安徽宏網(wǎng)電力設(shè)備有限公司 陳 鑫 安徽立卓智能電網(wǎng)科技有限公司 姚 琦

作為衡量電網(wǎng)運行穩(wěn)定性的一項重要指標，火電廠的故障電壓（高、低電壓）穿越能力是指當發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)電壓上升或跌落時，系統(tǒng)保持并網(wǎng)狀態(tài)并向電網(wǎng)提供一定的無功功率以促使電網(wǎng)恢復正常，進而確保系統(tǒng)安全“穿越”故障電壓區(qū)域?；痣姀S單機功率及全廠功率均較風電場大，不具備故障電壓穿越能力的火電機組輔機，一旦出現(xiàn)電壓暫升或暫降的狀況，部分輔機變頻器易產(chǎn)生閉鎖保護動作，致使輔機（電動機）停止運行，進而造成停爐、停機等事故，波及其他入網(wǎng)的電網(wǎng)側(cè)和負荷側(cè)用戶，造成多方面的重大損失[1-2]。

火電廠中的給煤機、給粉機等設(shè)備作為大型汽輪發(fā)電機組Ⅰ類輔機[3]，準確檢測其變頻器的故障電壓穿越能力，并對不具備安全運行能力的變頻器進行改造，是關(guān)乎電廠甚至電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的重大問題。

傳統(tǒng)的解決方向僅從電廠或電網(wǎng)著手，如給粉機全停邏輯延時、給粉機變頻器設(shè)置快速重啟動、等待電網(wǎng)恢復后給粉機變頻器重啟動、取消變頻器低壓保護設(shè)置等措施，無法杜絕此類問題的發(fā)生。本方案首創(chuàng)性地從電網(wǎng)側(cè)、電源側(cè)和輔機變頻器調(diào)速系統(tǒng)多個方面綜合考慮，對其故障電壓穿越性能進行改善。

1 系統(tǒng)主要構(gòu)成

1.1 電壓擾動發(fā)生器

考慮到電網(wǎng)電壓出現(xiàn)暫升、暫降等故障的不可控性，需要設(shè)計能夠產(chǎn)生電壓瞬變模擬故障電壓工作狀態(tài)，完成火電廠輔機變頻調(diào)速系統(tǒng)故障穿越能力測試的電壓擾動發(fā)生器[4]（Voltage Sag Generator,VSG）。對比分析市面上不同類型的電壓擾動發(fā)生器后，選用基于BOOST升壓原理的電力電子變換式電壓擾動發(fā)生器，作為面向輔機變頻調(diào)速系統(tǒng)的電壓擾動發(fā)生源。

在不可控整流電路和逆變電路之間設(shè)置升壓電路，VSG可模擬電壓中斷、暫升、暫降等故障情況。同時，在直流側(cè)設(shè)置升壓電路，相較于利用變壓器進行升壓的方式，在輸出容量相同的情況下，占用體積更小，電壓由穩(wěn)態(tài)切換至暫態(tài)的時間更短，可達微秒級。整體的設(shè)計相較于采用可控整流電路和逆變電路組成的VSG來說，控制算法簡單，發(fā)熱量低，且硬件成本低（如圖1所示）。

圖1 VSG的電路原理圖

1.2 輔機變頻調(diào)速系統(tǒng)

火電機組的變頻調(diào)速系統(tǒng)用來調(diào)控交流三相電動機的轉(zhuǎn)速，由電力設(shè)備（包括變頻器、交流電動機）和控制設(shè)備（包括開關(guān)控制、繼電器、電壓/頻率/電流控制、觸發(fā)系統(tǒng)、保護、狀態(tài)監(jiān)控、通訊、測試、診斷、生產(chǎn)過程接口/端口等）組成。

設(shè)定電力生產(chǎn)輔機變頻調(diào)速系統(tǒng)，包括變頻器、變頻器所服務的電力生產(chǎn)輔機設(shè)備、輔機設(shè)備所處生產(chǎn)環(huán)境，以及輔機設(shè)備所在生產(chǎn)線的特定化工藝作為研究目標，從支撐性能、聯(lián)動性能、安全性能等多角度，評測電源側(cè)電力生產(chǎn)輔機變頻調(diào)速系統(tǒng)的高、低電壓穿越能力，以及對負荷側(cè)電力用戶的用電安全影響。

1.3 抗電壓擾動設(shè)備

抗電壓擾動設(shè)備由監(jiān)控及顯示單元、抗電壓擾動模塊（LVP模塊）、主監(jiān)控單元（MASTER）、電力監(jiān)測專用軟件、直流配電回路、控制回路不間斷電源（UPS）等組成，設(shè)備如圖2所示。

圖2 抗擾動設(shè)備示意圖

模塊化設(shè)計使得配置方式靈活，主要單元支持熱插拔N+1冗余配置，與其他部分相對獨立，無相互干擾或影響。人機界面友好，功能完備，方便操作。一體化設(shè)計減少占地空間，方便安裝調(diào)試。防護等級高，適合惡劣環(huán)境長期穩(wěn)定運行。

2 系統(tǒng)工作原理

建立以直流支撐技術(shù)為依據(jù)的抗電壓擾動系統(tǒng)，在出現(xiàn)電壓擾動時，確保輔機變頻調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速、功率、轉(zhuǎn)矩不變。

2.1 組成框架

抗電壓擾動系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)庫內(nèi)核和外設(shè)接口兩大部分，數(shù)據(jù)庫內(nèi)核負責完成信息的處理、功能控制等內(nèi)容，I/O接口負責外設(shè)之間的連接和通信。其組成框圖如圖3所示，主要由主監(jiān)控單元、人機交互單元、電壓擾動保護模塊、儲能單元、充電單元、執(zhí)行單元、交直流監(jiān)測單元等組成。

圖3 抗電壓擾動系統(tǒng)組成框圖

主監(jiān)控單元負責監(jiān)測交、直流電壓/電流、電壓擾動時間、充電系統(tǒng)運行狀況、儲能單元運行狀況、電壓擾動保護模塊運行狀況等信息，并依據(jù)監(jiān)測信息控制執(zhí)行單元的動作。支持與HMI觸摸屏、DCS系統(tǒng)通訊，并支持與MFT動作聯(lián)鎖等。

電壓擾動保護控制模塊由濾波單元、BOOST升壓電路、保護電路、逆功率防護模塊等組成。將儲能單元輸出電壓維持在一定范圍內(nèi)，支持冗余配置。

人機交互單元能夠在觸摸屏上顯示、記錄和查詢交、直流電壓/電流信息、趨勢曲線、運行指示、報警指示、SOE記錄等，系統(tǒng)參數(shù)可人工設(shè)置，支持身份驗證。

充電單元由高頻開關(guān)模塊并聯(lián)組成，主要作用是為電池充電，浮充/均充模式能夠自動轉(zhuǎn)換；整流模塊滿足電池組充電、浮充電特性的要求，能承受2Ie以上的短時沖擊電流，并具有軟啟動特性。

2.2 工作原理

該系統(tǒng)輸出直流電源與現(xiàn)有火電輔機變頻調(diào)速系統(tǒng)輸入交流動力電源實現(xiàn)變頻器交、直流冗余供電，變頻調(diào)速系統(tǒng)控制電源取自廠內(nèi)UPS或本系統(tǒng)自帶在線式UPS，在變頻器制動端口兩端并聯(lián)泄放電阻，為其中間直流回路能夠較好地釋放多余的能量提供通道，從而預防過電壓。

當380V廠用電正常時，低壓輔機變頻調(diào)速系統(tǒng)動力電源由廠用電提供，抗電壓擾動系統(tǒng)的輸出直流電源處于熱備用狀態(tài)；當380V廠用電壓暫降至系統(tǒng)設(shè)定支撐閾值以下時，抗電壓擾動系統(tǒng)自動投入運行，主動提供直流電源，支撐變頻調(diào)速系統(tǒng)正常運行，不影響終端電動機的正常運行，直至廠用電再次恢復正常供電時，低壓輔機變頻調(diào)速系統(tǒng)動力電源轉(zhuǎn)由廠用電供電，所有的動作均由系統(tǒng)自動執(zhí)行，且不對負載有任何影響；當380V廠用電壓暫升至斬波投入閾值以上時，變頻器制動單元通過自動投入泄放電阻將多余能力釋放，從而保證變頻器直流環(huán)節(jié)電壓維持在正常工作范圍；當抗電壓擾動設(shè)備聯(lián)鎖動作（MFT動作即主燃料跳閘動作、變頻器停止）時，設(shè)備自動轉(zhuǎn)入熱備用狀態(tài)。

3 系統(tǒng)性能研究

搭建系統(tǒng)實驗平臺如圖4所示，將電壓擾動發(fā)生器串聯(lián)接入被試變頻調(diào)速系統(tǒng)及AC 380V動力電源之間；電壓擾動發(fā)生器用來模擬發(fā)生0%～130%額定電壓擾動信號，作用于被試對象；利用數(shù)字存儲錄波器對擾動電壓、變頻器直流母線電壓、變頻器輸出電壓等多個目標進行同步解析，進而判斷被試變頻調(diào)速系統(tǒng)高、低電壓穿越能力。

圖4 試驗平臺示意圖

3.1 配置設(shè)計

針對各個生產(chǎn)現(xiàn)場的實際狀況，設(shè)計了分布式和集中式兩種支撐方案，以滿足不同的實際需求。分布式支撐方案即單套抗電壓擾動設(shè)備支撐單套變頻調(diào)速系統(tǒng)，該配置方式可保證任何一套變頻器抗電壓擾動裝置出現(xiàn)異常，都不會影響其他變頻器抗電壓擾動設(shè)備的正常工作，保障機組變頻調(diào)速系統(tǒng)的可靠性和安全性。集中式支撐方案即單套抗電壓擾動設(shè)備支撐多套變頻調(diào)速系統(tǒng)，這種配置方式操作較簡單，設(shè)備資源投入較少。

3.2 性能指標

當外部故障或擾動引起的變頻器進線電壓擾動幅值和持續(xù)時間在高、低電壓穿越區(qū)內(nèi)時，見表1，變頻器能夠保障供電對象的安全運行。因此，被試系統(tǒng)順利穿越故障電壓區(qū)域的前提即測試系統(tǒng)監(jiān)測到的高、低電壓穿越性能指標應符合表1的要求，表中Ue為額定電壓。

表1 輔機變頻調(diào)速系統(tǒng)高、低電壓穿越區(qū)的指標

3.3 試驗結(jié)果

當發(fā)生380V廠用母線電壓輸入分別改變至額定值的0%、20%、60%、90%、130%時，被測輔機變頻調(diào)速系統(tǒng)能夠在穿越支撐時間內(nèi)持續(xù)正常運行。部分實驗結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 廠用母線電壓暫降至額定值60%，維持10s

圖6 廠用母線電壓暫升至額定值130%，維持0.5s

針對傳統(tǒng)火電機組故障電壓穿越能力不足的問題，提出了一種綜合考慮電網(wǎng)側(cè)、電源側(cè)和輔機變頻器調(diào)速系統(tǒng)多方面因素的研究方案，有如下特點：一是設(shè)定電力生產(chǎn)輔機變頻調(diào)速系統(tǒng)，包括變頻器、變頻器所服務的電力生產(chǎn)輔機設(shè)備、輔機設(shè)備所處生產(chǎn)環(huán)境，以及輔機設(shè)備所在生產(chǎn)線的特定化工藝作為研究目標；二是利用電壓擾動發(fā)生器模擬生成0%～130%Ue范圍的電網(wǎng)電壓波動；三是模塊化設(shè)計，配置方式靈活，根據(jù)不同的現(xiàn)場需求，提供了分布式和集中式支撐兩種方案。試驗結(jié)果表明，系統(tǒng)的故障電壓穿越性能得到了有效提升，對保障安全生產(chǎn)、促進電力系統(tǒng)“網(wǎng)源協(xié)調(diào)”具備較好的工程應用價值。