陳 俊，司紅建，周榮斌，徐 金，嚴(yán) 偉，沈全榮

（1.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102；2.江蘇沙河抽水蓄能發(fā)電有限公司，江蘇 溧陽(yáng) 213333）

0 引言

大型抽水蓄能機(jī)組均采用靜止變頻器（SFC）變頻啟動(dòng)系統(tǒng)，SFC系統(tǒng)是大型抽水蓄能機(jī)組水泵工況啟動(dòng)的重要設(shè)備，可以快速、平穩(wěn)地將抽水蓄能機(jī)組由靜止拖動(dòng)到同步轉(zhuǎn)速，從而減小機(jī)組啟動(dòng)和并網(wǎng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊。它的工作原理是，根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置或機(jī)端電壓信息，將頻率逐漸升高的交流電壓加到電機(jī)定子上，產(chǎn)生超前于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，通過(guò)定／轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的相互作用，將電機(jī)轉(zhuǎn)子加速到設(shè)定轉(zhuǎn)速[1-12]。

目前，已投產(chǎn)的國(guó)內(nèi)大型抽水蓄能機(jī)組SFC系統(tǒng)全部采用進(jìn)口設(shè)備，導(dǎo)致投資成本高，維護(hù)和更新困難。隨著國(guó)內(nèi)技術(shù)水平的進(jìn)步，少數(shù)企業(yè)已掌握SFC系統(tǒng)的核心技術(shù)，并且成功應(yīng)用在小型抽水蓄能機(jī)組上，具備了取代進(jìn)口設(shè)備的條件。以往，進(jìn)口SFC系統(tǒng)的保護(hù)功能均集成在SFC調(diào)節(jié)器中，保護(hù)功能簡(jiǎn)單，配置不完整，通常不具備變流橋差動(dòng)保護(hù)（ALSTOM公司產(chǎn)品除外）和輸出變壓器差動(dòng)保護(hù)功能①ALSTOM.Power generation-pumped storage power stations starting frequency converter protections description.2003.-②ABB.Static frequency converter protection scheme.2008.，且一些抽水蓄能電站接入SFC調(diào)節(jié)器的電流互感器（TA）為測(cè)量級(jí)，很容易在故障時(shí)快速飽和，不能為SFC系統(tǒng)提供可靠的保護(hù)，存在一定的安全隱患。雖然SFC系統(tǒng)只在啟動(dòng)階段投入運(yùn)行，但考慮到很多抽水蓄能電站只有1套SFC系統(tǒng)，而且其造價(jià)昂貴，因此，SFC系統(tǒng)的繼電保護(hù)也應(yīng)引起足夠重視。

綜上所述，有必要研究SFC系統(tǒng)的保護(hù)配置方案和關(guān)鍵技術(shù)，研制單獨(dú)的SFC系統(tǒng)保護(hù)裝置，為SFC系統(tǒng)提供完備的保護(hù)功能，更好地保障設(shè)備的安全運(yùn)行。

1 SFC系統(tǒng)保護(hù)配置方案

SFC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)按功率橋交流電壓等級(jí)分為高-高結(jié)構(gòu)和高-低-高結(jié)構(gòu)；按功率橋脈動(dòng)數(shù)分為6-6脈動(dòng)方式、12-6脈動(dòng)方式和12-12脈動(dòng)方式。目前抽水蓄能機(jī)組SFC多采用高-低-高結(jié)構(gòu)。

大型抽水蓄能機(jī)組SFC系統(tǒng)一般采用12-12脈動(dòng)方式，其典型配置如圖1所示。

圖1所示配置包括調(diào)節(jié)器、I／O裝置、保護(hù)裝置等二次設(shè)備；還包括輸入／輸出斷路器、輸入／輸出變壓器、直流電抗器、整流橋、逆變橋、切換刀閘等一次設(shè)備。完整的SFC系統(tǒng)保護(hù)的保護(hù)范圍應(yīng)涵蓋以上一次設(shè)備。

輸入變壓器保護(hù)具體包括：輸入變壓器差動(dòng)保護(hù)、輸入變壓器高壓側(cè)過(guò)流保護(hù)、輸入變壓器高壓側(cè)電流變化率保護(hù)、輸入變壓器低壓側(cè)過(guò)流保護(hù)、輸入變壓器低壓側(cè)電流變化率保護(hù)和輸入變壓器低壓側(cè)低電壓保護(hù)。

變流橋本體差動(dòng)保護(hù)為整流橋、逆變橋和電抗器提供了快速主保護(hù)，其包括SFC差動(dòng)保護(hù)1至SFC差動(dòng)保護(hù)4，保護(hù)范圍可分別選擇網(wǎng)橋側(cè)TA（TA1和TA2）和機(jī)橋側(cè)電流互感器（TA3和TA4）的兩兩組合。

圖1 SFC系統(tǒng)典型配置圖Fig.1 Typical configuration of SFC system

輸出變壓器保護(hù)具體包括：輸出變壓器差動(dòng)保護(hù)、輸出變壓器高壓側(cè)過(guò)流保護(hù)、輸出變壓器低壓側(cè)過(guò)流保護(hù)、輸出變壓器低壓側(cè)電流變化率保護(hù)、輸出變壓器低壓側(cè)過(guò)頻保護(hù)、輸出變壓器低壓側(cè)過(guò)勵(lì)磁保護(hù)、輸出變壓器低壓側(cè)零序過(guò)壓保護(hù)、輸出變壓器高壓側(cè)低電壓保護(hù)和輸出變壓器低壓側(cè)低勵(lì)磁保護(hù)。

2 SFC系統(tǒng)保護(hù)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 SFC變流橋本體差動(dòng)保護(hù)

SFC系統(tǒng)的網(wǎng)橋側(cè)為工頻電流，而機(jī)橋側(cè)為變頻電流，如何實(shí)現(xiàn)兩側(cè)頻率不一致情況下的差動(dòng)保護(hù)，是SFC變流橋本體差動(dòng)保護(hù)的難點(diǎn)。

將機(jī)橋側(cè)變頻電流經(jīng)算法處理轉(zhuǎn)換成工頻校正電流，再與網(wǎng)橋側(cè)電流構(gòu)成差動(dòng)電流和制動(dòng)電流，采用全周傅氏算法計(jì)算。為了提高差動(dòng)保護(hù)的可靠性，采用如下比率制動(dòng)特性：

其中，IN為網(wǎng)橋側(cè)電流，I′M為機(jī)橋側(cè)校正電流，Id為差動(dòng)電流，Ir為制動(dòng)電流，Iqd為差動(dòng)啟動(dòng)定值，Kset為比率制動(dòng)系數(shù)。

RTDS試驗(yàn)表明，該原理的動(dòng)作速度與機(jī)橋側(cè)的頻率無(wú)關(guān)，動(dòng)作時(shí)間小于30 ms（2倍定值）。

沙河抽水蓄能電站SFC系統(tǒng)負(fù)載換相階段的網(wǎng)橋側(cè)TA和機(jī)橋側(cè)TA電流見(jiàn)圖2，由兩側(cè)電流構(gòu)成的SFC變流橋差動(dòng)保護(hù)差流和制動(dòng)電流（已轉(zhuǎn)換為相應(yīng)電流和TA二次側(cè)額定電流In的比值）見(jiàn)圖3。

可見(jiàn)，變頻啟動(dòng)過(guò)程中，變流橋差動(dòng)電流接近于0，遠(yuǎn)小于制動(dòng)電流，差動(dòng)保護(hù)的比率制動(dòng)系數(shù)可以整定為0.3～0.5，保護(hù)可以獲得比較高的靈敏度。

圖2 負(fù)載換相階段的網(wǎng)橋側(cè)和機(jī)橋側(cè)電流Fig.2 Currents at grid side and generator side during load commutation

圖3 負(fù)載換相階段的差動(dòng)電流和制動(dòng)電流Fig.3 Differential current and braking current during load commutation

2.2 輸出變壓器變頻差動(dòng)保護(hù)

輸出變壓器兩側(cè)電流為變頻（0～50 Hz），常規(guī)變壓器差動(dòng)保護(hù)均采用工頻算法，無(wú)法在此過(guò)程中保障輸出變壓器的安全。以往進(jìn)口的SFC系統(tǒng)均未配置輸出變壓器變頻差動(dòng)保護(hù)功能。

輸出變壓器差動(dòng)保護(hù)應(yīng)采取與頻率無(wú)關(guān)的算法，確保低頻情況下也能準(zhǔn)確測(cè)量，本文采用了發(fā)電機(jī)保護(hù)中常用的啟停機(jī)保護(hù)算法，實(shí)現(xiàn)了低頻啟動(dòng)過(guò)程中的準(zhǔn)確測(cè)量①南京南瑞繼保電氣有限公司.PCS-985系列發(fā)電機(jī)變壓器組保護(hù)裝置技術(shù)說(shuō)明書(shū).2010.；采用變斜率比率制動(dòng)特性，防止區(qū)外故障導(dǎo)致的誤動(dòng)[13]。另外，脈沖換相階段可能不帶輸出變壓器啟動(dòng)，此時(shí)，經(jīng)旁路開(kāi)關(guān)（圖1中的S1）位置接點(diǎn)將輸出變壓器差動(dòng)保護(hù)退出。

2.3 電流變化率保護(hù)

電流變化率保護(hù)具有動(dòng)作迅速、靈敏度高的特點(diǎn)，在短路電流上升的起始階段就能動(dòng)作，而且故障越嚴(yán)重，電流變化率保護(hù)反應(yīng)越迅速[15-16]，因此，能夠?qū)ψ兞鳂虮倔w的電力電子器件起到很好的保護(hù)作用。對(duì)于未配置變流橋差動(dòng)保護(hù)的情況，電流變化率保護(hù)實(shí)際上充當(dāng)了變流橋本體快速主保護(hù)。

但從現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況來(lái)看，該保護(hù)易受干擾信號(hào)的影響，如沙河抽水蓄能電站的進(jìn)口SFC系統(tǒng)，其調(diào)節(jié)器內(nèi)的電流變化率保護(hù)曾多次發(fā)生誤動(dòng)。

為了提高電流變化率保護(hù)的可靠性，可采取以下2個(gè)措施：連續(xù)、多次判斷是否滿足動(dòng)作條件；增加采樣值過(guò)流輔助判據(jù)，其與電流變化率判據(jù)均滿足動(dòng)作條件時(shí)，保護(hù)才出口。

2.4 機(jī)橋側(cè)頻率測(cè)量方法

SFC系統(tǒng)脈沖換相階段，機(jī)橋側(cè)電壓波形嚴(yán)重畸變，含有大量的諧波分量。圖4為某抽水蓄能電站SFC系統(tǒng)脈沖換相階段的機(jī)橋側(cè)AB相間電壓波形，顯然，若不進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，難以準(zhǔn)確計(jì)算電壓的幅值和頻率。如何消除諧波分量的影響，準(zhǔn)確測(cè)量電壓幅值和頻率，是實(shí)現(xiàn)機(jī)橋側(cè)頻率異常保護(hù)、過(guò)勵(lì)磁保護(hù)和低勵(lì)磁保護(hù)的關(guān)鍵。

圖4 機(jī)橋側(cè)UAB原始波形Fig.4 Original waveform of UABat generator side

為了準(zhǔn)確計(jì)算機(jī)橋側(cè)的頻率，需設(shè)計(jì)高性能的數(shù)字低通濾波器，要求0～60 Hz頻率范圍內(nèi)不衰減，同時(shí)能夠很好地抑制高次諧波，其幅頻特性如圖5所示。

圖5 數(shù)字低通濾波器的幅頻特性Fig.5 Amplitude-frequency characteristic of digital low-pass filter

圖4所示的電壓經(jīng)以上數(shù)字低通濾波器后的波形如圖6所示。可見(jiàn)，經(jīng)高性能數(shù)字低通濾波后，機(jī)橋側(cè)電壓波形大為改善，為準(zhǔn)確測(cè)量機(jī)橋側(cè)頻率和電壓幅值創(chuàng)造了條件。

圖7為脈沖換相階段頻率為3.5 Hz的機(jī)橋側(cè)電壓波形和實(shí)測(cè)頻率值?？梢?jiàn)，頻率計(jì)算值與實(shí)際頻率吻合，采用以上方法，能夠在脈沖換相階段準(zhǔn)確測(cè)量機(jī)橋側(cè)的頻率。

圖6 濾波后的機(jī)橋側(cè)UAB波形Fig.6 Waveform of UABat generator side after filtering

圖7 脈沖換相階段機(jī)橋側(cè)電壓和頻率Fig.7 Voltage and frequency at generator side during pulse commutation

2.5 提高SFC系統(tǒng)保護(hù)可靠性的措施

所有用于SFC系統(tǒng)保護(hù)的電流不應(yīng)取自測(cè)量級(jí)TA，而應(yīng)該設(shè)置獨(dú)立的保護(hù)級(jí)TA。

脈沖換相階段，機(jī)橋側(cè)頻率小于5 Hz，TA不能正確傳變，變流橋差動(dòng)保護(hù)和輸出變壓器差動(dòng)保護(hù)均將出現(xiàn)較大的差流，為防止差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)，應(yīng)在此過(guò)程中閉鎖這2種保護(hù)。

不帶輸出變壓器拖動(dòng)的階段，經(jīng)旁路開(kāi)關(guān)（圖1中的S1）位置接點(diǎn)將輸出變壓器高壓側(cè)過(guò)流保護(hù)、輸出變壓器高壓側(cè)低電壓保護(hù)退出；當(dāng)頻率超過(guò)5 Hz，投入輸出變壓器后，相應(yīng)的保護(hù)功能自動(dòng)投入。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

基于本文研究結(jié)果開(kāi)發(fā)了SFC系統(tǒng)保護(hù)裝置PCS-985FA，實(shí)現(xiàn)了輸入變壓器、變流橋本體和輸出變壓器的所有電氣量保護(hù)功能。該裝置采用4U標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱，雙CPU系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，“與門”出口方式，2個(gè)CPU系統(tǒng)之間進(jìn)行相互校驗(yàn)，可靠防止硬件異常導(dǎo)致的誤動(dòng)。

該裝置已在江蘇沙河抽水蓄能電站得到應(yīng)用，SFC變頻啟動(dòng)過(guò)程中，保護(hù)裝置能準(zhǔn)確測(cè)量機(jī)橋側(cè)頻率和過(guò)勵(lì)磁倍數(shù)等重要電氣量，所有保護(hù)功能運(yùn)行正常。自2012年6月投入應(yīng)用以來(lái)，保護(hù)裝置未出現(xiàn)任何異常，運(yùn)行情況良好。

4 結(jié)語(yǔ)

進(jìn)口SFC系統(tǒng)保護(hù)功能配置不完整，缺少了SFC變流橋差動(dòng)保護(hù)和輸出變壓器差動(dòng)保護(hù)功能，存在一定的安全隱患。為了克服進(jìn)口保護(hù)設(shè)備存在的問(wèn)題，本文研究了SFC系統(tǒng)保護(hù)的典型配置方案和關(guān)鍵技術(shù)，簡(jiǎn)要總結(jié)如下：

a.提出了SFC變流橋差動(dòng)保護(hù)方法，實(shí)現(xiàn)了與機(jī)橋側(cè)頻率無(wú)關(guān)的快速差動(dòng)保護(hù)方法；

b.提出了輸出變壓器變頻差動(dòng)保護(hù)方法，提高了輸出變壓器內(nèi)部故障檢測(cè)的靈敏度；

c.提出了提高電流變化率保護(hù)可靠性的措施；

d.設(shè)計(jì)了高性能數(shù)字低通濾波器，消除了大量諧波分量的影響，實(shí)現(xiàn)了機(jī)橋側(cè)頻率和過(guò)勵(lì)磁倍數(shù)的準(zhǔn)確測(cè)量；

e.提出了提高SFC系統(tǒng)保護(hù)可靠性的若干技術(shù)措施。

根據(jù)本文研究?jī)?nèi)容開(kāi)發(fā)的SFC系統(tǒng)保護(hù)裝置已在現(xiàn)場(chǎng)得到應(yīng)用，應(yīng)用效果良好，具備了推廣應(yīng)用的條件。該保護(hù)裝置同樣適用于F級(jí)大型燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)組的LCI變頻啟動(dòng)系統(tǒng)，只需將輸出變壓器的相關(guān)保護(hù)功能退出即可。