蒲石河抽水蓄能電站靜止變頻器調試分析

呂鵬飛，潘立剛，李忠崴

（遼寧蒲石河抽水蓄能有限公司，遼寧 丹東 118216）

蒲石河抽水蓄能電站位于遼寧省丹東市寬甸滿族自治縣境內，總裝機容量4×300 MW。設置一套靜止變頻器SFC(Static Frequency Convertor)，由法國CONVERTEAM公司提供。為獲取較高的經濟性和可靠性，機組抽水方向啟動方式首選為SFC啟動，備用為背靠背啟動。SFC拖動可逆式機組作為同步電機運行，啟動平穩、迅速可靠、成功率高、維護量小且自診斷能力強。本文結合蒲石河抽水蓄能電站工程實例，介紹了SFC系統調試過程中出現的問題以及解決辦法。

1 SFC系統調試問題分析

SFC系統是抽水蓄能電站中比較重要的控制系統，與其他系統相比，它既具有電氣一次系統的高電壓、大電流等特點，也具有電氣二次系統的多輸入輸出，控制調節復雜等特點。目前國內還沒有形成一套成熟的關于SFC系統調試和應用的導則和規范，電站一般根據生產廠家提供的調試程序進行現場調試。調試程序分靜態調試和動態調試兩個階段。靜態調試中主要包括SFC系統內部輸入輸出量的測試，SFC系統與其他系統間的通信測試；動態調試主要包括軸線啟動、電動機低轉速試驗、電動機高轉速試驗、同期并網試驗等。

2 SFC緊急停止

SFC啟動過程中，在發變組保護動作后，原設計通過監控系統發 “緊急停止”信號停SFC，但實際調試過程中存在保護直接發跳閘信號至輸入輸出開關的問題。

SFC正常啟動機組過程中，輸入開關以及輸出開關處各變量變化情況如圖1、2所示。在輸入開關處，啟動初期網橋觸發角較大，啟動電流逐漸上升，很快便進入平穩階段。隨后，頻率、電壓和電流都基本保持不變。故緊急跳閘情況下，若開關遮斷容量和分閘時間皆滿足相應要求，則輸入開關能可靠拉開故障電流。在輸出開關處，低頻階段輸出變壓器被旁路，輸出電壓較低，頻率較低，啟動電流較大，且直流分量較大。若此時發生故障，直接拉開輸出斷路器，則很可能造成直流拉弧開關損壞。高頻階段時，雖然輸出變壓器已正常工作，輸出電壓有所提升，但頻率仍較低，啟動電流中會存在大量的直流分量，若此時跳閘同樣會導致開關的損壞。

圖1 啟動過程中輸入開關處各變量變化情況

圖2 啟動過程中輸出開關處各變量變化情況

若未發 “緊急停止”信號至SFC，而直接跳開斷路器意味著在SFC脈沖未被關斷的情況下，依靠斷路器切斷啟動回路電流，一方面易導致SFC直流電抗器中的能量因無法釋放而產生過電壓擊穿晶閘管，另一方面低頻情況下拉開斷路器也容易產生瞬時過電壓，拉弧損壞斷路器。

因此，蒲石河電站將實際流程關系修改為：先通過監控系統發送 “緊急停止”信號至SFC，待SFC關斷所有觸發脈沖后，由SFC發出斷路器的分閘信號，嚴禁SFC啟動機組過程中保護直接跳輸出斷路器。

3 SFC接地故障

在SFC正常啟動過程中，變頻器輸入端和輸出端均會出現較高的直流電壓差以及3倍工頻的交流電壓差，它們會通過中性點接地的輸入變壓器、輸出變壓器、電壓互感器以及電動機本身的中性點等形成交直流環流。

蒲石河電站在SFC調試過程中曾多次出現“SFC Ground Fault”接地故障跳閘，同時，定子100%接地保護測值過低也發出跳閘信號。通過對啟動回路中所有中性點接地的變壓器、電壓互感器、測量卡件的詳細排查，發現輸入變壓器為中性點直接接地，輸出變壓器為中性點經電阻接地，同時存在的2個接地點，使3倍工頻的交流電與直流電形成環流，導致越限跳閘。拆除輸入變壓器中性點接地線后，經再次試驗，結果一切正常。

因此，SFC輸入變壓器中性點應采取不接地運行方式，而輸出變壓器應采取經電阻接地運行方式，這樣可以隔離直流回路和三倍工頻交流電回路，消除接地故障跳閘隱患。

4 SFC、勵磁、監控系統間的配合

在整個機組啟動過程中，監控系統起到發令和各設備間信號傳遞與判斷的作用。勵磁系統一方面為轉子繞組提供勵磁電流，建立主極磁場，另一方面與SFC配合，以測量轉子初始位置。上述3者配合之間的任何1個信號的延遲或配合出現問題都將導致啟動失敗。

在機組啟動初期，SFC、勵磁、監控3個系統之間的信號傳遞要求嚴格分開時間次序。首先，由監控系統發 “Power On”令至SFC，SFC在收到命令以后，啟動輔助設備，待輔助設備啟動正常無故障后向監控系統發出 “SFC Ready”反饋信號。然后，監控系統發送 “SFC Mode”令至勵磁調節器，發送 “Unit*Selection”信號至SFC。勵磁系統在收到命令以后，選擇工作模式為 “SFC Mode”，并發送反饋信號至監控系統。

SFC收到信號后向相應機組的勵磁系統發出“Excitation Released”投入勵磁的請求信號，勵磁系統收到信號后即合上磁場開關。SFC收到磁場開關合閘信號后開始測量轉子初始位置，進入啟動狀態。在此階段，勵磁系統和SFC系統一方面需要精確的時間配合來保證磁場的建立和SFC檢測程序之間的時序同步，另一方面還需要勵磁系統保持電機的磁通恒定以便SFC實現恒轉矩啟動。

在機組頻率達到5 Hz時，監控系統向SFC發出“f＞5 Hz”信號，SFC系統根據此信號進行輸出刀閘的切換。在機組轉速大于99%額定轉速以后，SFC進入同期模式，根據同期裝置發出的增速 “Faster”或減速 “Slower”命令來調整機組轉速，直至機組并網。在收到機組出口開關GCB合閘信號后，SFC閉鎖相關的觸發脈沖，分開輸入輸出開關，啟動完成。

5 SFC與發變組保護間的配合

SFC拖動機組在低速運行模式，以及從低速切換到高速運行過程中，發電電動機的電壓、電流中會含有大量的高次諧波分量，這些諧波分量的存在將影響到互感器測量回路的電壓電流，進而影響保護裝置的測頻、測壓、測流模塊，有可能導致發變組保護的誤動。在設計和設備選型階段需考慮低頻運行和高次諧波對關聯設備的影響，防止啟動過程中保護誤動。SFC功率電子控制器在機組啟動過程中會實時監測啟動回路上的電壓、電流、頻率，內部設有變壓器差動保護，機組的過速保護，機橋網橋的過流保護、差壓保護、低壓保護、過壓保護、接地保護等。以上保護與機組的保護存在功能重復，區域重疊現象，不同的保護定值和延時也同樣可能造成保護誤動，啟動失敗。

6 SFC系統冷卻水溫度過低問題

蒲石河電站SFC系統安裝于地下GIS室，室內空間較大，且位于地下廠房，室溫較低，加之冬季來臨，調試期間地下GIS室室溫接近0℃，內冷卻去離子水溫度最低達到5℃，遠低于晶閘管正常運行溫度20℃。當去離子水水溫達到0℃時，去離子水將凝結，極易導致晶閘管堆和冷卻水管路的損壞。另外，控制盤柜工作環境溫度過低也容易導致卡件不能正常工作。因此，在電站設計階段應考慮增加一定的溫控措施來提高SFC工作環境溫度，或為SFC系統設置單獨工作空間以免外部溫度變化對系統產生影響。對于冬季溫度較低的地區建設抽水蓄能電站，應注重溫度因素對SFC設備安全可靠運行的影響，采取措施避免低溫運行。

7 SFC系統安裝期間絕緣過低問題

蒲石河電站SFC系統在安裝期間，輸入開關母線及電纜設備曾多次出現絕緣過低問題。調試初期，輸入開關母線絕緣電阻最低值達0.9 MΩ，輸入開關至輸入變壓器電纜絕緣電阻最低達3 MΩ。對絕緣電阻較低部分進行檢查發現，輸入開關母線積塵較嚴重，且嚴重受潮。清理母排積塵并對受潮部位進行烘烤加熱后，絕緣電阻上升超過20 MΩ。由此分析，SFC系統在安裝過程中部分元件受安裝環境影響較大，系統絕緣降低很有可能導致放電和短路而損壞設備。

所以，SFC系統安裝期間應嚴格按照要求進行組裝，尤其注意對易受潮、易積塵部位進行必要的成品保護。另外，在安裝期間施工單位應注意絕緣電阻的實時監測，嚴格履行施工單位三級驗收制度以及監理旁站監督制度，確保安裝質量和設備安全。

8 SFC系統安裝調試對蓄能電站首臺機組投運的影響

一般情況下抽水蓄能電站上、下庫徑流及天然來水總量可以滿足電站蓄水的要求，但個別抽水蓄能電站的上水庫天然蓄水量不能達到要求，需考慮其他補水措施來滿足水輪機方向旋轉或啟動所需的最小水量。對于水頭較低的抽水蓄能電站，庫容較大，機組流量較大，需要的蓄水量較多，上水庫蓄水是制約投產工期的關鍵因素。

為了減少上水庫補水方案的投資，節約首臺機組投運的寶貴時間，應合理安排工期，優先安裝和調試完成SFC系統。這樣，首臺機組的首次啟動方式選擇水泵工況啟動，可以直接利用SFC啟動機組，進行水泵工況的動平衡以及并網調相試驗，同時利用外加充水泵向引水系統充水至滿足水泵工況低揚程啟動的水位。然后機組以水泵工況啟動運行，向上水庫充水直至滿足水輪機工況運行所需的水位。

9 結語

在SFC系統的設計過程中，一方面應做好輸出開關的選型工作，另一方面應謹慎考慮拖動過程中故障的預防和處理。純抽水蓄能電站首臺機組首次啟動采用SFC啟動方式，可縮短工期，節省投資。