空预器低电压穿越装置性能研究与应用分析

1. 引言

新版《发电厂并网运行管理规定》等技术标准明确要求火力发电机组必须具备强大的故障穿越能力，其中就包括重要的低电压穿越（LVRT）能力。

空预器是锅炉尾部烟道中的关键换热设备，对提高锅炉热效率至关重要。现代大型燃煤机组的空预器普遍采用大功率交流变频器驱动。然而，当电网侧或厂用电系统发生故障时，会引发瞬时电压跌落。若空预器变频器因电压过低而保护跳闸，导致空预器停转，将在极短时间内引起锅炉风烟系统失衡、排烟温度急剧升高等一系列恶性连锁反应，最终迫使机组停运，严重威胁电厂与电网的安全稳定运行。

因此，为空预器变频控制系统加装或升级具备低电压穿越功能的装置，确保其在电网电压瞬时跌落时不停机、不脱网，并能在电压恢复后快速平稳地回归正常运行，已成为保障现代火电机组“零非停”目标的核心技术举措之一。本研究立足于发电厂生产实际，聚焦于空预器 LVRT 装置的内部机理与外部表现，系统性研究其性能，具有重要的工程实践价值。

2. 空预器低穿装置技术原理

空预器低电压穿越能力的核心思想是：在检测到电网电压跌落时，通过一系列技术手段，为变频器内部的直流母线电容提供能量补充，维持其电压稳定，从而保证变频器控制单元和功率单元的正常工作，使电机能够持续获得驱动转矩。

目前主流的空预器LVRT 技术方案主要为：

后备电源型方案（AFE+储能）该方案属于主动式能量补充方案，是目前高性能 LVRT 装置的主流选择。其系统构成更为复杂，主要包括：

1. 有源前端整流器（AFE）：取代传统的二极管整流桥，能够实现网侧电流的正弦化，降低谐波污染，更重要的是具备四象限运行能力，可实现能量的双向流动。

2. 储能单元（通常为超级电容）：作为装置的能量核心。超级电容具有功率密度极高、充放电速度快、循环寿命长的突出优点，非常适合应对短时、大功率的能量需求。

3. 双向DC/DC 变换器：连接在储能单元和直流母线之间，用于精确控制能量的双向流动。

其工作原理为：电网正常时，AFE 在为负载供电的同时，为超级电容组充电储能。当检测到电压跌落时，控制系统立即动作，DC/DC 变换器将超级电容中储存的电能快速释放至直流母线，精准地补偿因电网输入能量不足导致的功率缺额，从而稳定直流母线电压。在此过程中，变频器几乎不受电网电压波动的影响，确保空预器转速恒定，实现 “不间断穿越”。电压恢复后，系统又自动切换回为储能单元充电的模式。

3. 空预器低电压穿越装置性能评估体系

衡量一个LVRT 装置的性能优劣，需建立一个多维度的、量化的评估体系。主要评估指标包括：

3.1 电压耐受范围与持续时间这是最核心的指标。根据国家标准，装置必须能在并网点电压跌落至额定压的20%时，维持至少0.625 秒不脱网运行。高性能的装置甚至可以在电压降至 0%的情况下，支撑0.5-1 秒。3.2 动态响应时间指从电压跌落发生到LVRT 装置检测到故障并完全投入工作的滞后时间。该时间越短，对直流母线电压的支撑就越及时，系统稳定性越好。

3.3 直流母线电压稳定度在穿越过程中，直流母线电压的波动范围是关键。优秀的装置能将波动控制在额定电压的±10%甚至±5%以内，避免因过压或欠压触发变频器内部保护。

3.4 转矩维持能力直接反映了空预器运行的稳定性。高性能的主动式方案能实现100%额定转矩输出，保证空预器转速无任何下滑；而能耗型方案则难以避免转矩和转速的下降。

3.5 自恢复能力电压恢复正常后，装置应能平滑、无冲击地切换回正常运行模式，储能单元能自动完成再充电，整个系统无需人工干预即可进入待命状态。

4. 典型案例应用与性能分析

以笔者所在的某电厂#1 机组（600MW 超临界空冷机组）空预器LVRT 项目为例进行分析。

4.1 测试方案利用专业的电压跌落发生模拟装置，在空预器变频器进线侧人工模拟不同深度的电压跌落故障，通过录波装置记录电网电压、直流母线电压、空预器电机转速、输出转矩等关键波形。

4.2 结果分析

·工况一：电压跌落至 65% ，持续0.5 秒。装置在 2ms 内迅速响应，超级电容组瞬间放电。录波显示，直流母线电压仅在初始时刻有轻微波动（从675V 暂降至645V），随后立即被稳定控制在670V±5V 范围内。空预器电机转速曲线为一条平滑直线，转矩输出保持 100%恒定。电压恢复后，系统切换平稳。

·工况二：电压跌落至 20% ，持续 0.8 秒。装置同样快速响应。直流母线电压稳定度依然良好，波动范围控制在±15V 内。电机转速和转矩保持稳定，实现穿越。

·工况三：两相短路，电压跌落至 0% ，持续。这是最极端工况。装置成功实现穿越，直流母线电压虽有较大波动（最低至 600V），但始终高于变频器欠压保护阈值（540V），确保了系统不停机。电压恢复后，转速无变化。