張志軒，由新紅，馬 歡，趙 康，周 寧，李常剛

（1.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟南 250003；2.山東大學(xué)電氣工程學(xué)院，山東 濟南 250061）

0 引言

隨著發(fā)電市場競爭加劇，火電廠為了降低發(fā)電成本，對廠內(nèi)低壓電機設(shè)備進行改造，新增具備電力電子特性的變頻器，通過交流變直流、直流變交流方式實現(xiàn)節(jié)約廠用電和提高設(shè)備適應(yīng)不同運行工況的目標(biāo)［1-2］。但是，變頻器帶來效益提升的同時，也造成了潛在的安全隱患，當(dāng)使用抽水泵等大型設(shè)備、升壓站附近發(fā)生短路故障及電網(wǎng)電壓跌落等故障時，電廠電壓、頻率擾動，如果電廠電壓跌落至變頻器的低電壓保護動作電壓值，變頻器低壓保護動作，變頻器瞬間失電停機［3－4］。給煤機和空預(yù)器等火電廠一類輔機的變頻器保護動作停機，會導(dǎo)致火電機組非正常停機，電廠出力降低，造成事故范圍擴大［5-6］。因此，為防止交直流混聯(lián)電網(wǎng)頻率、電壓異常等情況引發(fā)連鎖性故障，確保電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行，發(fā)電企業(yè)一類輔機變頻器的技術(shù)條件應(yīng)按DL／T 1648—2016《發(fā)電廠及變電站輔機變頻器高低電壓穿越技術(shù)規(guī)范》執(zhí)行，以杜絕因變頻器故障而引發(fā)電網(wǎng)嚴(yán)重事故。

開展Ⅰ類輔機低電壓穿越改造，以保證電廠一類輔機在20%、60%和90%額定電壓下具備低電壓穿越能力。在低電壓穿越試驗中發(fā)現(xiàn)變頻器及低電壓穿越裝置工作回路的開關(guān)存在保護跳閘問題。由于各電廠電氣設(shè)計不同，變頻器柜體內(nèi)外的接線方式存在一定差異，跳閘情況分為兩類：電廠內(nèi)部交流母線至低電壓穿越柜體安裝位置電纜過長導(dǎo)致的試驗裝置保護跳閘；20%壓降試驗中，沖擊電流導(dǎo)致試驗裝置保護跳閘。該問題是電廠輔機變頻器改造中亟須解決的問題。文獻［7］分析了火力發(fā)電機組給煤機空預(yù)器等變頻器的低電壓穿越能力，通過案例分析發(fā)現(xiàn)了變頻器低電壓穿越能力不足，針對電流電壓異常提出了低穿裝置電壓電流復(fù)合控制的方案，但并未進行試驗驗證。文獻［8］針對低電壓穿越試驗電壓跌落設(shè)備—電壓暫降儀工作過程中電壓暫降時間和沖擊電流等問題，提出了基于電力電子的新型電壓暫降儀，解決了舊式電壓暫降儀響應(yīng)速度和電壓諧波等問題。文獻［9］針對接地故障時電壓過低導(dǎo)致的變頻器低壓保護動作，設(shè)計了一種基于電力電子器件的無源變頻器低電壓穿越電源 （Inverter Low Voltage Through Power，ILP），ILP 由三重并聯(lián)交錯Boost 電路的DC-DC 電路、旁路電源電路和控制回路電源構(gòu)成。并未就ILP 的沖擊電流特性進行進一步的說明。

針對以上問題，基于MATLAB 平臺搭建了低電壓穿越裝置電磁模型，通過模型參數(shù)調(diào)整實現(xiàn)了直流電壓平穩(wěn)輸出，并計算出緩沖電路數(shù)值。并應(yīng)用于現(xiàn)場試驗，取得良好效果。

1 低電壓穿越技術(shù)

1.1 拓撲結(jié)構(gòu)

低電壓穿越電源裝置拓撲如圖1 所示。未改造的變頻器有單一的交流電源，即圖1 中線路1 交流供電回路，變頻器經(jīng)線路1 連接至廠用電母線；改造后的變頻器，有兩路電源，除線路1 交流供電回路外，新增線路2 直流供電回路。直流供電回路由三相橋式整流電路和Boost 電路構(gòu)成。

圖1 低電壓穿越電源裝置拓撲

1.2 工作原理

直流供電回路工作過程： 三相交流電能經(jīng)斷路器送入二極管整流橋構(gòu)成的整流回路，再變換為直流電能并儲存于電容。電感L 與絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）構(gòu)成Boost型式的升壓斬波電路，可將電容上的直流電能變換為電壓等級更高的直流電能儲存于電容，并經(jīng)二極管防反回路和熔斷器后，送入變頻器的直流輸入端子。

裝置的運行模式下有兩種工作狀態(tài)：Boost 工作狀態(tài)、非Boost 工作狀態(tài)。Boost 工作狀態(tài)是指裝置在電網(wǎng)電源發(fā)生跌落時，Boost 升壓電路可以提供變頻器穩(wěn)定的直流電壓，維持變頻器正常工作；非Boost工作狀態(tài)是指在電網(wǎng)電源正常時，Boost 升壓電路不參與裝置的運行，電能通過交流旁路向變頻器送電。

當(dāng)電網(wǎng)電壓正常時裝置待機，電能通過原有交流線路向變頻器送電，Boost 升壓電路處于旁路狀態(tài)，不參與裝置運行。當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生跌落時，檢測裝置檢測到跌落電壓超過裝置動作閥值，Boost 電路升壓工作狀態(tài)啟動，保證直流輸出端子有穩(wěn)定的直流輸出電壓，變頻器繼續(xù)工作。

2 換流器技術(shù)

2.1 整流電路工作原理

電容濾波的三相不可控整流電路中，最常用的是三相橋式結(jié)構(gòu)，電路及工作波形如圖2 所示。

圖2 三相不可控整流電路

該電路中，某一對二極管導(dǎo)通時，輸出直流電壓等于交流側(cè)最大線電壓，該線電壓即向電容供電，也向負載供電。當(dāng)沒有二極管導(dǎo)通時，由電容向負載放電。Ud按指數(shù)規(guī)律下降，此電路工作模式符合變頻器低穿投入工況，變頻器交流母線正常時，電容充電；變頻器交流母線失電時，電容向變頻器供電。

供電交流線電壓為

式中：U 為電 網(wǎng) 相電 壓幅 值；ω 為角頻率；δ 為 初相角。

整流電路輸出電壓平均值分為空載和重載兩種情況計算。

1）空載時，輸出直流電壓為

2）重載時，隨著負載的增加，輸出電壓平均值降低，最終輸出電壓波形為線電壓包絡(luò)線，其值等同于三相全控整流電路輸出直流電壓，即為

式中：α 為觸發(fā)角。當(dāng)α 為0°時即輸出電壓波形為線電壓包絡(luò)線，Udc=2.34U。輸出直流電壓范圍為：2.34U

2.2 Boost 電路工作原理

低電壓穿越裝置中所應(yīng)用的Boost 電路是直接直流變流電路的一種，功能是將直流電變?yōu)榱硪环悼烧{(diào)節(jié)的直流電，其電路原理如圖3 所示。

圖3 Boost 電路

圖4 電磁模型

開關(guān)器件處于通路狀態(tài)的時間為ton，處于斷路狀態(tài)的時間為toff。

式中：T 為開關(guān)器件的開斷總時長，T／toff≥1。

2.3 仿真模型

基于MATLAB 平臺，搭建了三相不控整流電路和Boost 電路的電磁模型，如圖4 所示。

直流輸出電壓480 V，波形如圖5 所示。

圖5 Boost 電路直流輸出電壓

3 應(yīng)用案例

3.1 某電廠機組實測數(shù)據(jù)

某電廠低穿改造機組共有12 臺給煤機，給煤機電機容量5.5 kW，變頻器型號為西門子440，低電壓穿越裝置采用交流一拖一方式。

試驗中某給煤機以35 Hz（最大速度）運行，在某一時刻將給煤機電機變頻器的交流輸入電壓降至20%額定電壓，電壓暫降持續(xù)時間是10 s。試驗失敗，試驗回路32 A 空氣開關(guān)在10 s 時跳閘。波形如圖6 所示。

圖6 35 Hz 20%額定電壓低電壓穿越試驗

圖6 中黃色曲線是變頻器交流輸入電壓，藍色曲線是變頻器直流輸出電壓，紫色曲線是變頻器交流輸出電壓。第10 s 電壓暫降儀恢復(fù)變頻器交流輸入電壓至額定電壓，電壓恢復(fù)瞬間由于低電壓穿越裝置問題產(chǎn)生的沖擊電流導(dǎo)致保護動作，工作回路斷電。

降低負荷，給煤機以5 Hz 運行，交流輸入電壓降至20%額定電壓，電壓暫降持續(xù)時間是10 s。低電壓穿越裝置未能成功支撐，試驗回路32 A 空氣開關(guān)在10 s 時跳閘。波形如圖7 所示。

圖7 5 Hz 20%額定電壓低電壓穿越試驗

3.2 參數(shù)改進

通過搭建的電磁模型平臺，帶入廠內(nèi)電機負載及線路阻抗參數(shù)，調(diào)整低電壓穿越裝置整流升壓電路PI 參數(shù)，獲得該廠環(huán)境下的適應(yīng)性PI 參數(shù)。2 s 時降低交流電源輸出仿真波形如圖8 所示。

圖8 降低交流電源直流輸出電壓波形

由圖8 可知2 s 時交流電源輸出降低，模性對應(yīng)直流電壓由600 V 降至540 V，電壓降低期間波動平穩(wěn)。將對應(yīng)參數(shù)用于實際機組低電壓穿越裝置后，波形如圖9、圖10 所示?？梢钥闯鲈谧冾l器交流輸入電壓降低至20%額定電壓時，在低電壓穿越裝置輔助下。變頻器直流輸出電壓保持穩(wěn)定，變頻器交流輸出電壓穩(wěn)定，給煤機電機正常工作。

圖9 35 Hz 20%額定電壓低電壓穿越試驗

圖10 5 Hz 20%額定電壓低電壓穿越試驗

4 結(jié)語

針對火電廠機組I 類輔機變頻器低電壓穿越試驗中沖擊電流過大問題，搭建了詳細的低電壓穿越裝置電磁模型，采用了模型仿真避免了現(xiàn)場試驗對設(shè)備的危害，應(yīng)用新參數(shù)成功降低了低電壓穿越裝置的沖擊電流，提高了電廠輔機變頻器的安全性，保證了電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。試驗參數(shù)為根據(jù)經(jīng)驗調(diào)整，下一步引進相關(guān)算法對參數(shù)調(diào)整進行優(yōu)化。