吳跨宇，黃曉明，盧岑岑

（國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學研究院，杭州 310014）

低壓變頻器輔助電壓穿越方案分析

吳跨宇，黃曉明，盧岑岑

（國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學研究院，杭州 310014）

梳理了可能導致發(fā)電廠廠用電電壓跌落的多種故障情況，分析了發(fā)電廠一類輔機低壓變頻器的低電壓運行風險和危害，指出交流電源出現(xiàn)低電壓時變頻器自我保護而跳閘停機的必然性。研究了通過變頻器自身設計、邏輯優(yōu)化和工頻備用等方式解決低電壓穿越問題的可行性，并在此基礎(chǔ)上，分析了各類輔助電壓支撐裝置解決低電壓穿越問題的原理，重點對比了各種常見低電壓穿越支撐方案的特點、優(yōu)劣及其可行性，為低壓變頻器低電壓穿越能力提升改造工作提供參考。

輔機；低壓變頻器；低電壓穿越；輔助支撐裝置；方案分析

0 引言

隨著電力電子及其數(shù)字控制技術(shù)的發(fā)展，變頻器產(chǎn)品和技術(shù)日趨成熟穩(wěn)定，變頻器在火電廠的輔機上得到了廣泛應用。然而電網(wǎng)和廠用電電壓波動會影響變頻器的穩(wěn)定運行，電壓的突然大幅降低和升高均會導致變頻器高、低電壓保護動作停機。尤其是火電廠一類輔機變頻器如果出現(xiàn)跳閘停機，輕則導致機組RB（輔機故障減負荷），重則造成機組MFT（主燃料跳閘）[1-2]，危及電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，并造成重大經(jīng)濟損失。

當電網(wǎng)出現(xiàn)故障時，一旦廠用輔機變頻器因電壓波動跳閘而導致機組脫網(wǎng)，將對處于故障暫態(tài)過程中的電網(wǎng)造成進一步?jīng)_擊，惡化電網(wǎng)穩(wěn)定水平，降低電網(wǎng)故障快速恢復的能力。若在電網(wǎng)故障或系統(tǒng)振蕩過程中，大量機組因輔機變頻器網(wǎng)源不協(xié)調(diào)而脫網(wǎng)，電力系統(tǒng)失去大量的電源支撐后會對整個電網(wǎng)的安全、可靠運行構(gòu)成嚴重威脅。電壓穿越問題一開始主要出現(xiàn)在風電并網(wǎng)技術(shù)領(lǐng)域，是為了防止系統(tǒng)故障時的電網(wǎng)低電壓導致大批量風電機組脫網(wǎng)，從而對風電機組低電壓穿越能力提出要求。常規(guī)變頻器在發(fā)電廠風機、泵類等負荷變頻調(diào)速控制技術(shù)領(lǐng)域有著廣泛應用，但其中低壓變頻器抗電壓波動能力即電壓穿越能力不能滿足相關(guān)技術(shù)要求。根據(jù)現(xiàn)行技術(shù)條件，在變頻器引入電壓穿越要求后，目前只能通過附加輔助裝置的方式來實現(xiàn)變頻器的電壓穿越，以確保電網(wǎng)出現(xiàn)綜合、復雜故障時輔機變頻器能持續(xù)、可靠地在線運行，確保發(fā)電機組在電網(wǎng)最脆弱時不會因輔機變頻器跳閘而影響其發(fā)揮支撐作用。

本文以給煤機低壓變頻器為例，研究廠用電低電壓來源與變頻器適應能力，綜合分析各類可以實現(xiàn)低電壓穿越的輔助裝置的工作原理及其優(yōu)劣，為給煤機變頻器電壓穿越能力提升改造工作提供參考。

1 變頻器低電壓停運風險及危害

1.1 造成廠用電低電壓的情況分析

在發(fā)電機組啟動過程中，廠用電一般來自于接在發(fā)電廠高壓母線的啟備變壓器，當機組處于正常并網(wǎng)發(fā)電運行時，廠用電一般來源于直接并聯(lián)于發(fā)電機機端的高壓廠用變壓器。

可能導致機組正常并網(wǎng)運行時廠用電電壓跌落的情況主要包括以下幾種：

（1）特高壓直流輸電網(wǎng)發(fā)生直流線路閉鎖故障，或特高壓交流跨區(qū)域輸電線路跳閘時，巨額的功率潮流突變會引起局部電網(wǎng)無功功率的短時過?；蛉笔?。特高壓直流換流站均配置有大量無功補償設備，但其配合投切會存在延時。如果無功補償設備投切邏輯不完善、時差過大，會造成因無功富裕產(chǎn)生短時高電壓或因無功不足帶來短時低電壓，從而影響到臨近換流站交流電網(wǎng)的電壓水平。

（2）發(fā)電廠高壓母線近端輸電線路短路、接地故障會導致廠用電電壓的短時跌落，造成廠用變頻器進線電源低電壓。

（3）隨著特高壓交流同步電網(wǎng)的成形，系統(tǒng)動態(tài)問題凸顯、低頻振蕩風險增加[3]。發(fā)生有功功率大幅振蕩時，會伴隨著無功功率的同步振蕩，進而影響到發(fā)電機機端電壓和廠用電電壓，可能出現(xiàn)時間較長的電壓持續(xù)跌落和升高。

（4）廠用電系統(tǒng)大容量輔機啟動、廠用電切換過程短時掉電和廠內(nèi)低壓母線負荷、元器件等出現(xiàn)短路故障等是引起廠內(nèi)電壓跌落的主要原因，浙江省已有多個電廠出現(xiàn)過此類變頻器跳閘事件。提升廠用電系統(tǒng)內(nèi)部故障或短時異常運行時的變頻器在線運行能力成為各發(fā)電廠的一個重要目標。

1.2 變頻器低電壓保護跳機原因分析

目前常用的低壓變頻器一般都采用基于IGBT的電壓源型逆變器，其拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 常用低壓變頻器拓撲

低壓變頻器交流側(cè)采用三相不可控橋式整流，直流母線采用電容穩(wěn)壓，逆變側(cè)采用全控型功率單元產(chǎn)生頻率和電壓可控的三相交流變頻輸出。

變頻器設置低電壓保護一般有以下原因：

（1）當輸入電壓下降時，整流橋輸出電壓下降，會引起變頻器逆變元件過流，同時電機的轉(zhuǎn)矩不足，發(fā)熱增加，為避免長時間運行存在的風險，必須設置低電壓保護。

（2）常見變頻器功率單元逆變器件分為GTR和IGBT 2種。當采用GTR時，電壓降低將導致控制電路停止向驅(qū)動電路輸出信號，使驅(qū)動電路和GTR全部停止工作；當采用IGBT時，在變頻器交流側(cè)電壓降低到一定水平，由于直流母線穩(wěn)壓電容的存在，會允許變頻器繼續(xù)工作一段時間td（一般15～25 ms），但是td明顯短于常規(guī)的繼電保護動作時間top（一般50～100 ms），因此會導致變頻器在電源故障切除前跳閘。在變頻器直流母線低電壓時，如果通過參數(shù)設置強行保持逆變器在線運行，極易導致IGBT等電力電子器件過電流損壞，因此必須設置低電壓保護。

調(diào)查顯示，低壓變頻器欠壓保護判據(jù)大都采用功率單元直流母線電壓值。欠壓保護定值典型區(qū)間為65%～90%。當變頻器因為電壓跌落至欠壓保護動作時，變頻器均會進入瞬?；蛱l狀態(tài)。

2 變頻器自身解決低電壓穿越問題的可行性分析

2.1 變頻器自身提升電壓穿越能力

根據(jù)前述分析可知，變頻器遭受低電壓而跳閘的主要原因是主回路元件過流，因此理論上只要提高主回路元器件過流能力即可實現(xiàn)低電壓時的短時在線運行直至電壓恢復。

然而，一方面由于目前變頻器市場競爭激烈，各變頻器廠家不斷通過壓縮設備裕度來降低成本，市面上沒有具備多倍過載能力的變頻器產(chǎn)品。另一方面，變頻器若要滿足20%電壓下0.5 s的電壓穿越要求，需要5倍的過載功率配置。根據(jù)目前配置情況調(diào)研，一般給煤機變頻器額定容量均大于負載電機額定容量。在發(fā)電機的大部分運行工況下，輔機均處于低負荷運行工況，變頻器可能長期處于10%額定功率以下的工作狀態(tài)，難以滿足電力電子回路的穩(wěn)定、可靠運行要求。

目前，從變頻器自身提升電壓穿越能力角度，僅可以采用恒V/f即恒轉(zhuǎn)矩控制模式轉(zhuǎn)換、停機再啟動[4]等優(yōu)化控制邏輯和參數(shù)的方法，一定程度上避免低電壓帶來的變頻器故障跳閘，但這種控制模式一般在高壓、大功率變頻器上配置。

2.2 通過備用配置提升可靠性方案

若變頻器遭受低電壓且短時未能恢復，變頻器跳閘后，對于一運一備的輔機，可以工頻啟動備用輔機；對于無備用的輔機，如電機變頻器設有自動工頻切換旁路，可以自動切換至旁路工頻電源運行。因此一般重要的無備用輔機應裝設工頻切換旁路以提高輔機運行的可靠性。

目前，主要大功率輔機常配有工頻備用電機或工頻備用電源。對于允許短時間停運或降額運行的輔機可以通過備用切換方式滿足主設備保持在線運行的要求。

通過備用電機或備用電源自投方式解決電壓暫升、暫降來保持輔機和主設備在線運行能力的可行性主要取決于備自投的速度、備用輔機啟動時間、備用電源配置可靠性、輔機負載機械特性和輔機允許停轉(zhuǎn)或降額運行的時間等綜合因素。目前一般高壓、大功率電機采用附加穿越裝置解決電壓波動問題的可行性不高，因此較為推薦采取備用的方式。

3 輔助電壓穿越能力提升方案分析對比

對于給煤機等低壓輔機變頻器，一般無自動工頻切換旁路，一旦跳閘難以短時自啟動，運行可靠性較低。但由于給煤機變頻器功率較小，單機容量集中于2～5 kW，因此可以采用輔助穿越裝置的方式來提升其電壓穿越能力，即在變頻器交流進線電源出現(xiàn)低電壓時，通過支撐裝置為變頻器交流進線或直流母線提供短時電源支撐，實現(xiàn)電壓短時波動時變頻器保持在線運行。

采用附加裝置提升變頻器電壓穿越能力時，需要充分考慮附加裝置與相應繼電保護、熱工保護等的協(xié)調(diào)配合。如果附加裝置電能量來自廠用電，需要重點考慮輔助裝置啟動、運行時可能帶來的過電流。當輔助裝置采用廠用直流供電時，需要重點做好防止直流接地。另外，要保證發(fā)電機組因其他原因停機、跳閘時附加裝置能夠及時退出，防止機組停機過程中由于附加裝置強制輔機變頻器在線運行而對機組安全停機帶來風險。

3.1 UPS方案

低壓變頻器交流輸入端采用UPS電源，當電源電壓下降時，利用UPS電源可以實現(xiàn)變頻器的低電壓穿越。但是受限于UPS的容量，一般僅限于380 V電壓等級2～5 kW的給煤機變頻器使用。當給煤機變頻器輸入交流電壓大幅降低甚至失去后，UPS一般可以提供數(shù)分鐘時間級的持續(xù)電能量供給，做到較長時間的無擾滿額功率在線運行，并可以實現(xiàn)0%～100%的低電壓穿越。

但采用UPS方案存在以下主要問題：

（1）一般采用電池做備用能量來源，由此增加了電池維護工作量。

（2）在配置方式上，考慮到電機的功率和變頻器的負載特性，需要更大容量的UPS與之匹配，采用單獨配置的UPS價格較高。

（3）當采用現(xiàn)有廠用UPS系統(tǒng)時，在復雜故障過程中一旦由于UPS容量不足，而變頻器占用過多UPS容量時，將導致DCS等重要控制系統(tǒng)失電等更嚴重的問題發(fā)生。

（4）在變頻器運行時，UPS一直處于投運狀態(tài)，其本身帶有逆變器等電力電子環(huán)節(jié)較多，增加了變頻器電源回路的復雜性，而其本身抗高電壓能力等各方面可靠性問題也限制了其在變頻器電壓穿越領(lǐng)域的應用。

因此，目前鮮有直接單獨采用UPS作為低壓變頻器輔助穿越裝置的應用實例。

3.2 DVR方案

DVR（動態(tài)電壓恢復器）是近年來提出的解決一般負載電壓降落問題的方法，典型的DVR原理如圖2所示。

圖2 動態(tài)電壓補償器DVR原理

采用DVR支撐方式的最大優(yōu)點在于支撐裝置與變頻器電氣回路完全獨立，無任何直接電氣連接，其能量注入位于變頻器交流輸入側(cè)，無需對變頻器直流母線進行任何改接。變頻器交流側(cè)電壓跌落時，DVR采用互感耦合方式提升變頻器交流電壓，實現(xiàn)低電壓穿越，響應時間較快。

但DVR系統(tǒng)狀態(tài)檢測和協(xié)調(diào)控制相對復雜，實際支撐時間取決于儲能部分，總體上容量較小。目前DVR成熟產(chǎn)品少，成本高。

3.3 加大直流穩(wěn)壓電容方案

如前所述，變頻器低壓跳閘時間與直流母線電壓相關(guān)，當交流側(cè)進線出現(xiàn)低電壓時，直流側(cè)的穩(wěn)壓電容放電提供逆變器能量源，其放電時間即電壓下降時間與負載功率和電容器容量相關(guān)。同理，交流側(cè)出現(xiàn)高電壓時，電容器存在一個充電電壓上升過程，直流母線電壓上升過程與過壓水平和電容器容量相關(guān)。對于部分低壓保護定值較低的變頻器而言，適當增大直流母線的電容量一定程度上可同時解決變頻器低電壓和過電壓短時間運行問題。在設計階段選用較大容量的變頻器，以取得穩(wěn)壓能力的提高是一種簡便可行的方案，增加大電容配置方案原理如圖3所示。

圖3 大電容配置原理

根據(jù)仿真計算結(jié)果，要實現(xiàn)目前標準規(guī)定的20%電壓0.5 s和60%電壓5 s低電壓穿越能力，直流母線電容容量需要多倍甚至數(shù)十倍的增加。而目前的低壓變頻器一般都采用交流側(cè)三相二極管不可控橋式整流，因此直流母線電容容量大幅度增加時，會大大增加變頻器啟動時的電容充電電流，導致整流橋過載甚至燒毀。因此，增加電容容量的方式需要配套采取相應的充電限流措施，需對現(xiàn)有變頻器進行電氣結(jié)構(gòu)改造。采用直接增加穩(wěn)壓電容方式需要進行全面、深入的研究論證、仿真計算和試驗驗證，成本和風險明顯增加，從安全、可靠角度出發(fā)，目前工程上一般不輕易采用。

3.4 交流供電BOOST升壓方案

為提高現(xiàn)場接線和安裝的便利性，BOOST升壓輔助裝置的交流供電一般采用與變頻器同一交流電源。典型的交流供電BOOST升壓支撐方案原理如圖4所示。

圖4 BOOST型支撐裝置原理

三相交流輸入分為兩路，一路為變頻器正常交流供電回路，直接接入變頻器輸入端；另一路為BOOST裝置供電，通過三相不可控整流變換為直流電壓，并采用電容穩(wěn)壓。電感L1，L2及電容C3，C4與IGBT構(gòu)成BOOST型式的斬波升壓電路，將直流電壓升壓至設定值并儲存于電容C3，C4。高直流電壓回路經(jīng)二極管防逆流回路和熔斷器后，送入變頻器的直流輸入端子。當變頻器直流側(cè)電壓跌落時，變頻器逆變器直流輸入電流自然轉(zhuǎn)由支撐裝置提供，實現(xiàn)即時、無擾切換。當變頻器直流電壓恢復時，由于變頻器額定直流母線電壓設計上略高于支撐裝置，因此逆變器電流自動轉(zhuǎn)由變頻器整流橋提供，實現(xiàn)支撐裝置即時、無擾退出。

采用BOOST電路的輔助裝置結(jié)構(gòu)簡單，無附加儲能，制造成本相對較低，且具有維護簡便的優(yōu)點，因此目前應用較為廣泛。但是此類裝置一般僅能保證20%電壓下的變頻器支撐。由于BOOST電源與變頻器來自于同一路交流供電，在保持變頻器功率恒定運行時，交流側(cè)會產(chǎn)生數(shù)倍額定電流，需做好相應的過流保護措施和上級開關(guān)防過流保護誤動。裝置支撐時產(chǎn)生的數(shù)倍過電流會進一步拉低其所在交流母線的電壓，影響其他同母線設備的運行和故障后母線電壓恢復速度。另一方面，BOOST方案由于其電源來自交流廠用電，因此無法解決廠用電切換或短路故障時交流母線短時失電的變頻器跳閘問題。

3.5 直流電壓BOOST升壓方案

為解決交流供電BOOST輔助支撐裝置共交流母線后帶來的問題，目前常采用廠用直流系統(tǒng)供電的BOOST輔助支撐方案。裝置本身與交流供電方案相同，區(qū)別僅在于BOOST支撐裝置電源來源于廠用直流系統(tǒng)。

由于廠用直流系統(tǒng)有大容量電池組做電源支撐，不受交流電壓波動影響。這種方式解決了BOOST支撐時對交流母線和開關(guān)過流的影響，同時也可以保證在交流母線完全失電情況下的變頻器持續(xù)在線運行能力。因此，這種配置方式兼具檢修維護簡單、供電可靠性高的優(yōu)點，可以滿足母線失電時的變頻器在線運行要求，得到了廣泛的采用。

但是由于廠用直流系統(tǒng)一般用于諸如事故油泵等緊急安全裝置供電，負責全廠停電等極端情況下的主設備安全停運，因此，采用直流供電的BOOST輔助支撐裝置時需要特別注意對廠用直流系統(tǒng)容量的核算，防止故障過程中因支撐裝置大量消耗直流電源功率，導致其他關(guān)鍵用電設備受到影響進而威脅機組安全。同時，由于直流接地會影響到整個廠用直流系統(tǒng)的運行，因此此類附加裝置設計制造時要特別注意防止直流回路接地和交流竄入直流的情況發(fā)生。

3.6 蓄電池支撐方案

前述幾種支撐方案均采用廠用電源作為電能量來源，本質(zhì)上未做到裝置的完全獨立。采用蓄電池的支撐方案典型原理如圖5所示。

蓄電池支撐方案在變頻器交流側(cè)出現(xiàn)低電壓時，完全依賴蓄電池的放電來提供直流母線電壓支撐。以目前常見的12 V蓄電池為例，采用40節(jié)電池串聯(lián)時，可以提供480 V的直流電壓，約合變頻器直流母線額定電壓的93.5%。根據(jù)仿真計算和試驗實測，40節(jié)蓄電池的儲能完全可以滿足變頻器額定運行工況下1 min以上的交流側(cè)完全失電支撐要求，實現(xiàn)了變頻器的交流側(cè)失電穿越，且不會對任何其他廠用關(guān)鍵電源產(chǎn)生影響。

然而，大量的蓄電池串聯(lián)使用時，需要解決蓄電池的充放電管理和電池性能監(jiān)測問題，而且電池的維護要求和對運行環(huán)境的要求都較高，一定程度上限制了它的推廣應用。

3.7 蓄電池與BOOST結(jié)合方案

為了兼具蓄電池和BOOST方案的優(yōu)點，采用少量蓄電池為BOOST電路供電，在需要支撐時，通過BOOST電路將串聯(lián)電池的低電壓升壓成高電壓送至變頻器直流母線，為逆變器提供穩(wěn)定、可控的直流電源，保持逆變器在線運行，如圖6所示。

圖5 采用蓄電池的支撐原理

圖6 蓄電池與BOOST組合支撐原理

該方式解決了變頻器交流母線掉電時的零電壓穿越問題，也避免了支撐過程中對廠用電電源的影響。同時，采用少量蓄電池無論從成本還是維護的角度均具有一定的優(yōu)勢。

這種方案雖然電池用量大大減少，但依然需要考慮電池的充放電管理。同時，由于結(jié)合了電池和BOOST 2種電路，其運行相對復雜，仍存在電池對運行環(huán)境要求較高的問題。

3.8 基于超級電容支撐方案

近年來，超級電容技術(shù)日益成熟，在各個方面都有了應用。前述蓄電池支撐方案由于電池對運行環(huán)境要求較高，需要進行充放電管理并且電池壽命相對較短，運行維護工作量大，限制了其應用范圍。采用超級電容作為儲能元件時，在保持了電池式支撐裝置所有優(yōu)點的同時，具有免維護的最大優(yōu)勢。同時，隨著技術(shù)的成熟，超級電容作為儲能元件部分相對于電池方案增加的成本已在可接受范圍。采用超級電容作為儲能元件的支撐方案原理如圖7所示。

圖7 采用超級電容儲能的支撐裝置原理

眾所周知，超級電容運行的最大威脅在于均壓和充電電流不均衡，串聯(lián)運行的超級電容一旦出現(xiàn)均壓問題易引起電容損壞甚至是爆炸。由于單個超級電容的電壓很低，而380 V低壓變頻器直流側(cè)額定電壓達到513 V，因此應用于變頻器電壓支撐時，不可避免地需采用數(shù)百個超級電容串聯(lián)運行，這對電容的充放電均壓控制提出了很高的要求，對裝置的設計、制造工藝要求也很高，增加了裝置成本。因此，目前采用超級電容作為儲能元件的支撐裝置還處于研究試制階段，鮮有工程化應用案例。

4 結(jié)語

分析了發(fā)電廠一類輔機變頻器低電壓運行的危害，提出了變頻器低壓保護動作停運的原因及必要性。分析了通過變頻器硬件設計、優(yōu)化邏輯參數(shù)和采取工頻備用方式解決變頻器低電壓穿越問題的可行性和限制因素。

在此基礎(chǔ)上，重點對目前常見的幾種低壓變頻器低電壓輔助穿越支撐裝置的原理與配置方案進行了分析對比，指出了電池式、直流供電BOOST電路2種方案的綜合優(yōu)勢，可以為發(fā)電廠一類輔機變頻器電壓穿越能力提升改造工作提供參考。

[1]師迎新，胡坤，陳文波，等．基于電網(wǎng)安全的火電廠輔機低電壓穿越裝置應用[J]．河南電力，2013（2）∶12-15．

[2]余偉權(quán)，馬智行，傅富強，等．提升給煤機低電壓穿越能力的研究及應用[J]．發(fā)電設備，2014，28（1）∶49-51．

[3]仲悟之，宋新立，湯涌，等．特高壓交直流電網(wǎng)的小干擾穩(wěn)定性分析[J]．電網(wǎng)技術(shù)，2010，34（3）∶1-4．

[4]DL/T 994-2006火電廠風機水泵用高壓變頻器[S].北京：中國電力出版社，2006．

（本文編輯：方明霞）

Analysis of Auxiliary Voltage Ride Through Solution for LV Frequency Converter

WU Kuayu，HUANG Xiaoming，LU Cencen
（State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute，Hangzhou 310014，China）

The paper summarizes various faults that cause auxiliary power voltage drop in power plants and analyzes risks and hazards in low voltage operation of LV frequency converter of class-A auxiliary units；moreover，it indicates the inevitability of tripping and shutdown of frequency converter in case of low voltage in AC power due to self-protection.The paper investigates the feasibility of low voltage ride through by means of frequency converter design，logic optimization，power frequency reserve，etc.Furthermore，the paper analyzes the principle of low voltage ride through solution of all types of voltage support devices and compares characteristics，advantages and disadvantages as well as feasibility of various low voltage ride through support schemes，providing reference for improving and upgrading low voltage ride through capability of LV frequency converter.

auxiliary units；LV frequency converter；low voltage ride through；auxiliary support device；scheme analysis

TM712

A

1007-1881（2015）10-0006-06

2015-07-17

吳跨宇（1979），男，高級工程師，從事發(fā)電機勵磁系統(tǒng)、網(wǎng)源協(xié)調(diào)和電力系統(tǒng)分析工作。