给煤机变频器低电压穿越装置的优化配置方案
大唐华中电力试验研究院的研究人员刘辉，在2018年第10期《电气技术》杂志上撰文指出，随着变频技术在火电厂辅机中的广泛应用，为保证机组在厂用电压跌落的情况下正常运行，辅机变频器的低电压穿越装置必不可少。
本文分析了低电压穿越装置的基本原理，并提出了一种针对给煤机变频器的低电压穿越装置优化配置方案。该配置方案能够保证在厂用母线电压跌落时机组安全稳定运行，且在经济性方面要显著优于目前的方案。
近年来，变频技术逐渐在火电厂辅机运行中广泛应用，变频改造可以降低厂用电率，实现节能降耗，但与此同时，变频器对电压波动极为敏感，当输入电压低于变频器低压保护定值时，保护电路动作，切断变频器的输出，保护变频器不受过流损害。
火电厂一些重要辅机若因电压跌落而导致变频器低电压保护动作时，短时中断运行就会造成设备损坏、机组停机或输出功率大量下降。国内电厂曾经多次出现厂用电电压跌落导致给煤机变频器停运，触发炉膛灭火保护（MFT），最终机组跳机的案例。因此，为确保机组的安全稳定运行，有必要让火电厂辅机变频器在电压跌落情况下，维持一定时间的正常运行。
目前，在进行低电压穿越改造的方案中，尚没有从经济性和安全性方面进行的研究。本文主要探讨在对电厂辅机变频器进行低电压穿越改造的过程中，如何根据电厂辅机的实际情况，既保证电压跌落时机组安全运行，又保证低电压穿越装置配备方案的经济性。
1 辅机变频器低电压穿越技术
辅机变频器的低电压穿越（LVRT）改造，就是使火电厂辅机在电压跌落的情况下，具备短时间内正常运行的能力，在《大型汽轮发电机组一类辅机变频器高低电压穿越技术规范》中，对给煤机等一类辅机变频器的低电压穿越能力要求见表1。
表1 低电压穿越能力要求
电厂内发生低电压问题的主要原因可以分为以下几类：
①起动大型厂用电设备时厂用电低电压。例如：起动引风机、一次风机、脱硫增压风机、给水泵等，厂用电源电压会被拉的较低，且持续一段时间，时间一般在10～15s，由于有变压器隔离，这种行为通常只是限于某段母线，是电厂经常发生的一种现象，一般电厂早就已经解决；
②厂用设备故障导致低电压。风机、水泵和变压器等厂用电设备由于雷击、老化、接地等原因出现短路故障，从故障发生到故障切除这一过程中，厂用电母线电压会出现短时降低的现象，当短路故障点距离厂用母线较近时，厂用母线电压跌落较为明显；
③电网故障导致低电压。主保护未动靠后备保护切除故障或重合闸合于永久性故障保护再次跳闸，这时往往会在电厂发生低电压故障。这种暂态低电压有的时候电压会很低，甚至达到额定电压的60%以下，对辅机变频器影响很大。
通常，厂用电母线上小幅度的电压跌落最为频繁，但是影响较小，小幅度的电压波动并不足以使得变频器低电压保护动作，不少变频器也具备短时间的过载能力，能够在电压小幅跌落时保持正常运行；大幅度的电压跌落发生的概率较小，但是故障对厂用电系统的影响较大，会引起辅机变频器大量跳闸，造成辅机出力大幅波动，影响机组安全稳定运行。
从具体实施方式上，辅机变频器的低电压穿越（LVRT）方法主要包括以下两类。
1）变频器的失电再起动功能
由于大多数电压跌落故障的持续时间在10s以内，辅机变频器在低电压时间段内停止输出，待电压恢复时，变频器根据电机转速再起动。风机类的辅机转动惯量大，在变频器停止输出后，不会立马停止，转速适当降低也不会对机组产生巨大的影响，因此，此措施一般适用于高压辅机变频器（如引风机、送风机等）。
2）增加低电压穿越辅助装置
火电厂辅机在电压跌落情况下停机是由于变频器低压保护动作导致的，若给予变频器一个电压支撑，保持电压不变，则能为辅机变频器提供低电压穿越功能，比较典型的方案为有源式低电压穿越装置和无源式低电压穿越装置。
有源式低电压穿越装置，即在变频器交流进线侧加装UPS电源或其他储能装置，在变频器直流侧并联蓄电池组或超级电容器等储能装置；无源式低电压穿越装置，从电网残压取电，当电压跌落时利用boost电路升压，对变频器的直流母线提供电压支撑。
2 低电压穿越装置的配置方案
火电厂的给煤机、给粉机等低压变频器一般采用增加图1所示的低电压穿越辅助装置，从电网残压取电，当电压跌落时利用boost电路升压，对变频器的直流母线提供电压支撑。
图1 典型无源式低电压穿越装置拓扑原理图
2.1 低电压穿越装置的常规布置
根据低电压穿越装置和变频器的配置比例，有一拖一和一拖多两种配置方案。一拖一配置，即每台给煤机变频器就地配置一个低电压穿越装置，在电压跌落时为变频器提供一定程度的电压支撑；一拖多配置，即多台给煤机变频器通过电缆线路与一台低电压穿越装置相连接，在电压跌落时获得一定程度的电压支撑。
无源式低电压穿越装置，核心部件为boost电路，电压跌落后的幅值越低，boost电路升压所需要支撑的功率越大。例如，额定功率5kW的低电压穿越装置，在电压跌落幅度为0.2p.u.时，匹配功率为5kW，即可以支撑功率为5kW的变频器正常运行；在电压跌落幅度为0.4p.u.时，匹配功率为10kW，即在电压为0.4p.u.时可以支撑功率为10kW的变频器正常运行；在电压跌落幅度为0.6p.u.时，匹配功率为15kW，可以在电压为0.6p.u.以上时支撑功率为15kW的变频器正常运行。
目前的主流配置方案不考虑经济性，每台变频器均配置低电压穿越装置，且所配备装置的功率远大于电压跌落时所需要的支撑功率。以某电厂为例，3#、4#机组共给煤机变频器12台，每台锅炉装配6台给煤机，3台双进双出磨煤机，分别对应锅炉的上中下3层，每台给煤机的功率为4kW。
其中，每台给煤机均配备低电压穿越装置，且每台低电压穿越装置能够在电压跌落幅度为0.2p.u.时提供20kW的支撑功率，每台低电压穿越装置费用为10万，设备购置费用共120万，从经济性的角度，此方案存在一定的改进之处。
2.2 低电压穿越装置的优化配置
从经济性和安全性两个方面，可以对现有的低电压穿越装置配备方案进行改进。一方面，从电厂电压跌落的实际情况来看，厂用母线电压跌落至0.2p.u.的概率较小；另一方面，双进双出磨煤机内部有一定的储煤量，能够在中断运行的状态下支撑锅炉正常运行20～30min左右，在下层磨煤机和对应的给煤机正常运行的情况下，其他几组给煤机短时间中断并不会引起炉膛灭火保护动作。
根据对应磨煤机的上中下层位置确定给煤机优先级，下层磨煤机A对应1#、2#给煤机，中层磨煤机B对应3#、4#给煤机，上层磨煤机C对应5#、6#给煤机。1#、2#给煤机停止运行对炉膛燃烧和机组出力造成的影响要大于5#、6#给煤机停止运行的影响，所以，1#、2#给煤机优先级最高，3#、4#给煤机其次，5#、6#给煤机优先级最低。
根据优先级划分阶梯等级保护。优先级最高的1#、2#给煤机，应当在电压跌落幅度为0.2p.u.时能够短时正常运行，以保证下层磨煤机能够正常向锅炉里输送煤粉，机组正常运行；3#、4#给煤机在电压跌落幅度为0.4p.u.时能够短时正常运行，低于0.4p.u.时短时间退出；优先级最低的5#、6#给煤机在跌落幅度为0.6p.u.时正常运行，低于0.6p.u.时短时间退出。
选用南京国臣额定功率为5kW的一拖一、一拖二、一拖四低电压穿越装置，为某电厂3#、4#机组12台给煤机进行低电压穿越改造。1#、2#给煤机选用额定功率5kW的一拖一低电压穿越装置，可以在最低电压跌落幅度为0.2p.u.时提供功率为5kW；3#、4#给煤机选用额定功率5kW的一拖二低电压穿越装置，可以容许最低电压跌落幅度为0.4p.u.，提供的功率为10kW；5#、6#给煤机与4号炉的两台给煤机共用额定功率5kW的一拖四低电压穿越装置，保护跌落幅度为0.65p.u.，对应功率为16kW，并将5#、6#给煤机变频器设置短时失电自起动，重起时间为10s。
3 方案的经济性和安全性分析
在经济性方面，所提的优化配置方案，3#、4#机组共需购置4台5kW的一拖一低电压穿越装置，2台5kW的一拖二低电压穿越装置，一台5kW的一拖四低电压穿越装置。每台功率为5kW的低电压穿越装置花费5万元，则进行低电压改造设备购置费用共35万，在经济性方面优于现有的配置方案。
在安全性方面，按照提出的优化配置方案，在厂用电母线电压小幅度跌落至0.65p.u.附近的情况下，所有的给煤机均能在低电压穿越装置的支撑下正常运行，不受电压波动的干扰；在厂用电母线电压跌落到0.4p.u.与0.65p.u.之间时，1#、2#、3#、4#给煤机正常运行，5#、6#给煤机有一台可以正常工作，另一台给煤机在短时退出运行后重新起动，不影响机组正常运行；
在小概率情况下，厂用电母线电压跌落到0.2p.u.与0.4p.u.之间，此时1#、2#给煤机正常运行，3#、4#给煤机可以确保一台正常工作，双进双出磨煤机内部有一定的储煤量，能够在中断运行的状态下支撑锅炉正常运行20～30min左右，在下层磨煤机和对应的给煤机正常运行的情况下，其他几组给煤机短时间中断并不会引起炉膛灭火保护动作。
本文通过研究火电厂辅机变频器低电压穿越的原理，将火电厂给煤机根据位置定义优先级，提出了一种给煤机变频器低电压穿越装置的优化配置方案。该方案在保障厂用母线电压跌落时机组安全稳定运行的前提下，可以显著节约设备的采购费用和维护费用，提高电厂的经济效益。