媒体公告

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发电厂变频器低电压穿越改造方案探讨

  近年发电厂经济经营压力逐渐变大,出于节能的目的变频器在发电厂得到了大量的使用。而电厂很多重要辅机使用变频器时,一旦变频器发生故障也会给电厂安全运行带来很大的威胁,比如当变频器进线电源异常、电压降低,会引起变频器自身保护动作跳闸。电网调度中心也对各并网发电厂变频器的安全稳定运行提出了具体要求,要求提高在用变频器低电压穿越能力,性能要满足DL/T1648-2016“发电厂及变电站辅机变频器高低压穿越技术规范”的相关标准。

  电压穿越。用在变频器使用上的概念就是当变频器输入电源电压在一定时间、一定跌幅范围内,不会导致变频器跳闸,还可以继续维持运行。

  变频器工作原理。变频器主要由整流部分、直流部分、逆变部分组成,此外还有控制单元,用于控制变频器输出的频率。如图1,380V交流电源输入整流部分,转换成直流电,经过大容量电容,然后通过控制单元对逆变部分进行控制,将直流电源转换成各种频率的交流电,实现对电动机的调速控制。

  低电压穿越对辅机变频器的危害。由变频器的工作原理可知,当输入电压降低时,则变频器整流部分输出的直流电压也会降低,而变频器在低压工作情况下,如果要保证输出稳定,有可能会导致变频器工作电流一直增大,严重时会烧损变频器的核心原件晶体管,而当控制电源电压降低时,又有可能会使变频器失去控制,为了保证变频器安全运行,变频器都会设置相关保护,出现上述情况时,变频器会保护动作跳闸。所以重要辅机使用变频器时,上述情况会对电厂的安全运行造成很大的影响。

  方案一:失压重启或降转速恒磁通V/F控制方式。此种控制方式允许短时负载波动,采用此方法可使变频器在进线电压瞬时大幅度下降或短时断电后可以转速跟踪再启动,但采用此方法必须考虑电压瞬时跌落的最大幅值、扰动持续时间、生产过程中允许的转速降低的程度和负载特性,这种方案一般用于大惯性类负载。

  方案二:在变频器前端串联交流不间断电源(UPS)方法。外加串联交流不间断电源UPS,这种方法可以做到无干扰运行,但是受限于UPS的容量。

  方案三:加装低电压穿越装置。低电压穿越装置一般采用两种方式,一种是从交流侧引入装置[1](图2),一种是从直流部分引入装置(图3)。以图2为例,在变频器交流电源输入侧加装抗低电压穿越的扰动电源设备,当系统电压正常时,变频器正常工作,该装置处于热备用状态,当变频器进线电压发生下降时,低电压穿越装置会实时监测进线电压下降情况,通过升压泵(BOOT)将直流电压提升到500V以上,保证变频器输出稳定,切换过程由静态开关(IGBT)完成,切换动作时间小于1ms,可以实现无缝切换,当系统电源恢复正常后,该穿越装置停止运行,恢复热备用;以图3为例,直流电源通过隔离性电压暂降保护装置(RTM),通过PWM电路逆变为高频交流、经高频隔离变压器隔离变化后,通过高频整流滤波成直流电,即:DC/DC变化,额定输出为500VDC,最后经防反接保护输出,输入电源为220V直流,正常情况下装置处于备用,当交流输入故障时,可通过RTM模块来实现升压作用,输出稳定的高压直流电。

  方案一多使用于大惯性类负荷,比如一次风机、给水泵等负载,多在6kV辅机变频器上使用;方案二虽稳定性较高,考虑到UPS装置的容量选择可能需要过大和改造的复杂性,性价比不高;方案三低电压穿越装置可以可靠的隔离电源和负载端,任何一端发生故障都不会对另一端产生影响,可靠性高且装置占地小,可以故障自诊断。但也有各自的缺点:图2低电压穿越装置缺点是交流侧不能完全中断,一旦完全中断则装置失去作用;图3低电压穿越装置如加装直流系统和蓄电池组,那么投资成本过大,蓄电池还需要长期维护,如与厂用直流系统连接,那么事故情况下,大量变频器使用直流电源有可能引起直流系统过负荷,所以在改造初期也需要考虑此情况,厂用直流系统是否有富裕容量。

  根据江苏电网要求,各并网发电厂需要对变频器高低电压穿越能力按照电力行业标准DL/T1648-2016“发电厂及变电站辅机变频器高低压穿越技术规范”进行排查,不具备要求的需进行改造。通过调查,目前江苏省内各发电厂380V一类辅机设备基本都采用方案三的低电压穿越装置,取得了不错的效果。

  以江苏某燃气电厂为例,该电厂于2017年投产,在机组调试期间进行6kV厂用电串联切换时,6kV高压给水泵跳闸(变频),备用泵联启成功。厂用电串联切换时6kV电压有短时失压过程(图4)。串联切换时6kV电压最低下跌20%左右,电压衰减时长约50ms,根据电力行业标准DL/T1648-2016,变频器低电压穿越能力如图5[2]。根据标准,当变频器进线电压小于额定电压、大于60%额定电压以上且持续时间不超过5S时,变频器应可靠供电。由此得出结论,该厂高压给水泵变频器低电压穿越能力不满足要求。

  该高压给水泵变频器控制电源由两路220AC提供,并且有自身的UPS供电,变频器自带失压重启功能,并且控制方式为降转速恒磁通V/F控制方式,多次通过6kV串联快切验证,发现该变频器不能满足低电压穿越要求,变频器每次均是过流重故障跳闸。经过厂家技术人员延长变频器失压重启时间,仍不能满足需求,检查变频器过流设定为额定电流的2.5倍,属于正常设定,最终厂家决定尝试将变频器控制方式改为矢量控制,验证穿越效果。

  V/F控制与矢量控制的最大区别在于矢量控制需要对电压的相位角进行控制,而不是像V/F控制一样只需维持电压V和频率F的比率近似不变,矢量控制对电机的参数要求较高,不仅要求电机空载电流的大小,还要在电机在脱开负载情况下进行旋转自整定,记录电机参数,即使通过矢量控制,还要看电动机的实际运行情况如何,有无异响、震动等,所以一般厂家只提供V/F控制。该高压给水泵变频器修改为矢量控制方式后试运行良好,通过6kV厂用电串联切换验证低电压穿越能力也获得了成功,但是V/F控制为何不能实现低电压穿越原因仍未找到,而矢量控制的适用性对电机参数要求很高,此次虽然成功设置,但目前想完全解决6kV辅机低电压穿越,还有很多不确定性。

  由于验证低电压穿越的电压仅为下降20%,时长不超过100ms,按照标准规范要求,还没有进行更深层次的验证,所以作为运行来讲,还需制定相关措施,避免机组安全运行受到影响。该厂高压给水泵为两台,一运一备,各配备一台变频器,变频器自带旁路工频运行方式,因此当一台高压给水泵作为变频控制时,另一台则改为工频备用,即满足了经济运行又提高了运行可靠性。

  通过上例知道6kV变频器的低电压穿越仍有很多的不确定性,虽然采用了失压重启和降转速恒磁通V/F控制方式,但由于电压的扰动及负载特性没有实现穿越。如果像380V低电压穿越装置那样改造,因为电压等级越高改造的费用、成本就越高,现在还没有成熟的方案来实施,目前这种情况比较普遍。

  目前,380V电动机变频器提高低电压穿越能力方案很多,而且可行性也很大,加装低电压穿越装置得到了广泛的使用,效果显著。