...wd......wd......wd...****電廠給煤機/空氣預熱器變頻器低電壓穿越改造方案目錄TOC\o"1-2"\h\z\u一、火力發電廠給煤/粉機及空預器系統現狀分析2二、網源協調對火電廠關鍵輔機變頻器低穿能力要求4三、電廠關鍵輔機變頻器低穿能力梳理核查6〔一〕廠用負荷分類6〔二〕廠用負荷繼電保護動作特性6〔三〕廠用負荷變頻器低穿能力要求原那么7〔四〕低電壓對現有廠用負荷的影響分析7四、技術改造方案9〔一〕大慣性類負荷變頻器9〔二〕給煤機、給粉機類負荷變頻器9〔三〕各種技術方案特點及比照分析12五、SCS-230火電機組輔機電源控制系統16〔一〕系統原理16〔二〕系統特性17〔三〕支撐方式17〔四〕SCS-230火電機組輔機電源控制系統兩種技術方案18〔五〕檢驗方法21〔六〕SCS-230火電機組輔機電源控制系統檢測報告25一、火力發電廠給煤/粉機及空預器系統現狀分析隨著電力電子技術的開展,變頻器以其調速準確、使用簡單、保護功能齊全等優點逐步代替傳統的調速控制裝置而得到廣泛應用。但由于電網電壓不穩定，導致變頻器在使用中產生了新的問題：變頻器低壓保護跳閘。低電壓通常都是瞬時和短時的,對傳統的控制系統影響較小，而對變頻器那么會產生低壓保護跳閘導致電機停機，影響生產和安全。目前，火電廠煤粉爐的給煤、給粉系統成為自動化程度最低的薄弱環節，特別是電廠內部控制給煤給粉機的變頻器低電壓保護跳閘問題，對電廠影響尤為嚴重。在實際使用過程中，因為電網發生低電壓穿越或備自投切換時，廠用電電壓瞬時或短時低于變頻器低電壓保護整定值(根據變頻器型號不同該值也不同)時，給煤給粉機變頻器低壓保護會動作，并同時會給FSSS(鍋爐安全監控系統)發出停頓信號，引起MFT動作，而廠用電和給煤給粉機母線低電壓保護整定值通常低于變頻器低電壓保護整定值，線路中的其它設備還在正常工作，變頻器跳閘，迫使FSSS停爐，給電廠帶來很大的經濟損失，也成為現在電廠安全事故的高發區，同時也是目前電廠面臨的比較大的問題，只有很好的解決該問題，才能保證電廠安全、可靠、高效的正常運行，防止停爐事故發生。空氣預熱器電源系統由變頻器和拖動電機組成。各種故障造成的電力系統電壓跌落，導致空氣預熱器系統停運，進而造成發電機組停機脫網的惡劣事故。分析空氣預熱器系統脫網的過程，與給煤給粉機變頻一樣主要有兩個原因可誘發此問題：變頻器功率回路〔變頻器動力局部〕和控制電源〔控制局部〕。變頻器的功率回路均由整流模塊、直流環節、逆變模塊組成，如以以下圖所示。圖變頻器構造示意圖變頻器的進電端子(R/L1，S/L2，T/L3)，經不控整流〔TM1，TM2，TM3〕到直流DC，再經過逆變(TM4，TM5，TM6)到U/T1，V/T2，W/T3交流，實現頻率變換。當低電壓發生時，R/L1，S/L2，T/L3電壓變低，直流母線電壓隨之降低，無法提供逆變模塊所需要的能量，觸發變頻器保護。此保護為變頻器內置的硬件保護，無法通過修改定值進展躲避。在變頻系統中，變頻器并非獨立運行，有相應的控制電路板、采樣反響系統、繼電器和接觸器與其配合工作，這些部件均需穩定的控制電源供電。電力系統發生低電壓故障時，控制電源也會發生跌落，進而造成控制系統與繼電器系統的癱瘓，變頻器同樣無法正常運行，導致給煤機、給粉機、空預器變頻停頓運行。二、網源協調對火電廠關鍵輔機變頻器低穿能力要求發電機組低電壓穿越的概念最早來源于風力發電，特指風力發電機并網點發生一定幅度、時間范圍內的電壓跌落時，風機機組維持運行不脫網，支持電網恢復，直到電網恢復正常。在我國，國家電網公司對風電場的低電壓穿越能力提出了明確的要求。要求風電場內的風電機組，具有在并網點電壓跌至20%額定電壓時能夠保證不脫網連續運行625ms的能力。與此同時，當風電場并網點電壓在發生跌落后2s內能夠恢復到額定電壓的90%時，風電場內的風電機組應能夠保證不脫網連續運行。傳統意義上認為火電或水電機組為可控發電能源，機組本身有勵磁調節系統，在系統故障期間可穩定維持機端電壓，因而不存在低電壓穿越問題。但近年來，隨著火電廠內部輔機變頻器的大規模使用，全國各級電網均出現過電網發生瞬時電壓波動引起機組跳閘的問題。發生以上事故的主要原因是輔機〔特別是磨煤機、給煤機和引風機等〕變頻器不具備低電壓穿越能力，當電網由于故障造成電壓降低時，輔機變頻器不能躲過系統保護隔離故障元件時間，而經由低壓保護動作跳閘，進而造成機組跳閘或鍋爐滅火。因此，火電廠輔機系統變頻器不具備高、低電壓穿越能力的問題已經成為威脅電廠主設備安全運行的重要隱患，假設造成機組跳閘或出力大幅降低還將影響電網的穩定運行。東北電網公司于2011年首次于伊敏煤電公司組織召開了由五大發電集團公司相關派駐機構、東北各網省電力公司、東北電力設計院、東北各省電力設計院等單位參加的“東北電網火電廠輔機低電壓穿越能力改造工作現場會〞，參會各單位一致認為：應對火電廠輔機低電壓穿越能力問題予以高度重視，必須立即著手限期加以徹底解決。2012年，國家電力調度控制中心專門下文對火電廠內變頻器的低電壓穿越能力進展核查，東北電網、西北電網、內蒙古電網等先后開展了區內火電廠低電壓穿越性能核查與整改工作。目前，給地區對火電廠關鍵輔機變頻器低穿能力要求參照國網公司的?大型汽輪發電機組一類輔機變頻器高、低電壓穿越技術標準?技術條件執行(見以以下圖):1.變頻器在進線電源電壓跌落到不小于20%額定電壓，持續時間不大于0.5s的區域內,能夠可靠供電，保障供電對象的安全運行；2.變頻器在進線電源電壓跌落到不小于60%額定電壓，持續時間不大于5s的區域內,能夠可靠供電，保障供電對象的安全運行；3.變頻器在進線電源電壓不小于90%額定電壓時能夠長期可靠供電，保障供電對象的安全運行；4.變頻器進線電壓升高到不大于額定電壓的1.3倍,持續時間不大于0.5秒，變頻器應能夠保障供電對象的安全運行。三、電廠關鍵輔機變頻器低穿能力梳理核查〔一〕廠用負荷分類廠用電負荷按生產過程中的重要性可分為三類：一類負荷：短時停電可能影響人身或設備安全，使生產停頓或發電量大量下降的負荷。二類負荷：允許短時停電，但停電時間過長，有可能損壞設備或影響正常生產的負荷。三類負荷：長時間停電不會直接影響生產的負荷。汽輪發電機組一次風機、二次風機、引風機、送風機、電動給水泵、凝結水泵,循環水泵、給煤機、給粉機、空氣預熱器、增壓風機、空冷島冷卻風機等均屬于一類負荷。〔二〕廠用負荷繼電保護動作特性火電廠廠用繼電保護裝置對高壓、低壓廠用電動機負荷的保護設置中，涉及低電壓保護特性。根據?火力發電廠廠用電設計技術規定?〔DL/T5153-2002〕相關要求：對于一類電動機負荷，當裝有自動投入的備用機械時、或為保證人身和設備安全，在電源電壓長時間消失后須自動切除時，均應裝設9S-10S時限的低電壓保護，動作于斷路器跳閘。為了保證接于同段母線的一類電動機自啟動，對不要求自啟動的二類、三類電動機和不能自啟動的電動機裝設0.5S時限的低電壓保護，動作于斷路器跳閘。電動機負荷低電壓保護定值〔三〕廠用負荷變頻器低穿能力要求原那么變頻器的低電壓穿越能力應根據電廠主設備及一類輔機設備能力、電網安全運行要求、變頻器安全經濟能效比等因素統籌兼顧來確定。變頻器的低電壓穿越能力不應超越主設備和供電對象的能力，也不應束縛主設備和供電對象的能力，應在適當考慮變頻器安全經濟能效比的條件下，充分發揮變頻器對電網安全的支撐能力。根據上述原那么，變頻器低壓穿越性能應與主機低壓性能相配合，宜與電廠一類輔機的低電壓保護定值相配合。〔四〕低電壓對現有廠用負荷的影響分析1.廠用繼電保護反響根據現有的火電廠廠用電繼電保護特性，在國網公司的?大型汽輪發電機組一類輔機變頻器高、低電壓穿越技術標準?文件中提到的“暫態低電壓穿越區〞、“動態低電壓穿越區〞的維持時間〔0.5S、5S〕小于繼電保護動作時限〔9S-10S〕，一類負荷的繼電保護均不會動作跳閘。2．二類、三類負荷火電廠中廠用電的二類、三類負荷不對機組并網安全穩定運行造成直接威脅，不涉及低電壓穿越問題，在此不做討論。3.無變頻器一類負荷電動機類負荷，低電壓過程中出現微小波動，可以正常過度，實現低電壓穿越。4.有變頻器一類負荷〔1〕風機、水泵類大慣性負荷在低電壓穿越區內，變頻器可短時中斷輸出保護自身設備，在電源恢復之后，當電動機仍在運轉時，機組仍在運行時，可以跟蹤電動機轉速再啟動〔即所謂飛車啟動功能〕。從調研情況來看，高壓變頻器基本均帶有此功能。〔2〕給煤機、給粉機類負荷在低電壓穿越區內，會觸發變頻器保護閉鎖，電機拖動皮帶，慣性很小，電機瞬時停轉，造成機組停機。如采用強制再啟動，也會造成鍋爐風煤配比失調，爐膛壓力劇烈波動，存在爆爐風險。四、技術改造方案參照國網公司的?大型汽輪發電機組一類輔機變頻器高、低電壓穿越技術標準?技術條件，從應用角度對電廠用的變頻器提出改造措施。〔一〕大慣性類負荷變頻器電廠中應用的輔機變頻器絕大局部屬于此類，空氣預熱器、增壓風機、凝結水泵、空冷島冷卻風機、引風機、送風機、一次風機、二次風機、給水泵、凝結水泵等設備的變頻器均可以采用失壓重啟方法或降轉速恒磁通方法v/f控制方法。失壓重啟方法對于大慣性負載，可采用動力電源局部采用失壓重啟方法，同時將變頻器的控制電源接到UPS電源。當低電壓發生時，變頻器可短時中斷輸出，對自身進展保護；在電源恢復之后，電動機仍在運轉時，機組仍在運行時，可以跟蹤電動機轉速再啟動。降轉速恒磁通v/f控制方式對于允許短時負載波動的應用，此類負載所使用的變頻器，可以采用降轉速恒磁通v/f控制方式如允許降低轉速，那么用本方法可使傳動設備在三相電壓較大幅度暫態跌落期間繼續運行。采用這種方法時必須考慮三相電壓暫態跌落的最大幅值、擾動最長持續時間、生產過程中允許的轉速降低的程度和負載特性。〔二〕給煤機、給粉機類負荷變頻器給煤機、給粉機的變頻器可以采用在變頻器前端串聯交流不連續電源〔UPS〕方法或外加并聯直流電源方法。在變頻器前端串聯交流不連續電源〔UPS〕方法外加串聯交流不連續電源UPS采用這種方法可做到無干擾運行,但是受限于UPS的容量。外加直流端外加電容或電池方法外加變頻器直流母線的電容或電池，增加對變頻器內部直流母線的儲能能力，提高變頻器內部承受低電壓的能力。外加并聯直流電源方法在變頻器直流母線上外加一路直流電源〔直流穩壓電源、蓄電池電源、電廠保安電源等〕，當外部擾動引起常用電源短時中斷或短時電壓降落時，外加直流電源繼續供給變頻器，不影響終端電動機的正常運行；當工頻電源再度恢復正常供電時，變頻器改為工頻電源供電。增設穩壓電源方案通過設置變頻器低電壓穿越電源裝置，使其在系統低電壓故障期間有效動作，保障變頻器拖動系統的連續穩定運行，進而確保生產安全。1〕變頻器低電壓穿越電源裝置構成變頻器低電壓穿越電源拓撲如以以下圖所示。圖系統拓撲示意圖該設備的主功率輸入為系統三相交流電源，主功率輸出一路或多路直流電源。交流三相電源分為兩路為變頻器進展供電：一路為交流供電通路，可通過原有送電線路或設置旁路開關，將三相交流電直接送入變頻器A/B/C三相交流輸入端子；另一路為直流供電通路，三相交流電能經手動斷路器QF1送入二極管整流橋TM1-3構成的整流回路，再經過電控開關KM1變換為直流電能并儲存于電容C1和C2。電感L1與IGBT構成BOOST型式的升壓斬波電路，可將C1/C2上的直流電能變換為電壓等級更高的直流電能儲存于電容C3/C4，并經二極管防反回路和熔斷器后，送入變頻器的直流輸入端子。電動開關KM1與電阻YR1構成預充電回路，當預充電完畢之后閉合KM1，實現在裝置初始上電時為電容C1/C2/C3/C4的平穩充電功能。在現場改造施工中，變頻器低電壓穿越電源并接在系統三相380V電源與變頻器之間，無需對變頻器的配置、設置做任何改動，并可利用現場已鋪設的電纜，無需新增任何電力線纜。2〕變頻器低電壓穿越電源工作原理變頻器低電壓穿越電源裝置的控制目標為在系統電壓跌落時保證變頻器及其拖動電機系統的轉速、功率、轉矩不變。其工作原理介紹如下。裝置掛網運行時，斷路器QF1與電動開關KM1均處于閉合狀態。在系統電壓正常的狀態下，電能通過交流送電回路送入變頻器交流輸入端子，裝置中的電力電子器件均處于旁路狀態，不參與裝置運行。在系統電壓發生跌落，進而造成C1/C2上整流得到的直流電壓跌落時，裝置內置的控制系統實時監測到此電壓跌落趨勢，將電感L1與IGBT構成的BOOST斬波升壓回路快速投入運行，保證在A/B/C三相電壓跌落期間，C3/C4上的直流電壓被舉高，維持到可保證變頻器輸出功率、電機轉矩、電機轉速均不變的電壓水平。在系統電壓跌落完畢，系統電壓恢復正常后，IGBT停頓運行，BOOST回路退出工作狀態，變頻器的供電仍由三相交流送電回路提供。裝置中，交流送電通道與直流送電通道的切換由電力電子器件〔SCR〕完成，切換動作時間小于1ms，為無縫切換，對變頻器的穩定運行不會造成沖擊。３〕改造工程實施方案根據現場應用需要，采取兩局部措施。措施一，直流動力電源改造。在變頻器直流母線上，加設大功率變頻器低電壓穿越電源裝置。維持原有變頻器供電線路不變，為變頻器低電壓穿越電源裝置引入AC380V的交流動力電源。將變頻器低電壓穿越電源裝置的直流輸出接入變頻器的直流母線。線路連接如以以下圖所示，圖中紅色局部為工程接線局部，黑色為原線路予以保存。圖動力電源改造示意圖措施二，控制電源改造。將廠內備用UPS電源引入變頻器控制柜，為控制柜中的控制器、接觸器、繼電器等器件提供控制電源。線路連接如以以下圖所示。圖控制電源改造示意圖〔三〕各種技術方案特點及比照分析1.失壓重啟及降速恒磁V/F此類方法最大的優點是不用添加額外的硬件設備，只需在軟件配置上適當調整即可〔需要原變頻器廠的配合〕。但此兩種方法使用只適用于大慣性負載的情況，對于給煤、給粉機等應用場合不適用。2.加裝ＵＰＳ方案在變頻器前端串聯交流不連續電源〔UPS〕方法可做到無干擾運行,但是受限于UPS的容量。如采用工業級大ＵＰＳ，工程布線工作量將很大，而且需要為ＵＰＳ建造空調房，工程量大；如采用商用級小ＵＰＳ，可靠性將遠不如工業級大ＵＰＳ。3.連接直流保安電源方案電廠的直流保安電源一般電壓等級為ＤＣ１１０Ｖ或ＤＣ２２０Ｖ，而變頻器的直流環節是ＤＣ５４０Ｖ，依然需要外加裝置進展電壓變化。另外，電廠直流保安電源上連接都是電廠里的關鍵負荷，一旦低穿裝置本身的輸入短路或電源與裝置的連接線路發生故障，將直接導致直流電源系統崩潰。多臺低穿裝置連接在直流保安電源上，一旦發生低電壓，多臺變頻器總容量對應的負荷會在瞬間切換到電池上，對直流電源造成巨大沖擊，風險過大。4.加裝蓄電池組、電容組方案在變頻器直流環節上加裝蓄電池組、電容組等儲能器件也可以實現變頻器的低電壓穿越。該方案的優點是原理簡單，缺點包括以下方面：1〕需配備安全要求極高的蓄電池室蓄電池直流支撐解決方案的核心部件為蓄電池組，由于蓄電池對溫度的敏感性，需配備溫度可控的密閉蓄電池室安放蓄電池組。蓄電池組由大量蓄電池串聯而成,蓄電池在充電或放電過程中會析出相當數量的氫氣,同時產生一定的熱量。氫氣和空氣混合能形成爆炸混合物,且其爆炸的上、下限范圍較大,因此蓄電池室具有較大的火災、爆炸不安全性。對于存放蓄電池的房間，通風、控溫要求極高，同時必須到達很高的防火、防爆安全等級。2〕現場施工量大蓄電池直流支撐解決方案為集中供電式方案，蓄電池組及其電力電子設備配備安放在獨立的蓄電池室中，由1臺蓄電池直流支撐裝置為多臺給煤機變頻器同時供電。現場改造時，需在蓄電池組與變頻器間鋪設長距離輸電線纜和線纜橋架。用戶除蓄電池裝置費用，需承擔線纜費用、橋架費用、施工費用，整體改造工程成本大幅提高。同時現場施工量較大，工期較長。3〕整體式供電解決方案，全系統癱瘓概率高蓄電池直流支撐解決方案為集中供電式方案，這種方式下，任意一臺給煤機變頻器發生故障、任意連接線纜發生破皮短路、蓄電池充電系統故障或蓄電池管理系統故障，都有可能觸發蓄電池組的相關保護，引發蓄電池直流支撐裝置退出運行，進而造成所有給煤機變頻器集體喪失低電壓穿越功能。在此情況下，假設發生電力系統低電壓故障，將會引發發電機組跳機的惡劣結果。4〕受運行溫度限制大，運行壽命短，電池串聯風險高蓄電池直流支撐解決方案中，解決方案中的核心部件為蓄電池，其對于運行環境溫度極為敏感。一方面，在低溫環境下蓄電池會出現容量下降現象，嚴重時會出現整機失效；另一方面過高的環境溫度會造成蓄電池整體壽命的下降。理論上環境溫度每提高10℃，電池的使用壽命將減小50%。通常情況下，蓄電池標稱的使用壽命均為25℃情況下評估得到的，而給煤機系統臨近鍋爐，其常態環境溫度有可能到達50℃以上，以55℃計算，蓄電池的壽命將僅為理想情況的12.5%，通常小于一年，電池更換頻率將極高。同時，蓄電池直流支撐方案中，需240節以上蓄電池進展直接串聯，遠多于普通電廠內常備電源中蓄電池的串聯個數。如此多的電池串聯，將造成電池單體間電壓的極度不均衡，進而表達為電池串的整體壽命和可靠性大幅度下降。5〕裝置本體安全可靠性低蓄電池直流