顏全椿 范立新 徐 鋼 李辰龍 單 華

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抽水蓄能機(jī)組SFC強(qiáng)迫換流階段協(xié)調(diào)配合與保護(hù)整定計(jì)算

顏全椿 范立新 徐 鋼 李辰龍 單 華

（江蘇方天電力技術(shù)有限公司，南京211102）

磁動勢與電磁轉(zhuǎn)矩的準(zhǔn)確計(jì)算與轉(zhuǎn)子初始位置檢測是發(fā)電電動機(jī)起始運(yùn)行階段能否成功的重要前提。本文對江蘇省內(nèi)某抽水蓄能電站2臺靜止變頻器（static frequency converters，SFC）水泵拖動的PID控制器在強(qiáng)迫換流階段失敗的原因進(jìn)行分析，利用磁鏈方程推導(dǎo)出轉(zhuǎn)子初始位置判據(jù)，并提出SFC與勵磁系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)的協(xié)調(diào)配合方法，提高了SFC抽水調(diào)相拖動階段的調(diào)試效率。同時，提出一種改進(jìn)的SFC系統(tǒng)繼電保護(hù)整定方法，防止SFC繼電保護(hù)誤動作，具有良好的工程應(yīng)用前景。

抽水蓄能；靜止變頻器；參數(shù)優(yōu)化；轉(zhuǎn)子初始位置；繼電保護(hù)

截止2016年，我國風(fēng)電、太陽能裝機(jī)容量創(chuàng)新高，但部分地區(qū)仍出現(xiàn)棄風(fēng)棄光現(xiàn)象。作為調(diào)峰調(diào)頻的抽水蓄能電站在分布式能源并網(wǎng)中發(fā)揮著重要作用，其總裝機(jī)容量已達(dá)5032萬kW，在建抽水蓄能電站17個，基本實(shí)現(xiàn)《綠色能源發(fā)展白皮書》至2020年抽水蓄能容量占比的目標(biāo)[1-2]。根據(jù)可逆式機(jī)組容量、臺數(shù)和電站內(nèi)或鄰近有無常規(guī)水電機(jī)組等條件確定起動方式，目前大型抽水蓄能機(jī)組拖動方式以背靠背起動和靜止變頻器（static frequency converter，SFC）起動方式最為常見[3-8]。背靠背起動附加成本低、起動速度快且不需轉(zhuǎn)輪排水，但存在起動時浪費(fèi)上庫水量及最后一臺機(jī)組無法起動的不足。SFC利用交流電動機(jī)的無級調(diào)速，具有效率高、控制性能好的優(yōu)點(diǎn)，可多臺機(jī)組共用一套SFC設(shè)備。SFC拖動中強(qiáng)迫換流階段直接關(guān)系拖動能否成功，因此，研究如何提高強(qiáng)迫換流階段成功率具有重要意義。

針對上述問題，文獻(xiàn)[9]對發(fā)電電動機(jī)模型在起動階段的磁場進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)3次諧波磁場對氣隙磁場畸變影響大，提出抬高轉(zhuǎn)子磁動勢系數(shù)f的方法來降低畸變率。文獻(xiàn)[10]提出轉(zhuǎn)子初始位置檢測的3種方法。在工程試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，大量SFC拖動失敗的原因是初始脈沖錯誤，使機(jī)組無法轉(zhuǎn)動。

為此，本文首先對強(qiáng)迫換流階段的磁場進(jìn)行分析，利用磁鏈方程推導(dǎo)轉(zhuǎn)子初始位置的判斷方法；然后，介紹抽水蓄能SFC、監(jiān)控系統(tǒng)與勵磁系統(tǒng)3者[11]的協(xié)調(diào)配合方法，對SFC拖動流程進(jìn)行優(yōu)化，并對繼電保護(hù)參數(shù)進(jìn)行校正；最終，實(shí)際拖動試驗(yàn)表明，優(yōu)化后的拖動成功率大大提高。

1 SFC強(qiáng)迫換流磁場分析

1.1 SFC系統(tǒng)的構(gòu)成及功能

SFC主要由輸入變，整流橋、平波電抗器、逆變橋、輸出變、晶閘管冷卻系統(tǒng)、變頻器控制系統(tǒng)、晶閘管的觸發(fā)脈沖門控單元、閥基電子設(shè)備、晶閘管電子觸發(fā)板、晶閘管檢測系統(tǒng)和發(fā)電電動機(jī)（被拖動設(shè)備）的同期系統(tǒng)等元器件組成。晶閘管冷卻系統(tǒng)采用強(qiáng)迫水循環(huán)，加強(qiáng)換流橋中晶閘管、阻容回路和陽極電抗器等設(shè)備的散熱。其中，電流產(chǎn)生回路的核心部件為格里茲橋，如圖1所示。格里茲橋工作原理在文獻(xiàn)[3]中有詳細(xì)分析，此處不再贅述。

圖1 格里茲橋

1.2 強(qiáng)迫換流階段磁鏈方程

發(fā)電電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型為

1.3 轉(zhuǎn)子初始位置檢測方法

定子繞組與轉(zhuǎn)子繞組的互感參數(shù)可表示為

（4）

（5）

式中，0為轉(zhuǎn)子主極軸線與A相繞組軸線的夾角；表示轉(zhuǎn)子主極軸與A相繞組重合時的互感。

因此，各相繞組磁鏈可由互感及轉(zhuǎn)子主極與A相繞組軸線間的夾角表示為

（7）

由磁勢感應(yīng)定律可知，各相繞組感應(yīng)電動勢為

（9）

2 監(jiān)控系統(tǒng)與SFC的協(xié)調(diào)配合

在抽水蓄能機(jī)組水泵工況起動過程中，起動流程首先開啟SFC輔助設(shè)備，電廠監(jiān)控系統(tǒng)（computer supervisory control system，CSCS）發(fā)出SFC上電命令后，合上發(fā)電機(jī)出口位置的起動刀閘，SFC打開SFC的2路冷卻水閥。然后，起動轉(zhuǎn)換器水泵，變壓器油泵和直流平波電抗器室風(fēng)扇，經(jīng)檢測輔助設(shè)備運(yùn)行正常后向機(jī)組CSCS發(fā)送“SFC準(zhǔn)備好”信號。

CSCS置發(fā)電電動機(jī)工況轉(zhuǎn)換閥為水泵工況，確認(rèn)起動刀閘合閘后發(fā)充氣壓水命令，并向SFC監(jiān)控系統(tǒng)調(diào)用起動流程。此時，CSCS設(shè)置勵磁在SFC起動模式，置調(diào)速器調(diào)相模制R70，待勵磁、SFC系統(tǒng)所有報警信號全消失后，判斷充氣壓水完成后，SFC開始起動，進(jìn)入強(qiáng)迫換流階段。當(dāng)轉(zhuǎn)速上升至大約5%時，SFC由強(qiáng)迫換流低速模式進(jìn)入自然換流高速模式，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)90%時停高壓油頂起油泵，轉(zhuǎn)速達(dá)99%時調(diào)用同期裝置，選發(fā)電機(jī)出口PT與抽水PT投入并網(wǎng)，GCB合閘與SFC輸出開關(guān)分閘即并網(wǎng)成功的同時，置發(fā)電電動機(jī)保護(hù)工況在抽水調(diào)相模式。

在實(shí)際試驗(yàn)過程中，尤其是強(qiáng)迫換流階段無法準(zhǔn)確識別轉(zhuǎn)子初始位置的問題。為此，對SFC拖動過程中的電氣量進(jìn)行錄波分析，比較了成功拖動與不成功拖動的典型曲線，如圖2與圖3所示。圖2為拖動成功波形，可見在勵磁系統(tǒng)啟勵后2.0s后達(dá)到最大勵磁電流。圖3為拖動不成功波形，勵磁電流上升較慢，達(dá)到最大勵磁電流為2.8s，而SFC判斷轉(zhuǎn)子位置時間為2.0s，即在勵磁電流還未達(dá)到峰值時，轉(zhuǎn)子位置識別程序已退出，并報失敗。為此，對勵磁系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)置初始電流為900A，起勵時間2.0s，從而確保為式（8）的轉(zhuǎn)子初始位置檢測判據(jù)提供足夠的磁通。

圖2 SFC拖動成功波形

注：A、B、C為SFC輸出至發(fā)電電動機(jī)定子電流；z1為勵磁系統(tǒng)直流勵磁電流。

圖3 SFC拖動失敗波形

抽水工況零流量試驗(yàn)是為了確定機(jī)組濺水功率數(shù)值，檢查機(jī)組造壓期間的各部位的振動、擺度、壓力情況，確定導(dǎo)葉開啟的最佳時間和開啟速度，必要時重新調(diào)整控制流程，其試驗(yàn)過程需綜合考慮SFC、勵磁系統(tǒng)與監(jiān)控系統(tǒng)的配合。在某電站機(jī)組抽水調(diào)相轉(zhuǎn)抽水工況過程中發(fā)現(xiàn)排氣回水流程無法執(zhí)行。試驗(yàn)過程如圖4所示，各變量均顯示標(biāo)么值。經(jīng)檢查為流程設(shè)置不合理，在濺水功率滿足條件后延時太長從而造成流程退出。為此，對監(jiān)控流程進(jìn)行修改，首先CSCS遠(yuǎn)方開啟進(jìn)水閥，取消原流程中濺水功率（設(shè)置＜-50MW，若滿足則判斷造壓成功＝與轉(zhuǎn)輪壓力的雙重判據(jù)，僅設(shè)置延時60s內(nèi)濺水功率條件滿足后，自動轉(zhuǎn)抽水工況，若超時，則報造壓失敗，退出流程。

圖4 抽水調(diào)相轉(zhuǎn)抽水濺水功率試驗(yàn)

3 SFC系統(tǒng)保護(hù)與定值計(jì)算

SFC系統(tǒng)保護(hù)范圍涵蓋所有SFC一次設(shè)備，即輸入變、格里茲橋（網(wǎng)橋側(cè)與機(jī)橋側(cè)）、直流電抗器、輸出變。輸入變與輸出變作為變壓器保護(hù)進(jìn)行配置，一般有差動保護(hù)、速斷過流保護(hù)、限時速斷保護(hù)、過負(fù)荷保護(hù)、單相接地保護(hù)、非電量保護(hù)。

格里茲橋一般配置差動保護(hù)，由變流橋本體實(shí)現(xiàn)。SFC網(wǎng)橋側(cè)為工頻電流，機(jī)橋側(cè)為變頻電流，如何將機(jī)橋側(cè)變頻電流轉(zhuǎn)換成工頻校正電流是SFC保護(hù)的難點(diǎn)之一。已有裝置中包括比率制動差動保護(hù)，其動作方程為

式中，nb為網(wǎng)橋側(cè)工頻電流；mb為機(jī)橋側(cè)變頻校正電流；cdqd為差動保護(hù)起動電流；set為比率制動 系數(shù)。

文獻(xiàn)[11]對SFC保護(hù)原理進(jìn)行了介紹，并提出相應(yīng)的差動改進(jìn)判據(jù)，此處不再贅述。目前，國內(nèi)外關(guān)于SFC保護(hù)尚不統(tǒng)一，沒有相關(guān)技術(shù)規(guī)范保護(hù)的整定原則[12]。為此，對SFC差動保護(hù)及過流保護(hù)進(jìn)行整定，供相關(guān)廠家設(shè)備參考。

1）輸入變差動保護(hù)

起動電流cdqd為

式中，cc為CT同型系數(shù)，取1；er為CT變比誤差，10P取0.03×2、5P型和TP型取0.01×2；D為輸入變調(diào)壓引起的誤差，若無調(diào)壓功能，則設(shè)置為0；D為CT變比未完成匹配產(chǎn)生的誤差，取0.05；為最大負(fù)荷電流，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，一般取0.6～1.0e。

比率制動系數(shù)set為

式中，rel為可靠系數(shù)，取1.3～1.5；ap為非周期分量系數(shù)，若兩側(cè)同為TP級，則取1.0；同為P級，則取1.5。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，一般取1.5～4。

靈敏度sen為

式中，I.min為系統(tǒng)小方式下SFC輸入變低壓側(cè)引出線上相間短路電流；為相應(yīng)的動作電流。根據(jù)要求，靈敏度不低于1.5。

2）網(wǎng)橋機(jī)橋差動保護(hù)

網(wǎng)橋（network bridge，NB）側(cè)與機(jī)橋（machine bridge，MB）側(cè)差動保護(hù)動作邏輯簡單，即分別在NB側(cè)與MB側(cè)采樣電流輸入差動保護(hù)裝置，實(shí)時比較2側(cè)電流大小，當(dāng)|nb-MB|＞cd時，保護(hù)動作。其中，cd為起動電流整定值。根據(jù)江蘇省內(nèi)某大型抽水蓄能電站的實(shí)際調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，該值取0.3e可大大減小保護(hù)誤動的概率，同時設(shè)備故障時能夠可靠 動作。

3）機(jī)橋過流保護(hù)

MB側(cè)過流保護(hù)也作為過負(fù)荷保護(hù)使用，按躲過額定負(fù)荷整定，即

式中，rel為可靠系數(shù)，取1.05～1.2；r為返回系數(shù)，取0.85～0.95。

4 結(jié)論

1）提出強(qiáng)迫換流階段監(jiān)控系統(tǒng)、SFC與勵磁系統(tǒng)的協(xié)調(diào)配合方法。利用強(qiáng)迫換流階段發(fā)電電動機(jī)定子側(cè)與轉(zhuǎn)子側(cè)磁鏈方程，推導(dǎo)出轉(zhuǎn)子初始位置識別判據(jù)，根據(jù)實(shí)際現(xiàn)場調(diào)試中存在勵磁電流上升速度慢于SFC轉(zhuǎn)子位置識別模塊時間，從而磁通變化量小導(dǎo)致拖動失敗，改進(jìn)勵磁系統(tǒng)的起勵參數(shù)，以滿足轉(zhuǎn)子初始位置檢測的時間要求。

2）提出SFC系統(tǒng)保護(hù)整定原則。SFC輸出電流起動過程中變頻且存在多諧波，通過抬高差動保護(hù)起動門檻值，防止比率差動誤動作，對輸出變短路電流進(jìn)行計(jì)算，保證最大/最小運(yùn)行方式下，SFC保護(hù)的可靠性與靈敏性。

3）采用本文的強(qiáng)迫換流階段監(jiān)控系統(tǒng)、SFC與勵磁系統(tǒng)的配合方法及保護(hù)整定方法，可極大提高設(shè)備調(diào)試成功率。

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Coordination and Relay Protection Setting Calculation for Forced Commutation Stage of SFC in Pumped Storage Units

Yan Quanchun Fan Lixin Xu Gang Li Chenlong Shan Hua

(Jiangsu Frontier Electric Power Technology Co., Ltd, Nanjing 211102)

Accurate calculation of magneto motive force and electromagnetic torque and the initial rotor position detection are the important prerequisite for the success of the starting operation of the generator motor. The reasons for the PID controller failure of forced commutation of 2 static frequency converter (SFC) driving generator motors in Jiangsu practical pumped storage power station are proposed. Then, the coordinated control strategy of SFC and excitation system, SFC and computer supervisory control system is proposed, using flux linkage equation to determine the initial rotor position, which can greatly improve the debugging efficiency of pumping phase modulation drive stage. At the same time, an improved relay protection setting method for SFC system is proposed to prevent the malfunction. The practical application results show that this methods has a good engineering application prospect.

pumped-storage; SFC; parameter optimize; rotor initial position; relay protection

顏全椿（1989-），男，碩士，主要研究方向：電源側(cè)繼電保護(hù)調(diào)試與整定計(jì)算。