大型火力發(fā)電機(jī)組給煤機(jī)低電壓穿越能力探討

張光慶 李樂(lè)鵬 壽軍

摘 要 當(dāng)供電電源發(fā)生故障或者擾動(dòng)時(shí)會(huì)給火力發(fā)電機(jī)組給煤機(jī)造成一定影響，有必要對(duì)該問(wèn)題展開(kāi)系統(tǒng)論述?；诖耍疚氖紫染偷凸β剩妷海┐┰侥芰M(jìn)行簡(jiǎn)要論述，簡(jiǎn)單闡述三種常見(jiàn)提高給煤機(jī)低電壓穿越能力的有效辦法，總結(jié)發(fā)電廠中利用變頻器參數(shù)調(diào)整與熱控邏輯調(diào)整相配合的提升給煤機(jī)低電壓穿越能力的案例，具有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞 大型火力發(fā)電機(jī)組 給煤機(jī) 變頻器 雙電源切換 低電壓穿越

中圖分類號(hào)：TB857 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0745（2021）01-0019-05

現(xiàn)階段，各大發(fā)電企業(yè)以及設(shè)計(jì)單位在機(jī)組輔機(jī)設(shè)計(jì)上比較傾向采用變頻器技術(shù)，這主要是因?yàn)樵摷夹g(shù)在電機(jī)的啟動(dòng)方式、變頻調(diào)速、控制策略、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，也因此得到廣泛應(yīng)用。ABB、Siemens、Schneider、AB等知名品牌的變頻器正常工作電壓范圍（-15%～10%）UN，電網(wǎng)電壓波動(dòng)或者瞬時(shí)丟失都會(huì)導(dǎo)致變頻器跳閘保護(hù)動(dòng)作、給煤機(jī)等重要的輔機(jī)跳閘、鍋爐MFT動(dòng)作停機(jī)，這將會(huì)給電廠及電網(wǎng)公司造成很大的影響?；诨痣姀S重要輔機(jī)變頻器低電壓穿越能力不足的問(wèn)題，本文提出了依靠變頻器參數(shù)設(shè)置與熱控邏輯優(yōu)化相配合的方法，利用雙電源切換裝置的優(yōu)點(diǎn)，在沒(méi)有額外加裝低電壓穿越裝置情況下，提高了給煤機(jī)低電壓穿越的能力。

1 有關(guān)低功率（電壓）穿越能力的介紹

低功率（電壓）穿越能力對(duì)變頻器而言，是指變頻器在電源電壓降低時(shí)能在一段時(shí)間內(nèi)可靠、穩(wěn)定的運(yùn)行能力。造成變頻器低壓的主要原因是由電網(wǎng)低電壓引起，而低電壓一般情況下是短時(shí)的，主要是由于系統(tǒng)故障暫態(tài)或備自投切換時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。引起電源晃電的原因諸多，比如主電網(wǎng)側(cè)電壓波動(dòng)、負(fù)荷不平衡、雷擊、電力切換等，負(fù)載側(cè)的大型設(shè)備啟動(dòng)和應(yīng)用、線路過(guò)載等。當(dāng)母線電壓低于變頻器低電壓保護(hù)值（變頻器型號(hào)不同，該值也不同）時(shí)，在延時(shí)一段時(shí)間后變頻器跳停。[1]

《DL/T 1648-2016 發(fā)電廠及變電站輔機(jī)變頻器高低電壓穿越技術(shù)規(guī)范》中對(duì)發(fā)電廠一類輔機(jī)的定義如下：發(fā)電廠一類輔機(jī)是短時(shí)（小于5S）中斷供電將會(huì)造成機(jī)組停機(jī)或輸出功率大幅下降，進(jìn)而影響電網(wǎng)安全運(yùn)行的輔機(jī)，包括給煤機(jī)、給粉機(jī)、空氣預(yù)熱器等（如圖1）。

2 提高給煤機(jī)低電壓穿越能力的方法介紹

通過(guò)查閱、梳理與分析近年來(lái)的相關(guān)文獻(xiàn)資料，可以看出，現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)各大發(fā)電廠在提高重要輔機(jī)變頻器低電壓穿越能力時(shí)所采取的措施主要有：加裝穩(wěn)壓電源裝置、設(shè)置靜態(tài)開(kāi)關(guān)、加裝低電壓穿越裝置。

2.1 給煤機(jī)變頻器加裝穩(wěn)壓電源裝置

給煤機(jī)變頻器加裝穩(wěn)壓電源裝置有兩種方法，第一種是給變頻器接入在線UPS，這里UPS是給變頻器提供動(dòng)力電源，該方法從原理可以徹底解決變頻器低電壓穿越問(wèn)題，但是動(dòng)力用UPS容量大、轉(zhuǎn)換效率低、保護(hù)級(jí)別高、投資成本高，現(xiàn)階段僅個(gè)別電廠采用該方式;第二種方法是在變頻器直流母線接入一路穩(wěn)定直流電源，電壓在DC580V左右。即在給煤機(jī)就地控制柜附近安裝一組蓄電池組，將蓄電池組直流輸出電壓并聯(lián)接入給煤機(jī)變頻器直流母線端子。為了保障蓄電池組正常充電，須為其單獨(dú)配置蓄電池組充電屏。該方案技術(shù)理論簡(jiǎn)單、成熟，可是安裝蓄電池組及充電屏占地面積較大，周圍粉塵濃度高，須新建配電室，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施難度較大、投資成本較高。[2]

2.2 給煤機(jī)變頻器加裝靜態(tài)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)

靜態(tài)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)（STS），用于兩路進(jìn)線電源，相互備用，自動(dòng)切換系統(tǒng)。正常工作環(huán)境下，主電源處在正常供電電壓范圍，各饋線負(fù)荷連接于主電源。當(dāng)主電源發(fā)生故障引起供電能力不足時(shí)，負(fù)載自動(dòng)切換至備用電源，主電源恢復(fù)正常后，負(fù)載又自動(dòng)切換到主電源。整個(gè)切換時(shí)間基本可以控制在10ms以內(nèi)，這種方法可以解決電源切換過(guò)程引起的變頻器低電壓穿越現(xiàn)象。但是當(dāng)外部系統(tǒng)電源的長(zhǎng)時(shí)間大幅度波動(dòng)，仍無(wú)法徹底避免變頻器低電壓跳閘問(wèn)題。

2.3 給煤機(jī)變頻器加裝低電壓穿越裝置

國(guó)內(nèi)電力市場(chǎng)，主要有北京四方、南瑞北京監(jiān)控、南京國(guó)臣等幾家公司產(chǎn)品在火電廠應(yīng)用較為廣泛，實(shí)現(xiàn)抗低電壓穿越的理論大體一致，均采用直流升壓技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。低電壓穿越電源結(jié)構(gòu)主要由整流橋、逆變器等部分構(gòu)成。在網(wǎng)端電壓正常時(shí)，低電壓穿越裝置處于熱備用狀態(tài)，當(dāng)網(wǎng)端電壓降低到一定程度時(shí)，低電壓穿越裝置自動(dòng)投入，保障變頻器的正常運(yùn)行。該裝置技術(shù)相對(duì)成熟，改造過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單，但費(fèi)用投入較大，需占用一定的空間。

3 提高給煤機(jī)低電壓穿越能力改造方案

某發(fā)電企業(yè)給煤機(jī)選用上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院產(chǎn)品，每臺(tái)機(jī)組配備5臺(tái)給煤機(jī)，采用變頻器控制。變頻器選用ABB ACS800產(chǎn)品，每臺(tái)給煤機(jī)設(shè)計(jì)一臺(tái)就地控制柜。兩路電源分別取自400V鍋爐PCA、PCB段，經(jīng)柜內(nèi)雙電源切換裝置為給煤機(jī)動(dòng)力及控制回路供電。雙電源切換裝置選用施耐德萬(wàn)高NSC100B-32A型產(chǎn)品（如圖2）。

3.1 供電電源可靠性分析

3.1.1 給煤機(jī)控制柜雙電源切換裝置

給煤機(jī)控制柜內(nèi)雙電源切換裝置采用施耐德NSC100B-32A型產(chǎn)品，由施耐德萬(wàn)高（天津）電氣有限公司生產(chǎn)。工作電壓為AC380V，工作頻率50HZ，主要功能是進(jìn)行電壓采集，根據(jù)電壓的實(shí)時(shí)值進(jìn)行故障判斷，并控制轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)相應(yīng)的轉(zhuǎn)換動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)常用電源、備用電源相互切換。[3]

（1）正向切換時(shí)間約1.7s：常用電源失電切換至備用電源的時(shí)間，此時(shí)間為切換裝置機(jī)械機(jī)構(gòu)固有時(shí)間，切換裝置控制器切換時(shí)間已調(diào)整為0s，如圖3所示。

（2）反向切換時(shí)間約0.5s：備用電源運(yùn)行模式下，常用電源恢復(fù)送電，電源切換回常用電源，切換裝置控制器回切時(shí)間已調(diào)整為0s，如圖4所示。

3.1.2 給煤機(jī)變頻器

變頻器采用ABB ACS800產(chǎn)品，該變頻器具有電網(wǎng)瞬間掉電時(shí)運(yùn)行保持功能。如果電網(wǎng)電壓瞬間丟失，變頻器傳動(dòng)單元會(huì)采用電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)動(dòng)能繼續(xù)保持運(yùn)行。只要電機(jī)旋轉(zhuǎn)并給傳動(dòng)單元提供能量，傳動(dòng)單元便會(huì)繼續(xù)保持正常工作。允許中斷的時(shí)間可調(diào)整，出廠設(shè)置是5秒，如圖5所示。

3.1.3 給煤機(jī)上級(jí)電源

（1）給煤機(jī)電源設(shè)置主備兩路，分別取自400V鍋爐PCA段、PCB段，該P(yáng)C段未設(shè)雙電源切換裝置及備自投，無(wú)需考慮此處的切換時(shí)間;

（2）10kV廠用電系統(tǒng)設(shè)置快切裝置，采用東大金智MFC2000型產(chǎn)品，切換時(shí)間100ms左右;

（3）500kV系統(tǒng)震蕩或故障暫態(tài)過(guò)程延時(shí)時(shí)間參考500kV重合閘延時(shí)時(shí)間，我廠重合閘延時(shí)時(shí)間為1.4s。

3.2 給煤機(jī)控制回路及熱控邏輯優(yōu)化

1.給煤機(jī)設(shè)置遠(yuǎn)方及就地控制模式，遠(yuǎn)方控制設(shè)置DCS啟動(dòng)及DCS停止信號(hào)，DCS啟動(dòng)設(shè)置自保持時(shí)間繼電器FS，時(shí)間繼電器延時(shí)2s（即自保持延時(shí)2s）。當(dāng)給煤機(jī)上級(jí)電源切換或故障時(shí)，控制回路自保持延時(shí)2s滿足給煤機(jī)躲低電壓能力的要求。

2.給煤機(jī)控制回路自保持延時(shí)繼電器延時(shí)與DCS跳閘信號(hào)延時(shí)配合：為保證給煤機(jī)DCS遠(yuǎn)方操作時(shí)可靠分閘，必須保證給煤機(jī)DCS跳閘延時(shí)大于控制回路自保持繼電器自保持延時(shí)。核對(duì)熱控DCS邏輯確定DCS跳閘信號(hào)延時(shí)為3秒，因此滿足要求。

3.熱控DCS中關(guān)于給煤機(jī)跳閘邏輯是否滿足電氣躲低電壓能力要求：給煤機(jī)運(yùn)行信號(hào)取自給煤機(jī)就地柜171及172端子，PS電源板輸出繼電器，PS工作電源取自380/110V變壓器，因此需要核對(duì)此信號(hào)在電氣動(dòng)力電源失電時(shí)（按2秒核對(duì)）是否會(huì)觸發(fā)，但此信號(hào)與“磨煤機(jī)停止信號(hào)”組成與門，因此在電氣低電壓時(shí)也不會(huì)引起給煤機(jī)誤跳閘，如圖6所示。[4]

3.3 變頻器參數(shù)優(yōu)化

從圖5中可以看出ABB ACS800具備躲低電壓的能力，但參數(shù)需要進(jìn)行優(yōu)化。

1.參數(shù)組20.06 UNDERVOLTAGECTRL：激活或解除中間直流母線的欠壓控制—激活;如直流電壓因輸入電源切斷而降低，欠電壓控制器會(huì)自動(dòng)減小電機(jī)轉(zhuǎn)速以保持電壓在最低極限值之上。通過(guò)減小電機(jī)轉(zhuǎn)速，負(fù)載的慣性將電流回饋到ACS 800，保持直流母線帶電，并防止欠壓跳閘一直到電機(jī)慣性停止。在大慣性負(fù)載系統(tǒng)中，如離心機(jī)或風(fēng)扇，它的功能相當(dāng)于一個(gè)臨時(shí)電源（電源中斷的情況下，由臨時(shí)電源繼續(xù)為系統(tǒng)供電）;

2.參數(shù)組31.06 UNDERVOLTAGE：激活直流母線欠電壓故障的自動(dòng)復(fù)位功能—激活;

3.參數(shù)組16.04 FAULT RESET SEL：選擇故障復(fù)位信號(hào)的信號(hào)源。傳動(dòng)單元故障跳閘，待故障排除后，該信號(hào)使傳動(dòng)單元復(fù)位---SEL;

4.參數(shù)組99.04 MOTOR CTRL MODE：選擇電動(dòng)機(jī)的控制模式---DTC直接轉(zhuǎn)矩控制;

5.參數(shù)組10.01 EXT1 STRT/STP/DIR：外部啟動(dòng)、停機(jī)和轉(zhuǎn)向控制信號(hào)源---DI1F DI2R;

6.參數(shù)組10.03 REF DIRECTION：允許改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向或固定轉(zhuǎn)向---REQUEST;

7.參數(shù)組30.02 PANEL LOSS：控制盤(pán)通訊中斷時(shí)，ACS800的動(dòng)作情況—LAST SPEED，ACS800產(chǎn)生一個(gè)告警信息，將速度保持為傳動(dòng)單元最后運(yùn)轉(zhuǎn)的速度值，而最后10s的平均速度決定了該速度值。[5]

3.4 試驗(yàn)結(jié)果

#1機(jī)組給煤機(jī)空載運(yùn)行情況下躲雙電源切換暫態(tài)過(guò)程的試驗(yàn)進(jìn)行了兩次，結(jié)果相差較大，造成這一狀況的原因?yàn)椋航o煤機(jī)變頻器選用ABB ACS800系列變頻器，在輸入電壓瞬間丟失后，傳動(dòng)單元將利用電機(jī)旋轉(zhuǎn)的動(dòng)能輔以轉(zhuǎn)子剩磁為傳動(dòng)單元提供能量，保持傳動(dòng)單元正常工作。

第一次試驗(yàn)時(shí)給煤機(jī)已經(jīng)停運(yùn)了40天左右且經(jīng)過(guò)了檢修，轉(zhuǎn)子基本沒(méi)有剩磁，第二次試驗(yàn)時(shí)是在機(jī)組啟動(dòng)過(guò)程中，給煤機(jī)已運(yùn)行了較長(zhǎng)時(shí)間，轉(zhuǎn)子剩磁較大，所以在雙電源切換過(guò)程中第二試驗(yàn)成功。在以后的運(yùn)行中應(yīng)參照第二次試驗(yàn)結(jié)果。在某發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)過(guò)程中對(duì)給煤機(jī)1B在負(fù)載情況（煤量：25噸、轉(zhuǎn)速253r/min）下進(jìn)行了一次切換試驗(yàn)，整個(gè)切換過(guò)程給煤機(jī)運(yùn)行正常。具體結(jié)果見(jiàn)表1，表2。

3.5 試驗(yàn)總結(jié)

（1）給煤機(jī)在暫態(tài)穿越區(qū)（≤20% UN，0.5s），給煤機(jī)可以運(yùn)行正常;

（2）由于缺少相關(guān)試驗(yàn)儀器，動(dòng)態(tài)穿越區(qū)（≥60% UN，≤5s）、穩(wěn)態(tài)穿越區(qū)（≥90% UN，≥5s）無(wú)法進(jìn)行試驗(yàn)，無(wú)法保證給煤機(jī)低電壓穿越能力;

（3）變頻器各參數(shù)優(yōu)化后確定了變頻器掉電自保持時(shí)間為1.4s左右，此時(shí)間從接入系統(tǒng)穩(wěn)定性來(lái)看已基本滿足躲系統(tǒng)低電壓穿越能力要求;

（4）雙電源切換裝置固有時(shí)間滿足給煤機(jī)正常運(yùn)行及躲低電壓穿越能力需要（切換時(shí)間1.7s）。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上，本文對(duì)低電壓穿越能力進(jìn)行簡(jiǎn)單的闡述，并分析了各發(fā)電公司常用的躲低電壓穿越方法，提出了一種新型的躲低電壓穿越的方法，基于ASC800變頻器的固有特性，對(duì)變頻器參數(shù)優(yōu)化、控制回路優(yōu)化、熱控邏輯優(yōu)化后的給煤機(jī)具備躲過(guò)1.5s左右低電壓穿越能力，此時(shí)間已基本保證在系統(tǒng)振蕩、故障或機(jī)組廠用電切換等原因引起的暫態(tài)低電壓時(shí)給煤機(jī)可靠連續(xù)運(yùn)行。

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