數據庫內核負責完成信息的處理、功能控制等內容，I/O接口負責外設之間的連接和通信。其組成框圖如圖3所示，主要由主監控單元、人機交互單元、電壓擾動保護模塊、儲能單元、充電單元、執行單元、交直流監測單元等組成。

圖3 抗電壓擾動系統組成框圖

主監控單元負責監測交、直流電壓/電流、電壓擾動時間、充電系統運行狀況、儲能單元運行狀況、電壓擾動保護模塊運行狀況等信息，并依據監測信息控制執行單元的動作。支持與HMI觸摸屏、DCS系統通訊，并支持與MFT動作聯鎖等。

電壓擾動保護控制模塊由濾波單元、BOOST升壓電路、保護電路、逆功率防護模塊等組成。將儲能單元輸出電壓維持在一定范圍內，支持冗余配置。

人機交互單元能夠在觸摸屏上顯示、記錄和查詢交、直流電壓/電流信息、趨勢曲線、運行指示、報警指示、SOE記錄等，系統參數可人工設置，支持身份驗證。

充電單元由高頻開關模塊并聯組成，主要作用是為電池充電，浮充/均充模式能夠自動轉換；整流模塊滿足電池組充電、浮充電特性的要求，能承受2Ie以上的短時沖擊電流，并具有軟啟動特性。

2.2 工作原理

該系統輸出直流電源與現有火電輔機變頻調速系統輸入交流動力電源實現變頻器交、直流冗余供電，變頻調速系統控制電源取自廠內UPS或本系統自帶在線式UPS，在變頻器制動端口兩端并聯泄放電阻，為其中間直流回路能夠較好地釋放多余的能量提供通道，從而預防過電壓。

當380V廠用電正常時，低壓輔機變頻調速系統動力電源由廠用電提供，抗電壓擾動系統的輸出直流電源處于熱備用狀態；當380V廠用電壓暫降至系統設定支撐閾值以下時，抗電壓擾動系統自動投入運行，主動提供直流電源，支撐變頻調速系統正常運行，不影響終端電動機的正常運行，直至廠用電再次恢復正常供電時，低壓輔機變頻調速系統動力電源轉由廠用電供電，所有的動作均由系統自動執行，且不對負載有任何影響；當380V廠用電壓暫升至斬波投入閾值以上時，變頻器制動單元通過自動投入泄放電阻將多余能力釋放，從而保證變頻器直流環節電壓維持在正常工作范圍；當抗電壓擾動設備聯鎖動作（MFT動作即主燃料跳閘動作、變頻器停止）時，設備自動轉入熱備用狀態。

3 系統性能研究

搭建系統實驗平臺如圖4所示，將電壓擾動發生器串聯接入被試變頻調速系統及AC 380V動力電源之間；電壓擾動發生器用來模擬發生0%～130%額定電壓擾動信號，作用于被試對象；利用數字存儲錄波器對擾動電壓、變頻器直流母線電壓、變頻器輸出電壓等多個目標進行同步解析，進而判斷被試變頻調速系統高、低電壓穿越能力。

圖4 試驗平臺示意圖

3.1 配置設計

針對各個生產現場的實際狀況，設計了分布式和集中式兩種支撐方案，以滿足不同的實際需求。分布式支撐方案即單套抗電壓擾動設備支撐單套變頻調速系統，該配置方式可保證任何一套變頻器抗電壓擾動裝置出現異常，都不會影響其他變頻器抗電壓擾動設備的正常工作，保障機組變頻調速系統的可靠性和安全性。集中式支撐方案即單套抗電壓擾動設備支撐多套變頻調速系統，這種配置方式操作較簡單，設備資源投入較少。

3.2 性能指標

當外部故障或擾動引起的變頻器進線電壓擾動幅值和持續時間在高、低電壓穿越區內時，見表1，變頻器能夠保障供電對象的安全運行。因此，被試系統順利穿越故障電壓區域的前提即測試系統監測到的高、低電壓穿越性能指標應符合表1的要求，表中Ue為額定電壓。

表1 輔機變頻調速系統高、低電壓穿越區的指標

3.3 試驗結果

當發生380V廠用母線電壓輸入分別改變至額定值的0%、20%、60%、90%、130%時，被測輔機變頻調速系統能夠在穿越支撐時間內持續正常運行。部分實驗結果如圖5、圖6所示。

圖5 廠用母線電壓暫降至額定值60%，維持10s

圖6 廠用母線電壓暫升至額定值130%，維持0.5s

針對傳統火電機組故障電壓穿越能力不足的問題，提出了一種綜合考慮電網側、電源側和輔機變頻器調速系統多方面因素的研究方案，有如下特點：一是設定電力生產輔機變頻調速系統，包括變頻器、變頻器所服務的電力生產輔機設備、輔機設備所處生產環境，以及輔機設備所在生產線的特定化工藝作為研究目標；二是利用電壓擾動發生器模擬生成0%～130%Ue范圍的電網電壓波動；三是模塊化設計，配置方式靈活，根據不同的現場需求，提供了分布式和集中式支撐兩種方案。試驗結果表明，系統的故障電壓穿越性能得到了有效提升，對保障安全生產、促進電力系統“網源協調”具備較好的工程應用價值。