辅机设备抗低电压穿越技术

当电网系统短路故障或系统大扰动，电压降低时，可能会导致火电厂运行中电动机的调速变频器产生低压保护跳闸。因低电压一般都是瞬时的，对无变频调速的控制系统影响较小，而对变频器则会产生低压保护动作造成电动机跳闸，影响设备稳定运行。对于重要的电厂，因低电压穿越引起锅炉给粉机或空气预热器等重要电动机变频器低电压保护动作出口跳闸，将会引发一系列设备动作跳闸造成非计划停炉或停机。这将给发电企业带来经济损失，同时引起整个电网的频率下降，导致大面积甩负荷或停电。

重要辅机抗低电压穿越的必要性

东北地区一些重要火电厂由于高压母线电压波动导致变频器低压保护出口，使全部给煤机停电，引起机组非计划停运。2011年1月，华能伊敏发电公司某开关A相电流互感器故障，使50万伏母线接地，A相电压降至16.8kV，厂用6kV母线电压下降至3.9kV，给煤机变频器低压闭锁，锅炉炉膛灭火保护（MFT）动作，锅炉灭火，机组跳闸；国华呼伦贝尔发电公司受电网系统连续两次的单相接地故障冲击，持续时间分别为65ms和515ms，间隔632ms，炉膛灭火保护动作，锅炉灭火，机组跳闸。分析事故原因：一是厂用电系统故障，造成给煤机变频器直流母线电压降低；二是给煤机变频器的控制电源电压降低。

东北电网发电厂辅机变频系统技术参数调查的通知下发后，共计有76个并入220kV及以上系统的已投运电厂上报了辅机变频器技术参数。通过了解“负压型锅炉发电厂”共计有55个，占所调查发电厂比例为72%，数量上和发电总量上是电网电源的主力，这55家电厂高压辅机（6kV或10kV）变频设备和低压辅机（380V）变频设备均在使用中，一旦因系统故障发生低电压穿越，将对整个区域电力系统造成十分严重影响。

辅机变频器对机组运行影响的原因

目前变频器已经在火力发电得到广泛应用，由于变频器保护的设置缺乏规范，再加上电厂人员对变频器的熟悉程度不够，所以变频器在电厂使用过程中会遇到很多问题。火力发电厂辅机变频器应用遇到的主要问题是：变频器动力电源和控制电源往往取自电厂的厂用电源，当厂用电源发生“低电压穿越”时，变频器会由于低电压快速闭锁输出，没有有效的躲过系统暂态故障，不能满足电网稳定运行的需要。

当电网发生暂态故障，使电厂发生低电压穿越时，这一时间往往很短，一般为1～2S，由于电网有完备的主保护和后备保护，过了1～2S系统电压就会恢复正常。通过对事故电厂进行的分析和试验，认为影响火电厂厂用辅机运行特性和变频器安全运行的问题已经基本查清，主要是给煤机（给粉机）和空气预热器变频器动力电源和控制电源低电压特性不能躲过电网低电压穿越。

300MW火电厂每台锅炉一般有五台给煤机和两台空气预热器，各个给煤机和空气预热器都是由单独的变频调速器拖动电动机，变频器功能中有低电压保护闭锁和低电压停止输出，当辅机变频器电压降低或瞬间消失时，会停止输出，向机组集散控制系统发出变频器停机信号，所有给煤机均跳闸，最终锅炉炉膛灭火保护动作灭火。

如果调试变频器，投入了失压再启动功能，变频器失电重新上电须经几秒的延时才能恢复到停电前转速，给煤机电动机变频器断电到恢复供电，会造成磨煤机瞬间断煤，炉膛燃烧不稳，负压保护动作会直接停炉，灭火后再进入煤粉燃料可能造成炉膛发生爆燃，所以给煤机电机变频器的自启动要慎之又慎。

加装抗低电压穿越装置的必要性

电厂变频器动力电源低电压保护范围一般设定在额定电压的65%～85%，个别电厂上报可以把动力电源低电压保护设定在额定电压50%。电厂变频器控制电源要求电源电压范围一般是额定电压的±20%。

当电厂内部或外部故障，引起电网和电厂厂用电短时电压降低，造成变频器动力和控制电源均低电压，其低电压闭锁保护会动作电动机停电，厂用辅机停止运行，导致停炉、停机事故，造成局部电网失去稳定，对系统产生不利影响。

为了保证电力系统的安全稳定运行，保证火力发电机组在正常运行中不受到电网低电压和其他情况的影响造成机组停机，从而影响到电网安全，通过提高电厂的低电压穿越能力是非常有必要的。这是权衡和需要电力系统的频率稳定度的，而且和当地恢复电压稳定性有很重要的关系。

低压变频器低电压闭锁保护为变频器内部固有设置现场无法修改，若电压低于65%，将闭锁变频器输出，导致空预器停运。给煤机、空预器等是发电机组最为重要的辅机设备，两台空预器全停将无延时联锁启动锅炉全炉膛灭火保护（MFT）动作，造成机组跳闸。通过多方论证，认为采用“抗低电压穿越装置”技术是保证电网电压降低时变频器安全稳定运行的妥善解决方案，重要的锅炉辅机变频器加装抗低电压穿越装置是必要的。

防止低电压穿越辅机变频器跳闸的措施

目前，在无法解决电源波动的情况下，采取的措施主要有以下几个方面：

一是在给煤机系统上建立有效的备份电力电子开关，电流的电源转换开关配置时间约为在1秒，根本无法满足实际需要。实现调速驱动毫秒级，则必须配置一个静态的高速电子开关，才能满足辅助电源配置要求。这样虽然能够避免了跳闸装置，但这将降低电源的稳定使用。

二是为变频器接入不间断电源装置。无论是电厂设备还是供电设备都在广泛使用不间断电源装置，而且不间断电源在变频器的控制电源中作为保障功能的使用技术也很成熟，但是在大电源中的使用还是不多见的，原因在于使用成本高，而且电源损耗大，设备更新换代快等弊端，目前还没有广泛使用。然而随着不间断电源的成本和技术的不断成熟，价格也随之降低，这种方式的使用会越来越多。

三是重新更换变频器。在给煤机自动调速时瞬间启动控制电源，而低电压穿越情况出现时，设备仍然无法正常运转，同样会出现停炉情况。

四是使用直流来保证变频器的稳定。交流电源由于在直流电源的基础上进行了整流而具备了电压调节特性，在变频器的控制电源和作用电源上都设置内部的直流电源来保证设备电压在流入直流电源时都有直流母线的分支，来保证直流端子流入流出的电压频率稳定，而给煤机在主、备用电源分别接入直流端时，电源同时流入，在提供能量的同时，为内部直流进行充电，在交流电源中断或出现故障电压随之下降时，又内部直流进行供电，此种方法同使用不间断电源相比更会降低成本，在变频器出现故障时又能及时断开直流电源，为系统提供安全保护功能。这是解决在一个低电压逆变器跳闸问题的最好方法。

低电压穿越技术原理及试验分析

装置构成及工作原理

装置结构。火力发电厂辅机低电压穿越电源装置（简称ILP）由三部分构成：旁路回路、升压回路和控制电源供电回路。

变频器低电压穿越电源（ILP）的系统如图1所示。

依据需要，ILP装置也可提供两组对外直流输出接口，实现一拖二（1台ILP拖动2台变频器）的功能。

控制电源由降压变压器DYB与UPS构成，UPS输出～220V为变频器控制柜供电。变频器控制柜如需其他供电电压等级，可依据用户要求在UPS后串联相应变压器。

在现场施工中，变频器低电压穿越装置电源串接在～380V三相电源与变频器之间，不需要对变频器做任何改动，可利用原设备已敷设的电缆，不需要新敷设电缆。

低电压穿越ILP工作原理。变频器低电压穿越（ILP）电源装置的控制目标为在系统电压跌落时保证变频器及其拖动电机系统的转速、功率、转矩不变。

工作原理：

装置运行时，Q手动开关、QF1断路器、KM1电动开关和FU1熔断式开关均处于闭合状态，KM2在完成预充电功能后断开，退出运行[9]。在正常的情况下，三相交流电通过旁路送入变频器交流IN端子，装置不参与运行。

电压降落时，C1、C2上整流的直流电压下降，装置监测到电压下降趋势，将电感与IGBT构成的BOOST回路快速投入，确保三相电压跌落时，C3、C4上的直流电压被提高，确保变频器输出功率、电机转速不变的电压标准。在系统电压恢复后，IGBT停止运行，BOOST回路退出工作状态，变频器的供电仍由三相交流送电回路提供。

交流送电通道与直流送电通道的切换由电力电子器件IGBT完成，切换时间小于1微秒，为无扰切换，对变频器的稳定运行不会造成影响，保证系统安全可靠。

低电压穿越保护配置及相关实验

保护配置。直流过流保护、直流过压硬保护、直流过压软保护、电力电子器件保护、控制电源异常保护、过温保护。

低电压穿越（ILP）相关实验。厂内试验：ILP装置在厂内进行了充分的低电压电压穿越，实验系统接线如图2所示。ILP装置输入端经电压跌落发生器连接至交流380V系统，其直流输出连接至变频器的直流输入端子，控制电输出连接至300W交流电阻型负载。变频器拖动20kW的电机类负载。

试验中，将电压跌落深度分别设置为0.8pu、0.6pu、0.4pu和0.2pu，跌落时间长度依次设置为1s、10s和60s。共进行12组试验，并使用录波仪记录了全部的试验结果。

试验结果显示：当系统电压发生跌落，同时造成ILP内部整流直流电压跌落时，ILP装置可快速投入升压控制状态，维持变频器直流母线电压稳定；当系统电压恢复时，ILP装置可快速检测到此恢复过程，进而退出升压工作状态，整个低电压穿越过程中，ILP输出直流电压稳定，超调量很小，可有效保证变频器的稳定供电，进而保证变频器及其拖动的给煤机系统转矩、功率和转速稳定。

除升压功能试验外，还进行了旁路功能试验。试验中，手动断开ILP装置内部的控制电源开关，使控制电路电源掉电，控制系统退出运行，在此情况下测试旁路通道输出的三相交流电压可以稳定维持380V不变，旁路功能有效。

电压穿越柜带载试验记录：以一台给煤机处低电压穿越电源装置进行了满载功率为3kW的满载实验为例，具体报告波形如图3所示。

黄色CH1：电网电压；绿色CH2：升压前直流电压；紫色CH3：升压后直流电压(与变频器直流母线电压连接)；蓝色CH4：交流电流。

图形解析：当电网电压有效值降到301V时，直流母线电压下降，当直流电压下降到启动电压定值485V时，ILP开始升压，交流电流峰值瞬间达到5.4A，直流母线电压达到538V，变频器运行正常，给煤机运行正常。

当电网电压有效值降到72V时，直流母线电压下降，当直流电压下降到启动电压定值485V时，ILP开始升压，交流电流峰值瞬间达到11.2A，直流母线电压达到538V，当电网电压跌落深度达到18.9%时，在这段穿越时间内交流电流峰值为6A左右。整个穿越时间共持续了14s，变频器运行正常，给煤机运行正常。实验数据如表1所示。

试验分析结果：在单台给煤机动力交流电源失电时，装置可靠作用变频器，4秒后ILP装置可靠退出；可以看出5台给煤机在电压跌落到60%后，在60秒时间内，通过低电压穿越装置达到稳定输出，保证给煤机交流电额定范围内工作，达到设计要求；电压跌落到20%后，在60秒时间内，通过低电压穿越装置达到稳定输出，保证给煤机交流电额定范围内工作，达到设计要求；磨煤机连跳给煤机，ILP系统不工作。机组正常运行时，低电压穿越装置为备用状态，当发生磨煤机跳闸，会连跳给煤机；给煤机自身保护跳闸后，低电压穿越装置的作用接触器动作断开，分离开ILP系统和变频器，低电压装置不作用于变频器；给煤机总电源失电，ILP系统对给煤机变频器工作；在给煤机变频器正常工作情况下，操作盘远方DCS发出分给煤机变频器命令前，抗低电压穿越装置处于热备状态下，DCS远方发出停止给煤机信号，低电压穿越装置输出接触器动作，ILP装置与变频器分开，ILP装置不对给煤机变频器起作用；经GLT-20A变频器低电压穿越电源装置控制，模拟电压瞬时跌落试验中，0到80%跌落深度范围内GLT-20A变频器低电压穿越电源装置动作可靠，能有效确保变频器及负载电机试验中稳定可靠持续运行1分钟。

经试验结果表明，给煤机和空气预热器低电压穿越装置符合电厂安全生产的技术要求。

结论

低电压穿越装置可以在机组正常运行时，将该设备退出并进行检修，具有无扰动投退性能，检修维护方便。通过安装低电压穿越装置，并进行几种方式大量的试验、测量和分析，能够验证该装置具备在电网发生低电压穿越故障时，锅炉重要辅机带变频器设备可以在电压恢复前稳定输出，保持设备稳定工作，并且在系统电压恢复后能自动退出，提高火电厂在外部电网故障时锅炉系统的稳定性，为发电企业安全稳定运行提供保障。