火电厂辅机变频器低电压穿越能力的研究.pdf

电气传动 2014年 第44卷 第11期 火电厂辅机变频器低电压穿越能力的研究 张彦凯， 智勇， 拜润卿， 安亮亮， 梁福波 （国网甘肃省电力公司电力科学研究院， 甘肃 兰州 730050） 摘要 全面统计分析网内大型火电机组辅机变频器的使用情况， 研究变频器的主要参数对低电压穿越能 力的影响， 以提高其低电压穿越的能力。统计甘肃电网内大型火电机组辅机主流变频器型号， 进行火电厂辅 机变频器低电压穿越试验， 得到辅机变频器测试结果。针对不同机组辅机特性以及系统设计， 量身定做， 研究 制定辅机变频器改造方案。 关键词 电压稳定； 低电压穿越； 火电辅机； 变频器 中图分类号 TM614文献标识码 A Research of Thermal Power Plant Auxiliary Machine′ s Converter Low Voltage Ride Through Capability ZHANG Yan⁃kai， ZHI Yong， BAI Run⁃qing， AN Liang⁃liang， LIANG Fu⁃bo （State Grid GanSu Electric Power Research Institute， Lanzhou 730050, Gansu， China） Abstract Based on the comprehensive statistical analysis of large⁃capacity thermal unit auxiliary converters of power grid， the effect produced by the main converter parameters on low voltage ride through capability to enhance the low voltage ride capability of the converters was studied. According to the mainstream converter models for large⁃ capacity thermal unit auxiliaries of Gansu power grid，the thermal power plant auxiliary converter LVRT test was conducted to get the auxiliary converter test results.Aiming to different characteristics and system designs for auxiliary units， the different auxiliary unit converter rehabilitation programs are ulated. Key words voltage stability；low voltage ride through capability； thermal power plant auxiliary machine； converter 作者简介 张彦凯 （1984-） ， 男， 硕士研究生， 工程师， Email 15095424302 1引言 近年来， 发电企业在许多火电机组辅机设计 上大量使用变频器技术， 变频器在实现电机的无 极调速、 辅机软启动、 优化设计、 经济运行等方面 具有极大的优势 ［1-2］。但是， 目前大多数火电机组 的辅机变频器低电压穿越能力较差， 有的甚至不 具备低电压穿越能力 ［ 3 ］ 。近年来火电厂发生多起系 统瞬时故障造成火电机组停机的事故， 原因即为 在短时低电压或短时中断给煤机变频器闭锁退 出运行， 造成炉膛灭火保护 （MFT） 动作停机 ［4-5］。 火电厂由于低电压引发的跳机问题， 引起了国网 公司的高度重视 ［6-7］。本文针对火电机组不具备 低电压穿越的问题， 提出解决方法， 提高火电机 组辅机低电压穿越能力， 保障火电机组与辅机连 续稳定运行。 2典型变频器结构及数学模型 变频器分主回路、 控制及保护回路3部分， 主回路对输入电压进行整流、 滤波， 输出电压和 频率可调的电能， 如图 1 所示。控制回路则主 要根据外部的运行指令进行运算并发出控制指 令对逆变功率模块进行控制， 对于需要更精确 速度或快速响应的场合， 常常要对主回路直流 部分和交流输出部分进行检测运算。保护回路 则用来防止因变频器主回路的过压、 过流引起 的器件损坏， 还可保护异步电动机及传动设 备等。 ELECTRIC DRIVE 2014 Vol.44 No.11 55 电气传动 2014年 第44卷 第11期 电压源型变频器中， 大多采用半桥或者全桥 结构。本文以图2所示的全桥为例进行分析。以 电感电流iL和电容电压uC为状态变量， 逆变桥中 点输出电压us和输出电流i0为输入变量， 系统时域 下的状态方程可列写为 u̇Ct i ̇ Lt 0 1 C 1 L - r L uCt iLt 0 - 1 C 1 L 0 ust i0t （1） 经过拉式变换， 可得到频域下uC的表达式 uC 1 LCs2rCs1us - Lsr LCs2rCs1i0 （2） 式中 负载电流i0可视为外界对系统的扰动。 当系统空载时， 有 Ps uC us 1 LCs2rCs1 （3） 3变频器低电压穿越 3.1变频器低电压穿越问题 近年来电力电子技术的迅猛发展， 使得具有 调速精确、 简单实用、 保护功能齐全的变频器广 泛使用。但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） 。低电压通常都是瞬时和短时 的， 对传统的控制系统影响较小， 而对变频器则 会产生低压保护跳闸导致电机停机， 影响生产和 安全。 3.2辅机变频器低电压穿越现状 目前， 火电厂煤粉炉的给煤、 给粉机、 预热 器、 空冷风机系统成为自动化程度最低的薄弱环 节， 特别是电厂内部控制给煤给粉机、 预热器、 空 冷风机的变频器低电压保护跳闸问题， 对电厂影 响尤为严重。在实际使用过程中， 因为电网发生 低电压穿越或备自投切换时， 厂用电电压瞬时或 短时低于变频器低电压保护整定值 （根据变频器 型号不同该值也不同） 时， 各种低压变频器低压 保护会动作， 并同时会给FSSS （锅炉安全监控系 统） 发出停止信号， 引起MFT动作， 而厂用电和变 频器母线低电压保护整定值通常低于变频器低 电压保护整定值， 线路中的其它设备还在正常工 作， 变频器跳闸， 迫使FSSS停炉， 给电厂带来很 大的经济损失， 也成为现在电厂安全事故的高发 区， 同时也是目前电厂面临的比较大的问题， 只 有很好地解决该问题， 才能保证电厂安全、 可靠、 高效的正常运行， 避免停炉事故发生。 3.3变频器低电压穿越限值要求 当外部故障或扰动引起的变频器进线电压 跌落幅值和持续时间在低电压穿越区内时 （如表 1 和图3 所示） ， 变频器应能够保障供电对象的安 全运行。验证发电机组一类辅机在电网电压跌 落时 （由380 V的额定值分别跌落至额定电压的 20、 60， 持续运行时间分别为0.5 s， 5 s） ， 变频 器正常工作且出力波动不大于10。 3.4变频器低电压穿越接线原理 停用需要测试的火电机组辅机和辅机变频 图2单项全桥逆变电路 Fig.2Single⁃phase inverter full bridge diagram 表1大型汽轮发电机组一类辅机变频器低电压穿越区 Tab.1Large turbine auxiliary drive for a class of low voltage ride through area 图3大型汽轮发电机组一类辅机变频器低电压穿越区 Fig.3Large turbine auxiliary drive for a class of low voltage ride through area 图 1典型变频器结构 Fig.1Typical variable frequency drive structure 电压跌落幅度 ≥20额定电压 ≥60额定电压 ≥90额定电压 低电压持续时间 ≤0.5 s 0.5 s， ≤5 s 长时间运行 张彦凯， 等 火电厂辅机变频器低电压穿越能力的研究 56 电气传动 2014年 第44卷 第11期 器电源， 进行试验接线， 在变频器输入空开两侧 接入电压暂降发生仪 （暂降仪原理见图4） ， 将变 频器输入和输出电流电压信号接入电量分析仪， 对变频器的输出电流电压进行分析。试验接线 原理如图5所示。 在不合变频器输入空开情况下合上辅机变 频器电源， 操作电压暂降发生仪输出正常的电 压， 变频器正常工作后， 运行人员启动辅机电机， 调整辅机负荷。将电压暂降仪调整输出为20， 0.5 s状态， 进行20低穿试验； 将电压暂降仪调 整输出为60， 5 s状态， 进行60低穿试验。 3.5某火电厂辅机变频器低电压穿越测试 图6图9分别是甘肃某火电厂的给煤机及 空预器变频器电压跌落至额定60持续5 s和给 煤机及空预器变频器电压跌落至额定20持续 0.5 s的波形。 如图6所示。当电压暂降仪的输出电压即 给煤机变频器的输入电压跌落至额定60过程 中断电， 给煤机停止工作， 输出功率变为零。图 7中当电压暂降仪的输出电压即给煤机变频器 的输入电压跌落至额定60过程中断电， 给煤机 停止工作， 输出功率变为零， 7 s后自启动。根据 变频器输入电压跌落至额定电压的60， 要求持 续运行时间为5 s， 给煤机与空预器变频器均不 能满足试验要求的电压跌落至60的低电压穿 越能力。 图8中电压暂降仪的输出电压降至20时过 程中断电， 给煤机停止工作， 输出功率变为零， 2.5 s内变频器自启动且电压波动大于10。图9 中变频器在输入电压跌落至额定20过程中断 电， 空预器停止工作， 输出功率变为零， 2 s内自启 动。根据要求， 给煤机与空预器变频器均不能 满足试验要求的电压跌落至20的低电压穿越 能力。 图4电压暂降发生仪原理 Fig.4Voltage sag occurs meter principle 图5试验接线原理 Fig.5Test connection principle 图6给煤机变频器输入电压降至60 Fig.6Stoker converter voltage drops 60 图8给煤机变频器输入电压降至20 Fig.8Stoker converter voltage drops 20 图9空预器变频器输入电压降至20 Fig.9Air preheater voltage drops 20 图7空预器变频器输入电压降至60 Fig.7Air preheater voltage drops 60 张彦凯， 等 火电厂辅机变频器低电压穿越能力的研究 57 电气传动 2014年 第44卷 第11期 4火电厂辅机低电压穿越解决研究 为了很好地解决目前大型火电机组辅机变 频器低电压穿越能力， 达到实际工作的要求， 本 文在研究变频器相关性能的基础上提出了以下 几种解决方案。 4.1蓄电池加静态开关 （SGS） 蓄电池加静态开关的原理如图10所示， 其原 理简单易懂， 可操作性强。主要优点是无扰动切 换， 可由储能单元支持辅机变频器在厂用电中断 或短时压降时连续正常运转。 4.2低电压穿越电源系统 （VSP） 图11为低电压穿越电源系统原理图， 其优点 是变频器的供电能量来自厂用电， 接线简单快 捷， 无扰动切换， 能在电压跌至额定电压的20 大于10 s及20 ms短时中断变频器正常运转。图 12所示的是低电压穿越电源系统加少量蓄电池 的原理图。 4.3厂内保安电源 图13给出了低电压穿越系统加厂内保安电 源方案， 其主要优点是保安电源与蓄电池组嵌 合， 集中管理， 能实现无扰动切换， 可由保安电源 支持辅机变频器在厂用电中断或短时降压时连 续正常运转。 5结论 变频器在提高了机组经济性的同时， 自身的 特性决定了当电源出现大幅波动时， 出于自身保 护的目的， 会退出运行。这将直接导致辅机停 运， 机组出力大幅波动甚至非停， 继而对电网造 成冲击。本文研究制定的4种解决方案， 简便易 行， 针对不同类型不同辅机变频器， 可以择优选 取， 充分考虑了涉及到的交直流电源负载能力、 方案的经济性等因素， 具有极强的可操作性。通 过本文研究成果， 能够解决火电厂辅机变频器低 电压穿越的难题， 提高电源、 电网运行的可靠性 和稳定性。具有较好的经济效益和社会效益。 参考文献 ［1］ 陈学杰， 张大海， 张海瑞. 火电机组变频器的应用研究 ［J］ . 山西电力， 2006 （4） 7-9. ［2］ 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， 2013 （2） 12-13. ［3］ 张东明， 姚秀萍， 王维庆， 等. 含低电压穿越电源的火电厂 辅机变频器的研究 ［J］ .华东电力， 2013 （6） 5-7. ［4］ 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， 2013 （3） 7-9. ［5］ 蔚兰. 分布式并网发电系统低电压穿越问题的若干关键技 术研究 ［D］ .上海 上海大学， 2011. ［6］ 胡坤， 孙岩州， 郑 云， 等.火力发电辅机变频器低电压穿越 装置实际应用 ［J］ .电源技术应用， 2012 （9） 49-51. ［7］ 张文亮， 丘明， 来小康. 储能技术在电力系统中的应用 ［J］ . 电网技术， 2008 （7） 21-23. 图10蓄电池加静态开关原理图 Fig.10Battery plus static switch schematic 图11低电压穿越电源系统原理图 Fig.11Low voltage ride⁃throuch power supply system schematic 图12低电压穿越电源系统加蓄电池原理图 Fig.12Low voltage ride⁃throuch system plus battery schematics 收稿日期2013-12-10 修改稿日期2014-05-12 图13厂内保安电源系统原理图 Fig.13Power plant security system schematic 张彦凯， 等 火电厂辅机变频器低电压穿越能力的研究 58