馬志強 陶 莉

（1.國網(wǎng)新源潘家口蓄能電廠，河北遷西 060409；2.天津引灤工程管理局大黑汀管理處，河北遷西 064300）

國網(wǎng)新源潘家口蓄能電站位于河北唐山遷西縣，是國內(nèi)最早的大型蓄能電站之一。有 3×90MW蓄能機組，于1991年投入運行。原SFC系統(tǒng)為ABB公司提供，60MW的變頻系統(tǒng)，用于機組的軟啟動和變速運行的功能。

鑒于原系統(tǒng)運行時間較長、備品備件采購困難。潘家口電站于 2007年向國網(wǎng)申請科研項目作為國產(chǎn)化項目改造，新增系統(tǒng)將與原ABB系統(tǒng)并列運行，互為備用。國網(wǎng)公司委托國網(wǎng)電力科學研究院研發(fā)國產(chǎn)大型抽水蓄能機組的靜止變頻器。

“抽水蓄能機組變頻啟動器國產(chǎn)化研制SGKJ[2007]1014”項目（2007年9月～2011年 5月）由國網(wǎng)新源與國網(wǎng)電科院共同承擔合作啟動變頻器改造項目。國網(wǎng)新源潘家口蓄能電廠作為示范現(xiàn)場，負責現(xiàn)場的改造等工作，并配合國網(wǎng)電科院共同完成整套系統(tǒng)的試驗、投運等工作。

由于原SFC系統(tǒng)1991年投入運行，所以現(xiàn)場的施工資料不齊全、現(xiàn)場回路設計復雜，電纜繁多，對新變頻器改造造成的困難很大。

此次改造是國產(chǎn)大型抽水蓄能機組的靜止變頻器首次現(xiàn)場施工，并要求國產(chǎn)變頻器與原ABB系統(tǒng)并列備用運行。新增國產(chǎn)變頻器安裝在原ABB換流閥組之間的空地內(nèi)，所以給現(xiàn)場施工增加了較大工作量。

本文就國產(chǎn)大型抽水蓄能機組的靜止變頻器首次現(xiàn)場施工進行了分析。

1 SFC運行原理

抽水蓄能機組靜止啟動變頻器采用交—直—交電流源型晶閘管變頻啟動方式實現(xiàn)負載換相式變頻(LCI)調(diào)速，用于完成抽水蓄能發(fā)電電動機啟動功能，是抽水蓄能電站核心控制設備，擔負所有蓄能機組抽水工況下的電動機啟動任務。

國產(chǎn)變頻器系統(tǒng)采用高-高 6脈波型式，系統(tǒng)配置示意如圖1所示。

電氣一次主回路系統(tǒng)由網(wǎng)側(cè) CT、網(wǎng)側(cè) PT、網(wǎng)側(cè)隔離開關(guān)、整流橋、平波電抗器、逆變橋、機側(cè) PT和機側(cè)隔離開關(guān)組成。輸出側(cè)不設置隔離變壓器，整流橋和逆變橋閥串采用熱管散熱器自然冷卻方式，兩個閥串之間接直流平波電抗器，用于抑制諧波和續(xù)流作用。機側(cè)和網(wǎng)側(cè)接入相應的CT、 PT。

其中網(wǎng)側(cè)PT、CT信號均同ABB系統(tǒng)共用。機側(cè)PT為新增PT，裝于輸出隔離刀閘與逆變器輸出母線之間。網(wǎng)側(cè)CT、網(wǎng)側(cè)PT和機側(cè)PT分別采集對應電氣信號給控制系統(tǒng)，用于機組啟動控制。網(wǎng)側(cè)隔離開關(guān)和機側(cè)斷路器分別負責主、備用變頻器一次回路的切換。整流閥串將網(wǎng)側(cè)工頻電流整成直流，逆變閥串將直流電流逆變成不同頻率的交流電流以達到變頻作用。

二次回路控制系統(tǒng)由控制柜、保護切換柜和兩臺脈沖觸發(fā)柜組成?？刂乒癫杉M量和開關(guān)量信號、并對兩臺脈沖觸發(fā)柜發(fā)出脈沖指令。保護切換柜主要實現(xiàn)主回路的保護及主、備兩臺變頻器的二次信號切換。脈沖觸發(fā)柜主要對閥串發(fā)出脈沖以達到控制閥串通斷。

圖1 抽水蓄能靜止啟動變頻器系統(tǒng)

2 國產(chǎn)靜止變頻器系統(tǒng)的組成及運行流程

抽水蓄能機組國產(chǎn)靜止變頻器系統(tǒng)采用國網(wǎng)電科院自主研發(fā)生產(chǎn)的 NES-5500靜止變頻器。裝置控制部分由一臺 NES-5500控制柜、兩臺閥組觸發(fā)監(jiān)控柜（脈沖柜）、一臺保護切換柜組成。一次部分由18MVA整流閥組、逆變閥組、平波電抗器以及高壓隔離開關(guān)、過電壓保護裝置、PT等組成。

2.1 SFC啟動過程

在抽水蓄能機組中，靜止變頻器實現(xiàn)機組由靜止狀態(tài)加速啟動，直至并網(wǎng)的全部控制流程，它主要包括投勵、脈沖換相運行、換相方式切換過渡過程控制、負載換相運行、同期調(diào)節(jié)和并網(wǎng)六個階段。

(1)在機組處于靜止狀態(tài)時，首先投入勵磁電流，通過勵磁強勵，根據(jù)在定子中感應的三相電壓計算轉(zhuǎn)子初始位置，確定第一組逆變器觸發(fā)脈沖。

(2)待勵磁電流上升至額定值并穩(wěn)定后，變頻器解鎖，進入脈沖換相方式運行。

(3)當機組加速到額定轉(zhuǎn)速的10%時，首先按照脈沖換相運行至電流過零時刻，再進行換相方式的切換，靜止變頻器由脈沖換相運行轉(zhuǎn)入負載換相運行。

(4)完成換相方式的切換后，靜止變頻器靠電機反電動勢進行負載換相，按設定轉(zhuǎn)速加速。

(5)當機組加速到額定轉(zhuǎn)速的97%時，系統(tǒng)進入同期調(diào)節(jié)運行階段。

(6)在同期調(diào)整過程中，一旦符合并網(wǎng)條件，切除靜止變頻啟動裝置，延遲一定時間，合上并網(wǎng)控制隔離開關(guān)，機組與電網(wǎng)并列運行。

2.2 運行流程

SFC自檢(無報警、無故障信號)監(jiān)控發(fā)出機組選擇信號，SFC收到監(jiān)控開出的機組后，判斷檢測該機組的處于靜止，主隔離開關(guān)處于斷開狀態(tài)，SFC機側(cè)和網(wǎng)側(cè)隔離開關(guān)處于分開位置。向監(jiān)控系統(tǒng)確認所選機組號。然后，監(jiān)控開出合閘信號（合機側(cè)和網(wǎng)隔離開關(guān)），變頻器陽極上電。監(jiān)控開出勵磁投入信號后，再向SFC發(fā)出變頻器啟動令。SFC系統(tǒng)收到啟動令后，向勵磁系統(tǒng)發(fā)出勵磁電流指令I(lǐng)F，開始計算轉(zhuǎn)子位置直到檢測完畢。變頻器解鎖，開始發(fā)出觸發(fā)脈沖，然后按照啟動過程的六個階段進行控制，直到達到同期并網(wǎng)要求，SFC開出并網(wǎng)信號，封鎖變頻器，合上并網(wǎng)開關(guān)后退出。

3 改造的方案及難點

由于潘家口變頻器原來的控制保護系統(tǒng)接線和工況很復雜、程序繁瑣，單獨要更換控制保護系統(tǒng)涉及的接口較多，而且設備更換的過渡期比較長。因此變頻器必須要作為一個整體系統(tǒng)來統(tǒng)一規(guī)劃和實施，這是項目實施中關(guān)鍵性的問題之一。否則可能將造成變頻器自身系統(tǒng)的混亂。故在改造的一開始就必須要搞好變頻器詳細的總體設計。

其中包括兩套變頻器的并列運行設計方案的制定、兩套變頻器切換方法的制定等。必須將前期工作做好，將變頻器改造項目建立在扎實可靠的基礎(chǔ)之上。

3.1 兩套變頻裝置并列運行的實現(xiàn)

潘家口主回路改造，切換功能實現(xiàn)如圖2所示?？蛲獠糠质歉脑熘暗腁BB靜止變頻器主回路原理圖，虛線框內(nèi)是新增國產(chǎn)設備。當使用國產(chǎn)變頻器啟動時，通過斷開14-5和14-1隔離開關(guān)，閉合14-5b和14-1b隔離開關(guān)，國產(chǎn)變頻器即同啟動回路連接。同理，使用ABB變頻器啟動時，通過閉合14-5和14-1隔離開關(guān)，斷開14-5b和14-1b隔離開關(guān)。

圖2 潘蓄靜止變頻器電氣原理圖

圖3 二次信號與國產(chǎn)變頻器系統(tǒng)和ABB變頻器系統(tǒng)的信號切換原理

二次信號改造切換過程如圖3所示。圖3中K1、K2為切換繼電器，其中11、14為常開節(jié)點，11、12為常閉節(jié)點。當K1、K2線圈失磁狀態(tài)時，外部信號通過切換繼電器K1的常閉節(jié)點輸入到ABB-SFC系統(tǒng)，該系統(tǒng)輸出信號同理經(jīng)過K2也被送至外部。當K1、K2線圈處于勵磁狀態(tài)時，常開節(jié)點11、14閉合，常閉節(jié)點11、12斷開，外部信號通過11、14節(jié)點送至NARI-SFC系統(tǒng)，該系統(tǒng)的輸出信號被送至外部。

這樣將 SFC系統(tǒng)與外部有關(guān)的信號，均經(jīng)過NARI-SFX的切換功能部分，即圖紙方框內(nèi)部分，就可以實現(xiàn)外部信號與兩套設備的信號的公用?？紤]到將來國產(chǎn)的設備作為主要的啟動設備，因此，繼電器線圈失電狀態(tài)下信號處于NARI狀態(tài)下。

3.2 國產(chǎn)靜止變頻器系統(tǒng)的切換

兩套SFC啟動變頻器裝置可在主套和備套之間進行切換。當SFC主套裝置啟動中出現(xiàn)問題或因故障而無法啟動時。電廠人員對SFC裝置進行主備用切換操作，兩套SFC設備切換操作分為主回路切換和二次回路切換兩部分。

3.2.1 主回路切換

如圖2所示，主回路切換由手動操作隔離刀閘14-5、14-5b完成。其中14-1b亦為新增設備，但其受監(jiān)控電控控制，無需人員操作。主回路切換方法如下。

（1）將 ABB變頻器切換至國產(chǎn)變頻器。手動將14-5打開、14-5b閉合。此時保護切換柜繼電器J8點亮，說明國產(chǎn)變頻器主回路切換已完成，否則說明刀閘分、合位置不正確或不徹底。

（2）將國產(chǎn)變頻器切換至 ABB變頻器。手動將14-5b打開、14-5閉合。此時保護切換柜繼電器J7點亮，說明ABB變頻器主回路切換已完成，否則說明刀閘分、合位置不正確或不徹底。

注：為防止主回路切換不正確或不徹底，將主回路切換邏輯條件，加入到原變頻器系統(tǒng)“SFC可用”邏輯中。改造后的變頻器，如果原“SFC可用”條件滿足時報“SFC不可用”，可檢查主回路切換邏輯，并觀測 J7、J8是否在對應邏輯下正確性進行排查。

3.2.2 二次回路切換

投入備套（國產(chǎn)變頻器、ABB變頻器互為備用）SFC裝置電源，查看裝置信號指示燈，工作狀態(tài)是否正常，電源指示是否正常。

確認變頻器在停止狀態(tài)，輸入、輸出斷路器分閘狀態(tài)。二次回路切換方法如下。

（1）將ABB變頻器切換至國產(chǎn)變頻器。

利用鑰匙開關(guān)將保護切換柜面板切換把手由“ABB變頻器”切換到“國產(chǎn)變頻器”檔位，此時柜內(nèi)風扇停止運行，所有切換繼電器（K1-K116）失電。

將保護切換柜內(nèi) ABB變頻器部分壓板（YB17-YB32，綠色）由投入狀態(tài)（垂直插接）手工操作為退出狀態(tài)（斜向放置）。

將保護切換柜內(nèi)國產(chǎn)變頻器部分壓板（YB01-YB16，紅色）由退出狀態(tài)（斜向放置）手工操作為投入狀態(tài)（垂直插接）。

（2）將國產(chǎn)變頻器切換至ABB變頻器。

利用鑰匙開關(guān)將保護切換柜面板切換把手由“國產(chǎn)變頻器”切換到“ABB變頻器”檔位，此時柜內(nèi)風扇開始運行，所有切換繼電器（K1-K116）得電。

A）將保護切換柜內(nèi)國產(chǎn)變頻器部分壓板（YB01-YB16，紅色）由投入狀態(tài)（垂直插接）手工操作為退出狀態(tài)（斜向放置）。

B）將保護切換柜內(nèi) ABB變頻器部分壓板（YB17-YB32，綠色）由退出狀態(tài)（斜向放置）手工操作為投入狀態(tài)（垂直插接）。

4 結(jié) 語

現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)表明，變頻器主設備經(jīng)受了上電及全功率運行等各種方式運行的考驗。同時也證明了變頻器控制系統(tǒng)的雙套切換功能滿足機組監(jiān)控系統(tǒng)、勵磁系統(tǒng)、機組保護系統(tǒng)和調(diào)速系統(tǒng)之間信號傳遞與配合關(guān)系是正確的。在機組變頻器啟動過程中，機組各種參數(shù)穩(wěn)定，速度變化均勻，啟動動態(tài)特性較好，機組啟動過程滿足預先設計指標。

現(xiàn)場試驗說明了所調(diào)試的靜止變頻器系統(tǒng)完全滿足雙套變頻器系統(tǒng)切換運行的設計原理，現(xiàn)場的施工改造是成功的，提高了機組運行的穩(wěn)定水平，簡化了運行人員的操作，降低了運行人員的勞動強度，提高了工作效率，降低生產(chǎn)成本創(chuàng)造了條件。從總體上看， 變頻器系統(tǒng)在現(xiàn)場的試驗結(jié)果良好，各項性能指標均符合相關(guān)標準及設計要求，因此，設備運行完全可行，且不存在一般和重大威脅，但充分考慮抽水蓄能機組各種工況，要進一步驗證設備的穩(wěn)定性。

[1]魏守平.水輪機控制工程.武漢:華中科技大學出版社,2005

[2]DL/T583-1995 大中型水輪發(fā)電機電機靜止整流勵磁系統(tǒng)及裝置技術(shù)條件.北京:中國電力出版社,1996

[3]沈祖詒.水輪機調(diào)節(jié)分析.北京:水利電力出版社,1991