抽水蓄能机组SFC强迫换流阶段协调配合与保护整定计算

颜全椿 范立新 徐 钢 李辰龙 单 华



抽水蓄能机组SFC强迫换流阶段协调配合与保护整定计算

颜全椿 范立新 徐 钢 李辰龙 单 华

（江苏方天电力技术有限公司，南京211102）

磁动势与电磁转矩的准确计算与转子初始位置检测是发电电动机起始运行阶段能否成功的重要前提。本文对江苏省内某抽水蓄能电站2台静止变频器（static frequency converters，SFC）水泵拖动的PID控制器在强迫换流阶段失败的原因进行分析，利用磁链方程推导出转子初始位置判据，并提出SFC与励磁系统、监控系统的协调配合方法，提高了SFC抽水调相拖动阶段的调试效率。同时，提出一种改进的SFC系统继电保护整定方法，防止SFC继电保护误动作，具有良好的工程应用前景。

抽水蓄能；静止变频器；参数优化；转子初始位置；继电保护

截止2016年，我国风电、太阳能装机容量创新高，但部分地区仍出现弃风弃光现象。作为调峰调频的抽水蓄能电站在分布式能源并网中发挥着重要作用，其总装机容量已达5032万kW，在建抽水蓄能电站17个，基本实现《绿色能源发展白皮书》至2020年抽水蓄能容量占比的目标[1-2]。根据可逆式机组容量、台数和电站内或邻近有无常规水电机组等条件确定起动方式，目前大型抽水蓄能机组拖动方式以背靠背起动和静止变频器（static frequency converter，SFC）起动方式最为常见[3-8]。背靠背起动附加成本低、起动速度快且不需转轮排水，但存在起动时浪费上库水量及最后一台机组无法起动的不足。SFC利用交流电动机的无级调速，具有效率高、控制性能好的优点，可多台机组共用一套SFC设备。SFC拖动中强迫换流阶段直接关系拖动能否成功，因此，研究如何提高强迫换流阶段成功率具有重要意义。

针对上述问题，文献[9]对发电电动机模型在起动阶段的磁场进行分析，发现3次谐波磁场对气隙磁场畸变影响大，提出抬高转子磁动势系数f的方法来降低畸变率。文献[10]提出转子初始位置检测的3种方法。在工程试验过程中发现，大量SFC拖动失败的原因是初始脉冲错误，使机组无法转动。

为此，本文首先对强迫换流阶段的磁场进行分析，利用磁链方程推导转子初始位置的判断方法；然后，介绍抽水蓄能SFC、监控系统与励磁系统3者[11]的协调配合方法，对SFC拖动流程进行优化，并对继电保护参数进行校正；最终，实际拖动试验表明，优化后的拖动成功率大大提高。

1 SFC强迫换流磁场分析

1.1 SFC系统的构成及功能

SFC主要由输入变，整流桥、平波电抗器、逆变桥、输出变、晶闸管冷却系统、变频器控制系统、晶闸管的触发脉冲门控单元、阀基电子设备、晶闸管电子触发板、晶闸管检测系统和发电电动机（被拖动设备）的同期系统等元器件组成。晶闸管冷却系统采用强迫水循环，加强换流桥中晶闸管、阻容回路和阳极电抗器等设备的散热。其中，电流产生回路的核心部件为格里兹桥，如图1所示。格里兹桥工作原理在文献[3]中有详细分析，此处不再赘述。

图1 格里兹桥

1.2 强迫换流阶段磁链方程

发电电动机的数学模型为

1.3 转子初始位置检测方法

定子绕组与转子绕组的互感参数可表示为

（4）

（5）

式中，0为转子主极轴线与A相绕组轴线的夹角；表示转子主极轴与A相绕组重合时的互感。

因此，各相绕组磁链可由互感及转子主极与A相绕组轴线间的夹角表示为

（7）

由磁势感应定律可知，各相绕组感应电动势为

（9）

2 监控系统与SFC的协调配合

在抽水蓄能机组水泵工况起动过程中，起动流程首先开启SFC辅助设备，电厂监控系统（computer supervisory control system，CSCS）发出SFC上电命令后，合上发电机出口位置的起动刀闸，SFC打开SFC的2路冷却水阀。然后，起动转换器水泵，变压器油泵和直流平波电抗器室风扇，经检测辅助设备运行正常后向机组CSCS发送“SFC准备好”信号。

CSCS置发电电动机工况转换阀为水泵工况，确认起动刀闸合闸后发充气压水命令，并向SFC监控系统调用起动流程。此时，CSCS设置励磁在SFC起动模式，置调速器调相模制R70，待励磁、SFC系统所有报警信号全消失后，判断充气压水完成后，SFC开始起动，进入强迫换流阶段。当转速上升至大约5%时，SFC由强迫换流低速模式进入自然换流高速模式，当转速达90%时停高压油顶起油泵，转速达99%时调用同期装置，选发电机出口PT与抽水PT投入并网，GCB合闸与SFC输出开关分闸即并网成功的同时，置发电电动机保护工况在抽水调相模式。

在实际试验过程中，尤其是强迫换流阶段无法准确识别转子初始位置的问题。为此，对SFC拖动过程中的电气量进行录波分析，比较了成功拖动与不成功拖动的典型曲线，如图2与图3所示。图2为拖动成功波形，可见在励磁系统启励后2.0s后达到最大励磁电流。图3为拖动不成功波形，励磁电流上升较慢，达到最大励磁电流为2.8s，而SFC判断转子位置时间为2.0s，即在励磁电流还未达到峰值时，转子位置识别程序已退出，并报失败。为此，对励磁系统进行改进，设置初始电流为900A，起励时间2.0s，从而确保为式（8）的转子初始位置检测判据提供足够的磁通。

图2 SFC拖动成功波形

注：A、B、C为SFC输出至发电电动机定子电流；z1为励磁系统直流励磁电流。

图3 SFC拖动失败波形

抽水工况零流量试验是为了确定机组溅水功率数值，检查机组造压期间的各部位的振动、摆度、压力情况，确定导叶开启的最佳时间和开启速度，必要时重新调整控制流程，其试验过程需综合考虑SFC、励磁系统与监控系统的配合。在某电站机组抽水调相转抽水工况过程中发现排气回水流程无法执行。试验过程如图4所示，各变量均显示标么值。经检查为流程设置不合理，在溅水功率满足条件后延时太长从而造成流程退出。为此，对监控流程进行修改，首先CSCS远方开启进水阀，取消原流程中溅水功率（设置＜-50MW，若满足则判断造压成功＝与转轮压力的双重判据，仅设置延时60s内溅水功率条件满足后，自动转抽水工况，若超时，则报造压失败，退出流程。

图4 抽水调相转抽水溅水功率试验

3 SFC系统保护与定值计算

SFC系统保护范围涵盖所有SFC一次设备，即输入变、格里兹桥（网桥侧与机桥侧）、直流电抗器、输出变。输入变与输出变作为变压器保护进行配置，一般有差动保护、速断过流保护、限时速断保护、过负荷保护、单相接地保护、非电量保护。

格里兹桥一般配置差动保护，由变流桥本体实现。SFC网桥侧为工频电流，机桥侧为变频电流，如何将机桥侧变频电流转换成工频校正电流是SFC保护的难点之一。已有装置中包括比率制动差动保护，其动作方程为

式中，nb为网桥侧工频电流；mb为机桥侧变频校正电流；cdqd为差动保护起动电流；set为比率制动 系数。

文献[11]对SFC保护原理进行了介绍，并提出相应的差动改进判据，此处不再赘述。目前，国内外关于SFC保护尚不统一，没有相关技术规范保护的整定原则[12]。为此，对SFC差动保护及过流保护进行整定，供相关厂家设备参考。

1）输入变差动保护

起动电流cdqd为

式中，cc为CT同型系数，取1；er为CT变比误差，10P取0.03×2、5P型和TP型取0.01×2；D为输入变调压引起的误差，若无调压功能，则设置为0；D为CT变比未完成匹配产生的误差，取0.05；为最大负荷电流，根据工程经验，一般取0.6～1.0e。

比率制动系数set为

式中，rel为可靠系数，取1.3～1.5；ap为非周期分量系数，若两侧同为TP级，则取1.0；同为P级，则取1.5。根据工程经验，一般取1.5～4。

灵敏度sen为

式中，I.min为系统小方式下SFC输入变低压侧引出线上相间短路电流；为相应的动作电流。根据要求，灵敏度不低于1.5。

2）网桥机桥差动保护

网桥（network bridge，NB）侧与机桥（machine bridge，MB）侧差动保护动作逻辑简单，即分别在NB侧与MB侧采样电流输入差动保护装置，实时比较2侧电流大小，当|nb-MB|＞cd时，保护动作。其中，cd为起动电流整定值。根据江苏省内某大型抽水蓄能电站的实际调试经验，该值取0.3e可大大减小保护误动的概率，同时设备故障时能够可靠 动作。

3）机桥过流保护

MB侧过流保护也作为过负荷保护使用，按躲过额定负荷整定，即

式中，rel为可靠系数，取1.05～1.2；r为返回系数，取0.85～0.95。

4 结论

1）提出强迫换流阶段监控系统、SFC与励磁系统的协调配合方法。利用强迫换流阶段发电电动机定子侧与转子侧磁链方程，推导出转子初始位置识别判据，根据实际现场调试中存在励磁电流上升速度慢于SFC转子位置识别模块时间，从而磁通变化量小导致拖动失败，改进励磁系统的起励参数，以满足转子初始位置检测的时间要求。

2）提出SFC系统保护整定原则。SFC输出电流起动过程中变频且存在多谐波，通过抬高差动保护起动门槛值，防止比率差动误动作，对输出变短路电流进行计算，保证最大/最小运行方式下，SFC保护的可靠性与灵敏性。

3）采用本文的强迫换流阶段监控系统、SFC与励磁系统的配合方法及保护整定方法，可极大提高设备调试成功率。

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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

颜全椿（1989-），男，硕士，主要研究方向：电源侧继电保护调试与整定计算。