周霖軒，陳曉明，黃劍煌

(江西洪屏抽水蓄能有限公司，江西靖安330603)

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淺析洪屏抽水蓄能電站SFC、勵(lì)磁及監(jiān)控系統(tǒng)配合

周霖軒，陳曉明，黃劍煌

(江西洪屏抽水蓄能有限公司，江西靖安330603)

抽水蓄能電站，機(jī)組工況轉(zhuǎn)換復(fù)雜，啟動(dòng)頻繁。在SFC啟動(dòng)過程中，監(jiān)控系統(tǒng)、勵(lì)磁系統(tǒng)及SFC系統(tǒng)既按照各自流程進(jìn)行，又相互交互信息，緊密配合。詳細(xì)介紹了洪屏抽水蓄能電站SFC啟動(dòng)過程中監(jiān)控、勵(lì)磁及SFC流程，并分析在整個(gè)啟動(dòng)過程中各系統(tǒng)間的配合關(guān)系，有助于快速找出啟動(dòng)時(shí)出現(xiàn)的問題。

勵(lì)磁系統(tǒng)；監(jiān)控系統(tǒng) ；SFC；流程；洪屏抽水蓄能電站

1 工程概況

洪屏抽水蓄能電站位于江西省靖安縣三爪侖鄉(xiāng)境內(nèi)，屬周調(diào)節(jié)純抽水蓄能電站，安裝4臺(tái)單機(jī)容量300 MW的立軸單級(jí)可逆混流式水泵水輪機(jī)組，總裝機(jī)容量1 200 MW。電站建成后，以500 kV電壓等級(jí)出線接入華中電網(wǎng)，在系統(tǒng)中擔(dān)任調(diào)峰、填谷，調(diào)頻、調(diào)相作用和事故備用等任務(wù)。

抽水蓄能機(jī)組抽水工況啟動(dòng)時(shí)，必須采用專門的電氣設(shè)備及操作方法，以盡可能平穩(wěn)地啟動(dòng)同步電機(jī)，使啟動(dòng)電流不致過大，減小對(duì)電網(wǎng)的沖擊。SFC因具有無級(jí)變速、啟動(dòng)平穩(wěn)、反應(yīng)速度快、調(diào)整方便、維護(hù)工作量小、可靠性高及很強(qiáng)的自診斷功能等優(yōu)點(diǎn)，在抽水蓄能電站中被廣泛使用。SFC啟動(dòng)過程中，監(jiān)控、勵(lì)磁及SFC系統(tǒng)既按照各自流程進(jìn)行，又相互交互信息，緊密配合，時(shí)序邏輯上稍有疏忽就會(huì)導(dǎo)致啟動(dòng)失敗。因此，了解它們之間的配合關(guān)系，就顯得尤其重要。本文對(duì)洪屏抽水蓄能電站SFC啟動(dòng)過程進(jìn)行分析，理清整個(gè)拖動(dòng)流程，有助于快速分析啟動(dòng)失敗可能原因。

2 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

2.1 監(jiān)控系統(tǒng)

洪屏電站監(jiān)控系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱CSCS)是南京南瑞公司提供的開放式環(huán)境下雙環(huán)網(wǎng)、全分布計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，采用NC2000 V3.0計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)軟件，由現(xiàn)地控制層、電站控制層和調(diào)度控制層3部分組成。電站控制層與現(xiàn)地控制單元(LCU)之間采用100 Mb/交換式冗余以太環(huán)網(wǎng)進(jìn)行通訊，通訊協(xié)議為TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議?，F(xiàn)地控制單元與其他計(jì)算機(jī)控制子系統(tǒng)之間通過現(xiàn)場(chǎng)總線進(jìn)行信息交換。

2.2 勵(lì)磁系統(tǒng)

洪屏電站勵(lì)磁系統(tǒng)由國(guó)電南瑞提供，采用自并勵(lì)可控硅靜止整流勵(lì)磁方式，并采用NES6100發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器。勵(lì)磁電源取自發(fā)電電動(dòng)機(jī)換相閘刀和主變壓器低壓側(cè)之間的18 kV離相封閉母線。整個(gè)勵(lì)磁系統(tǒng)由勵(lì)磁變壓器、勵(lì)磁變低壓側(cè)開關(guān)、勵(lì)磁調(diào)節(jié)器、可控硅整流裝置、滅磁電阻、滅磁開關(guān)、過電壓保護(hù)裝置、起勵(lì)單元、冷卻單元、監(jiān)視裝置和儀表等部分組成。勵(lì)磁變壓器為三個(gè)單相、戶內(nèi)式、金屬外殼封閉、自然冷卻、干式變壓器，勵(lì)磁交流開關(guān)采用ABB抽出式空氣開關(guān)：E3H/E- 2500 A；滅磁開關(guān)采用法國(guó)雷諾CEX 06 3200 A 4.2。額定勵(lì)磁電壓/電流為190 V/2346 A，空載勵(lì)磁電壓/電流為91 V/1305 A。

2.3 靜止變頻器

靜止變頻起動(dòng)裝置(SFC)為瑞士ABB公司產(chǎn)品，作為發(fā)電電動(dòng)機(jī)組抽水(水泵)工況啟動(dòng)的變頻起動(dòng)電源。包括變頻單元、控制柜、直流電抗器柜、輸入/輸出開關(guān)、電流互感器、SFC輸入/輸出變壓器輸入電抗器及分支母線隔離開關(guān)。SFC橋臂數(shù)/可控硅方式為12/4+1，額定容量19 MW，輸出電壓0～19.8kV，輸出頻率0～52.5 Hz，啟動(dòng)時(shí)間240 s，網(wǎng)橋側(cè)電壓/電流為7.1 kV/2017 A，機(jī)橋側(cè)電壓/電流為0～7.1 kV/2017 A。

3 SFC啟動(dòng)過程中監(jiān)控、勵(lì)磁及SFC流程及配合關(guān)系

3.1 監(jiān)控系統(tǒng)流程

監(jiān)控系統(tǒng)是SFC整個(gè)啟動(dòng)過程中的操作核心及數(shù)據(jù)交換的界面，不僅對(duì)勵(lì)磁、SFC及同期的啟停進(jìn)行直接控制，而且接收各系統(tǒng)的信息，通過內(nèi)部順控流程把各系統(tǒng)緊密聯(lián)系起來。

機(jī)組LCU流程及主變洞LCU流程分別見圖1、2。

3.2 勵(lì)磁系統(tǒng)流程

啟動(dòng)過程中，電壓給定值與電壓實(shí)際值進(jìn)行比較，誤差信號(hào)送入SFC電壓調(diào)節(jié)器，通過SFC給定勵(lì)磁電流值與實(shí)際值得比較，控制勵(lì)磁電流的大小，進(jìn)而控制轉(zhuǎn)子磁通的大小，達(dá)到控制機(jī)組機(jī)端電壓的作用。勵(lì)磁SFC工況流程見圖3。

圖1 SFC啟動(dòng)機(jī)組LCU流程

圖2 SFC啟動(dòng)主變洞LCU流程

圖3 勵(lì)磁SFC工況流程

3.3 SFC系統(tǒng)流程

SFC系統(tǒng)在機(jī)組啟動(dòng)過程中通過控制觸發(fā)角的大小來控制整流橋輸出直流電流進(jìn)而控制電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。SFC流程見圖4。

3.4 監(jiān)控、勵(lì)磁及SFC間配合關(guān)系

在SFC啟動(dòng)過程，SFC系統(tǒng)、勵(lì)磁系統(tǒng)與監(jiān)控系統(tǒng)，共同作用，最終實(shí)現(xiàn)機(jī)組同步變頻啟動(dòng)。整個(gè)啟動(dòng)過程，SFC系統(tǒng)、勵(lì)磁系統(tǒng)與監(jiān)控系統(tǒng)交互信息，為便于分析，下面羅列出它們之間信息相關(guān)關(guān)系見表1。具體流程順序見圖5。

4 SFC啟動(dòng)典型問題分析

4.1 勵(lì)磁投入，機(jī)組不轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)

在機(jī)組啟動(dòng)過程中，當(dāng)勵(lì)磁、SFC裝置投入后，經(jīng)常出現(xiàn)機(jī)組未轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，究其原因主要如下。

4.1.1 轉(zhuǎn)子位置測(cè)量錯(cuò)誤

根據(jù)電磁轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式Tε=CMFrFsSinθ可知(其中Fr為轉(zhuǎn)子所產(chǎn)生的磁勢(shì)，F(xiàn)s為定子所產(chǎn)生磁勢(shì)，θ為定、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)的夾角)，同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩與定、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)的夾角θ有關(guān)，當(dāng)θ=0°或者180°時(shí)，此時(shí)即使轉(zhuǎn)子繞組有了勵(lì)磁，但轉(zhuǎn)矩Te=0，故機(jī)組依然處于停止?fàn)顟B(tài)。同理，出現(xiàn)反轉(zhuǎn)的原因是因?yàn)镕s滯后Fr，從而導(dǎo)致θ變?yōu)榱?θ，電磁轉(zhuǎn)矩的方向相反，造成這種問題的直接原因是轉(zhuǎn)子初始位置未定正確，從而使逆變器換流超前角γ發(fā)出第一個(gè)觸發(fā)脈沖的時(shí)刻錯(cuò)誤。

圖4 SFC流程

信號(hào)量機(jī)組順控流程主變洞順控流程SFC內(nèi)部流程勵(lì)磁內(nèi)部流程SFC正常DIDO啟動(dòng)SFCDODI停止SFCDODISFC準(zhǔn)備啟動(dòng)DODISFC運(yùn)行中DIDIDOSFC已停止DIDOSFC輸入斷路器合閘令DIDOSFC輸入斷路器分閘令DIDO勵(lì)磁已投入DIDIDO勵(lì)磁電流實(shí)際值A(chǔ)IAO勵(lì)磁電流理論值A(chǔ)OAI釋放同期裝置DIDO啟動(dòng)勵(lì)磁DIDO 勵(lì)磁遠(yuǎn)方建壓令DO DI勵(lì)磁SFC啟動(dòng)模式已開啟DIDO勵(lì)磁SFC啟動(dòng)模式令DODI

圖5 SFC、勵(lì)磁及監(jiān)控配合關(guān)系

4.1.2 被拖動(dòng)刀處未換相

若出現(xiàn)該情況，SFC判斷轉(zhuǎn)子初始位置后，默認(rèn)已換相，將導(dǎo)致拖動(dòng)力矩反向，機(jī)組將反轉(zhuǎn)。

4.1.3 SFC未收到“勵(lì)磁已投入”信號(hào)

由關(guān)系圖5可以看出，當(dāng)SFC未收到“勵(lì)磁已投入”信號(hào)時(shí)，將導(dǎo)致SFC整流橋側(cè)觸發(fā)脈沖閉鎖，此時(shí)也會(huì)導(dǎo)致機(jī)組不轉(zhuǎn)現(xiàn)象的產(chǎn)生。

4.2 同期投入后啟動(dòng)失敗

4.2.1 SFC未收到GCB合閘令

從流程可看出，當(dāng)同期條件滿足，SFC收到機(jī)組GCB合閘令后即閉鎖脈沖截?cái)嚯姎廨S回路電流，若此時(shí)SFC未收到該信號(hào)，在同期投入后，SFC會(huì)一直參與調(diào)節(jié)導(dǎo)致同期時(shí)間較長(zhǎng)，進(jìn)而同期失敗。

4.2.2 SFC未收到GCB合位信號(hào)

同期完成后，SFC未收到GCB已合閘信號(hào)，導(dǎo)致整個(gè)電氣軸一直處于建立狀態(tài)，進(jìn)而機(jī)組順控超時(shí)跳機(jī)。

4.3 機(jī)組轉(zhuǎn)速波動(dòng)較大

根據(jù)變頻控制原理可知，轉(zhuǎn)速

4.4 機(jī)組電壓控制不穩(wěn)定

在SFC啟動(dòng)過程中，SFC通過電壓給定值與電壓實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較，誤差信號(hào)送入電壓調(diào)節(jié)器，SFC輸出勵(lì)磁電流給定值，勵(lì)磁系統(tǒng)參考該定值在電流閉環(huán)模式下控制觸發(fā)脈沖角，進(jìn)而控制機(jī)端電壓。若此時(shí)勵(lì)磁系統(tǒng)對(duì)SFC給定值的響應(yīng)速度慢，機(jī)端電壓將調(diào)節(jié)緩慢，機(jī)端電壓不穩(wěn)定，此時(shí)應(yīng)該提高勵(lì)磁系統(tǒng)的響應(yīng)速度，通過改變勵(lì)磁PID調(diào)節(jié)參數(shù)，

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況可適當(dāng)提高Kp值。

5 結(jié) 語

SFC啟動(dòng)過程復(fù)雜，涉及系統(tǒng)較多，但整個(gè)啟動(dòng)過程其實(shí)緊緊圍繞轉(zhuǎn)速控制“SFC啟動(dòng)與調(diào)節(jié)”、機(jī)端電壓控制“勵(lì)磁投入與調(diào)節(jié)”、同期并網(wǎng)控制“同期釋放”等進(jìn)行著，緊緊把握這幾點(diǎn)就能理清整個(gè)流程，也能為電站實(shí)際啟動(dòng)中出現(xiàn)問題快速找到原因提供依據(jù)。

[1]萬正喜. 同期裝置、勵(lì)磁系統(tǒng)及SFC的配合[J]. 水電站機(jī)電技術(shù)，2002(5)： 30- 32．

[2]李官軍， 王德順, 陶以彬, 等. 抽水蓄能機(jī)組SFC啟動(dòng)控制系統(tǒng)的RTDS建模及仿真[C]∥抽水蓄能電站工程建設(shè)文集. 北京： 中國(guó)水力發(fā)電工程學(xué)會(huì)，2009.

[3]倪林林. 大型抽水蓄能機(jī)組的變頻啟動(dòng)[J]. 水力發(fā)電學(xué)報(bào)，1993(4)： 12- 20．

[4]周軍. 抽水蓄能電站中SFC變頻啟動(dòng)的若干特點(diǎn)[J]. 電力自動(dòng)化設(shè)備，2004(11)： 99- 101．

(責(zé)任編輯 高 瑜)

Analysis on the Coordination of SFC, Excitation System and Monitoring System in Hongping Pumped-storage Power Station

ZHOU Linxuan, CHEN Xiaoming, HUANG Jianhuang

(Jiangxi Hongping Pumped Storage Co., Ltd., Jing’an 330603, Jiangxi, China)

The operation of pumped-storage power station usually occur complicated operation mode conversion and frequent starting. In SFC starting process, the monitoring system, excitation system and SFC system are in accordance with their respective process and also communicate information with each other to achieve close coordination. The action processes of excitation system, monitoring system and SFC in unit starting of Hongping Pumped-storage Power Station are introduced, and the coordination between them are also analyzed, that can help to quickly identify the problems in starting process．

excitation system; monitoring system; SFC; process; Hongping Pumped-storage Power Station

2016- 06- 02

周霖軒(1990—)，男，江西九江人，助理工程師，從事抽水蓄能電站運(yùn)行維護(hù)工作．

TV743(256)

A

0559- 9342(2016)08- 0090- 05