張 寅，武 強(qiáng)，王亞婧，馬伯樂，李 藝

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新一代大容量調(diào)相機(jī)啟動控制策略

張 寅1,2，武 強(qiáng)1,2，王亞婧1,2，馬伯樂1,2，李 藝1,2

（1. 南瑞集團(tuán)（國網(wǎng)電力科學(xué)研究院）有限公司，南京 211106；2. 國電南瑞科技股份有限公司，南京 211106）

新一代大容量調(diào)相機(jī)已成功應(yīng)用于特高壓直流送、受端換流站。新一代調(diào)相機(jī)屬于同步電動機(jī)，掛網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，消耗電網(wǎng)能量以維持額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行；啟動過程中，采用靜止變頻器SFC（Static Frequency Converter）實(shí)現(xiàn)0轉(zhuǎn)速至1.05倍額定轉(zhuǎn)速全速范圍內(nèi)升速。本文基于國網(wǎng)扎魯特?fù)Q流站調(diào)相機(jī)本體電氣拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，研究了新一代調(diào)相機(jī)的啟動控制策略，詳細(xì)分析了在調(diào)相機(jī)啟動過程中關(guān)聯(lián)開關(guān)變位時(shí)序。同時(shí)，研制PLC實(shí)現(xiàn)進(jìn)口SFC一拖二功能。最后，基于扎魯特站現(xiàn)場調(diào)相機(jī)實(shí)際啟動情況，驗(yàn)證本文提出的新一代大容量調(diào)相機(jī)啟動控制策略的正確性。

調(diào)相機(jī)；靜止變頻器SFC；啟動控制策略；開關(guān)變位時(shí)序

0 前言

新一代調(diào)相機(jī)相比傳統(tǒng)調(diào)相機(jī)具有更優(yōu)良的動態(tài)無功補(bǔ)償特性[1-4]。在電力系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，新一代調(diào)相機(jī)可瞬時(shí)為電網(wǎng)提供數(shù)倍于自身容量的動態(tài)無功，為系統(tǒng)提供緊急無功支撐；穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，具備大容量較寬范圍的動態(tài)無功連續(xù)調(diào)節(jié)能力，穩(wěn)定系統(tǒng)電壓水平[5-7]。

調(diào)相機(jī)啟動方式主要包括直接啟動、降壓啟動、電動機(jī)啟動和靜止變頻器SFC啟動。不少文獻(xiàn)[8-11]對調(diào)相機(jī)啟動方式已進(jìn)行一定的研究。SFC因其結(jié)構(gòu)簡單、配置靈活、維護(hù)量小等主要優(yōu)點(diǎn)成為調(diào)相機(jī)啟動方式的最佳選擇[12-13]。本文基于國網(wǎng)扎魯特站調(diào)相機(jī)二次設(shè)備集成項(xiàng)目，詳細(xì)介紹了調(diào)相機(jī)本體電氣拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，研究了新一代調(diào)相機(jī)的啟動控制策略，詳細(xì)分析了在調(diào)相機(jī)啟動過程中關(guān)聯(lián)開關(guān)變位時(shí)序。同時(shí)，研制PLC實(shí)現(xiàn)進(jìn)口SFC一拖二功能。

1 調(diào)相機(jī)本體電氣拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖1為包含啟動系統(tǒng)、勵(lì)磁系統(tǒng)、同期系統(tǒng)在內(nèi)的調(diào)相機(jī)本體電氣拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。如圖1所示，調(diào)相機(jī)啟動系統(tǒng)配置國電南瑞NES-5900和ABB MEGADRIVE-LCI.ST型雙套靜止變頻器，實(shí)現(xiàn)2×300MVA調(diào)相機(jī)的二拖二雙冗余啟動。單套啟動系統(tǒng)由輸入斷路器、隔離變壓器、SFC本體（進(jìn)口SFC本體包含配套PLC）、切換開關(guān)和高壓隔離開關(guān)5部分組成。調(diào)相機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)包含啟動勵(lì)磁系統(tǒng)和主勵(lì)磁系統(tǒng)。主勵(lì)磁系統(tǒng)采用自并勵(lì)勵(lì)磁方式，在調(diào)相機(jī)掛網(wǎng)運(yùn)行時(shí)快速調(diào)節(jié)系統(tǒng)無功；啟動勵(lì)磁系統(tǒng)工作于電流閉環(huán)模式，受SFC控制滿足調(diào)相機(jī)升速過程中勵(lì)磁需求。調(diào)相機(jī)啟動方式采用降壓啟動，在啟動過程中，機(jī)端電壓控制在額定電壓的10%左右；在掛網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，通過高壓隔離開關(guān)將SFC與調(diào)相機(jī)本體隔離。

圖1 調(diào)相機(jī)本體勵(lì)磁系統(tǒng)、SFC 系統(tǒng)電氣拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

大型同步電機(jī)靜止變頻啟動技術(shù)已日趨成熟[14-15]，對調(diào)相機(jī)啟動控制技術(shù)的研究重點(diǎn)在于啟動系統(tǒng)、勵(lì)磁系統(tǒng)、同期系統(tǒng)等各分子系統(tǒng)和DCS（Distributed Control System）系統(tǒng)之間的配合。圖1中，QS01、QS02、QF01分別為啟動勵(lì)磁系統(tǒng)交流側(cè)開關(guān)、直流側(cè)開關(guān)和磁場斷路器；QF11為主勵(lì)磁系統(tǒng)磁場斷路器；ICB1、ICB2為啟動系統(tǒng)輸入斷路器；SCB11、SCB12、SCB21、SCB22為啟動系統(tǒng)切換開關(guān)；IPB1、IPB2為啟動系統(tǒng)與調(diào)相機(jī)本體隔離開關(guān)；GCB1、GCB2為調(diào)相機(jī)本體并網(wǎng)斷路器；NE01、NE02為調(diào)相機(jī)本體定子中性點(diǎn)隔離刀閘。

2 調(diào)相機(jī)啟動控制策略

2.1 調(diào)相機(jī)啟動程控邏輯

圖2給出了不考慮油、水等輔助系統(tǒng)的2號SFC升速1號調(diào)相機(jī)正常啟動流程圖，包含勵(lì)磁系統(tǒng)、啟動系統(tǒng)、同期系統(tǒng)與DCS系統(tǒng)之間的配合，主要程控邏輯如下：

（1）DCS檢測“1號機(jī)啟動勵(lì)磁就緒”、“2號SFC啟1號機(jī)就緒”信號收到；

（2）DCS發(fā)“1號機(jī)中性點(diǎn)隔刀分閘令”，檢測“1號機(jī)中性點(diǎn)隔刀位置已分”信號收到；

（3）DCS發(fā)“1號機(jī)隔離開關(guān)合閘令”，檢測“1號隔離開關(guān)已合”信號收到；

（4）DCS發(fā)“2號SFC升速1號機(jī)啟動令”；

（5）2號SFC收到啟動令，發(fā)“切刀SCB21合閘令”，檢測“SCB21已合”信號收到；

（6）2號SFC發(fā)“ICB2合閘令”，檢測“ICB2已合”信號收到；

（7）2號SFC啟動冷卻，發(fā)“1號機(jī)啟動勵(lì)磁開機(jī)令”；

（8）1號機(jī)啟動勵(lì)磁收到開機(jī)令，發(fā)“QS01合閘令”，檢測“QS01已合”信號收到；

（9）1號機(jī)啟動勵(lì)磁發(fā)“QS02合閘令”，檢測“QS02已合”信號收到；

（10）1號機(jī)啟動勵(lì)磁發(fā)“QF01合閘令”，檢測“QF01已合”信號收到；

（11）1號機(jī)啟動勵(lì)磁強(qiáng)勵(lì)，配合2號SFC完成1號機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置檢測，執(zhí)行1號機(jī)由轉(zhuǎn)速0升速至1.05倍額定轉(zhuǎn)速過程；

（12）1號機(jī)轉(zhuǎn)速到達(dá)3150r/min，2號SFC發(fā)“1號機(jī)轉(zhuǎn)速到達(dá)令”；

（13）DCS收到轉(zhuǎn)速到達(dá)令，發(fā)“2號SFC升速1號機(jī)退出令”；

（14）2號SFC收到退出令，封整流橋和逆變橋脈沖，發(fā)“ICB2分閘令”，發(fā)“1號機(jī)啟動勵(lì)磁停機(jī)令”，檢測“ICB2已分”信號收到，反饋“2號SFC已退出”信號，延遲2s發(fā)“切刀SCB21分閘令”；

（15）1號機(jī)啟動勵(lì)磁收到停機(jī)令，降低轉(zhuǎn)子電流至額定空載勵(lì)磁電流的3%~5%，以降低惰轉(zhuǎn)過程中調(diào)相機(jī)能量損耗，延長惰轉(zhuǎn)時(shí)間；

（16）DCS檢測“2號SFC已退出”信號收到，發(fā)“1號機(jī)隔離開關(guān)分閘令”，同時(shí)發(fā)“1號機(jī)中性點(diǎn)隔刀合閘令”，檢測到“1號機(jī)隔離開關(guān)分位”和“1號機(jī)中性點(diǎn)隔刀合位”信號，發(fā)“1號機(jī)主勵(lì)磁開機(jī)令”；

（17）1號機(jī)主勵(lì)磁收到開機(jī)令，發(fā)“QF01合閘令”，檢測“QF01已合”信號收到；

（18）1號機(jī)主勵(lì)磁I段升壓至20%額定機(jī)端電壓，發(fā)“1號機(jī)啟動勵(lì)磁停機(jī)令”；

（19）1號機(jī)啟動勵(lì)磁收到停機(jī)令，封脈沖，發(fā)“QF01分閘令”，檢測“QF01已分”信號收到，發(fā)“QS02分閘令”，檢測“QS02已分”信號收到；

（20）1號機(jī)主勵(lì)磁II段升壓至100%額定機(jī)端電壓；

（21）DCS發(fā)“1號機(jī)同期啟動令”；

（22）1號機(jī)同期裝置捕捉同期點(diǎn)，捕捉成功，發(fā)“GCB1合閘令”；捕捉失敗，反饋“1號機(jī)同期失敗”；

（23）DCS收到“1號機(jī)同期失敗”信號，執(zhí)行快速重啟動流程；

（24）1號機(jī)啟動勵(lì)磁收到“1號機(jī)同期成功”信號，發(fā)“QS01分閘令”，檢測“QS01已分”信號收到，DCS執(zhí)行2號SFC升速1號調(diào)相機(jī)順控流程退出。

圖2 2號SFC 升速1 號調(diào)相機(jī)啟動控制流程圖

2.2 調(diào)相機(jī)啟動關(guān)聯(lián)開關(guān)變位研究

圖3為全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)與調(diào)相機(jī)啟動關(guān)聯(lián)開關(guān)變位時(shí)序圖，包括靜止階段、升速階段、惰轉(zhuǎn)同期階段和調(diào)相機(jī)掛網(wǎng)運(yùn)行階段。如圖3所示，通過對調(diào)相機(jī)啟動過程中各分子系統(tǒng)開關(guān)變位時(shí)序的研究以驗(yàn)證調(diào)相機(jī)啟動程控邏輯的合理性。

圖3含如下6個(gè)關(guān)鍵設(shè)計(jì)：

（1）SFC屬于電流源型大功率電力電子設(shè)備，其工作時(shí)，注入調(diào)相機(jī)定子電流為方波，含較豐富的諧波。在SFC啟動過程中，需斷開調(diào)相機(jī)定子中性點(diǎn)隔刀NE01。否則，會引起接地保護(hù)誤動作；

（2）實(shí)測調(diào)相機(jī)轉(zhuǎn)速由3150r/min惰轉(zhuǎn)至2950r/min時(shí)間較短，僅22s。在SFC反饋“1號機(jī)轉(zhuǎn)速已到達(dá)信號”時(shí)，DCS需快速合閘中性點(diǎn)隔刀NE01，快速分閘隔離開關(guān)IPB1，增加同期捕捉窗口；

（3）1號機(jī)啟動勵(lì)磁收到停機(jī)令，降低轉(zhuǎn)子電流至額定空載勵(lì)磁電流的3%~5%，作為主勵(lì)磁I段升壓的他勵(lì)源，不能完全退出；

（4）1號機(jī)啟動勵(lì)磁自檢主勵(lì)磁升壓至20%額定機(jī)端電壓時(shí)，啟動勵(lì)磁完全退出，分啟動勵(lì)磁滅磁開關(guān)QF01、分直流側(cè)開關(guān)QS02；

（5）主勵(lì)磁檢測“QS02已分”狀態(tài)時(shí)，主勵(lì)磁II段建壓至100%額定機(jī)端電壓；

（6）同期捕捉成功后，1號機(jī)啟動勵(lì)磁完全退出，分交流側(cè)開關(guān)QS01。

圖3 2號SFC升速1號調(diào)相機(jī)正常啟動開關(guān)變位時(shí)序圖

2.3 調(diào)相機(jī)快速重啟動開關(guān)變位

圖4為同期捕捉失敗進(jìn)行快速重啟動時(shí)開關(guān)變位時(shí)序圖，包括惰轉(zhuǎn)階段、快速重啟升速階段、惰轉(zhuǎn)同期階段和調(diào)相機(jī)掛網(wǎng)運(yùn)行階段。與正常啟動不同，啟動勵(lì)磁交流側(cè)開關(guān)QS01在初始惰轉(zhuǎn)階段已處于合位，節(jié)省了啟動勵(lì)磁投入時(shí)間。

3 PLC一拖二接口設(shè)計(jì)

進(jìn)口SFC本體對外接口僅支持1臺調(diào)相機(jī)的啟動。為滿足實(shí)際工程需求，研制PLC進(jìn)行邏輯切換、接口擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)一拖二功能。

3.1 PLC啟機(jī)預(yù)判邏輯

如圖5所示，為滿足現(xiàn)場對2套SFC對外接口完全一致的要求，在2號SFC啟機(jī)前，需預(yù)判2號SFC選擇啟動哪一臺調(diào)相機(jī)，提前搭建通信信道。

圖5 PLC啟機(jī)預(yù)判邏輯初始化流程圖

圖5給出了PLC啟機(jī)預(yù)判邏輯初始化流程圖。在選擇2號SFC啟動調(diào)相機(jī)前，DCS需提前合閘預(yù)啟動機(jī)組對應(yīng)隔離開關(guān)；在1號SFC投入運(yùn)行時(shí)，本側(cè)切刀SCB11、SCB12處于已就緒位置。表1為PLC信道選擇預(yù)判表。

表1中，STARTGEN1為DCS選擇2號SFC升速1號調(diào)相機(jī)啟動令，STARTGEN2為DCS選擇2號SFC升速2號調(diào)相機(jī)啟動令。切換開關(guān)SCB11、SCB21之間有合閘閉鎖。同理，切換開關(guān)SCB12、SCB22之間有合閘閉鎖，故有：

（1）在隔離開關(guān)IPB1、IPB2都處于分閘時(shí)，默認(rèn)選擇建立2號SFC啟動2號機(jī)信道；

（2）在IPB1分閘、IPB2合閘時(shí)，對側(cè)切刀SCB12處于合閘位，表明1號SFC正在升速2號機(jī)，建立2號SFC啟動1號機(jī)信道；對側(cè)切刀SCB12處于分閘位，建立2號SFC啟動2號機(jī)信道；

（3）在IPB1合閘、IPB2分閘時(shí)，對側(cè)切刀SCB11處于合閘位，表明1號SFC正在升速1號機(jī)，建立2號SFC啟動2號機(jī)信道；對側(cè)切刀SCB11處于分閘位，建立2號SFC啟動1號機(jī)信道；

（4）在IPB1合閘、IPB2合閘時(shí)，對側(cè)切刀SCB11處于合閘位，表明1號SFC正在升速1號機(jī)，建立2號SFC啟動2號機(jī)信道；對側(cè)切刀SCB12處于合閘位，表明1號SFC正在升速2號機(jī)，建立2號SFC啟動1號機(jī)信道；若對側(cè)切刀SCB11、SCB12均處于分閘位，由DCS啟機(jī)令建立信道。

表1 PLC信道選擇預(yù)判表

3.2 保護(hù)信道閉鎖邏輯

SFC對外接口IO分為普通IO和保護(hù)IO，普通IO通過PLC程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)接口的邏輯擴(kuò)展或合并，會有1個(gè)程序運(yùn)行周期的延時(shí)；保護(hù)IO要求響應(yīng)無時(shí)延，需提前搭建保護(hù)信道。同時(shí)，在SFC非運(yùn)行期間，需閉鎖保護(hù)通道。

SFC的保護(hù)信道開放區(qū)間段選擇為切刀SCB21、SCB22合閘至對應(yīng)高壓隔離開關(guān)IPB1、IPB2分閘持續(xù)時(shí)間段，如圖6所示。在區(qū)間段外，閉鎖保護(hù)信道，確保在SFC非運(yùn)行期間，SFC故障動作不會引起掛網(wǎng)運(yùn)行調(diào)相機(jī)的誤跳閘。圖7給出了保護(hù)IO接口合并設(shè)計(jì)圖，圖8給出了保護(hù)IO接口擴(kuò)展設(shè)計(jì)圖，滿足保護(hù)IO經(jīng)PLC中轉(zhuǎn)響應(yīng)無延時(shí)的要求。

4 現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果

由南瑞集團(tuán)有限公司發(fā)電事業(yè)部承擔(dān)的國網(wǎng)扎魯特站調(diào)相機(jī)二次設(shè)備集成項(xiàng)目于2017年12月11日已成功投運(yùn)。為了驗(yàn)證本文提出的新一代大容量調(diào)相機(jī)啟動控制策略的正確性，截取現(xiàn)場實(shí)際啟動過程波形如圖9所示。

圖6 保護(hù)信道開放區(qū)間段

圖7 保護(hù)IO接口合并設(shè)計(jì)

圖8 保護(hù)IO接口擴(kuò)展設(shè)計(jì)

圖9 調(diào)相機(jī)靜止升速至1.05倍額定轉(zhuǎn)速啟動過程

圖9給出了首臺調(diào)相機(jī)在扎魯特?fù)Q流站的實(shí)際啟動曲線，驗(yàn)證了本文提出的新一代大容量調(diào)相機(jī)啟動控制策略的正確性。

5 結(jié)論

新一代調(diào)相機(jī)的成功投運(yùn)，為特高壓交直流輸電工程提供次暫態(tài)、暫態(tài)、穩(wěn)態(tài)不同時(shí)間尺度大容量的動態(tài)無功補(bǔ)償，在抑制直流換相失敗、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性等方面具有顯著的功效。本文對調(diào)相機(jī)啟動控制策略進(jìn)行了研究，詳細(xì)分析了調(diào)相機(jī)啟動過程中關(guān)聯(lián)開關(guān)變位時(shí)序關(guān)系，基于此，開發(fā)了調(diào)相機(jī)啟動程控邏輯，解決了調(diào)相機(jī)啟動相關(guān)技術(shù)難點(diǎn)，為后續(xù)調(diào)相機(jī)工程提供了技術(shù)支撐。

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Start-up Control Strategy of a New Generation of Large Capacity Synchronous Condenser

ZHANG Yin1,2, WU Qiang1,2, WANG Yajing1,2, MA Bole1,2, LI Yi1,2

(1. NARI Group Corporation (State Grid Electric Power Research Institute), Nanjing 211106, China;2. NARI Technology Co., LTD., Nanjing 211106, China)

A new generation large capacity synchronous condenser has been successfully applied to UHVDC transmission converter stations. Synchronous Condenser is a synchronous motor. When it is connected to the grid, it consumes the energy of the grid to maintain the rated speed. In the start-up process, a static frequency converter (SFC) is used to achieve a speed increase from 0 to 1.05 times the rated speed in the full speed range. In this paper, based on the electrical topology of synchronous condenser applied in Zhalute converter station of the state grid, the start-up control strategy is studied, and the relationship of switch position-change is analyzed in detail. At the same time, the PLC control logic is developed to achieve one SFC dragging two synchronous condensers. Finally, based on the actual start-up condition of Zhalute station, the correctness of the start-up control strategy of synchronous condenser proposed in this paper is verified.

condenser; SFC(Static Frequency Converter); start-up control strategy; relationship of switch position-change

TM342

A

1000-3983(2018)06-0037-05

2018-03-15

張寅（1986-），2012年畢業(yè)于湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，碩士研究生，主要從事發(fā)電機(jī)勵(lì)磁技術(shù)和大型同步電機(jī)靜止變頻技術(shù)的研究。