火电机组一类辅机变频器低电压穿越改造技术研究.pdf

研 究 与开 发 火 电机组一类辅机变频器低 电压 穿越改造技术研究 姚新阳 黄学良 顾 1 ．东南大学电气工程学院，南京 2 1 0 0 9 6 ； 文 2 蒋琛 2 唐一铭 2 2 ．江苏方天 电力技术有限公 司，南京2 1 1 1 0 2 摘要 大多数火 电机组一类辅机变频器在输入电压下降到一定程度时都会触发本身的低 电压 保护，导致辅机停机，严重的甚至会导致火电机组停机。因此，保证火电机组辅机变频器能够实 现低 电压穿越刻不容缓。本文在全面调查 了江苏省 内高低压变频器的配置和使用情况的基础上， 阐述了高低压变频器结构，总结了各种低电压穿越改造方案，并分析了各种方案的优缺点。最后 介绍了江苏省 内火 电厂成功改造的典型案例予以参考。 关键词火电机组辅机变频器；转速跟踪再起动；低电压穿越 Re s e a r c h o n t he Lo w Vo l t a g e Ri d e Thr o ug h Re c o n s t r u c t i o n Te c h no l o g y f 0 r F r e q u e n c y Co n v e r t e r o f Th e r ma l P o we r Uni t Aux i l i a r y Eq u i pm e nt Y a o Xi n y a n g Hu an gXu e l i a n g Gu We n Ji a n g Che n T a n g Y i mi n ge 1 ． S c h o o l o f E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g ， S o u t h e a s t U n i v e r s i t y , Na n j i n g 2 1 0 0 9 6 ； 2 ． J i a n g s u F r o n t i e r E l e c t r i c T e c h n o l o g y C o ． ， L t d ， Na n j i n g 2 1 1 1 0 2 Ab s t r a c t M o s t fre q u e nc y c o n v e r t e r o f t he a u x i l i a r y e q ui p me nt o f t he r ma l po we r un i t wi l l t r i g ge r l o w v ol t a ge p r o t e c t i o n whe n t h e vo l t a g e d r o ps t o a c e r t a i n d e g r e e ，l e a d i ng t h e d o wnt i me o f a u xi l i a ry e q ui pme nt o r e ve n t h e t h e r ma l p o we r un i t ．Th e r e f o r e ，e n s u r e t h e l o w v o l t a g e r i d e t h r o u g h f o r a u xi l i a r y e q ui pme nt o f t h e t he r ma l po we r u ni t i s e x t r e me l y u r g e n t ．Ba s e d o n t he c o mp r e he ns i ve s u r v e y o f t h e c o nf i g u r a t i o n a n d u s a g e o f h i g h a nd l o w v o l t a g e f r e q u e n c y c o n ve r t e r i n J i a n gs u Pr o vi nc e ，t h e s t r u c t u r e o f hi g h a n d l o w vo l t a ge f r e q ue n c y c o n ve r t e r i s i n t r o d uc e d ，t h e v a r i o us s ol u t i o ns o f l o w v o l t a g e r i d e t hr o ug h i s s u mm a r i z e d a n a l y z e d a nd t h e a d va n t a g e s a nd d i s a d va n t a g e s of va r i o u s o p t i o ns a r e a n a l y z e d． Fi na l l y t h i s pa pe r i nt r o d uc e s t y pi c a l c a s e s o f s u c c e s s f ul r e f o r m o f t he po we r p l a nt s i n J i a n gs u P r o vi n c e for r e f e r e nc e ． Ke ywor ds fre q ue n c y c o n ve r t e r o f a u x i l i a ry e q u i p m e n t o f t he rm a l po we r u ni t ；s pe e d t r a c k i n g r e s t a rt； 1 O W vo l t a g e r i de t h r o u g h 随着电力电子技术的发展，变频器技术也 日趋 完善，无论是从方便起动和控制辅机的角度 ，还是 从节能环保 的角度，设计单位和发 电企业都提倡和 倾 向于使用变频器。但是，由于电网电压不稳定， 导致变频器在使用中产生了新的问题变频器低压 保护跳 闸 即低 电压穿越 【 1 】 。多数辅机变频器低 电压穿越能力差 ，有些甚至不具备这种能力 。对江 苏省火 电厂正在使用 的辅机变频器调查显示 ，当输 入电压低于 6 0 ％ 时，9 0 ％以上的给煤机变频器会 2 6 l 嘲 l_ l 藏 2 0 1 5 年 第 1 2 期 立即断 电，不立即断电的也仅能继续工作 1 s ；各类 风机变频器在 9 0 ％U N以下 6 5 ％U N以上时会降额运 行，电压小于 6 5 ％ 时会立即跳闸停机 。 近年来 ，由于低 电压穿越能力的缺失，全国火 电厂陆续发生了多起系统瞬时故障造成火电机组停 机的事件，引起系统震荡或解列、大范围停 电减负 荷等，造成了一定的社会和经济影响。江苏省也出 现了多次事故，最近一次为 2 0 1 4年 5月 1 5日，南 京地区一变电所 2 2 0 k V出线电缆故障 ，引起系统电 压波动， 造成 2台 6 0 0 MW 机组、 一台 3 0 0 MW 机组 和几 台地区小机组因给煤机变频器低 电压保护动作 闭锁输 出，联动锅炉全炉膛灭火保护 MF T动作， 机组跳机。 因此，开展火电机组一类辅机变频器低 电压穿 越改造迫在眉睫。 1 低 电压穿越相关概念和技术指标 国家电网对变频器低 电压穿越的定义是变频 器及供 电对象设备外部故障或扰动引起的暂态、动 态或长时间电源进线 电压降低到规定的低 电压穿越 区内时，能够可靠供电，保障供电对象的安全运行。 目前，在 国际上 已建立起的电能质量标准如图 1 所 示 。 Es t a NI s h ed P o we r Ql I - I i S t a n da r ds 已经建立起的电能质 量标堆 t 6 1 0 0 0 1 - 4 4 、 l ＼ ■ l l ＼ ⋯ ■ ■i t , _ - 嚼t ■ 图 1 电能质量标准图 根据 电能质量标准，我国对低 电压穿越区进行 了相应的规定，在 大型汽轮发电机组一类辅机变 频器高、低 电压穿越技术规范 征求意见稿 中， 提出了三个低电压穿越区，并指出变频器在这三个 穿越区内应能稳定工作。见表 1 和图 2所示。 表 1 大型汽轮发电机组一类辅机变频器低电压穿越区 电压跌落 幅度 ≥2 0 ％￡ ≥6 0 ％ U N ≥9 0 ％ 低 电压持 续时 间 ≤0 ． 5 s O ． 5 s ， ≤5 s 5 s 穿越 区 暂态 动 态 稳 态 大型汽轮发电机组一类辅机变频器电源 低电压穿越区 ‘ 衙 牙． j *Ⅸ 怒区 l l 一 太 I I I l l 图 2 大型汽轮发电机组一类辅机变频器低 电压穿越区 2 高压变频器低电压穿越方法 在火 电厂 中，高压变频器主要用于送、引风机、 研 究 与 开 发 一 次 、二次风 机 、凝 泵等 。 2 ． 1 高压 变频 器的结构 经调查，江苏省火 电机组辅机高压变频器多为 级联型 ，如罗宾康公司的完美无谐波变频器 、广州 智光电气的 Z I NV E R T 系列高压变频器等，同时也 有个别电厂采用了西 门子 S I MO VE R TMv中压变频 器 三电平电压源型 。 但级联型高压频器适用于高 电压、大功率的应用场合，且拥有 良好 的输出波形， 因此，受到了广泛关注 ，也得到了迅速 的发展【 2 】 。 图 3是级联型高压变频器的原理 图。图 3是级 联型高压变频器的原理图，主要包括移相变压器、 功率单元等。 电 囊 图 3 级联型高压变频器结构图 每一个功率单元有三相整流和单相逆变 电路组 成，如图 4所示。功率单元输 出端相连，按星形连 接成三相输出，实现变压变频的高压直接输出。 A B C 一 ● - 一 A C l一 s A C - s ． h l s A 【 图 4 功率单元结构图 2 ． 2 转 速跟 踪再起 动 当输入电压降低时，为保持输 出功率不变，高 压变频器要增加输 出电流，一旦输出电流增大到超 过额定电流值 ，便会触发过流保护，严重地甚至会 损毁变频器功率单元。因此，当输入电压在 9 0 ％ 以下 6 5 ％U N以上时会降额运行，电压小于 6 5 ％U N 时会立即跳 闸停机。所 以，高压变频器同样要进行 相应改造，提高低 电压穿越能力。 2 0 1 5 1 2 Q q l l ll t f 2 7 研 究 与 开 发 但是，高压变频器容量较大，同时没有统一 的 直流母线 ，若额外增加 电压支撑或能量支撑 ，设备 成本很大 。因此，在变频器本身低电压 穿越能力不 变的情况下，改进软件实现转速跟踪再起动功能， 从而提高 “ 变频器． 辅机”系统的低 电压穿越能力成 为 目前较为可行的一种方法 。使用转速跟踪再起动 功能，能够使辅机在转速没有降到零 即完全停车 的情况下实现电机重起 ，提高了系统恢复正常的速 度，同时控制起动电流在允许范围内。 如果高压变频器转速跟踪再起动时输 出频率较 高 5 0 Hz 而电动机转子速度很慢，必过流跳闸， 反之，输出频率较低，定子旋转磁场速度低于电动 机转子速度，电动机转子将 向定子反送能量给变频 器 电容充电【 3 ] 。 目前常见的转速跟踪方法如下 1 检测定子反 电势的频率 。变频器失电后，转 子 电流产生的旋转磁场将在定子中感应反电势，检 测定子反电势的频率就可测到转子转速。 2 变频器直流侧最小电流法。给电动机定子一 个频率 由5 0 Hz向 0 Hz 变化且幅值约为 1 0 ％U N的搜 索 电压 ，通过不断检测变频器直流侧的电流来搜索 转子转速，直流侧的电流最小时，定子的同步转速 就接近等于转子转速 。 3 直接测量法。即在 电动机轴上安装转速传感 器 ，直接测量转子转速，从而得出重起频率 。文献 [ 4 ] 采用 了轴编码器结合 P L C 实时跟踪 电动机转速 的方法 ，直接测出电动机旋转速度。 4 V ／ F曲线 电压比较法 。搜索过程中始终保持 定子端的输入 电流为恒定的额定 电流，将变频器输 出电压与 V ／ F 曲线上的电压计算值做 比较，如果二 者相等即意味此时输出频率即为转子频率 。 5 转矩 电流分量最小法。文献[ 5 6 ] 提 出，给 电 动机定子一个频率 由 5 0 H z向 0 H z变化且幅值约为 1 0 ％U N 的搜索电压 ，产生的定子 电流经过矢量分解 可得到转矩 电流分量 。当定子磁场旋转速度与电动 机转子旋转速度相同时， 电流转矩分量理论上为零。 3 低压变频器低 电压穿越方法 3 ． 1 低压变频器结构 低 压变频器 的结构较之于 高压变频器简单很 多，主要 由整流、滤波和逆变三部分组成 。整流部 分一般采用三相不可控整流，滤波部分可采用 电容 或平波电抗器滤波，逆变部分采用三相全桥逆变。 结构如图 5所示。 2 8 l 9 q t l l t 2 0 1 5 g 1 2 期 电 源 进 线 图 5 低压 变频器结 构 图 3 ． 2 低压变频器动力回路典型改造方案 江苏省火 电厂低压辅机变频器大多数采用每 台 一 路 AC 3 8 0 V的配置方式， 只有个别电厂配置有两 路 A C 4 0 0 V的供电线路。实际现场工作中， 在 A路 接触器断开至 B路接触器吸合这一过程中，变频器 有一段掉电时间，尤其是在带载情况下，即便对变 频器进行一定的参数设置后 ，变频器也会停机，需 要重新起动变频器[ 1 。 当变频器输入 电源 降低或失电时，变频器检测 到直流母线 电压降低时，便会触发低 电压保护 。当 电网出现波动或厂用 电瞬间失电时，若变频器 的直 流母线端能保持在运行范围内 约 5 4 0 V ，则变频 器的交流输出电压就可以保持不变[ 8 】 。 1 并联蓄电池 该方案就是在变频器直流母线处加装蓄电池， 其余部分不变动 ，在变频器失电时，给直流母线提 供 电压支撑。如图 6所示。该方案可以实现无扰动 切换，对厂用 4 0 0 V 交流母线没有电流冲击，但工 作时间受电池容量限制。南京国臣公司研发并已应 用的 S GS系列产品便使用了该方案[ 6 】 。 电 源 进 线 图 6 并联蓄电池 2 并联升压 电路 在电网电压发生降落 降落到 2 0 ％9 0 ％U N 时，利用系统残压进行整流升压，并联在变频器直 流母线上作为电压支撑 。如图 7所示。文献[ 9 ] 便使 用的该方案 ，采用多重化 B O OS T 电路作为直流升 压环节 。文献 [ 1 0 ． 1 1 ] 将该方案应用 于邯郸市某火 电厂 。 电 源 进 线 图 7 并 联升压 电路 该方案可实现无扰动切换，可确保电压跌落至 2 0 ％U N时间大于 1 0 s及 2 0 ms短时中断时变频器正 常运行，但对厂用 4 0 0 V 母线有电流冲击 ，因此这 种改造方案只适合于较小功率辅机变频器的改造， 不宜在大型辅机变频器改造方案中广泛采用[ 】 。 3 并联升 压 电路 加少量 蓄 电池 该方案是将前两个方案相结合 ，一方面可以增 加蓄 电池的工作时间，另一方面可 以扩大升压电路 对直流母线 电压进行支撑的范围。如图 8所示。本 系统需停机维护时， 可完全 自交流输入及负载隔离， 此 时即能执行 维护工作 ，完全不会影 响负载 的运 作[ 。 电 源 进 线 图 8 并联升压电路加少量蓄电池 4 并 联升压 电路 加厂 内保 安 电源 该方案将保安电源作为升压电路的输入 ，与变 频器的电源无关，也不需要使用额外的蓄电池组 。 如图 9所示。该方案与保安电源共用 电池组，所 以 便于集中式管理，减少 占地空间，降低 电池使用量， 减少 电池维护工作量。文献[ 1 4 1 所述 的大庆石化热 电厂低 电压穿越改造就采取该方案。 电 源 进 线 图 9 并联升压电路加厂内保安电源 5 串联 UP S 该方案将电源进线接入 UP S ，由 U P S给变频器 供电。 如图 l 0 所示。该方案能够保证变频器在任何 研 究 与开 发 情况下都能稳定供电，供电电源经过 UP S后，输出 端的电能质量甚至能有所提高。 但 由于 U P S是串入 线路中，所以增加 了线路的故障点。 图 1 0串联 UP S 6 串联升压 电路 前述所提方案均是保持变频器原有内部接线不 变， ． 只是将变频器 内部的直流母线引出，并联直流 电压支撑。 该方案需要改造变频器内部接线方式，在变频 器 中的整 流单元 与逆变单元 中间串接升压 电路单 元 ，控制逆变单元输入电压大小。如图 1 1 所示 。文 献[ 1 5 1 6 】 均是采用 的该方案 。该方案改造方法较为 复杂，涉及到变频器内部，需要和变频器生产厂商 进行沟通和合作 。 变频器 ． 整流 逆变 A A B DC BOOS T DC B C C 图 l l 串联升压电路 3 ． 3 低压变频器控制回路典型改造方案 低压变频器控制单元供 电多取 自变频器的交流 进线端 ，一旦电网电压波动，控制单元工作电压随 即丢失，变频器势必引发故障报警 。 由于控制 电源所需电源容量较小， 目前主要是 使用厂 内白备 U P S 或者另外使用专用UP S 对变频器 控制回路进行保护，同时需要将变频器原有控制 电 源用 3 8 0 ／ 1 0 0 V 变压器进行更换以适用于 2 2 0 V 电 压，即可保证控制 回路不断 电。如文献[ 1 7 】 便采用 降压变压器 DY B与小型不间断电源 UP S ，UP S输 出 2 2 0 V 交流 电给变 频器控制柜供 电，改造 效果 良好 。 3 ． 4 成功改造案例 1 并联蓄电池方案 南通某发电厂 2 0 1 5年 l 一2月完成 4台6 0 0 MW 机组部分给煤机变频器的低电压穿越改造工作并投 入运行，具体为每台机组的 D、 E 、 F给煤机变频器， 共计 1 2台变频器。动力回路采用 3 ． 2节中并联蓄 电 池方案，控制回路使用 3 ． 3 节所示方案。 经试验，厂用母线电压跌至 0 ％U N 、2 0 ％U N 、 6 0 ％U N 、9 0 ％U N ，维持 6 0 s ，期间低电压穿越系统 I 2 0 1 5 年 第1 2 期 电． 1 l 麓， I I l 2 9 电源进线 研 究 与开 发 注入 4 8 0 V 直流 ，给煤机变频调速系统正常工作。 在 2 0 1 5年 2月 2 3日晚上七点一刻左右该厂 2号机 组大负载起动，瞬间将交流母线电压拉低至 3 3 8 V， 低电压穿越系统做 了有效支撑。 2 串联 UP S方 案 镇江某 电厂 2台 I O 0 0 MW 机组，于 2 0 1 4年 1 0 月利用{j} l 机组检查性大修 的机会，对给煤机 电源进 行低 电压穿越改造。 动力回路采用 3 ． 2节中串联 U P S 方案，每台给煤机对应配置一套 U P S ，一台机组共 增设 6套 U P S 。 改造完成后 ，逐台拉开各 UP S交流输入电源 ， U P S通过直流母线电源逆变输出，测量 U P S输出电 压 ，3 5 mi n后恢复 UP S交流输入 电源 。拉开、合 上交流 电源瞬间以及失去交流 电源期间，变频器与 给煤机运行无任何影响。 4 结 论 本文对火电机组一类辅机高低压变频器的工作 原理、低 电压穿越 问题的研究现状及改造方案进行 了阐述与总结。 对变频器进行低 电压穿越能力改造， 应根据变频器及负载特性，对变频器进行合理参数 设置和改造，保证机组不会 由于辅机输 出转矩的波 动导致机组出力大范围波动甚至停机 。对于高压变 频器 ， 尽量采用具有短时跟踪再起动功能的变频器。 对于低压变频器，要根据负载大小、电动机容量及 补偿时间，综合考虑成本和效益，选择最优改造 方案。 参考文献 【 1 】 庞胜汉，江伟．防低电压穿越装置在给煤变频器上 的应用[ J ] ．电气技术， 2 0 1 3 3 8 9 ． 9 3 ． [ 2 】 吕艳辉．器无速度传 感器矢量控制系统 的研究[ D] ． 长沙湖南大学， 2 0 1 3 ． [ 3 ] 陈琼．H 桥级联型高压变频器的[ D】 ．长沙湖南大 学， 2 0 1 0 ． [ 4 ] 蒋世用，成凌飞，李金格．高压变频器瞬时失电再 3 0 l t q t t l lt 2 0 1 5 1 2 期 起动的新型实现方法【 J ] ．煤炭工程， 2 0 1 2 2 1 2 - 1 4 ． [ 5 】 王宏英，龚世缨．电机重起 动的控制策略[ J ] ．电气 传动， 2 0 1 3 ， 4 3 7 6 8 7 1 ． ‘ [ 6 】 尹彭飞，周加胜．高压变频器的 “ 飞车起动”及 “ 星 点漂移”功能[ J ] ．变频器世界， 2 0 0 8 5 6 3 - 6 6 ， 8 5 ． [ 7 】 唐颖倩．给粉机变频器低 电压穿越改造方案对 比及 实施[ J ] ．科技风， 2 0 1 5 3 8 9 - 9 0 ． [ 8 】 盛小桥，王傲林，周林．低 电压穿越技术在 1 0 0 0 MW 机 组给 煤机变频器上应用 [ J 】 ．中国 电业 技术版 ， 2 0 1 5 2 5 2 - 5 4 ． [ 9 】 张祖平，董永乐．火 电厂低压变频器低电压穿越的 影 响及理论分析[ J ] ．内蒙古科技与经济，2 0 1 5 1 7 1 - 7 2 ． [ 1 0 】刘耀中，苗英俊， 张学谦， 等． 火电厂辅机变频器低 电压穿越改造设计[ J 】 ． 舰船防化， 2 0 1 4 1 4 2 - 4 7 ． [ 1 1 ]郑安．电厂变频器用低电压穿越 电源研究[ D 】 ．北京 华北电力大学， 2 0 1 4 。 [ 1 2 ]杨宝峰，陶军， 董永乐，等．火电机组辅机变频器低 电压过渡能力测试研究[ J ] ． 内蒙古电力技术， 2 0 1 4 ， 3 2 4 1 0 1 5 ， 2 3 ． [ 1 3 】师迎新，胡坤，陈文波．基于电网安全的火电厂辅 机 低 电压 穿越 装 置 应用 [ J ] _河 南 电力，2 0 1 3 2 1 2 ． 1 5 ． 【 1 4 ]王 昌． 低 电压穿越技术在石化热 电厂的应用[ J ] ．电 气应用， 2 0 1 5 3 4 0 ， 4 3 ． [ 1 5 ]Wa n g Xi a o y u ， T a o Z h a n g ， S h u L i u ， e t a 1 ． Ri d e t h r o u g h f o r i mp o r t a n t a u x i l i a r y e q u i p me n t d r i v e i n v e r t e r [ C] ／ ／ P o we r a n d E n e r g y E n g i n e e r i n g Co n f e r e n c e ，2 0 1 3 1 5 ． [ 1 6 ]Mo n t e r o - He r n a n d e z O C， E n j e t i P N， “ Ri d e t h r o u g h f o r c r i t i c a l l o a d s ， ”I EEE T r a n s ． I n d u s t ry Ap p l i c a t i o n s ， 8 6 ， P P ． 4 5 - 5 3 ， 2 0 0 2 ． [ 1 7 】栗向鑫．火电机组辅机低 电压穿越 问题研究[ J ] ．华 北 电力技术， 2 0 1 4 1 0 4 3 ． 4 7 ． 作者简介 姚新 阳 1 9 9 1 一 ，女 ，东南大学在读硕士研究生，研究方向为电力 电子 。