新一代同步调相机直流油泵控制方案设计

黄金军，杨鹏程，文耀华，王 庆，咸哲龙

(1.南京南瑞继保电气有限公司，江苏 南京 211106；2.国家电网有限公司，北京 100031；3.上海电气电站设备有限公司上海发电机厂，上海 200240)

0 引言

随着我国超大容量、远距离特高压直流输电工程的大规模建设与发展，特高压送受端交流系统的动态无功需求特性与国外及国内传统场景有着明显差异，如特高压直流大规模馈入受端系统的动态无功储备显著下降，电压调节特性变差，电压稳定问题突出。另一方面，随着新能源电源的大量集中开发以及向边远地区扩展，电网架构薄弱的送端交流系统暂态过电压问题日益凸显，直流系统输电能力严重依赖于送端火电开机方式，制约了清洁能源的送出[1]。

综合特高压直流送受端系统对动态无功的新需求，目前主流的动态无功补偿装置，如静止无功补偿器(static var compensator，SVC)及静止无功发生器(static var generator，SVG)等优势不明显。系统需要具备次暂态及暂态响应快、短时过载能力强、对交流系统电压依赖性弱等特点的动态无功设备[2-10]。为此，次暂态特性优、安全可靠性高、运行维护方便的新一代同步调相机应运而生。

润滑油子系统是调相机系统的关键辅助系统之一。调相机是旋转设备，需要润滑油对相关轴承润滑并散热，润滑油系统能否可靠、稳定运行至关重要。润滑油系统的运行依赖于润滑油泵及顶轴油泵的可靠运转。在对这两类油泵进行冗余度设计时，秉承特高压换流站关键设备多重化及控制回路冗余的思路，采用“一主(交流油泵)、一备(交流油泵)、一远备(直流油泵)”三重化冗余方式，保证润滑油系统高可靠性运行。

本文通过介绍新场景下直流油泵的控制要求及常规控制方案，总结出常规控制方案存在的不足[8-10]；在常规方案的基础上，进行硬件及控制策略的改进，得出适用于新一代调相机的直流油泵控制方案。该方案使得运行维护方便且可靠性高。目前，首批17台调相机均采用此方案，现场运行稳定。

1 新一代调相机直流油泵控制要求

新一代调相机设计额定容量为滞相300 MV，进相 150 MV。分双水内冷和纯风冷两种机型。润滑油系统均配备“两交一直”的润滑油泵和顶轴油泵。

调相机在启动、运行及停机过程中，正常情况下，交流润滑油泵一台工作、一台备用，只有在两台交流润滑油泵均工作异常或润滑油母管压力下降到一定值时，才需将直流润滑油泵作为远备启动。

与直流润滑油泵相比，直流顶轴油泵的启动限制因素更多。正常情况下，顶轴油泵工作时间较短，仅在转子转速在0转(不包括0转)至某个转速值(该值一般小于额定转速，本文设为mr/min之间需运行，调相机并网运行时，顶轴油系统不工作。调相机转速在0至m时，正常情况下，两台交流顶轴油泵一台工作、一台备用。只有在两台交流顶轴油泵均异常或顶轴油母管压力下降到一定值时，才需要启动直流顶轴油泵。

首批新型调相机均部署在特高压换流站，调相机系统具有独立于换流站控制系统的分散控制系统(distributed control system,DCS)，但监盘地点与换流站一致，均在换流站主控室。调相机厂房距主控室较远，本着全站统一管理的原则，调相机系统应就地无人值班。所有附属设备均需满足高度自动化的远程启/停控制要求，包括独立于DCS的直流油泵就地压力与电气联锁硬件回路的远程自动投退。

2 常规控制方案

常规控制方案如下。

①直流油泵设有紧急启动按钮。该按钮设置在集中控制室，在紧急情况下，由运行人员依据相关规程进行操作。

②DCS通过干接点信号与就地控制箱的二次控制回路接口，实现直流油泵的远程控制。DCS远程控制包括启停信号；就地电控箱的反馈主要包括直流电源状况，直流油泵远控、运行、停止、励磁欠流以及电流等信号。

③润滑油/顶轴油母管就地压力开关及交流油泵电气联锁信号通过硬接线直接接入就地控制箱(下称为“直流油泵就地硬联锁启动回路”)。调相机运行时，若DCS发生故障，也能就地联锁启动直流油泵。

常规控制方案存在以下问题。

①直流油泵紧急启动按钮触发的启动回路与DCS的其他控制功能存在共用板卡及机箱的可能性。当该板卡故障或其他功能引起该板卡或该机箱故障，紧急启动功能有不可用的风险。

②调相机系统存在较多的紧急启动按钮，在紧急情况下，需要运维人员判断选择操作，有误拍紧急按钮的可能，给运维人员造成运维压力。

③DCS采用单路信号采集及控制回路，单一元件故障易引发油泵的拒启或拒停，直流油泵的动作可靠性降低。

④在调相机正常停机时，需人为退出直流油泵就地硬联锁启动回路，否则直流油泵会误启。

⑤顶轴油泵存在工作的转速区间，因调相机并网后顶轴油系统不需启动，若无人为就地干预，直流顶轴油泵不能正确工作。

综上，常规方案中控制回路独立性及冗余度不够，就地硬联锁启动功能自动化水平过低。

3 控制方案改进

①紧急停机系统设计。

单元机组仅设置一个紧急按钮，为紧急停机按钮，不再单独设置各直流油泵的紧急启动按钮；紧急停机系统电气上独立于DCS，电源及硬件专用；紧急停机按钮采用双按钮方式，紧急停机系统触发后联启直流顶轴油泵。

②DCS远程监控。

为避免单一元件故障导致关键时刻油泵启停可靠性低，新一代调相机采用I/O双重化方案，即所有监控回路完全双重化配置，就地控制箱相关启停控制节点也双重化配置。

③直流润滑油泵。

设置在就地控制箱的就地硬联锁启动功能增加“联锁投入”和“联锁退出”信号，均为短脉冲信号；就地控制箱对该两信号进行自保持(双继电器冗余回路)，并反馈“直流润滑油泵就地硬联锁回路已投入”冗余信号。

“联锁投入”信号由DCS输出，逻辑为“TSI转速大于零或交流润滑油泵运行”；“联锁退出”信号也由DCS输出，为保证联锁切除的正确性，逻辑建议为“TSI转速等于零”与“人工后台遥控确认信号”的与逻辑，进行人工后台遥控操作时系统自动查询“TSI转速等于零”是否满足，否则不允许进行后台确认的操作。上述信号均冗余配置。

直流润滑油泵控制如图1所示。

图1 直流润滑油泵控制框图

④直流顶轴油泵。

设置在就地控制箱的就地硬联锁启动功能增加“联锁投入”和“联锁退出”信号，均为短脉冲信号；就地控制箱对该两信号进行自保持(双继电器冗余回路)，并反馈“直流顶轴油泵就地硬联锁回路已投入”冗余信号。

“联锁投入”信号由DCS输出，逻辑建议为“TSI转速大于零且小于m，或交流顶轴油泵运行”；“联锁退出”信号也由DCS输出，为保证联锁切除的正确性，逻辑建议为“TSI转速等于零或大于m”与“人工后台遥控确认信号”的与逻辑，进行人工后台遥控操作时系统自动查询“TSI转速等于零或大于m”是否满足，否则不允许进行后台确认的操作。另外增加一个“系统崩溃指示”信号(如DCS双电源故障等)，该信号直接与“联锁投入”信号并联。上述信号均冗余配置。

直流顶轴油泵控制如图2所示。

图2 直流顶轴油泵控制框图

⑤就地电控箱启停直流油泵逻辑。

在直流润滑油泵与直流顶轴油泵就地电控箱的就地压力和电气联锁启动回路中增加双重化的“联锁投入”与“联锁退出”信号，既保证联锁回路的自动投入，也可满足在正常停机过程中直流油泵的安全停机，实现了远程控制全覆盖。

就地电控箱的启停直流油泵逻辑框图如图3所示。

图3 就地电控箱启停直流油泵逻辑框图

4 结论

本文通过归纳新需求下直流油泵的控制要求，论述了一般的常规控制方案，并以此为基础，对紧急停机系统、DCS远程监控回路可靠性、直流油泵控制回路及就地电控箱启停直流油泵逻辑等方面进行研究并优化。该方案解决了常规方案中控制回路独立性及冗余度不够的问题，使控制可靠性得到提升；通过触发并自保持等方式，实现了就地硬联锁启动功能的自动化。新方案总体提升了润滑油控制系统的可靠性，适用于新一代调相机系统。目前，首批17台调相机均采用此方案，现场运行稳定。该方案还将进一步在其他调相机工程中推广实施。