电厂变频器低电压穿越改造方案资料.docx

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电厂变频器低电压穿越改造方案资料

****电厂

给煤机/空气预热器变频器

低电压穿越改造方案

目录

一、火力发电厂给煤/粉机及空预器系统现状分析2

二、网源协调对火电厂关键辅机变频器低穿能力要求4

三、电厂关键辅机变频器低穿能力梳理核查6

（一）厂用负荷分类6

（二）厂用负荷继电保护动作特性6

（三）厂用负荷变频器低穿能力要求原则7

（四）低电压对现有厂用负荷的影响分析7

四、技术改造方案9

（一）大惯性类负荷变频器9

（二）给煤机、给粉机类负荷变频器9

（三）各种技术方案特点及对比分析12

五、SCS-230火电机组辅机电源控制系统16

（一）系统原理16

（二）系统特性17

（三）支撑方式17

（四）SCS-230火电机组辅机电源控制系统两种技术方案18

（五）检验方法21

（六）SCS-230火电机组辅机电源控制系统检测报告25

一、火力发电厂给煤/粉机及空预器系统现状分析

随着电力电子技术的发展,变频器以其调速精确、使用简单、保护功能齐全等优点逐步代替传统的调速控制装置而得到广泛应用。

但由于电网电压不稳定，导致变频器在使用中产生了新的问题：

变频器低压保护跳闸。

低电压通常都是瞬时和短时的,对传统的控制系统影响较小，而对变频器则会产生低压保护跳闸导致电机停机，影响生产和安全。

目前，火电厂煤粉炉的给煤、给粉系统成为自动化程度最低的薄弱环节，特别是电厂内部控制给煤给粉机的变频器低电压保护跳闸问题，对电厂影响尤为严重。

在实际使用过程中，因为电网发生低电压穿越或备自投切换时，厂用电电压瞬时或短时低于变频器低电压保护整定值（根据变频器型号不同该值也不同）时，给煤给粉机变频器低压保护会动作，并同时会给FSSS（锅炉安全监控系统）发出停止信号，引起MFT动作，而厂用电和给煤给粉机母线低电压保护整定值通常低于变频器低电压保护整定值，线路中的其它设备还在正常工作，变频器跳闸，迫使FSSS停炉，给电厂带来很大的经济损失，也成为现在电厂安全事故的高发区，同时也是目前电厂面临的比较大的问题，只有很好的解决该问题，才能保证电厂安全、可靠、高效的正常运行，避免停炉事故发生。

空气预热器电源系统由变频器和拖动电机组成。

各种故障造成的电力系统电压跌落，导致空气预热器系统停运，进而造成发电机组停机脱网的恶劣事故。

分析空气预热器系统脱网的过程，与给煤给粉机变频相同主要有两个原因可诱发此问题：

变频器功率回路（变频器动力部分）和控制电源（控制部分）。

变频器的功率回路均由整流模块、直流环节、逆变模块组成，如下图所示。

图变频器结构示意图

变频器的进电端子（R/L1，S/L2，T/L3），经不控整流（TM1，TM2，TM3）到直流DC，再经过逆变（TM4，TM5，TM6）到U/T1，V/T2，W/T3交流，实现频率变换。

当低电压发生时，R/L1，S/L2，T/L3电压变低，直流母线电压随之降低，无法提供逆变模块所需要的能量，触发变频器保护。

此保护为变频器内置的硬件保护，无法通过修改定值进行规避。

在变频系统中，变频器并非独立运行，有相应的控制电路板、采样反馈系统、继电器和接触器与其配合工作，这些部件均需稳定的控制电源供电。

电力系统发生低电压故障时，控制电源也会发生跌落，进而造成控制系统与继电器系统的瘫痪，变频器同样无法正常运行，导致给煤机、给粉机、空预器变频停止运行。

二、网源协调对火电厂关键辅机变频器低穿能力要求

发电机组低电压穿越的概念最早来源于风力发电，特指风力发电机并网点发生一定幅度、时间范围内的电压跌落时，风机机组维持运行不脱网，支持电网恢复，直到电网恢复正常。

在我国，国家电网公司对风电场的低电压穿越能力提出了明确的要求。

要求风电场内的风电机组，具有在并网点电压跌至20%额定电压时能够保证不脱网连续运行625ms的能力。

与此同时，当风电场并网点电压在发生跌落后2s内能够恢复到额定电压的90%时，风电场内的风电机组应能够保证不脱网连续运行。

传统意义上认为火电或水电机组为可控发电能源，机组本身有励磁调节系统，在系统故障期间可稳定维持机端电压，因而不存在低电压穿越问题。

但近年来，随着火电厂内部辅机变频器的大规模使用，全国各级电网均出现过电网发生瞬时电压波动引起机组跳闸的问题。

发生以上事故的主要原因是辅机（特别是磨煤机、给煤机和引风机等）变频器不具备低电压穿越能力，当电网由于故障造成电压降低时，辅机变频器不能躲过系统保护隔离故障元件时间，而经由低压保护动作跳闸，进而造成机组跳闸或锅炉灭火。

因此，火电厂辅机系统变频器不具备高、低电压穿越能力的问题已经成为威胁电厂主设备安全运行的重要隐患，若造成机组跳闸或出力大幅降低还将影响电网的稳定运行。

东北电网公司于2011年首次于伊敏煤电公司组织召开了由五大发电集团公司相关派驻机构、东北各网省电力公司、东北电力设计院、东北各省电力设计院等单位参加的“东北电网火电厂辅机低电压穿越能力改造工作现场会”，参会各单位一致认为：

应对火电厂辅机低电压穿越能力问题予以高度重视，必须立即着手限期加以彻底解决。

2012年，国家电力调度控制中心专门下文对火电厂内变频器的低电压穿越能力进行核查，东北电网、西北电网、内蒙古电网等先后开展了区内火电厂低电压穿越性能核查与整改工作。

目前，给地区对火电厂关键辅机变频器低穿能力要求参照国网公司的《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》技术条件执行（见下图）:

1.变频器在进线电源电压跌落到不小于20%额定电压，持续时间不大于0.5s的区域内,能够可靠供电，保障供电对象的安全运行；

2.变频器在进线电源电压跌落到不小于60%额定电压，持续时间不大于5s的区域内,能够可靠供电，保障供电对象的安全运行；

3.变频器在进线电源电压不小于90%额定电压时能够长期可靠供电，保障供电对象的安全运行；

4.变频器进线电压升高到不大于额定电压的1.3倍,持续时间不大于0.5秒，变频器应能够保障供电对象的安全运行。

三、电厂关键辅机变频器低穿能力梳理核查

（一）厂用负荷分类

厂用电负荷按生产过程中的重要性可分为三类：

一类负荷：

短时停电可能影响人身或设备安全，使生产停顿或发电量大量下降的负荷。

二类负荷：

允许短时停电，但停电时间过长，有可能损坏设备或影响正常生产的负荷。

三类负荷：

长时间停电不会直接影响生产的负荷。

汽轮发电机组一次风机、二次风机、引风机、送风机、电动给水泵、凝结水泵,循环水泵、给煤机、给粉机、空气预热器、增压风机、空冷岛冷却风机等均属于一类负荷。

（二）厂用负荷继电保护动作特性

火电厂厂用继电保护装置对高压、低压厂用电动机负荷的保护设置中，涉及低电压保护特性。

根据《火力发电厂厂用电设计技术规定》（DL/T5153-2002）相关要求：

对于一类电动机负荷，当装有自动投入的备用机械时、或为保证人身和设备安全，在电源电压长时间消失后须自动切除时，均应装设9S-10S时限的低电压保护，动作于断路器跳闸。

为了保证接于同段母线的一类电动机自启动，对不要求自启动的二类、三类电动机和不能自启动的电动机装设0.5S时限的低电压保护，动作于断路器跳闸。

电动机负荷低电压保护定值

（三）厂用负荷变频器低穿能力要求原则

变频器的低电压穿越能力应根据电厂主设备及一类辅机设备能力、电网安全运行要求、变频器安全经济能效比等因素统筹兼顾来确定。

变频器的低电压穿越能力不应超越主设备和供电对象的能力，也不应束缚主设备和供电对象的能力，应在适当考虑变频器安全经济能效比的条件下，充分发挥变频器对电网安全的支撑能力。

根据上述原则，变频器低压穿越性能应与主机低压性能相配合，宜与电厂一类辅机的低电压保护定值相配合。

（四）低电压对现有厂用负荷的影响分析

1.厂用继电保护反应

根据现有的火电厂厂用电继电保护特性，在国网公司的《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》文件中提到的“暂态低电压穿越区”、“动态低电压穿越区”的维持时间（0.5S、5S）小于继电保护动作时限（9S-10S），一类负荷的继电保护均不会动作跳闸。

2．二类、三类负荷

火电厂中厂用电的二类、三类负荷不对机组并网安全稳定运行造成直接威胁，不涉及低电压穿越问题，在此不做讨论。

3.无变频器一类负荷

电动机类负荷，低电压过程中出现微小波动，可以正常过度，实现低电压穿越。

4.有变频器一类负荷

（1）风机、水泵类大惯性负荷

在低电压穿越区内，变频器可短时中断输出保护自身设备，在电源恢复之后，当电动机仍在运转时，机组仍在运行时，可以跟踪电动机转速再启动（即所谓飞车启动功能）。

从调研情况来看，高压变频器基本均带有此功能。

（2）给煤机、给粉机类负荷

在低电压穿越区内，会触发变频器保护闭锁，电机拖动皮带，惯性很小，电机瞬时停转，造成机组停机。

如采用强制再启动，也会造成锅炉风煤配比失调，炉膛压力剧烈波动，存在爆炉风险。

四、技术改造方案

参照国网公司的《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》技术条件，从应用角度对电厂用的变频器提出改造措施。

（一）大惯性类负荷变频器

电厂中应用的辅机变频器绝大部分属于此类，空气预热器、增压风机、凝结水泵、空冷岛冷却风机、引风机、送风机、一次风机、二次风机、给水泵、凝结水泵等设备的变频器均可以采用失压重启方法或降转速恒磁通方法v/f控制方法。

1.失压重启方法

对于大惯性负载，可采用动力电源部分采用失压重启方法，同时将变频器的控制电源接到UPS电源。

当低电压发生时，变频器可短时中断输出，对自身进行保护；在电源恢复之后，电动机仍在运转时，机组仍在运行时，可以跟踪电动机转速再启动。

2.降转速恒磁通v/f控制方式

对于允许短时负载波动的应用，此类负载所使用的变频器，可以采用降转速恒磁通v/f控制方式如允许降低转速，则用本方法可使传动设备在三相电压较大幅度暂态跌落期间继续运行。

采用这种方法时必须考虑三相电压暂态跌落的最大幅值、扰动最长持续时间、生产过程中允许的转速降低的程度和负载特性。

（二）给煤机、给粉机类负荷变频器

给煤机、给粉机的变频器可以采用在变频器前端串联交流不间断电源（UPS）方法或外加并联直流电源方法。

1.在变频器前端串联交流不间断电源（UPS）方法

外加串联交流不间断电源UPS采用这种方法可做到无干扰运行,但是受限于UPS的容量。

2.外加直流端外加电容或电池方法

外加变频器直流母线的电容或电池，增加对变频器内部直流母线的储能能力，提高变频器内部承受低电压的能力。

3.外加并联直流电源方法

在变频器直流母线上外加一路直流电源（直流稳压电源、蓄电池电源、电厂保安电源等），当外部扰动引起常用电源短时中断或短时电压降落时，外加直流电源继续供给变频器，不影响终端电动机的正常运行；当工频电源再度恢复正常供电时，变频器改为工频电源供电。

4.增设稳压电源方案

通过设置变频器低电压穿越电源装置，使其在系统低电压故障期间有效动作，保障变频器拖动系统的连续稳定运行，进而确保生产安全。

1）变频器低电压穿越电源装置构成

变频器低电压穿越电源拓扑如下图所示。

图系统拓扑示意图

该设备的主功率输入为系统三相交流电源，主功率输出一路或多路直流电源。

交流三相电源分为两路为变频器进行供电：

一路为交流供电通路，可通过原有送电线路或设置旁路开关，将三相交流电直接送入变频器A/B/C三相交流输入端子；另一路为直流供电通路，三相交流电能经手动断路器QF1送入二极管整流桥TM1-3构成的整流回路，再经过电控开关KM1变换为直流电能并储存于电容C1和C2。

电感L1与IGBT构成BOOST型式的升压斩波电路，可将C1/C2上的直流电能变换为电压等级更高的直流电能储存于电容C3/C4，并经二极管防反回路和熔断器后，送入变频器的直流输入端子