新一代大容量调相机启动控制策略

张 寅，武 强，王亚婧，马伯乐，李 艺



新一代大容量调相机启动控制策略

张 寅1,2，武 强1,2，王亚婧1,2，马伯乐1,2，李 艺1,2

（1. 南瑞集团（国网电力科学研究院）有限公司，南京 211106；2. 国电南瑞科技股份有限公司，南京 211106）

新一代大容量调相机已成功应用于特高压直流送、受端换流站。新一代调相机属于同步电动机，挂网运行时，消耗电网能量以维持额定转速运行；启动过程中，采用静止变频器SFC（Static Frequency Converter）实现0转速至1.05倍额定转速全速范围内升速。本文基于国网扎鲁特换流站调相机本体电气拓扑结构，研究了新一代调相机的启动控制策略，详细分析了在调相机启动过程中关联开关变位时序。同时，研制PLC实现进口SFC一拖二功能。最后，基于扎鲁特站现场调相机实际启动情况，验证本文提出的新一代大容量调相机启动控制策略的正确性。

调相机；静止变频器SFC；启动控制策略；开关变位时序

0 前言

新一代调相机相比传统调相机具有更优良的动态无功补偿特性[1-4]。在电力系统发生故障时，新一代调相机可瞬时为电网提供数倍于自身容量的动态无功，为系统提供紧急无功支撑；稳态运行时，具备大容量较宽范围的动态无功连续调节能力，稳定系统电压水平[5-7]。

调相机启动方式主要包括直接启动、降压启动、电动机启动和静止变频器SFC启动。不少文献[8-11]对调相机启动方式已进行一定的研究。SFC因其结构简单、配置灵活、维护量小等主要优点成为调相机启动方式的最佳选择[12-13]。本文基于国网扎鲁特站调相机二次设备集成项目，详细介绍了调相机本体电气拓扑结构，研究了新一代调相机的启动控制策略，详细分析了在调相机启动过程中关联开关变位时序。同时，研制PLC实现进口SFC一拖二功能。

1 调相机本体电气拓扑结构

图1为包含启动系统、励磁系统、同期系统在内的调相机本体电气拓扑结构图。如图1所示，调相机启动系统配置国电南瑞NES-5900和ABB MEGADRIVE-LCI.ST型双套静止变频器，实现2×300MVA调相机的二拖二双冗余启动。单套启动系统由输入断路器、隔离变压器、SFC本体（进口SFC本体包含配套PLC）、切换开关和高压隔离开关5部分组成。调相机励磁系统包含启动励磁系统和主励磁系统。主励磁系统采用自并励励磁方式，在调相机挂网运行时快速调节系统无功；启动励磁系统工作于电流闭环模式，受SFC控制满足调相机升速过程中励磁需求。调相机启动方式采用降压启动，在启动过程中，机端电压控制在额定电压的10%左右；在挂网运行时，通过高压隔离开关将SFC与调相机本体隔离。

图1 调相机本体励磁系统、SFC 系统电气拓扑结构图

大型同步电机静止变频启动技术已日趋成熟[14-15]，对调相机启动控制技术的研究重点在于启动系统、励磁系统、同期系统等各分子系统和DCS（Distributed Control System）系统之间的配合。图1中，QS01、QS02、QF01分别为启动励磁系统交流侧开关、直流侧开关和磁场断路器；QF11为主励磁系统磁场断路器；ICB1、ICB2为启动系统输入断路器；SCB11、SCB12、SCB21、SCB22为启动系统切换开关；IPB1、IPB2为启动系统与调相机本体隔离开关；GCB1、GCB2为调相机本体并网断路器；NE01、NE02为调相机本体定子中性点隔离刀闸。

2 调相机启动控制策略

2.1 调相机启动程控逻辑

图2给出了不考虑油、水等辅助系统的2号SFC升速1号调相机正常启动流程图，包含励磁系统、启动系统、同期系统与DCS系统之间的配合，主要程控逻辑如下：

（1）DCS检测“1号机启动励磁就绪”、“2号SFC启1号机就绪”信号收到；

（2）DCS发“1号机中性点隔刀分闸令”，检测“1号机中性点隔刀位置已分”信号收到；

（3）DCS发“1号机隔离开关合闸令”，检测“1号隔离开关已合”信号收到；

（4）DCS发“2号SFC升速1号机启动令”；

（5）2号SFC收到启动令，发“切刀SCB21合闸令”，检测“SCB21已合”信号收到；

（6）2号SFC发“ICB2合闸令”，检测“ICB2已合”信号收到；

（7）2号SFC启动冷却，发“1号机启动励磁开机令”；

（8）1号机启动励磁收到开机令，发“QS01合闸令”，检测“QS01已合”信号收到；

（9）1号机启动励磁发“QS02合闸令”，检测“QS02已合”信号收到；

（10）1号机启动励磁发“QF01合闸令”，检测“QF01已合”信号收到；

（11）1号机启动励磁强励，配合2号SFC完成1号机转子初始位置检测，执行1号机由转速0升速至1.05倍额定转速过程；

（12）1号机转速到达3150r/min，2号SFC发“1号机转速到达令”；

（13）DCS收到转速到达令，发“2号SFC升速1号机退出令”；

（14）2号SFC收到退出令，封整流桥和逆变桥脉冲，发“ICB2分闸令”，发“1号机启动励磁停机令”，检测“ICB2已分”信号收到，反馈“2号SFC已退出”信号，延迟2s发“切刀SCB21分闸令”；

（15）1号机启动励磁收到停机令，降低转子电流至额定空载励磁电流的3%~5%，以降低惰转过程中调相机能量损耗，延长惰转时间；

（16）DCS检测“2号SFC已退出”信号收到，发“1号机隔离开关分闸令”，同时发“1号机中性点隔刀合闸令”，检测到“1号机隔离开关分位”和“1号机中性点隔刀合位”信号，发“1号机主励磁开机令”；

（17）1号机主励磁收到开机令，发“QF01合闸令”，检测“QF01已合”信号收到；

（18）1号机主励磁I段升压至20%额定机端电压，发“1号机启动励磁停机令”；

（19）1号机启动励磁收到停机令，封脉冲，发“QF01分闸令”，检测“QF01已分”信号收到，发“QS02分闸令”，检测“QS02已分”信号收到；

（20）1号机主励磁II段升压至100%额定机端电压；

（21）DCS发“1号机同期启动令”；

（22）1号机同期装置捕捉同期点，捕捉成功，发“GCB1合闸令”；捕捉失败，反馈“1号机同期失败”；

（23）DCS收到“1号机同期失败”信号，执行快速重启动流程；

（24）1号机启动励磁收到“1号机同期成功”信号，发“QS01分闸令”，检测“QS01已分”信号收到，DCS执行2号SFC升速1号调相机顺控流程退出。

图2 2号SFC 升速1 号调相机启动控制流程图

2.2 调相机启动关联开关变位研究

图3为全转速范围内与调相机启动关联开关变位时序图，包括静止阶段、升速阶段、惰转同期阶段和调相机挂网运行阶段。如图3所示，通过对调相机启动过程中各分子系统开关变位时序的研究以验证调相机启动程控逻辑的合理性。

图3含如下6个关键设计：

（1）SFC属于电流源型大功率电力电子设备，其工作时，注入调相机定子电流为方波，含较丰富的谐波。在SFC启动过程中，需断开调相机定子中性点隔刀NE01。否则，会引起接地保护误动作；

（2）实测调相机转速由3150r/min惰转至2950r/min时间较短，仅22s。在SFC反馈“1号机转速已到达信号”时，DCS需快速合闸中性点隔刀NE01，快速分闸隔离开关IPB1，增加同期捕捉窗口；

（3）1号机启动励磁收到停机令，降低转子电流至额定空载励磁电流的3%~5%，作为主励磁I段升压的他励源，不能完全退出；

（4）1号机启动励磁自检主励磁升压至20%额定机端电压时，启动励磁完全退出，分启动励磁灭磁开关QF01、分直流侧开关QS02；

（5）主励磁检测“QS02已分”状态时，主励磁II段建压至100%额定机端电压；

（6）同期捕捉成功后，1号机启动励磁完全退出，分交流侧开关QS01。

图3 2号SFC升速1号调相机正常启动开关变位时序图

2.3 调相机快速重启动开关变位

图4为同期捕捉失败进行快速重启动时开关变位时序图，包括惰转阶段、快速重启升速阶段、惰转同期阶段和调相机挂网运行阶段。与正常启动不同，启动励磁交流侧开关QS01在初始惰转阶段已处于合位，节省了启动励磁投入时间。

3 PLC一拖二接口设计

进口SFC本体对外接口仅支持1台调相机的启动。为满足实际工程需求，研制PLC进行逻辑切换、接口扩展，实现一拖二功能。

3.1 PLC启机预判逻辑

如图5所示，为满足现场对2套SFC对外接口完全一致的要求，在2号SFC启机前，需预判2号SFC选择启动哪一台调相机，提前搭建通信信道。

图5 PLC启机预判逻辑初始化流程图

图5给出了PLC启机预判逻辑初始化流程图。在选择2号SFC启动调相机前，DCS需提前合闸预启动机组对应隔离开关；在1号SFC投入运行时，本侧切刀SCB11、SCB12处于已就绪位置。表1为PLC信道选择预判表。

表1中，STARTGEN1为DCS选择2号SFC升速1号调相机启动令，STARTGEN2为DCS选择2号SFC升速2号调相机启动令。切换开关SCB11、SCB21之间有合闸闭锁。同理，切换开关SCB12、SCB22之间有合闸闭锁，故有：

（1）在隔离开关IPB1、IPB2都处于分闸时，默认选择建立2号SFC启动2号机信道；

（2）在IPB1分闸、IPB2合闸时，对侧切刀SCB12处于合闸位，表明1号SFC正在升速2号机，建立2号SFC启动1号机信道；对侧切刀SCB12处于分闸位，建立2号SFC启动2号机信道；

（3）在IPB1合闸、IPB2分闸时，对侧切刀SCB11处于合闸位，表明1号SFC正在升速1号机，建立2号SFC启动2号机信道；对侧切刀SCB11处于分闸位，建立2号SFC启动1号机信道；

（4）在IPB1合闸、IPB2合闸时，对侧切刀SCB11处于合闸位，表明1号SFC正在升速1号机，建立2号SFC启动2号机信道；对侧切刀SCB12处于合闸位，表明1号SFC正在升速2号机，建立2号SFC启动1号机信道；若对侧切刀SCB11、SCB12均处于分闸位，由DCS启机令建立信道。

表1 PLC信道选择预判表

3.2 保护信道闭锁逻辑

SFC对外接口IO分为普通IO和保护IO，普通IO通过PLC程序设计实现接口的逻辑扩展或合并，会有1个程序运行周期的延时；保护IO要求响应无时延，需提前搭建保护信道。同时，在SFC非运行期间，需闭锁保护通道。

SFC的保护信道开放区间段选择为切刀SCB21、SCB22合闸至对应高压隔离开关IPB1、IPB2分闸持续时间段，如图6所示。在区间段外，闭锁保护信道，确保在SFC非运行期间，SFC故障动作不会引起挂网运行调相机的误跳闸。图7给出了保护IO接口合并设计图，图8给出了保护IO接口扩展设计图，满足保护IO经PLC中转响应无延时的要求。

4 现场试验结果

由南瑞集团有限公司发电事业部承担的国网扎鲁特站调相机二次设备集成项目于2017年12月11日已成功投运。为了验证本文提出的新一代大容量调相机启动控制策略的正确性，截取现场实际启动过程波形如图9所示。

图6 保护信道开放区间段

图7 保护IO接口合并设计

图8 保护IO接口扩展设计

图9 调相机静止升速至1.05倍额定转速启动过程

图9给出了首台调相机在扎鲁特换流站的实际启动曲线，验证了本文提出的新一代大容量调相机启动控制策略的正确性。

5 结论

新一代调相机的成功投运，为特高压交直流输电工程提供次暂态、暂态、稳态不同时间尺度大容量的动态无功补偿，在抑制直流换相失败、提高系统稳定性等方面具有显著的功效。本文对调相机启动控制策略进行了研究，详细分析了调相机启动过程中关联开关变位时序关系，基于此，开发了调相机启动程控逻辑，解决了调相机启动相关技术难点，为后续调相机工程提供了技术支撑。

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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

张寅（1986-），2012年毕业于湖南大学电气与信息工程学院，硕士研究生，主要从事发电机励磁技术和大型同步电机静止变频技术的研究。