百万机组吸风机变频器低电压穿越性能的综合治理
吕兆俊 金文建 张剑峰
摘?要：高压大容量变频器的低电压穿越性能治理是近年来不断研究、实施的重要新型课题之一。本文分析了百万机组吸风机大容量变频器低电压穿越性能治理的方法及测试方案，为相类似容量变频器低电压穿越性能的治理积累了经验，具有参考价值。
关键词：高压变频器;大容量电动机;低电压穿越
随着变频技术在电力系统发电企业中的广泛应用，发电厂一类高低压辅机的变频器在电网系统发生低电压穿越时、或者厂用系统发生故障时是否能够抵御住电源系统的扰动，将直接关系到发电厂机组的安全稳定运行，也将对这个电网的稳定起到关键性的作用。高低压变频器低电压穿越性能的治理将是现阶段的主要工作之一，其中高压大容量变频器的低电压穿越性能治理又是其重中之重的举措。
一、概述
2016年国家能源局正式发布了《发电厂及变电站辅机变频器高低压穿越技术规范》（以下简称“《技术规范》”）[1]，《技术规范》中明确要求：
（1）当外部故障或扰动引起的变频器进线电压幅值小于额定电压且大于等于20%额定电压，且持续时间小于等于0.5s的瞬时低电压穿越区内时，变频器应能够保障供电对象的安全运行。
（2）当外部故障或扰动引起的变频器进线电压幅值小于额定电压且大于等于60%额定电压，且持续时间大于0.5s、小于等于5s的短时低电压穿越区内时，变频器应能够保障供电对象的安全运行。
（3）当外部故障或扰动引起的变频器进线电压幅值小于额定电压且大于等于90%额定电压，且持续时间大于5s的持续低电压穿越区内时，变频器应能够保障供电对象的安全运行。
漕泾电厂是一家建设有2台1000MW发电机组的新型火电企业，每台锅炉配置了两台吸风机且采用并列运行的方式，吸风机采用东方日立全进口HI系列的6kV高压变频器，变频器容量为8000kVA。该系列变频器的低电压穿越功能仅能实现在动力电源电压幅值跌至75%额定电压以下时维持2.2s的要求，无法达到《技术规范》中变频器在短时低电压穿越区的技术标准。
由于当电网系统发生短时低电压穿越工况时，1台机组的两台吸风机变频器可能因这个原因而跳闸，继而造成机组的跳闸，极端情况时甚至可能造成全厂停电事故。即，在电网发生低电压穿越工况、需要大容量机组予以强有力支持的时候，反而由于变频器的低电压穿越能力不足而反过来对整个电网又产生了恶劣的影响、加速了电网的恶化状况，故不管从哪方面说，都必须对吸风机高压变频器的低电压穿越性能进行治理。
二、低电压穿越性能进行治理方案
一台变频器三相共有15台功率单元，每台功率单元电源变压器的原边接功率单元的三相输入，副边接单元控制板。经充分论证，决定在原控制板的直流接口上并接一块超级储能板，超级储能板主要由整流元件和超级电容构成，变频器正常时超级电容被充满电，实现充电储能功能。当电源恢复后，超级储能板将再次捕获能量吸收被充满电，控制板则继续由输入电源供电。此种方案可以保证在整个低电压穿越过程中控制板件保持正常工作状态。
三、低电压穿越性能治理方案中的其他问题说明
（一）低电压穿越期间的变频器过流问题
电网系统发生低电压穿越时，变频器动力电源侧的电压元件可以在10ms以内检测到并触发低电压穿越功能，随后立即停止变频器的输出。此时由于变频器移相变压器和功率单元直流电容的储能作用，此时实际输出电压并没有发生变化，也不会触发变频器过流单元动作。
（二）变频器电源侧电压的小幅波动问题
鉴于超级电容并联在原控制板上，控制板件内部DC转化芯片采用了宽电压设计（5.5V～60V），变频器电源侧电压的小幅波动引起超级电容的充放电电流是在电容允许范围之内的，故不需要考虑变频器动力电源的正常波动给超级电容带来的影响。
（三）超级电容的寿命问题
超级电容仅在电网系统中发生低电压穿越时使用，在变频器正常工作时超级电容几乎无充放电过程（变频器电源侧电压正常波动时，超级电容的充放电电流非常小），故超级电容内部温度稳定，其发热也可忽略，对超级电容的寿命无影响。同时，根据超级电容厂家提供的技术资料，超级电容充放电次数可达百万次，远大于功率单元上电解电容的寿命。
（四）超级电容的保护设置问题
超级电容并联在原控制板上，其相关的保护功能均由控制板实现，超级电容本身仅包含限流及过压保护功能。同时超级电容是物理方法储能不同于二次电池，不发生化学反应，其利用活性炭表面粒子的物理吸附实现储能，因此不需要配置低压过放电保护。
四、低电压穿越性能治理后的验证试验
（一）常规测试方案
方案1：在变频器控制板的电源侧增加小开关。在变频器控制板的输入电压检测端设置一个开关，变频器正常运行后断开此开关，变频器控制板检测不到电源的二次电压，以此用来模拟变频器进入了瞬停状态。5s后合上此开关，变频器控制板检测到电源的二次电压恢复正常，即模拟变频器瞬停状态结束，此时观察变频器如能不报“重故障”而重新启动成功，即表明变频器的低电压穿越性能正常。该试验方案存在一定的缺憾，即其仅在变频器电压检测处模拟二次电源失电，考验了变频器的控制逻辑判别能力，但变频器的主电源实际并没有发生跌落，变频器的一次功率单元未能收到真正的考验。
方案2：在变频器输入侧设置一套电网跌落模拟器，在变频器正常时模拟电网电压的跌落（电压跌落时间可进行设定，时间过后自动恢复系统电压），用以观察变频器的低电压穿越性能是否正常。
方案3：在变频器的电源输入侧设置一套高压变频器作为被测高压变频器的电源，实验时电源模拟高压变频器先按照正常运行电源电压给被试高压变频器供电，随后按照《技术规范》的要求模拟被试高压变频器经受低电压穿越的全过程，用以观察其穿越性能是否正常。
方案4：在运行中将变频器从A段母线切换为B段母线，切换时间为5s，用以观察变频器的低电压穿越性能是否正常。需说明的是，由于开关切换可能引起瞬时过电压，为安全计，需在变频器输入侧增加一组过电压吸收器。
（二）各测试方案的优劣比较
方案1：仅在变频器电压检测处模拟失电，变频器主电源实际没有发生跌落，對变频器功率单元未能实现考验;方案2：该方案仅适用于小容量的变频器。吸风机变频器的容量为8000kVA，无合适容量的电网电压模拟跌落器进行试验;方案3：两台吸风机、两台同容量的变频器，可实现测试的要求;方案4：测试的风险较大。
五、结语
百万机组火力发电厂中的吸风机在采用变频控制以后，节能效果为发电企业带来了丰厚的效益，但是高压变频器（尤其是全进口变频器）在低电压穿越能力上的短板日益显现，做好吸风机等一类辅机变频器的低电压穿越性能治理工作就显得尤为重要。本文重点通过对吸风机变频器低电压穿越性能治理的硬件手段、大容量变频器低电压穿越性能测试的方案进行分析，确认了性能治理的总体思路和具体方案，大大提高了高压变频器的运行可靠性，继而保障了发电机组在电网发生低电压穿越工况时的运行稳定性及安全性。
参考文献：
[1]发电厂及变电站辅机变频器高低电压穿越技术规范（DL/T 1648-2016）.
[2]裴丽秋.辅机变频器低电压穿越技术研究[J].电工技术，2019，（10）.
[3]朱乐平.发电厂变频器低电压穿越方案探讨[J].电力设备管理，2019，（9）.
[4]葛雨生，张仰光，陈光宇，徐睿，纪思.基于超级电容器的DFIG低电压穿越研究[J].电气电工，2019，（10）.
作者简介：吕兆俊（1972—?），男，汉族，上海人，专科，工程师/技师，主要从事电力系统电气、继电保护专业的技术管理及实践工作;金文建（1970—?），男，汉族，上海人，专科，助理工程师/技师，主要从事电力系统发变配电电气设备检修及隐患缺陷排查工作;张剑锋（1972—?），男，汉族，上海人，专科，高级技师，主要从事电力系统变电检修工作。
