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 213333）

0 引言

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

目前，已投產(chǎn)的國內(nèi)大型抽水蓄能機組SFC系統(tǒng)全部采用進口設(shè)備，導(dǎo)致投資成本高，維護和更新困難。隨著國內(nèi)技術(shù)水平的進步，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組上，具備了取代進口設(shè)備的條件。以往，進口SFC系統(tǒng)的保護功能均集成在SFC調(diào)節(jié)器中，保護功能簡單，配置不完整，通常不具備變流橋差動保護（ALSTOM公司產(chǎn)品除外）和輸出變壓器差動保護功能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）為測量級，很容易在故障時快速飽和，不能為SFC系統(tǒng)提供可靠的保護，存在一定的安全隱患。雖然SFC系統(tǒng)只在啟動階段投入運行，但考慮到很多抽水蓄能電站只有1套SFC系統(tǒng)，而且其造價昂貴，因此，SFC系統(tǒng)的繼電保護也應(yīng)引起足夠重視。

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

1 SFC系統(tǒng)保護配置方案

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

大型抽水蓄能機組SFC系統(tǒng)一般采用12-12脈動方式，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)保護的保護范圍應(yīng)涵蓋以上一次設(shè)備。

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

變流橋本體差動保護為整流橋、逆變橋和電抗器提供了快速主保護，其包括SFC差動保護1至SFC差動保護4，保護范圍可分別選擇網(wǎng)橋側(cè)TA（TA1和TA2）和機橋側(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

輸出變壓器保護具體包括：輸出變壓器差動保護、輸出變壓器高壓側(cè)過流保護、輸出變壓器低壓側(cè)過流保護、輸出變壓器低壓側(cè)電流變化率保護、輸出變壓器低壓側(cè)過頻保護、輸出變壓器低壓側(cè)過勵磁保護、輸出變壓器低壓側(cè)零序過壓保護、輸出變壓器高壓側(cè)低電壓保護和輸出變壓器低壓側(cè)低勵磁保護。

2 SFC系統(tǒng)保護的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 SFC變流橋本體差動保護

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

將機橋側(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)成差動電流和制動電流，采用全周傅氏算法計算。為了提高差動保護的可靠性，采用如下比率制動特性：

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

RTDS試驗表明，該原理的動作速度與機橋側(cè)的頻率無關(guān)，動作時間小于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和機橋側(cè)TA電流見圖2，由兩側(cè)電流構(gòu)成的SFC變流橋差動保護差流和制動電流（已轉(zhuǎn)換為相應(yīng)電流和TA二次側(cè)額定電流In的比值）見圖3。

可見，變頻啟動過程中，變流橋差動電流接近于0，遠(yuǎn)小于制動電流，差動保護的比率制動系數(shù)可以整定為0.3～0.5，保護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)載換相階段的差動電流和制動電流Fig.3 Differential current and braking current during load commutation

2.2 輸出變壓器變頻差動保護

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

輸出變壓器差動保護應(yīng)采取與頻率無關(guān)的算法，確保低頻情況下也能準(zhǔn)確測量，本文采用了發(fā)電機保護中常用的啟停機保護算法，實現(xiàn)了低頻啟動過程中的準(zhǔn)確測量①南京南瑞繼保電氣有限公司.PCS-985系列發(fā)電機變壓器組保護裝置技術(shù)說明書.2010.；采用變斜率比率制動特性，防止區(qū)外故障導(dǎo)致的誤動[13]。另外，脈沖換相階段可能不帶輸出變壓器啟動，此時，經(jīng)旁路開關(guān)（圖1中的S1）位置接點將輸出變壓器差動保護退出。

2.3 電流變化率保護

電流變化率保護具有動作迅速、靈敏度高的特點，在短路電流上升的起始階段就能動作，而且故障越嚴(yán)重，電流變化率保護反應(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作用。對于未配置變流橋差動保護的情況，電流變化率保護實際上充當(dāng)了變流橋本體快速主保護。

但從現(xiàn)場應(yīng)用情況來看，該保護易受干擾信號的影響，如沙河抽水蓄能電站的進口SFC系統(tǒng)，其調(diào)節(jié)器內(nèi)的電流變化率保護曾多次發(fā)生誤動。

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

2.4 機橋側(cè)頻率測量方法

SFC系統(tǒng)脈沖換相階段，機橋側(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)脈沖換相階段的機橋側(cè)AB相間電壓波形，顯然，若不進行數(shù)據(jù)處理，難以準(zhǔn)確計算電壓的幅值和頻率。如何消除諧波分量的影響，準(zhǔn)確測量電壓幅值和頻率，是實現(xiàn)機橋側(cè)頻率異常保護、過勵磁保護和低勵磁保護的關(guān)鍵。

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

為了準(zhǔn)確計算機橋側(cè)的頻率，需設(shè)計高性能的數(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，經(jīng)高性能數(shù)字低通濾波后，機橋側(cè)電壓波形大為改善，為準(zhǔn)確測量機橋側(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的機橋側(cè)電壓波形和實測頻率值?？梢姡l率計算值與實際頻率吻合，采用以上方法，能夠在脈沖換相階段準(zhǔn)確測量機橋側(cè)的頻率。

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

圖7 脈沖換相階段機橋側(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)保護可靠性的措施

所有用于SFC系統(tǒng)保護的電流不應(yīng)取自測量級TA，而應(yīng)該設(shè)置獨立的保護級TA。

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

不帶輸出變壓器拖動的階段，經(jīng)旁路開關(guān)（圖1中的S1）位置接點將輸出變壓器高壓側(cè)過流保護、輸出變壓器高壓側(cè)低電壓保護退出；當(dāng)頻率超過5 Hz，投入輸出變壓器后，相應(yīng)的保護功能自動投入。

3 現(xiàn)場應(yīng)用情況

基于本文研究結(jié)果開發(fā)了SFC系統(tǒng)保護裝置PCS-985FA，實現(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功能。該裝置采用4U標(biāo)準(zhǔn)機箱，雙CPU系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，“與門”出口方式，2個CPU系統(tǒng)之間進行相互校驗，可靠防止硬件異常導(dǎo)致的誤動。

該裝置已在江蘇沙河抽水蓄能電站得到應(yīng)用，SFC變頻啟動過程中，保護裝置能準(zhǔn)確測量機橋側(cè)頻率和過勵磁倍數(shù)等重要電氣量，所有保護功能運行正常。自2012年6月投入應(yīng)用以來，保護裝置未出現(xiàn)任何異常，運行情況良好。

4 結(jié)語

進口SFC系統(tǒng)保護功能配置不完整，缺少了SFC變流橋差動保護和輸出變壓器差動保護功能，存在一定的安全隱患。為了克服進口保護設(shè)備存在的問題，本文研究了SFC系統(tǒng)保護的典型配置方案和關(guān)鍵技術(shù)，簡要總結(jié)如下：

a.提出了SFC變流橋差動保護方法，實現(xiàn)了與機橋側(cè)頻率無關(guān)的快速差動保護方法；

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

c.提出了提高電流變化率保護可靠性的措施；

d.設(shè)計了高性能數(shù)字低通濾波器，消除了大量諧波分量的影響，實現(xiàn)了機橋側(cè)頻率和過勵磁倍數(shù)的準(zhǔn)確測量；

e.提出了提高SFC系統(tǒng)保護可靠性的若干技術(shù)措施。

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