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(dòng)勢(shì)與電磁轉(zhuǎn)矩的準(zhǔn)確計(jì)算與轉(zhuǎn)子初始位置檢測(cè)是發(fā)電電動(dòng)機(jī)起始運(yùn)行階段能否成功的重要前提。本文對(duì)江蘇省內(nèi)某抽水蓄能電站2臺(tái)靜止變頻器（static frequency converters，SFC）水泵拖動(dòng)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(lì)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(dòng)階段的調(diào)試效率。同時(shí)，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(dòng)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(guó)風(fēng)電、太陽(yáng)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(wàn)kW，在建抽水蓄能電站17個(gè)，基本實(shí)現(xiàn)《綠色能源發(fā)展白皮書(shū)》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(tái)數(shù)和電站內(nèi)或鄰近有無(wú)常規(guī)水電機(jī)組等條件確定起動(dòng)方式，目前大型抽水蓄能機(jī)組拖動(dòng)方式以背靠背起動(dòng)和靜止變頻器（static frequency converter，SFC）起動(dòng)方式最為常見(jiàn)[3-8]。背靠背起動(dòng)附加成本低、起動(dòng)速度快且不需轉(zhuǎn)輪排水，但存在起動(dòng)時(shí)浪費(fèi)上庫(kù)水量及最后一臺(tái)機(jī)組無(wú)法起動(dòng)的不足。SFC利用交流電動(dòng)機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速，具有效率高、控制性能好的優(yōu)點(diǎn)，可多臺(tái)機(jī)組共用一套SFC設(shè)備。SFC拖動(dòng)中強(qiáng)迫換流階段直接關(guān)系拖動(dòng)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(duì)上述問(wèn)題，文獻(xiàn)[9]對(duì)發(fā)電電動(dòng)機(jī)模型在起動(dòng)階段的磁場(chǎng)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)3次諧波磁場(chǎng)對(duì)氣隙磁場(chǎng)畸變影響大，提出抬高轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)系數(shù)f的方法來(lái)降低畸變率。文獻(xiàn)[10]提出轉(zhuǎn)子初始位置檢測(cè)的3種方法。在工程試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，大量SFC拖動(dòng)失敗的原因是初始脈沖錯(cuò)誤，使機(jī)組無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)。

為此，本文首先對(duì)強(qiáng)迫換流階段的磁場(chǎng)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(lì)磁系統(tǒng)3者[11]的協(xié)調(diào)配合方法，對(duì)SFC拖動(dòng)流程進(jìn)行優(yōu)化，并對(duì)繼電保護(hù)參數(shù)進(jìn)行校正；最終，實(shí)際拖動(dòng)試驗(yàn)表明，優(yōu)化后的拖動(dòng)成功率大大提高。

1 SFC強(qiáng)迫換流磁場(chǎng)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(mén)控單元、閥基電子設(shè)備、晶閘管電子觸發(fā)板、晶閘管檢測(cè)系統(tǒng)和發(fā)電電動(dòng)機(jī)（被拖動(dòng)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(yáng)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(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型為

1.3 轉(zhuǎn)子初始位置檢測(cè)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(xiàn)與A相繞組軸線(xiàn)的夾角；表示轉(zhuǎn)子主極軸與A相繞組重合時(shí)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(xiàn)間的夾角表示為

（7）

由磁勢(shì)感應(yīng)定律可知，各相繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)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(dòng)過(guò)程中，起動(dòng)流程首先開(kāi)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(dòng)刀閘，SFC打開(kāi)SFC的2路冷卻水閥。然后，起動(dòng)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(cè)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(hào)。

CSCS置發(fā)電電動(dòng)機(jī)工況轉(zhuǎn)換閥為水泵工況，確認(rèn)起動(dòng)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(dòng)流程。此時(shí)，CSCS設(shè)置勵(lì)磁在SFC起動(dòng)模式，置調(diào)速器調(diào)相模制R70，待勵(lì)磁、SFC系統(tǒng)所有報(bào)警信號(hào)全消失后，判斷充氣壓水完成后，SFC開(kāi)始起動(dòng)，進(jìn)入強(qiáng)迫換流階段。當(dāng)轉(zhuǎn)速上升至大約5%時(shí)，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(shí)停高壓油頂起油泵，轉(zhuǎn)速達(dá)99%時(shí)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(kāi)關(guān)分閘即并網(wǎng)成功的同時(shí)，置發(fā)電電動(dòng)機(jī)保護(hù)工況在抽水調(diào)相模式。

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

圖2 SFC拖動(dòng)成功波形

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

圖3 SFC拖動(dòng)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(dòng)、擺度、壓力情況，確定導(dǎo)葉開(kāi)啟的最佳時(shí)間和開(kāi)啟速度，必要時(shí)重新調(diào)整控制流程，其試驗(yàn)過(guò)程需綜合考慮SFC、勵(lì)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(guò)程中發(fā)現(xiàn)排氣回水流程無(wú)法執(zhí)行。試驗(yàn)過(guò)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(mǎn)足條件后延時(shí)太長(zhǎng)從而造成流程退出。為此，對(duì)監(jiān)控流程進(jìn)行修改，首先CSCS遠(yuǎn)方開(kāi)啟進(jìn)水閥，取消原流程中濺水功率（設(shè)置＜-50MW，若滿(mǎn)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(shí)60s內(nèi)濺水功率條件滿(mǎn)足后，自動(dòng)轉(zhuǎn)抽水工況，若超時(shí)，則報(bào)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(dòng)保護(hù)、速斷過(guò)流保護(hù)、限時(shí)速斷保護(hù)、過(guò)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(dòng)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(dòng)差動(dòng)保護(hù)，其動(dòng)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(dòng)保護(hù)起動(dòng)電流；set為比率制動(dòng) 系數(shù)。

文獻(xiàn)[11]對(duì)SFC保護(hù)原理進(jìn)行了介紹，并提出相應(yīng)的差動(dòng)改進(jìn)判據(jù)，此處不再贅述。目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于SFC保護(hù)尚不統(tǒng)一，沒(méi)有相關(guān)技術(shù)規(guī)范保護(hù)的整定原則[12]。為此，對(duì)SFC差動(dòng)保護(hù)及過(guò)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(dòng)保護(hù)

起動(dòng)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(wú)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(dòng)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T(mén)P級(jí)，則取1.0；同為P級(jí)，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(xiàn)上相間短路電流；為相應(yīng)的動(dòng)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(dòng)保護(hù)

網(wǎng)橋（network bridge，NB）側(cè)與機(jī)橋（machine bridge，MB）側(cè)差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作邏輯簡(jiǎn)單，即分別在NB側(cè)與MB側(cè)采樣電流輸入差動(dòng)保護(hù)裝置，實(shí)時(shí)比較2側(cè)電流大小，當(dāng)|nb-MB|＞cd時(shí)，保護(hù)動(dòng)作。其中，cd為起動(dòng)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(dòng)的概率，同時(shí)設(shè)備故障時(shí)能夠可靠 動(dòng)作。

3）機(jī)橋過(guò)流保護(hù)

MB側(cè)過(guò)流保護(hù)也作為過(guò)負(fù)荷保護(hù)使用，按躲過(guò)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(lì)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(dòng)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(shí)別判據(jù)，根據(jù)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試中存在勵(lì)磁電流上升速度慢于SFC轉(zhuǎn)子位置識(shí)別模塊時(shí)間，從而磁通變化量小導(dǎo)致拖動(dòng)失敗，改進(jìn)勵(lì)磁系統(tǒng)的起勵(lì)參數(shù)，以滿(mǎn)足轉(zhuǎn)子初始位置檢測(cè)的時(shí)間要求。

2）提出SFC系統(tǒng)保護(hù)整定原則。SFC輸出電流起動(dòng)過(guò)程中變頻且存在多諧波，通過(guò)抬高差動(dòng)保護(hù)起動(dòng)門(mén)檻值，防止比率差動(dòng)誤動(dòng)作，對(duì)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(lì)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。