火电厂辅机变频器低电压穿越电源的设计.pdf

第 4 8卷 第 1 1期 2 01 4年 1 1月 电 力 电 子技 术 P o we r El e c t ron i c s Vo 1 ． 4 8，No ． 1 1 No v e mb e r 2 0 1 4 火电厂辅机变频器低电压穿越电源的设计 刘耀 中 ，马永 岗 ，王 国庆 ，杜 建斌 1 ． 中国船舶 重工 集 团公司第 七一 八研 究所 ，河北邯郸0 5 6 0 2 7 ； 2 ． 河北 钢铁 集 团邯 郸钢 铁 公司 中板厂 ，河北邯 郸0 5 6 0 1 5 摘 要 变频 器 的低 电压 穿越 L V R T 改 造 ， 是对 火 电机组 稳定 运行 和 电网系统 安全 性的有 力保 障。 此处 总结 并分 析 了现 有 的 5种 L V R T改造 产 品和技 术 的特 点及 各 自的优 缺 点 。设计 了一 种全 电力 电子 变换 的变 频器 L V R T 电源装置 ， 平时处于后备运行方式 ， 电网发生低 电压跌落时， 对变频器直流母线输出 5 0 0 V电压 ， 保障变频器 持续稳定运行 l 0 s 。实验结果验证 了加装变频器 L V R T电源装置 的辅机变频器具备 L V R T能力 ，满足设计指 标。理论及实验结果为进一步拓展到其他行业领域中提供了技术参照和支撑 。 关键词 变频器；低 电压穿越改造 ；低电压跌落 中图分类号 T M 9 2 1 ． 5 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 0 1 0 0 X 2 0 1 4 1 1 - 0 0 1 3 一 O 3 A De s i g n o f Lo w Vo l t ag e l de Thr o ug h Po we r S upp l y Bas e d o n The r ma l Po we r Pl a nt Au x i l i a r y Tr a ns du c e r L I U Ya o z h o n g ，MA Yo n g g a n g ，WANG Gu o q i n g ，DU J i a n - b i n 1 ． T h e 7 1 8 R e s e a r c h I n s t i t u t e o fC S I C，Ha n d a n 0 5 6 0 2 7，C h i n a Ab s t r a c t T h e l o w v o l t a g e ri d e t h r o u g h L V R Tr e f o r m i s t h e s a f e g u a r d o f the s t a b l e o p e r a t i o n o f th e r ma l p o w e r a n d g r i d s y s t e m s e c u rit y ． T h e c h a r a c t e ris t i c s ． a d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e s of fi v e L VRT r e f o rm e d p r o d u c t s a n d t e c h n o l o g i e s a r e s u mma ri z e d a n d a n a l y z e d ． A L VRT p o w e r s u p p l y wh i c h u s e d f u l l p o w e r e l e c t r o n i c c o n v e r s i o n i s d e s i g n e d w h i c h u s u a l l y r u n s i n b a c k u p mo d e ． T o p r o t e c t c o n t i n u o u s a n d s t a b l e o p e r a t i o n 1 0 S o f t r a n s d u c e r ， 5 0 0 V v o l t a g e h a s t o b e u s e d o n D C b u s wh e n t h e g r i d l o w v o l t a g e d r o p O c c u r s ． E x p e rime n t a l r e s u l t s v e rif y t h e a u x i l i a r y t r a n s d u c e r w i t h t r a n s - d u c e r L V RT p o w e r s u p p l y h a s the a b i l i t y o f L VRT． T h e o r e t i c a l a n d e x p e r i me n t al r e s u l t s p rov i d e s a t e c h n i c a l r e f e ren c e a n d s u p p o r t f o r t h e f u rt h e r e x p a n d e d i n t o o t h e r i n d u s t ri e s ． Ke y wo r d s t r a n s d u c e r ；l o w v o l t a g e rid e t h r o u g h r e f o r m；l o w v o l t a g e d r o p 1 引 言 变频器 是火 力发 电中重 要 的低 压辅 机设 备 ． 但 国内大 多数火 电厂辅机变 频器 的 L VR T能力很 差⋯， 在 电网系统故 障时将 闭锁退 出运行 ， 给 锅炉 安全监 控系统 发 出给 煤粉机停 止 的开关量信 号 ， 启动主燃料跳 闸动作 ， 造成给煤粉机系统停机 ， 煤 粉锅炉灭火 。这种非计划停炉将给 火 电厂带来很 大的经济损失。是电网运行中一个重要的安全隐 患 。因此 ， 提 高火 电厂辅机变频器 的 L V R T能力 ， 对于保障火 电机组 的稳 定运 行和 电网系统 的安全 性具有重要意义 。 此 处 在 分析 现 有 产 品和 技 术优 缺 点 的基础 上。 设计了一种变频器 L V R T电源装置。 在模拟 电 网低 电压跌落故障的情况下 ．得到了变频器 L v R T 定 稿 日期 2 0 1 4 0 6 0 3 作 者 简介 刘耀 中 1 9 8 5 一 ， 女 ， 河北秦 皇 岛人 ， 硕 士 ， 工程 师 ． 研 究 方 向 为 电 力 电子 。 电源装置 工作 的 曲线 ．实验验证 了装置具有保障 火 电厂辅机变频器 具备 L V R T的能力 。此处介绍 的设计 思想 ，同样适用 于其他行业领域 的变频器 L V R T改造 ， 具有广泛的推广意义。 2低 电压 穿越 改造 方案 分析 1 借鉴 风 力 发 电 系统 和 光伏 发 电 系统 的低 电 压 保 护策 略针 对风 力 发 电系 统和 光伏 发 电系 统 。某公司在 电网运行准则 中对并 网发 电设备做 出了明确的技术规定【 2 J ， 目前 已有大量 的科研 单位 和企业针对 L V R T问题展 开研 究 ，相继分析故 障 原 因 。 并提 出 了保护策 略【 s 。但其在 辅机设备 的 电路拓扑结构 、功率等级等 多个方面 与火 电系统 均有差距． 其 L V R T改造方案不适用于火电系统。 2 更 换 辅机 变频 器 为 A V T 7 1变频 器 该 变 频器具有抗 电压扰动和 电源 电压降至 5 0 ％额 定 电 压不跳 闸的功 能[ 5 ] ． 更换 后经过现场 带载实验 ， 变 频器输入 电压下降至 2 0 2 V时，变频器仍 能连 续 长时 间稳定运行。但 A T V 7 l变频器在 电网 电源跌 1 3 o口 11 2 0 1 4年 1 1月 ／ J 丁杖个 P o we r E l e c t r o n i c s 落至 2 0 ％额定电压 时会 出现欠压或过 流报警 。故 更换辅机变频器不但不 能满足 L V R T改造 的技术 要求 ， 还将造成 资源上 的浪费。 3 对 辅 机 变频 器控 制 系统 进 行 改 造 ① 目 前 国内火 电厂辅机变频器 的主备双路 电源 系统均 取 自同一个 1 0 k V厂用变压器 ，一旦 网源侧发 生 故障而产生低 电压跌落 ，双路 电源将 同时发 生幅 值相 同的跌落 。即便是将接触器更换 为速度更快 的电源转换开关 ，也无法完全避免辅机变频器 的 低电压停机； ②将变频器进行免跳闸强化设定， 在 瞬时的短暂停 电后迅速恢复 时，可保证变频器不 发生跳 闸停机 。但在恢复通 电后存在变频器 自动 重启而引起 炉膛爆炸 的安全隐患。 4 加 装抗 晃 电 D C ． B a n k系统 电网 电源发 生低 电压 跌落 时，抗晃 电 D C B a n k系统通过控制 切换 装置 实现 蓄 电池组 对变 频器 直 流母 线 的放 电。 该方案需要定期进行繁杂 的维护工作 ， 较大 的 体积给现场布置带来 困难 ．火 电厂夏天 的高温会 降低蓄 电池组 的安全系数和使用寿命 。该方案现 场应用具有局 限性。 5 使 用 交 流 在 线 式 不 间 断 电 源 U P S 作 为 变频 器 的供 电设备 交流在 线式 U P S串联于 电 网电源与辅机变频器输入端之间 ．这种 串联方式 增加了整个辅机系统的故障率。而且受限于交流 在线式 U P S的容量 ， 投 资成本 非常 高 ， 内置 的蓄 电池也增加 了使用的局限性 ， 性价 比很低。 经过 分析 ，在火 电厂辅机 变频器 的 L V R T改 造 中 ，上述 5种方案或不 能从根本上 解决 L V R T 问题 ， 或在现场应用 中具有局 限性 ， 或带来新 的安 全 隐患 。因此 ， 寻求一种满足技术指标要求 、 性能 安全可靠 的 L V R T改造方案迫在眉 睫。 3变频 器低 电压 穿越 电源的 设计 变频器低 电压主要 是指交流 电源经 过不可控 整流后得到 的直流母线上的低 电压。采用给变频 器直流母线加装 如图 1所示 的变频器 L VR T电源 装置 。 当电网电源发生低 电压跌落时 ， 该装置使用 A C ／ D C ／ D C变 换 快 速 将 变 频 器 直 流 母 线 电压 稳 定 ， 使变频器持续稳定工作 。 该装 置的主 电路先经 AC ／ D C变换 ， 即将 电网 电源经 过交流 接触 器 K M ， K M 和 上 电缓 冲 电阻 ～ ，组成 的上 电缓冲 电路 ；接 入三相不可控 整 流桥 V C ； 后经 D C ／ D C变换 ， 即经过大电容 c ～ c 4 滤波 后连接 至升压 电路 ． 升 压 电路 的核心元件 为 两单元 I G B T模块 ， 选 用 v 作为升 压 电路 的开关 1 4 元 件 ， V D 作 为 续 流 二 极 管 ；最 后 接 入 一 单 元 I G B T模块 V 和二极管 V D 一 V D 组成 的控制 隔离 输 出电路。 L N 扦 日 ] 竺 lI P wM控制电路l 卜 _ J 变 频 器 LV RT 电源 图 1 变频 器 L V R T电源装 置原 理图 F i g ．1 S c h e ma ti c d i a g r a m o f t r a n s d u c e r L VR T p o we r s u p p l y 装置 的控制 电路和变频器 的控制 电源 均 由装 置 的控制 电源供 电。由电网电源 、 U P S和 电源转换 开 关 S T S 构成 。将 电网电源作 为 S T S的首选 电 源 ． U P S作为 S T S的备用 电源。 变频器 L V R T电源装 置的工作过程如下 该装置投入运行后 ． 当电网电源在 3 8 0 V 9 0 ％～ 1 0 0 ％ 时 ， 即 3 4 2 3 8 0 V范围 内时 ， 变频器 自身能 够保持 正常运行 ， 此时控制 电路控制开关 元件 V 和 V 均关断 ， 变频器 L VR T电源 装置 的直流输 出 为零 ， 不对辅机变 频器输 出 ， 处于后备运行 方式 。 此 时装置 的控制 电源采用首选 电源供 电。 当电网 电源发 生低 电压 跌落至 3 8 0 V 2 0 ％～ 9 0 ％ 时 ， 即 7 6 3 4 2 V范 围内时 ， 变频器 L V R T电 源装置 的控制 电路实时监测到此 电压跌落 。并快 速启动工作 ， 控制升压 电路 内的 V 根据 电压 跌落 情况动态调整 占空比 ．保证变频器 L V R T电源 装 置 的直流输 出电压 稳定在 5 0 0 V；同时控制 V 开 通 ． 隔离输出 电路在 电压跌落 的瞬 间启动工作 ， 将 变频器 L V R T电源装置 的 5 0 0 V 电压输 出到变 频 器直流母线 ， 从而将变频器输出功率 、 电机 转矩 和 电机转速均保持在 正常状态。此时装置的控制 电 源采用备用 电源供 电。 将升压 电路 设置为 电感 电流连 续导通 模 式 ， 这种模 式较 电感 电流断续模 式下 的功 率损耗 、 尖 峰 电流、 谐波失真和电磁干扰均更小一些[ 6 1 。可得 d 2 ／ 1 一 d 、 ／2 d 2 u i ／ 1 一 d 。 1 式中 ‰为输入电源电压 ； 为输入 电源 电压经不可控整 流得 到 的直流 电压 ； U o 为装置 的输 出 电压 ； d 。 为 V 的 占空 比， 为保证装置的安全运行， 设置 d 的死区为 0 ． 2， 即 d 。 ∈ 【 0 ， 0 ． 8 】 ； d 2 为 v 2 的 占空 比 ， d 2 ∈{ 0， 1 l 。 M 火电厂辅 机 变频 器低 电压 穿越 电源 的设计 4变 频器 低 电压 穿越 电源 的实验 验证 搭建 了一 台变频 器 L V R T电源装置 ．加装 于 带额定 负载运行 的辅机 变频器直流母线处 ．并使 用低 电压跌落装 置进 行模拟 实验 。 变频 器 L V R T电源 装置 的主 要参数 总功 率 2 5 k W； u _m 范围为 7 6 ～ 3 8 0 V， U o 5 0 0 V；升压 电路的 开 关元件 V 选用 F F 8 0 0 R 1 7 K E 3模 块 中的下管 I G B T， 工 作 频 率 3 0 k H z ； 电感 2 0 0 H， 最 大 电流 2 0 0 A 工 作频 率 3 0 k Hz 控 制 隔离输 出电路 的开 关 元件 V 选用 F Z 4 0 0 R 1 7 K E 3模 块 。设置 当装 置 的输 入 电源 电压 发生跌落 时 ， V 和 V 同时开通 ， 工作 1 0 s 后 同时关闭。 使用低 电压跌落 装置模 拟 电网 电源 由 3 8 0 V 跌落至 1 0 6 V的情 况 ， 图 2示出实验波 形。 t ／ 2 s ／ 格t ／ 3 3 u s ／ 格 a 装 置 的输 入 、 输 出 电压 b 输 入 电 压 ，Vl 和V 2 启 动 电压 图2 实验波形 F i g．2 Ex pe r i me n t a l w v e f o n ns 由现场实验可得 当发生低 电压跌落后 。 辅机 变 频器始终保持稳 定运行 ．直至变频器 L V R T电 源 装置启动工作 1 0 s后停止工作。 由图 2 a可 知 ． 变频 器 L V R T电源装 置在检测 到 电网 电源跌落时 ， 快速 启动工作 ， 保 持输 出电压 工作于 5 0 0 V，工作 持续 时间为 1 0 s 。图 2 b为低 电压跌 落 瞬 间 V 和 V 启 动 工作 电压 波 形展 开 图。V。 和 V 在输入 电源跌落后 同时启动工作 ， 变 频器 L V R T电源装置对变频器直流母线输 出。 当检 测到装 置 的输入 电源 电压跌落 至 3 4 0 V 以下 ，经 8 2 ． 5 s后 ， V 。 和 V 几乎 同时启动 了工 作 ， 误 差不超过 2 t z s ， 具有 非常好 的同步 性。V 启 动工作后 。实验波形为工作频率 3 0 k H z ．工作周 期 3 3 s ， d 1 O ． 7的方波 ， 可根据 式 1 计算 得到 ， 在跌落至 1 0 6 V的情况 下 ， U o 5 0 0 V， V 启动工作 后 ， d 2 1 。 与装置 的参数设计一致 。 实验结果表 明 ，当 电网 电源 发生低 电压跌落 时， 变频器 L V R T电源能够在 8 2 ． 5 s快速启 动工 作 ， 将输 出 电压 稳定 于 5 0 0 V， 并持 续工 作 1 0 s ， 变频器输 出功率 、电机转矩和 电机转速在 这一过 程 中始终保持在正常状态。 5 结 论 结 合火 电厂 辅机变频器低 电压穿越 改造 的技 术要求 ．总结现有五种低 电压 穿越 改造技术的特 点 ， 并详细对其优缺点加 以分析。设计 了一种 A C ／ D C ／ DC全 电力 电子变换 ．不含有蓄 电池的变频器 低 电压 穿越 电源装置 ，该装 置平 时处于后备运行 方式 ， 在 电网发生低 电压跌落时 ， 快速 响应并启动 工 作 ． 将 变频器直流 母线稳定 于 5 0 0 V， 使变频 器 持续稳 定工作 1 0 s 。测试 了装置在低 电压 跌落时 的输 入输 出电源波 形 和 核心 开关 元件 的启动 波 形 ． 由研究结果得到 以下结论 实验结果满足设计 指标 ．额 定负载运行 的辅机变频器在加装变频器 低 电压 穿越 电源 后 ，当 电网电源发生低 电压跌落 时 ， 变频器低 电压穿越 电源装置能够在 8 2 ． 5 s 快 速 启动工作 1 0 s ．将输 出 电压稳定 于 5 0 0 V输 出 给变频器 直流母 线 。改造后 的辅机变频器具备低 电压 穿越 的能力 。该产 品的设计 同样可应用于钢 铁 、 化工 、 冶 金等行业 ， 并具有一 定 的实用 价值和 推广意义 参 考文 献 【 1 】 张真 ， 张旭 ， 徐兴伟． 东北改造火 电辅机低 电压穿 越 能力[ N ] ． 国家 电网报 ， 2 O l 1 1 1 2 3 8 ． 【 2 ] 国家 电网 公 司 ． Q ／ G D W3 9 2 2 0 0 9风 电场 接 入 电网 技 术规定【 S 】 ． 北京 中国电力出版社 ， 2 0 0 9 ． [ 3 】 关宏亮 ， 赵海翔 ， 王伟胜 ， 等． 风 电机组低 电压穿越功 能及 其应 用f J 1 ． 电工技术 学报 ， 2 0 0 7 ， 2 2 1 0 1 7 3 1 77． [ 4 】 周 彬． 基于前馈补偿 的光伏逆变器低 电压穿越控 S d E J ] ． 电力 电子技术， 2 0 1 3 ， 4 7 8 4 9 5 1 ． 【 5 】 赵德玉 ， 王岩 ， 张文海． 应用 A T V 7 1变频器有效解 决给粉 机变频器低 电压跳 闸问题[ J ] ． 变 频器世界 ， 2 0 0 6 ， 1 8 1 2 6 8 7 1 ． 【 6 】 陈登锴 ， 王君 艳 ． B o o s t 功 率 因数校 正器 在三 种 工作 模 式 下特 性 的比较[ J J ． 现代 电子 技术 ， 2 0 0 7 ， 3 0 1 1 1 0 3 - 1 0 5， 1 1 1 ． 1 5