汪冬輝，呂文韜，羅華峰，柯人觀

（國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學研究院，杭州 310014）

基于PSCAD的輔機低電壓穿越附加裝置仿真分析

汪冬輝，呂文韜，羅華峰，柯人觀

（國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學研究院，杭州 310014）

由于發(fā)電廠廠用電系統(tǒng)或者外部電網(wǎng)的暫態(tài)過程，導致輸入輔機變頻器的電壓降低，可能出現(xiàn)輔機工況紊亂，甚至變頻器切除，低電壓穿越已經(jīng)成為輔機正常運行必須考慮的問題。安裝附加裝置可以在盡可能少地改變原電路基礎(chǔ)上應對低電壓問題，其中增加升壓模塊、直流側(cè)安裝儲能裝置、交流側(cè)安裝在線式UPS是比較典型的方案。通過在PSCAD/EMTDC軟件中建模仿真證明，直流側(cè)儲能裝置以及交流側(cè)UPS系統(tǒng)的安裝，在低電壓穿越時對輔機變頻器基本無影響，但這2種方案費用較高；而增加升壓模塊可能導致變頻器直流側(cè)過電壓，需要采取抑制措施，但其費用較低，可根據(jù)現(xiàn)場條件以及技術(shù)經(jīng)濟性綜合考慮采用何種方案。

輔機；變頻器；低電壓穿越；升壓模塊；儲能裝置

0 引言

發(fā)電廠輔機的變頻化已經(jīng)得到推廣應用。例如對工頻運行時能耗大的風機、節(jié)流損失大且管損嚴重的水泵，應用變頻技術(shù)具有顯著提高經(jīng)濟效益、減少故障率的現(xiàn)實意義。然而目前變頻器控制系統(tǒng)均以正常運行為前提來設(shè)計，當故障導致輸入電壓略有降低時，控制器為維持工況不變必然要增大電流，從而觸發(fā)過流保護退出運行；如果直流電壓嚴重跌落，此時變頻器控制系統(tǒng)失效，無法維持正常的電壓、電流輸出，將使輔機輸出功率急劇下降，甚至觸發(fā)保護停機，引發(fā)鍋爐滅火保護MFT（主燃料跳閘）動作。

對于輔機低電壓情況下產(chǎn)生的問題，相關(guān)技術(shù)標準正在制定中，2014年初發(fā)布的《大型汽輪發(fā)電機組一類輔機變頻器高、低電壓穿越技術(shù)規(guī)范（征求意見稿）》中規(guī)定：當電壓跌落至20%～60%時，輔機變頻器須保持0.5 s不脫網(wǎng)。但是在運行的大多數(shù)變頻器未采取有效措施應對低電壓問題，可行的解決方案主要是對輔機變頻器進行改造，安裝各類附加裝置。

針對目前輔機變頻器低電壓穿越改造所采用的3種主流方案，分別進行建模仿真，驗證其在低電壓情況下對于輔機變頻器系統(tǒng)的支持能力。分析結(jié)果對于選擇采用哪種改造方案來滿足低電壓穿越的要求，具有一定的參考價值。

1 變頻器分析

1.1 主電路拓撲

發(fā)電廠重要的輔機采用變頻調(diào)速。主流的變頻器產(chǎn)品根據(jù)工作電壓水平不同，分為中、高壓變頻器和低壓變頻器。雖然由于耐壓水平的不同導致其拓撲存在差異，然而主流產(chǎn)品的基本原理是相同的。比如高壓變頻器一般采用多個功率單元串聯(lián)，而低壓變頻器則采用單個功率單元便能滿足要求?？刂撇呗砸话愣疾捎檬噶靠刂?，在仿真分析其低電壓穿越性能時，低壓變頻器的結(jié)果同樣對高壓變頻器有參考意義，低壓變頻器基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 輔機變頻調(diào)速拓撲

整流器從廠用電母線上取電，經(jīng)過不控整流后變?yōu)橹绷?，再通過逆變器對電動機進行調(diào)速。一旦廠用電母線上發(fā)生電壓跌落，將會直接引起直流側(cè)電壓降低。仿真時電動機基本參數(shù)：額定電壓380 V，額定功率72 kW，極對數(shù)2，頻率50 Hz。為了模擬負荷的機械特性，采用了PSCAD（電力系統(tǒng)計算機輔助設(shè)計軟件）軟件中的風機模型，可以較好地模擬機械轉(zhuǎn)矩隨著轉(zhuǎn)速的變化情況。

1.2 逆變器控制策略

主功率回路的控制策略采用目前在電動機調(diào)速領(lǐng)域廣泛配置的，基于空間矢量調(diào)制的矢量控制，可以方便地實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的精確控制，同時令磁鏈軌跡逼近圓形，減少轉(zhuǎn)矩脈動，有利于電動機的正常運行。逆變器的控制框圖如圖2所示。

圖2中，ω*，ω表示電動機轉(zhuǎn)子角速度的目標值和實際值；ψ*，ψ表示定子磁鏈的目標值和實際值表示定子電流d軸分量的目標值和實際值表示定子電流q軸分量的目標值和實際值；Ls，Lr表示定子與轉(zhuǎn)子電流；Lm表示電動機勵磁電抗；usd，usq分別表示調(diào)制電壓的d，q軸分量。

在PSCAD軟件中，利用分立元件搭建如圖2所示的控制系統(tǒng)，通過改變轉(zhuǎn)速和磁鏈的目標值，即可令電動機在一個設(shè)定的穩(wěn)定工況下運行。

圖2 輔機變頻器控制策略

圖3 電壓跌落至正常20%時動態(tài)特性

1.3 低壓情況下變頻器及輔機性能分析

通過模擬外部系統(tǒng)故障產(chǎn)生低電壓的情況，可分析輔機和變頻器在低電壓情況下的動態(tài)特性。

令輸入電壓跌落至正常的20%并持續(xù)0.5 s的情況，觀察變頻器輸出電流以及輔機特性，如圖3所示。圖中p和q分別表示有功和無功功率，TE與TM分別表示電磁轉(zhuǎn)矩和機械轉(zhuǎn)矩。

從圖3可以看出，當變頻器輸入電壓跌落至20%額定值時，其輸出電流將先減小，然后持續(xù)增大，最后趨于穩(wěn)定。而在故障切除，電動機自啟動時，電流會增大數(shù)倍，遠大于變頻器的額定電流。由于不控整流的特點，變頻器的直流電壓跌落至原電壓的20%；交流電壓恢復后，直流電壓也由于電動機的特性無法立即恢復穩(wěn)態(tài)，處在持續(xù)的波動過程中。電動機轉(zhuǎn)速及電磁轉(zhuǎn)矩立即下降，電動機停止吸收功率甚至向外發(fā)送無功?？梢?，如果不采取有效措施，跌落過程中變頻器的過流保護將動作，即使保護不動作，電動機也無法正常帶負荷運行。

根據(jù)標準要求，令輸入電壓跌落至額定電壓的60%并持續(xù)5 s，觀察變頻器及電動機的特性，如圖4所示。

圖4 電壓跌落至正常的60%時動態(tài)特性

如圖4所示，故障開始時刻電動機的轉(zhuǎn)速下降，直流電壓的下降導致機端電壓同時下降，此時電動機除了轉(zhuǎn)速降低，依然能夠保持正常運行，但對于變頻器而言，其輸出電流將會增大。即使這個過程中保護不動作切除，現(xiàn)有變頻器的電力電子器件是否能夠耐受這樣的電流，并持續(xù)足夠時間，也是一個需要分析的問題。

2 增加升壓模塊

2.1 升壓模塊的接入

該方案對原電路不作改動，而是在直流側(cè)附加一個升壓模塊。當交流側(cè)電壓跌落時，控制系統(tǒng)檢測到電壓的變化立刻啟動驅(qū)動脈沖，將變頻器直流電壓控制在給定值上。升壓模塊由目前技術(shù)成熟、成本低廉的不控整流和Boost電路構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 直流側(cè)增加升壓模塊

組成該元件的整流器部分以耐壓能力較高的二極管為主，成本低，性能穩(wěn)定。但在電壓較低，例如20%額定電壓時，器件需要承受5倍額定電流，一般通過計算確認最大電流后，通過多重并聯(lián)交錯Boost模塊來解決，這同時也可以減少直流電壓的紋波。在仿真時，使用了三重并聯(lián)交錯，其控制策略如圖6所示。

圖6 Boost模塊控制策略

設(shè)定直流電壓的目標值后，在發(fā)生電壓跌落情況時，控制系統(tǒng)可以迅速將直流電壓抬升至目標，確保電動機的穩(wěn)定運行。

2.2 仿真分析

在外部線路上設(shè)置故障，使得變頻器的輸入電壓降低至額定電壓的20%，在接入升壓模塊的情況下，結(jié)果如圖7所示。

從圖7可以看出，當故障發(fā)生檢測到電壓下降后，瞬間給Boost電路提供觸發(fā)脈沖啟動升壓模塊，模塊工作后迅速給直流電容充電穩(wěn)定電壓，仿真中該值設(shè)定為略高于正常運行電壓，確保在整個故障過程中電動機的平穩(wěn)運行。故障切除后，升壓模塊退出運行，直流電壓在退出瞬間有個小于100 V的階躍，之后迅速恢復至額定值。從圖7（b）—（e）可見，電動機的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)矩以及功率在整個過程中基本無變化，變頻器輸出電流無波動，能夠繼續(xù)平穩(wěn)運行。

在通過模擬外部系統(tǒng)故障使得電壓跌至60%的條件下仿真，結(jié)果如圖8所示。

從圖8可見，當故障發(fā)生升壓模塊投入后，整個故障過程以及恢復過程，電動機和變流器均工作正常，功率和電流均沒有波動，可以滿足低電壓穿越要求。

大量仿真發(fā)現(xiàn)，在電壓跌落程度較高情況下故障切除時，升壓模塊退出運行后的瞬間就會出現(xiàn)電壓突然增加然后恢復的現(xiàn)象。這是由于升壓模塊退出運行的瞬間，原由升壓模塊提供的功率將瞬間全部切換到主電路中，功率瞬間切換的暫態(tài)過程容易導致電壓階躍的產(chǎn)生，這有可能會觸發(fā)變頻器的過壓保護動作。

圖7 接入升壓模塊后電壓跌落至正常的20%時動態(tài)特性

圖8 接入升壓模塊后電壓跌落至正常的60%時動態(tài)特性

圖9 直流側(cè)額外儲能支持

3 直流側(cè)安裝蓄電池或類似儲能元件

3.1 儲能元件的接入

變頻器的低電壓穿越問題，在不改變拓撲的情況下，最重要的就是維持直流電壓的穩(wěn)定。而在成本允許的情況下，在直流側(cè)添加儲能元件是最直接的解決方案，其拓撲如圖9所示。

圖9所示的拓撲顯示，在直流側(cè)安裝儲能裝置，除了儲能元件本身，還需要對儲能裝置的充放電進行控制并增加一套靜態(tài)開關(guān)。實際上，不論是蓄電池還是超級電容儲能，這套控制裝置都很重要。低電壓運行導致儲能裝置投入的情況并不會時有發(fā)生，大部分時候儲能裝置都處于恒壓浮充狀態(tài)，控制裝置一直要投入運行。而這期間蓄電池的損耗，也是需要考慮的成本問題。

3.2 仿真分析

在儲能元件投入的情況下，模塊外部電壓跌至正常的20%，變頻器及輔機的動態(tài)性能如圖10所示。

圖10 接入儲能元件時電壓跌落至正常的20%時動態(tài)特性

圖11 接入儲能元件時電壓跌落至正常的60%時動態(tài)特性

圖12 交流側(cè)在線式UPS支持

如圖10所示，當輸入電壓跌落時，通過靜態(tài)開關(guān)迅速將儲能元件并入變頻器直流側(cè)，提供電壓支持，以確保交流電壓跌落時直流電壓持續(xù)穩(wěn)定。從輔機和變頻器的動態(tài)特性來看，當電壓跌落至20%額定值時，電動機的正常運行以及變頻器的正常工作沒有受到任何影響，并且故障切除后系統(tǒng)也未出現(xiàn)明顯波動，能夠迅速恢復穩(wěn)態(tài)。

同樣測試電壓跌落至60%時輔機變頻器系統(tǒng)的情況，結(jié)果如圖11所示。

從圖11可以看出，當電壓跌落程度更小時，儲能系統(tǒng)同樣能非常好地完成輔機變頻器的低電壓穿越任務。5 s的故障時間以及故障結(jié)束后的恢復過程中，電動機均能正常運行，轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩無變化，變頻器能夠正常輸出。

4 交流側(cè)接入在線式UPS

4.1 UPS的接入

在線式UPS將廠用電系統(tǒng)和輔機變頻器組從物理上隔離起來。UPS將交流變?yōu)橹绷?，同時完成直流側(cè)蓄電池的充電。之后通過逆變器將其變?yōu)槿嘟涣麟?，輸入變頻器。當廠用電系統(tǒng)發(fā)生故障導致電壓跌落時，利用直流蓄電池組作為直流源，逆變后繼續(xù)給變頻器提供滿足要求的交流電。其拓撲結(jié)構(gòu)如圖12所示。

如圖12所示，UPS系統(tǒng)除了儲能和整流器之外，還額外有一個逆變器。成本更高而控制更加復雜，但是由于不需要拆開原有設(shè)備，安裝較為方便。

由于不考慮正常運行電池充電的情況，為了仿真方便，整流側(cè)只采用了單環(huán)控制浮充電壓恒定的控制策略。逆變器則采用了類似圖6所示的控制電動機側(cè)電壓恒定的控制策略，設(shè)定交流電壓的目標值后，當母線電壓跌落時，控制系統(tǒng)將維持變頻器輸入電壓的穩(wěn)定。

4.2 仿真分析

在仿真中在變頻器前級配置在線式UPS，通過在廠用電系統(tǒng)中設(shè)置故障來模擬電壓跌落。當輸入UPS電壓跌落至正常的20%時，結(jié)果如圖13所示。

圖13 電壓跌落至正常的20%時動態(tài)特性

圖14 電壓跌落至正常的60%時動態(tài)特性

從圖13可見，在配置了在線式UPS之后，電壓跌落對輔機和變頻器的正常運行沒有影響，只在供電切換的瞬間，直流電壓有輕微的波動。故障切除電壓恢復后，電動機和變頻器同樣能夠繼續(xù)正常工作。

測試電壓跌落至正常的60%時，配置在線式UPS系統(tǒng)的輔機及變頻器工作的情況，如圖14所示。

綜合圖13和圖14的仿真結(jié)果來看，配置在線式UPS后，變頻器輔機的低電壓穿越能力基本無問題，而經(jīng)濟性和可維護性可能是需要關(guān)注的重點。

5 結(jié)語

直流側(cè)安裝升壓模塊或安裝儲能元件以及交流側(cè)安裝UPS，是對輔機變頻器進行低電壓穿越改造的幾個可選擇方案。經(jīng)過仿真分析，儲能元件或UPS的使用都能夠很好地解決低電壓穿越問題，正常值20%以上的低電壓對于輔機和變頻器的運行不會產(chǎn)生任何影響，但缺點是成本較高。而升壓模塊在電壓恢復、裝置退出的瞬間，如果輸入電壓過低可能出現(xiàn)直流側(cè)過電壓，需要采取措施抑制。但這種方案的成本最低，也可以較好地完成低電壓穿越任務。具體采用何種方案，應該根據(jù)輔機的重要程度以及經(jīng)濟性因素綜合分析決定。

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（本文編輯：楊 勇）

Simulation and Analysis of Auxiliaries LVRT Attachment Based on PSCAD

WANG Donghui，LYU Wentao，LUO Huafeng，KE Renguan
（State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute，Hangzhou 310014，China）

Frequency converter voltage of auxiliaries may drop due to transient state process of power plant auxiliary power system or external power networks，which results in operation condition turbulence of auxiliaries or even frequency converter removal.Therefore，low voltage ride through（LVRT）must be taken into consideration for the normal operation of auxiliaries.By installing attachment the original circuit can be less changed.A typical scheme is to increase voltage boosting modules，install energy storage device at DC side and online UPS at AC side.It is proved by modeling and simulation in PSCAD/EMTDC software that the energy storage device at DC side and UPS at AC side have little impact on frequency converter of auxiliaries during low voltage ride through，but the two schemes are costly；however，increase of voltage boosting modules may result in overvoltage at DC side of frequency converter and some suppression measures must be taken，but this scheme is less costly.The schemes can be chosen in comprehensive consideration of field conditions as well as technical and economical efficiencies.

auxiliary；frequency converter；low voltage ride through；voltage boosting module；energy storage equipment

TM621.7+1

B

1007-1881（2015）11-0079-06

2015-09-17

汪冬輝（1989），男，主要從事繼電保護及自動化相關(guān)工作。