关键词：给粉机；变频器；低电压穿越措施；电力UPS

1  前言

江苏国信协联能源有限公司2×135MW发电机组分别于2004年和2005年投产，其2台440T/h的燃煤锅炉采用中间仓储式制粉系统，利用给粉机把煤粉仓的煤粉连续地送入一次风管中，并根据负荷的大小调节变频器的转速来控制给粉量，以保证锅炉燃烧稳定。

每台锅炉共有16台给粉机，采用甲、乙两组给粉电源常用、备用切换装置双回路供电方式，采用DCS控制给粉机变频器启停、以及MFT联跳给粉电源、变频器的控制方式。给粉机变频器采用ABB公司生产的ACS800-01-0004-3+P901型号。

其给粉机电气一次系统图如图1所示。

图1  给粉机电气一次系统图

2  变频器低电压穿越

2.1  变频器高低压穿越概念

当外部故障或扰动引起辅机变频器电源进线电压瞬时、短时或长时间升高或降低时，在规定的电压变动范围和时间间隔内，变频器应采用可靠工作方式，保障供电对象的安全运行。

2.2  变频器低电压穿越区域

按《DLT1648-2016发电厂及变电站辅机变频器高低电压穿越技术规范》，火电厂辅机变频器必须采取低电压穿越措施，在表1规定的变频器低电压穿越区范围内和表2规定的变频器高电压穿越区范围内，均保证变频器正常运行，即火电炉辅机具备低电压穿越能力。

3  常见的变频器低电压穿越装置

3.1  变频器结构

变频器的功率回路均由整流模块、直流环节、逆变模块组成，如图2所示。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交流输出，实现频率变换。

图2  变频器结构框图

当低电压发生时，R/L1，S/L2，T/L3电压变低，变频器直流母线电压+DC、-DC随之降低，无法提供逆变模块所需要的能量，触发变频器低电压保护动作，促使变频器跳闸。

3.2  低电压穿越措施

根据DLT1648-2016《发电厂及变电站辅机变频器高低电压穿越技术规范》，目前变频器高低电压穿越常用技术措施有两种：①外加串联交流不间断电源（UPS）；②外加并联直流电源。

3.2.1  变频器外加串联交流不间断电源(UPS)的措施

（1）采用串联UPS不间断电源方法（如图3所示），通过UPS对给粉机变频器进行供电，将系统瞬时电压跌落挡在了UPS进线侧。UPS在解决供电中断问题的同时，电压跌落问题就能从本质上得到了抑制，由交流电源低电压引起的变频器跳闸的问题可以得到有效解决。

（2）目前投入工业应用的UPS具有380V±0.5%的电压输出精度，50Hz±0.01%的频率输出精度；动态响应快，适应负载从0至100%或100%至0的跃变；逆变器过载能力强；具有100%的不平衡负载能力等优点。

                                                                                                                                                                                                                                     

 图3  外加串联UPS措施的框图

图4  外加并联DC-BANK措施的框图

3.2.2  变频器外加并联直流电源的措施

（1）DC-BANK即直流不间断电源，能够为直流型负载（如变频器）提供稳定、持续、不间断的直流电源的设备。变频器采用外加并联DC-BANK（如图4所示）可以有效的解决电压跌落电能质量问题。其特点是后备式供电方式决定了其具有能源利用率高，安全性高等优点。

（2）外加并联DC-BANK工作原理：

1）在交流输入电源电压正常的状态下或电压跌落到90%以内时，交流电向变频器供电，DC-BANK装置系统处于热备用状态，不参与变频器运行。

2）在交流输入电源电压发生跌落到0%~90%范围内，进而造成DC-BANK装置整流器的充电电容C1/C2上的直流电压跌落时，DC-BANK装置的控制系统实时监测到此电压跌落趋势，将电感L1与IGBT构成的BOOST斩波升压回路快速投入运行，从而保证在交流输入电压跌落期间，BOOST斩波升压的充电电容C3/C4上的直流电压被举高，其输出的直流电压+DC、-DC维持变频器直流母线电压在DC 500V左右，保证变频器正常运行。

3）在交流电源电压跌落结束，交流电压恢复正常后，BOOST斩波升压回路退出工作状态，继续处于热备用状态，而变频器的供电仍由三相交流送电回路提供。

4）DC-BANK装置中，交流与直流的两路输入通道切换由电力电子器件SCR完成，切换动作时间小于1ms，为无缝切换，对变频器的稳定运行不会造成冲击。

5）当MFT动作或变频器停止运行时，DC-BANK装置自动退出，转为热备用状态。

4  UPS装置的选择

4.1  在线式UPS

（1）UPS电源按工作原理分成后备式、在线式与在线互动式三大类。

（2）在线式UPS(On-Line UPS)的运作模式为：市电和用电设备是隔离的，经过UPS就被转换成直流电，再兵分两路，一路为电池充电，另一路则转回交流电，供电给用电设备；市电供电品质不稳或停电时，电池从充电转为供电，直到市电恢复正常才转回充电。

（3）在线式UPS在用电的整个过程是全程介入的，其优点是输出的波型和市电一样是正弦波，而且纯净无杂讯，不受市电不稳定的影响，只要在UPS输出功率足够的前提下，可以供电给任何使用市电的设备。

4.2  电力UPS

（1）电力UPS电源是专为发电厂、变电站设计的“在线式”UPS，其UPS直流输入通过逆止二极管直接接在直流屏母线上，UPS自身可以不带充电和蓄电池部件，通过电路将外部交流电转变为直流电，再通过高质量的逆变器将直流电转换为高质量的正弦波交流电输出给负载。具有工频、双转换、纯在线、零中断、双隔离等特点，UPS带有自动旁路和手动维护旁路，提高了UPS系统可用性。

（2）电力UPS在供电状况下的主要功能是稳压及防止电波干扰；在停电时则使用备用直流电源(蓄电池组)给逆变器供电。由于逆变器一直在工作，因此不存在切换时间问题，适用于对电源有严格要求的场合。

（3）电力UPS电源由输入输出隔离变压器、整流器、逆变器、静态旁路开关、旁路开关、逆止二极管、维修旁路开关等构成，其工作原理框图如图6所示。

图6  电力UPS装置工作原理框图

（4）电力UPS电源工作原理如下：

1）正常工作模式：市电正常时，交流电经过隔离、整流滤波后通过逆变器提供稳定的交流电源给负载供电。

2）直流工作模式：若交流电输入异常或断电时，则由直流屏经逆止二极管供出直流电，通过逆变后输出给负载使用，当直流屏欠压或断电时，静态开并切换到交流旁路供电。当交流电恢复正常后，自动切换为交流电正常工作模式。

3）旁路工作模式：当逆变器故障（过载、过热等原因）时，静态开并切换到交流旁路供电，同时发出警告信号。

4.3  低电压穿越用UPS选型

（1）APT003型全数字化电力UPS，是艾普诺公司最新产品，集数字化、信息化、网络化为一体的高智能型产品，采用高速微处理器，由独立的一个主控板控制整个系统工作，具有强大的信息采集系统、信号处理系统、侦测系统和完善的保护系统。个性化设计、强大的人机对话功能、直观显示屏以及状态指示监控接口，让用户操作和使用非常简单方便。

（2）根据给粉机电动机功率为2.2kW，故选择APT003-10kVA型全数字化电力UPS装置作为给粉机变频器低电压穿越装置，于2017年6月改造完成。

5  国信协联#8锅炉给粉机变频器低电压穿越改造

5.1  给粉机变频器低电压穿越改造方案

（1）国信协联公司采用串联UPS方案对#8锅炉给粉机变频器进行高低电压穿越改造，如图7所示，通过将UPS装置串联接入变频器电力线路中，确保在电压暂降和暂升期间负载的平稳运行。

（2）该方案的特点有：

1）每台给粉机变频器采用串联一台UPS装置来供电，一对一独立运行，安全可靠性高。

2）给粉机变频器的交流工作电源与备用电源的切换，保持原来的工作方式不变。

3）每台给粉机变频器的DCS控制和MFT保护，均保持原来的工作方式不变。

4）直流输入电源采用电厂直流屏DC 220V母线，不需要投资蓄电池组。

5）增加两个直流接触器KM5、KM6，用来满足MFT保护动作时，能够切除UPS装置直流电源输入，确保给粉机变频器无任何电源输入，杜绝给粉机误有运行时而引起炉膛爆燃的可能。

6）16台UPS装置集中放置在低压室，比安装在现场的使用环境好，同时便于安装空调进行冷却。

5.2  给粉机变频器低电压穿越装置调试

以给粉机A1变频器低电压穿越装置调试为例，如图8所示说明调试步骤：

图8  给粉机A1变频器低电压穿越装置改造方案

（1）给粉机A1变频器的静态低电压穿越调试

1）分别将A1-UPS进线开关、UPS输入开关、旁路开关、直流开关、A1-UPS出线开关均合闸，使UPS装置已通电。

2）将A1变频器电源开关合闸，使A1变频器通电。

3）由锅炉运行人员在DCS画面进行启动操作，将A1变频器启动运行，DCS画面上A1变频器运行信号红灯亮；将MFT保护投入。

图7  给粉机变频器串联UPS低电压穿越装置的电气一次系统图

4）将A1-UPS装置的输入开关分闸，此次输入指示（绿色LED）不亮，UPS自动切换至直流工作模式；UPS逆变器工作应正常，逆变指示（绿色LED）亮，UPS输出正常，输出指示（绿色LED）亮。

观察A1变频器运行正常，DCS画面上A1变频器运行信号红灯亮；无给粉机全停信号发出，MFT不动作。

5）将UPS直流开关分闸，电池低压（红色LED）亮，UPS自动改由旁路电源供电，旁路指示（黄色LED）亮，逆变器停止工作，逆变指示（绿色LED）不亮，输出指示（绿色LED）不亮。

观察A1变频器运行正常，DCS画面上A1变频器运行信号红灯亮；无给粉机全停信号发出，MFT不动作。

6）将A1-UPS装置的交流输入开关合闸，此次输入指示（绿色LED）亮，UPS自动切换至正常逆变工作模式；旁路指示（黄色LED）不亮，UPS逆变器工作应正常，逆变指示（绿色LED）亮，UPS输出正常，输出指示（绿色LED）亮。

观察A1变频器运行正常，DCS画面上A1变频器运行信号红灯亮；无给粉机全停信号发出，MFT不动作。

7）将UPS直流开关合闸，电池低压（红色LED）不亮，直流电源处于备用状态。

（2）8#炉给粉机变频器低电压穿越UPS装置电源MFT联锁跳闸试验

1）继续保持A1-UPS装置、A1变频器的正常运行状态。

2）确认8#炉MFT保护已投入。

3）由热工模拟发出一个MFT保护动作（如汽包水位低或者引风机全停等），使MFT动作，此时8#炉给粉机变频器低电压穿越UPS装置的交流电源的KM1、KM2、KM3、KM4交流接触器，直流电源的KM5、KM6直流接触器均已全部断开。

检查UPS装置已经全部断电，A1变频器已停止运行。

5.3  给粉机变频器低电压穿越UPS装置性能测试

（1）采用电压暂降发生仪、数字存储示波器、数字万用表等设备，对UPS装置进行低电压穿越测试，分别进行电源电压暂降90%、70%、60%、50%、30%、20%、0%U_N的5s测试，测试结果UPS输出电压均正常、变频器运行正常。

（2）其中用示波器scope采样给煤机变频器的交流输入电压、直流母线电压、交流输出电压，记录电压暂降到正常值的50%、0%时的维持时间5s时，其波形如图9～14所示，测试结果显示变频器运行正常。

电压暂降至额定电压的50%时各电压波形如图9-图11所示。

图9  电压暂降50%时UPS交流输入电压

图10  电压暂降50%时变频器直流母线电压波形

                                                                     图11  电压暂降50%时变频器的输出电压波形

电压暂降至额定电压的0%时各电压波形如图12-图14所示。

图12  电压暂降0%时UPS交流输入电压

图13  电压暂降0%时变频器直流母线电压波形

图14  电压暂降0%时变频器的输出电压波形

5.4  给粉机变频器串联UPS低电压穿越改造的注意点

（1）继保直流继电器出现异声

因直流屏的电池母线有对地绝缘检测，尽管电力UPS的输入/输出采用了有隔离变压器，但是当UPS装置与直流屏母线连接以后，仍然会产生零地电压的干扰，会引起继电保护屏上的直流电磁继电器发出异声，可能造成继电保护误动作。

（2）异声处理的方法

处理的方法是将UPS装置的输入、输出端三相五线制的N端全部悬空而不用，确保UPS装置接线为三相进、三相出，确保继保直流系统对地绝缘；同时检查变频器接线，亦需作同样的处理。

6  结束语

目前变频器低电压穿越装置多采用并联直流电源方式，但串联UPS方式具有在线式、零中断、响应快、过载强等特点，具备不可替代的作用，无论是市电供电正常还是市电中断由电池逆变供电期间，UPS逆变器始终处于工作状态，这就从根本上消除了来自电网的电压波动和干扰对负载的影响。我公司给粉机变频器实施串联UPS低电压穿越装置运行半年以来，其穿越性能合格、工作性能可靠，串联UPS亦值得推广。