火電機組輔機變頻器低電壓穿越問題研究

廣西華磊新材料有限公司發電廠 于小杰

隨著火電廠整體裝機容量的逐步增加，輔機的節能問題也受到人們的廣泛關注，而通過進行變頻改造，來保證設備的調速及滿足節能需求是當前相關生產過程中的重要思路。但是由于相關的變頻器在使用過程中對于電源電壓具有較強的敏感性，因此在生產過程中容易因為瞬時電壓過低而出現跳閘保護的現象，這種現象被稱為低電壓穿越能力缺失。為了防范這一問題對火電廠造成嚴重損失，相關單位和人員應當對該問題形成重點關注，并采取相應的改造措施以降低相關問題發生的可能性。

1 輔機變頻器低壓穿越問題產生的原因

現階段火電機組的變頻改造工作通常集中在針對風系統和水系統的輔機改造過程中，包括一次風機、送風機、引風機、給水泵和凝結水泵等，在變頻改造過程中相關單位采取的方式也比較多樣，比較典型的為一拖二和一運一備的方式，其電氣接線主要為通過共用備用線路與變頻器旁路與變頻器進行連接，最終保證設備的正常運行，其電氣接線圖如圖1所示。在實際運行過程中，如果因為低電壓而造成對應的設備變頻器出現停機的現象，則工頻備用機組將會適時啟動，并保證設備的運行狀況。以實際的情況為例，在電廠輔機風機的運行過程中，如果電源電壓低于65%UN，則會導致各功率單元的整流輸出的直流電壓降低，當降低到保護閾值，則變頻器將出現停機的現象[1]。變頻器停機將會導致輔機的運行狀況不佳，以風機的變頻器停機為例，相關問題將導致風機的排風量和風壓受到影響，不利于正常生產。

圖1 一拖二和一運一備電氣接線圖

從火電廠輔機變頻器低電壓產生的原因來看，其整體的影響因素是比較多樣的，如雷擊、電氣設備短路、接地等情況出現問題，都會導致對應設備的動力電源和控制電源的電壓出現驟降的情況，最終引發設備停機問題。具體分析低電壓產生的原因，可以概括為如下幾個方面。

第一，電網系統短路故障。如果在相關的系統出現短路的現象，且對應的主保護設備沒有形成相應的動作的情況下，則會導致再次跳閘的現象出現，而這種現象將會在火電廠的整體電氣系統之中產生暫態的低電壓現象，其主要體現就是相關的電壓降低到65%UN以下，同時低電壓的持續時間往往比較長，影響較為深遠。

第二，設備啟動導致的低電壓。在現階段的火電廠生產過程中，對一些設備進行啟動也會導致低電壓現象的產生，如對引風機、一次風機、給水泵等進行啟動時，由于這些設備的本身負荷相對較大，在啟動階段比較容易導致電源電壓的降低。不過這種現象的持續時間相對較短，一般在10s 左右電壓即可恢復正常，但是這種情況依然有可能導致出現變頻器跳閘的現象，影響到整體的生產過程。

第三，設備短路。設備短路也是造成低電壓的重要原因，在現階段火電廠的生產過程中，對應的廠用母線負荷內容包括風機、汽機水泵，以及電動機等，如果這些設備出現短路的現象，則需要由設備電流速斷保護切除故障，不過在故障發生到故障徹底切斷的時間段中，將會導致線路的電壓出現跌落，從而引發變頻器跳閘。

第四，廠用電源切換導致低電壓。在火力發電廠之中，相關的廠用電源切換主要涵蓋機組啟動和停機階段，手動進行的電源切換、機組運行過程中出現事故進行的切換，以及各類非正常切換現象。當相關機組處于運行過程中時，由于對應的線路非故障性低壓導致的切換現象，則是不正常切換[2]。在不正常切換時，將會造成線路出現較為短暫的低壓現象，而這種情況則會造成跳閘事故。

2 解決輔機變頻器低電壓穿越的思路

如何在低電壓穿越的階段保證電廠輔機變頻器不跳和輔機不停是現階段人們研究的重點問題。從既往的一些經驗可以了解到，通過從變頻器本身的功能出發，取消變頻器的低壓保護設置及設置快速啟動是一種解決該問題的思路，在這種方式之下相關的變頻器將不會面對低壓穿越過程中的跳閘問題。但是這種措施也存在一定的缺陷，以煤機為例，在這種方法進行應用的過程中，只能確保相應的電壓跌落到額定電壓的50%左右，才能讓煤機實現正常運行，而重啟的過程中又往往會帶來鍋爐的嚴重安全隱患，原因是在這個過程中將會導致鍋爐的負壓出現較大的波動，從而產生爆炸風險。此外，低電壓情況下，變頻器會表現出過流保護，而如果將過流保護完全取消，則將會導致變頻器本身面臨較為嚴重的損壞可能性[3]。同時，針對煤機的低電壓穿越問題，相關單位也嘗試采取爐膛安全監控系統（FSSS）來進行處置，但這個過程中存在的邏輯延時問題也會導致系統的安全級別降低，因而仍然會導致爆爐風險的出現。針對變頻器的電源進行改造也是現階段處置火電廠輔機低壓穿越問題的重要思路，例如通過增加UPS 動力電源，即交流在線UPS來進行火電廠輔機變頻器低壓穿越問題的解決，但在實際應用過程中UPS 的整體容量相對較低，轉換效率不高且成本相對較大，在使用之后往往還會對輔機變頻的正常工作造成影響，所以該方法的應用有效性通常不高。

蓄電池思路在現階段的輔機低壓穿越過程中應用比較廣泛，這種方式是通過為相應的變頻器增加備用電源的方式來達到防范低壓穿越問題的目的。相關改造過程中需要將輔機的主、備用電源通過開關分別接入變頻器交流輸入端和直流母線上，正常工作的時候兩路電源將會共同投入工作之中，而如果出現線路的電壓降低或者斷電現象，則備用電源將會取代母線進行供電，在這種方式之下確保對應輔機的變頻器始終維持正常的工作狀態。而當相關的變頻器出現故障或者是接收到保護信號的情況下，又能夠迅速地實現與直流電源之間的斷開。蓄電池方案同樣存在一些缺陷，尤其是相關的蓄電池在日常運行過程中往往處于浮充的狀態之下，充電機則一般為電力電子裝置，相關裝置在運行過程中出現故障的可能性顯著高于其他設備[4]。

同時在使用過程中，為了確保對應蓄電池的壽命，往往需要采取定期全充全放的方式來實現良好的維護效果，而這一維護時間往往又比較長，在維護過程中，變頻器需要進行電源的切換，這一過程又容易導致輔機出現停機的現象，從而極大地增加整體運行的風險。盡管蓄電池思路在現階段的應用過程中存在一些不足，但從整體上來看，仍然是解決當前火電機組輔機低壓穿越問題比較有效的措施，也正因如此，該方法在目前的整體應用是比較廣泛的。

3 解決輔機變頻器低壓穿越問題的措施分析

3.1 蓄電池加靜態開關解決措施

該方案是現階段解決或電廠輔機低壓穿越問題的一種比較重要的思路，在應用過程中相關單位需要通過充電及壓差控制系統、儲能、監控、執行、直流隔離單元，共同組成一個系統，從而達到防范相關問題的目的。該系統在發揮作用的過程中，當處于無擾動切換的情況下，相關線路將會出現中斷或短暫的電壓降低現象，而依托這個系統可以通過儲能單元來為對應設備的變頻器提供能源，從而保證其能夠正常運作。在組成方面，該系統的熱插拔N+1冗余配置為系統的核心元件，在對應系統出現故障的時候其將不會對正處于正常運行過程中的火電廠設備形成影響，從而能夠充分地保障設備運行的安全性和穩定性。采取對應的設備在進行生產的過程中還能夠將儲能單元的運行工況、交直流電壓等進行記錄，從而有助于人們對相關問題進行收集和分析[5]。同時蓄電池加靜態開關的方式在應用過程中所采取的是閥控式鉛蓄電池，這種蓄電池在不同的溫度條件、環境條件下其運行狀況均相對穩定，可以比較有效地滿足火電廠各類輔機的運行需求。由于相關的變頻器在運行過程中，其能源為蓄電池組，所以也不會對廠用400V 交流母線產生影響，可以最大限度確保其工作的持續性。

3.2 低電壓穿越電源系統解決措施

這種方案在應用過程中能夠比較有效地解決對應系統在應用過程中的低電壓穿越問題，在組成方面，其主要元件電壓暫降保護器、執行、監控單元相關系統在應用的過程中，在無擾動切換下，在持續大于10s 的電壓跌落至0.2倍額定值，或者是出現20ms 以內的短時供電中斷的情況下，也能充分地保證輔機變頻器的正常運行，從而起到防范低壓穿越問題對設備使用情況和安全形成影響的作用。同時這一解決方案在應用過程中，各個配置均具有靈活可變的特性，相關人員可以按照當前的設備負載狀況，選擇應用集中供電或者分散供電的方式，也可以在生產的過程中對MFT 聯鎖控制進行相應的拓展，在這種方式之下將能夠保證整體的供電安全性得到進一步的提升。從現階段的應用情況來看，目前我國的多數電力企業均對這種設備進行了應用。此外，相關設備還可以將其自身的運行工況進行顯示，工作人員能夠依據對應的情況進行決策，并根據其所提供的低電壓穿越時間進行分析，從而進行整體系統的優化。不過在應用過程中需要注意的是，相關變頻器的受電仍然是廠用電，在使用時有可能對常用母線造成電流沖擊。

3.3 低電壓穿越電源系統加少量蓄電池措施

這種方式在應用過程中對應的系統主要可以分為儲能、直流隔離、監控和執行四個單元，以及充電系統和電壓暫降保護器等。在無擾動切換的情況下，如果對應的線路之中存在電壓中斷或者短時的電壓降低現象，則可以依托對應的儲能單元來保證相關變頻器的工作狀況，避免其受到電壓改變的影響而出現跳閘現象。當然這種低壓穿越系統在應用過程中也相對靈活，可以根據不同的負載狀況選擇采取集中或者分散供電形式。在蓄電池的選擇方面，該系統通常選擇閥控式鉛酸蓄電池，相關系統可以在不同的環境、溫度等條件下保持長時間的穩定運行，且由于變頻器的電源為蓄電池，所以在使用過程中，也不會對廠用母線形成沖擊，具有比較顯著的優勢。

4 結語

綜上所述，在現階段的火電廠電力生產過程中，輔機低壓穿越問題始終是一個影響生產正常性的關鍵問題，在解決該問題的過程中，相關單位和人員應當對現階段的火電廠實際生產狀況、低壓穿越需求等因素進行充分的考量，并根據這些情況制定與現階段需求相符的改造工作計劃。目前來看，采取蓄電池思路來保證火電廠變頻器低壓穿越能力提升是一種比較可行的思路，相關單位和人員可以從這個角度進行對應方案的擬定，確保火電廠生產的正常和穩定。