火電廠空預器變頻器高低電壓穿越能力的實現

童 宇，楊光明

（國電蚌埠發電有限公司，安徽蚌埠 233411）

0 引言

近年國家大力發展太陽能、風能等新能源發電，裝機容量占比逐年增高。截至2019 年8 月31 日，安徽省新能源裝機容量占全省統調裝機容量的16.08%。相比傳統火力發電機組，新能源發電機組出力不穩定、調節速率慢。使得火力發電機組要積極參與電網的深度調峰，保證電網穩定運行，這就對火電機組自身的安全穩定提出了更高要求。近年，一些火電廠出現過因外部或內部電壓波動、閃變引起的機組跳閘事故，主要原因是輔機特別是一類輔機（給煤機、空預器和一次風機等）變頻器不具備高低電壓穿越能力，變頻器自保護動作致使機組跳機。為降低此類隱患，各級電網公司要求各火電廠對機組重要輔機進行高低電壓穿越能力驗證。對不能滿足的設備，限時完成技術升級改造，特別是空預器和給煤機。

1 空預器變頻器現狀

國電蚌埠電廠一期有2×630 MW 超臨界燃煤機組，每臺機組配置2 臺空預器，額定電壓380 V、額定功率22 kW。每臺空預器配置2 臺變頻器（主輔），變頻器型號為ABB ACS510、額定電壓380 V、額定功率35 kW。2019 年4 月，華東電網直代管機組涉網保護核查審核意見，確認其不滿足高低電壓穿越能力要求，按照國網要求需進行技術升級改造。

2 方案設計

火力發電機組空預器變頻器應用遇到的主要問題是變頻器動力電源和控制電源均取自電廠的廠用電源，當廠用電源因某種原因發生電壓擾動時，變頻器電壓保護快速動作閉鎖輸出。要徹底解決該問題，就必須同時解決動力電源和控制電源的問題。結合變頻器結構和ACDC-AC 的工作原理，計劃在變頻器直流母線端并聯智能功率模塊，將變頻器直流母線電壓穩定在正常值；同時提供可靠的不間斷控制電源，保障變頻器調速系統可靠穩定運行。

2.1 蓄電池儲能方案（圖1）

圖1 蓄電池儲能方案原理

系統交流輸入取自變頻器輸入端電源，裝置主要由蓄電池組、整流單元、BOSST 升壓單元、直流隔離單元、執行單元和監控單元等組成。蓄電池組電源經過DC/DC 變換，將直流輸出電壓維持在DC 500 V。當廠用電波動偏離設定值時，高低電壓穿越保護瞬時動作，保證負載正常運行。輸入正常時，蓄電池組處于浮充狀態。空預器變頻器及高低電壓穿越系統的控制電源均取自機組UPS 系統。該方案的優點是原理簡單、可靠性高。缺點是：蓄電池運行環境惡劣，需定期維護且使用壽命短；空預器電機功率大、造價高、設備尺寸大；一旦裝置發生接地或短路故障，可能會影響機組UPS 系統正常運行。

2.2 智能功率模塊型方案（圖2）

圖2 智能功率模塊方案原理

系統交流輸入取自變頻器輸入端電源，在變頻器直流母線端并入一個自動控制的AC-DC 寬輸入范圍高頻電源，利用電網殘壓升壓（BOOST）直流斬波技術，自動跟蹤電壓狀態。當系統電壓跌落至10%～90%額定電壓時，系統自動投入運行，使輸出側電壓維持在DC 500 V，保證空預器變頻器輸出穩定，轉速、功率、轉矩不變。同時內置高電壓抑制單元，當變頻器直流母線的電壓偏離設定的閥值時，通過制動電阻來抑制直流母線電壓，實現高電壓穿越。空預器變頻器的控制電源取自機組UPS，高低電壓穿越系統裝置控制電源由內置的UPS 提供。該方案的優點是智能化、模塊化、造價低、免維護、施工量小；缺點是技術難度大，對元器件質量要求高。

3 方案實施

通過綜合對比和論證，確定采用智能功率模塊型方案。2020 年10 月，對機組空預器變頻器實施改造，改造方案如圖3 所示。

圖3 方案實施拓撲圖

選用1 套MZ-HLVRT 型火電機組輔機變頻器高低電壓穿越系統，同時對主、輔變頻器進行高低電壓穿越支撐，隨主、輔空預器的運行方式變換而自動切換。該系統主要由雙電源切換、智能功率模塊、UPS 等組成。UPS 用于高低電壓穿越系統的二次控制電源。

（1）在電網電壓正常時，交流輸入穩定，直流母線電壓處于正常值，空預器變頻器輸出穩定；此時系統智能功率模塊單元直流回路處于熱備用狀態，不參與變頻器運行。

（2）電網電壓跌落時，變頻器交流輸入隨之降低。高低電壓穿越系統監測電壓跌落深度；高低電壓穿越系統瞬時提供直流電源支撐，至變頻器直流母線電壓穩定在DC 500 V，空預器變頻器輸出穩定。變頻器成功穿越低電壓區間。

（3）電網電壓升高時，變頻器交流輸入隨之抬高。高低電壓穿越系統監測電壓升高幅度；高低電壓穿越系統智能功率模塊單元瞬時吸能釋放，至變頻器直流母線電壓穩定在DC 500 V，空預器變頻器輸出穩定。變頻器成功穿越高電壓區間。

（4）當電網電壓經過高低電壓擾動后恢復正常時，系統智能功率模塊單元停止輸出退出工作狀態，恢復到熱備狀態，空預器變頻器恢復至由電網交流回路供電。

4 結果驗證

技術升級改造實施結束后，在空預器變頻器高速運行的試驗條件下，試驗結果如下。

（1）空預器變頻器輸入電壓瞬時升高至額定值的130%，持續0.5 s 時，空預器變頻調速系統可持續正常運行。

（2）空預器變頻器輸入電壓瞬時升高至額定值的110%，持續60 s 時，空預器變頻調速系統可持續正常運行。

（3）空預器變頻器輸入電壓暫降至額定值的90%，持續60 s 時，空預器變頻調速系統可持續正常運行。

（4）空預器變頻器輸入電壓暫降至額定值的60%，持續5 s 時，空預器變頻調速系統可持續正常運行。

（5）空預器變頻器輸入電壓暫降至額定值的20%，持續0.5 s時，空預器變頻調速系統可持續正常運行。

上述測試結果表明，在靜態試驗條件下，通過技術升級改造后的空預器變頻調速系統滿足DL/T 1648—2016《發電廠及變電站輔機變頻器高低電壓穿越技術規范》的標準要求。

5 結束語

對于火電機組空預器變頻器進行的高低電源穿越改造，技術成熟、運行可靠、智能化程度高，很好解決了空預器變頻器在電網電壓瞬時擾動區間進行穿越，保障了機組穩定、高效運行。