百萬機組吸風機變頻器低電壓穿越性能的綜合治理

呂兆俊 金文建 張劍峰

摘?要：高壓大容量變頻器的低電壓穿越性能治理是近年來不斷研究、實施的重要新型課題之一。本文分析了百萬機組吸風機大容量變頻器低電壓穿越性能治理的方法及測試方案，為相類似容量變頻器低電壓穿越性能的治理積累了經驗，具有參考價值。

關鍵詞：高壓變頻器;大容量電動機;低電壓穿越

隨著變頻技術在電力系統(tǒng)發(fā)電企業(yè)中的廣泛應用，發(fā)電廠一類高低壓輔機的變頻器在電網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生低電壓穿越時、或者廠用系統(tǒng)發(fā)生故障時是否能夠抵御住電源系統(tǒng)的擾動，將直接關系到發(fā)電廠機組的安全穩(wěn)定運行，也將對這個電網(wǎng)的穩(wěn)定起到關鍵性的作用。高低壓變頻器低電壓穿越性能的治理將是現(xiàn)階段的主要工作之一，其中高壓大容量變頻器的低電壓穿越性能治理又是其重中之重的舉措。

一、概述

2016年國家能源局正式發(fā)布了《發(fā)電廠及變電站輔機變頻器高低壓穿越技術規(guī)范》（以下簡稱“《技術規(guī)范》”）[1]，《技術規(guī)范》中明確要求：

（1）當外部故障或擾動引起的變頻器進線電壓幅值小于額定電壓且大于等于20%額定電壓，且持續(xù)時間小于等于0.5s的瞬時低電壓穿越區(qū)內時，變頻器應能夠保障供電對象的安全運行。

（2）當外部故障或擾動引起的變頻器進線電壓幅值小于額定電壓且大于等于60%額定電壓，且持續(xù)時間大于0.5s、小于等于5s的短時低電壓穿越區(qū)內時，變頻器應能夠保障供電對象的安全運行。

（3）當外部故障或擾動引起的變頻器進線電壓幅值小于額定電壓且大于等于90%額定電壓，且持續(xù)時間大于5s的持續(xù)低電壓穿越區(qū)內時，變頻器應能夠保障供電對象的安全運行。

漕涇電廠是一家建設有2臺1000MW發(fā)電機組的新型火電企業(yè)，每臺鍋爐配置了兩臺吸風機且采用并列運行的方式，吸風機采用東方日立全進口HI系列的6kV高壓變頻器，變頻器容量為8000kVA。該系列變頻器的低電壓穿越功能僅能實現(xiàn)在動力電源電壓幅值跌至75%額定電壓以下時維持2.2s的要求，無法達到《技術規(guī)范》中變頻器在短時低電壓穿越區(qū)的技術標準。

由于當電網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生短時低電壓穿越工況時，1臺機組的兩臺吸風機變頻器可能因這個原因而跳閘，繼而造成機組的跳閘，極端情況時甚至可能造成全廠停電事故。即，在電網(wǎng)發(fā)生低電壓穿越工況、需要大容量機組予以強有力支持的時候，反而由于變頻器的低電壓穿越能力不足而反過來對整個電網(wǎng)又產生了惡劣的影響、加速了電網(wǎng)的惡化狀況，故不管從哪方面說，都必須對吸風機高壓變頻器的低電壓穿越性能進行治理。

二、低電壓穿越性能進行治理方案

一臺變頻器三相共有15臺功率單元，每臺功率單元電源變壓器的原邊接功率單元的三相輸入，副邊接單元控制板。經充分論證，決定在原控制板的直流接口上并接一塊超級儲能板，超級儲能板主要由整流元件和超級電容構成，變頻器正常時超級電容被充滿電，實現(xiàn)充電儲能功能。當電源恢復后，超級儲能板將再次捕獲能量吸收被充滿電，控制板則繼續(xù)由輸入電源供電。此種方案可以保證在整個低電壓穿越過程中控制板件保持正常工作狀態(tài)。

三、低電壓穿越性能治理方案中的其他問題說明

（一）低電壓穿越期間的變頻器過流問題

電網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生低電壓穿越時，變頻器動力電源側的電壓元件可以在10ms以內檢測到并觸發(fā)低電壓穿越功能，隨后立即停止變頻器的輸出。此時由于變頻器移相變壓器和功率單元直流電容的儲能作用，此時實際輸出電壓并沒有發(fā)生變化，也不會觸發(fā)變頻器過流單元動作。

（二）變頻器電源側電壓的小幅波動問題

鑒于超級電容并聯(lián)在原控制板上，控制板件內部DC轉化芯片采用了寬電壓設計（5.5V～60V），變頻器電源側電壓的小幅波動引起超級電容的充放電電流是在電容允許范圍之內的，故不需要考慮變頻器動力電源的正常波動給超級電容帶來的影響。

（三）超級電容的壽命問題

超級電容僅在電網(wǎng)系統(tǒng)中發(fā)生低電壓穿越時使用，在變頻器正常工作時超級電容幾乎無充放電過程（變頻器電源側電壓正常波動時，超級電容的充放電電流非常小），故超級電容內部溫度穩(wěn)定，其發(fā)熱也可忽略，對超級電容的壽命無影響。同時，根據(jù)超級電容廠家提供的技術資料，超級電容充放電次數(shù)可達百萬次，遠大于功率單元上電解電容的壽命。

（四）超級電容的保護設置問題

超級電容并聯(lián)在原控制板上，其相關的保護功能均由控制板實現(xiàn)，超級電容本身僅包含限流及過壓保護功能。同時超級電容是物理方法儲能不同于二次電池，不發(fā)生化學反應，其利用活性炭表面粒子的物理吸附實現(xiàn)儲能，因此不需要配置低壓過放電保護。

四、低電壓穿越性能治理后的驗證試驗

（一）常規(guī)測試方案

方案1：在變頻器控制板的電源側增加小開關。在變頻器控制板的輸入電壓檢測端設置一個開關，變頻器正常運行后斷開此開關，變頻器控制板檢測不到電源的二次電壓，以此用來模擬變頻器進入了瞬停狀態(tài)。5s后合上此開關，變頻器控制板檢測到電源的二次電壓恢復正常，即模擬變頻器瞬停狀態(tài)結束，此時觀察變頻器如能不報“重故障”而重新啟動成功，即表明變頻器的低電壓穿越性能正常。該試驗方案存在一定的缺憾，即其僅在變頻器電壓檢測處模擬二次電源失電，考驗了變頻器的控制邏輯判別能力，但變頻器的主電源實際并沒有發(fā)生跌落，變頻器的一次功率單元未能收到真正的考驗。

方案2：在變頻器輸入側設置一套電網(wǎng)跌落模擬器，在變頻器正常時模擬電網(wǎng)電壓的跌落（電壓跌落時間可進行設定，時間過后自動恢復系統(tǒng)電壓），用以觀察變頻器的低電壓穿越性能是否正常。

方案3：在變頻器的電源輸入側設置一套高壓變頻器作為被測高壓變頻器的電源，實驗時電源模擬高壓變頻器先按照正常運行電源電壓給被試高壓變頻器供電，隨后按照《技術規(guī)范》的要求模擬被試高壓變頻器經受低電壓穿越的全過程，用以觀察其穿越性能是否正常。

方案4：在運行中將變頻器從A段母線切換為B段母線，切換時間為5s，用以觀察變頻器的低電壓穿越性能是否正常。需說明的是，由于開關切換可能引起瞬時過電壓，為安全計，需在變頻器輸入側增加一組過電壓吸收器。

（二）各測試方案的優(yōu)劣比較

方案1：僅在變頻器電壓檢測處模擬失電，變頻器主電源實際沒有發(fā)生跌落，對變頻器功率單元未能實現(xiàn)考驗;方案2：該方案僅適用于小容量的變頻器。吸風機變頻器的容量為8000kVA，無合適容量的電網(wǎng)電壓模擬跌落器進行試驗;方案3：兩臺吸風機、兩臺同容量的變頻器，可實現(xiàn)測試的要求;方案4：測試的風險較大。

五、結語

百萬機組火力發(fā)電廠中的吸風機在采用變頻控制以后，節(jié)能效果為發(fā)電企業(yè)帶來了豐厚的效益，但是高壓變頻器（尤其是全進口變頻器）在低電壓穿越能力上的短板日益顯現(xiàn)，做好吸風機等一類輔機變頻器的低電壓穿越性能治理工作就顯得尤為重要。本文重點通過對吸風機變頻器低電壓穿越性能治理的硬件手段、大容量變頻器低電壓穿越性能測試的方案進行分析，確認了性能治理的總體思路和具體方案，大大提高了高壓變頻器的運行可靠性，繼而保障了發(fā)電機組在電網(wǎng)發(fā)生低電壓穿越工況時的運行穩(wěn)定性及安全性。

參考文獻：

[1]發(fā)電廠及變電站輔機變頻器高低電壓穿越技術規(guī)范（DL/T 1648-2016）.

[2]裴麗秋.輔機變頻器低電壓穿越技術研究[J].電工技術，2019，（10）.

[3]朱樂平.發(fā)電廠變頻器低電壓穿越方案探討[J].電力設備管理，2019，（9）.

[4]葛雨生，張仰光，陳光宇，徐睿，紀思.基于超級電容器的DFIG低電壓穿越研究[J].電氣電工，2019，（10）.

作者簡介：呂兆俊（1972—?），男，漢族，上海人，專科，工程師/技師，主要從事電力系統(tǒng)電氣、繼電保護專業(yè)的技術管理及實踐工作;金文建（1970—?），男，漢族，上海人，專科，助理工程師/技師，主要從事電力系統(tǒng)發(fā)變配電電氣設備檢修及隱患缺陷排查工作;張劍鋒（1972—?），男，漢族，上海人，專科，高級技師，主要從事電力系統(tǒng)變電檢修工作。