抽水蓄能電站SFC的應(yīng)用與參數(shù)優(yōu)化

單 華 ， 彭宇菲， 徐 鋼

(1.江蘇方天電力技術(shù)有限公司, 江蘇 南京 211102；2.南京師范大學(xué)，江蘇 南京 210023)

·發(fā)電技術(shù)·

抽水蓄能電站SFC的應(yīng)用與參數(shù)優(yōu)化

單 華1， 彭宇菲2， 徐 鋼1

(1.江蘇方天電力技術(shù)有限公司, 江蘇 南京 211102；2.南京師范大學(xué)，江蘇 南京 210023)

靜態(tài)變頻啟動裝置(SFC)作為抽水(水泵)工況啟動的變頻啟動電源, 是以轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器為基礎(chǔ)的設(shè)備，主要用于向機組施加以轉(zhuǎn)矩，將其拖動至電動機方向期望的轉(zhuǎn)速, 從而使機組并網(wǎng)。本文闡述了SFC的基本工作原理、主要設(shè)備、作用和啟動流程，并分析和總結(jié)了在啟動過程中遇到的問題及處理方法。

靜態(tài)變頻啟動裝置(SFC)；抽水調(diào)相；轉(zhuǎn)子位置；參數(shù)優(yōu)化

靜態(tài)變頻啟動裝置(SFC)是抽水蓄能電站的關(guān)鍵設(shè)備，其作用是在機組水泵工況運行時，向電機定子注入變頻電流，拖動機組轉(zhuǎn)子平穩(wěn)加速直至并網(wǎng)。我國SFC系統(tǒng)主要依靠進口，雖然已初步工程應(yīng)用，但尚未實現(xiàn)批量生產(chǎn)，隨著國內(nèi)SFC技術(shù)應(yīng)用日漸成熟，相信在不遠的將來能夠國內(nèi)抽水蓄能電站廣泛應(yīng)用國產(chǎn)SFC。以下以溧陽抽水蓄能電站為主，對其進行介紹。

溧陽抽水蓄能電站地處江蘇省西南部。地下廠房安裝了6臺單機容量為250 MW的混流可逆式水泵水輪電動發(fā)電機組，總裝機容量1500 MW，擔(dān)負電網(wǎng)的調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相、事故備用等任務(wù)。此性能對以后的機組檢修或軸系平衡檢測有極大的作用。

圖1 SFC系統(tǒng)一次示意圖

1 SFC主要設(shè)備及保護配置

溧陽抽水蓄能電站未設(shè)置背靠背起動方式，其機組電動工況起動方式為SFC啟動，共設(shè)有2套SFC，既可同時運行，也互為備用。如圖1所示，第一套SFC電源接自2、5號主變壓器低壓側(cè)離相封閉母線，兩路電源互為備用；第二套SFC電源接自3、6號主變壓器低壓側(cè)離相封閉母線，兩路電源互為備用。

該站SFC采用GE公司所提供的SD7000設(shè)備。其配套的容量為18 MW SFC，具備240 s內(nèi)完成機組從0～300 r/min的起動的能力，該容量的SFC拖動1臺發(fā)電-電動機在同步轉(zhuǎn)速下運轉(zhuǎn)可以不受時間限制。

1.1 SFC主要設(shè)備及輔機

SFC主要由2個并聯(lián)連接的12相脈波的整流-逆變裝置、輸入電抗器、輸入變壓器、輸入側(cè)暫態(tài)過電壓保護裝置、直流平波電抗器、輸入/輸出斷路器、隔離開關(guān)、輸出電抗器、輸出變壓器、輸出側(cè)暫態(tài)過電壓保護裝置、冷卻系統(tǒng)、控制、保護和監(jiān)測系統(tǒng)、轉(zhuǎn)子極位測量裝置、測速裝置等組成。

SFC一般分為他控變頻和自控變頻2種，他控變頻是用獨立的變頻電路向被啟動的電動機組供電，而自控變頻則由轉(zhuǎn)子位置檢測器來控制變頻電路觸發(fā)脈沖，溧陽抽水蓄能電站采用前一種控制方式。

1.2 SFC繼電保護

SFC系統(tǒng)保護范圍涵蓋所有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進行配置，一般有差動保護，速斷過流保護，限時速斷保護，過負荷保護，單相接地保護，非電量保護。需要說明的是，輸出變由于是變頻電氣量，因此保護采樣應(yīng)含濾波模塊。

格里茲橋通常配置差動保護，由變流橋本體實現(xiàn)。SFC網(wǎng)橋側(cè)為工頻電流，機橋側(cè)為變頻電流，如何將機橋側(cè)變頻電流轉(zhuǎn)換成工頻校正電流是SFC保護的難點之一。已有裝置中包括比率制動差動保護，其動作方程為：

(1)

式中:Inb為網(wǎng)橋側(cè)工頻電流;Imb為機橋側(cè)變頻校正電流;Iqd為差動保護啟動電流;Kset為比率制動系數(shù)。溧陽抽水蓄能電站SFC設(shè)備起初差動保護只采用Id=|Inb-Imb|作為唯一動作判斷條件，無其他閉鎖，啟動過程中經(jīng)常發(fā)生誤動。

在低速階段機橋側(cè)頻率小于5 Hz時電流互感器不能準(zhǔn)確傳變，差動保護應(yīng)閉鎖，該功能通過輸出變旁路刀閘位置的輔助結(jié)點實現(xiàn)。

2 機組抽水調(diào)相啟動流程介紹

機組抽水調(diào)相采用SFC啟動，盡管設(shè)備配置有所不同，但啟動流程是基本不變的。

2.1 自動開停機

機組抽水調(diào)相自動開停機流程首先由機組現(xiàn)地控制單元(LCU)調(diào)用停機態(tài)到停機熱備態(tài)，包括：退出機坑加熱器及啟動推力及下導(dǎo)外循環(huán)油泵，開啟緊急停機電磁閥，退出蠕動裝置，啟動機組技術(shù)供水泵，啟動推力及上導(dǎo)、下導(dǎo)油霧吸引裝置，啟動碳粉吸塵裝置，啟動水導(dǎo)外循環(huán)油泵，開啟調(diào)速器油壓裝置隔離閥，退出接力器鎖錠，退出機械制動等輔機設(shè)備。

其次由機組LCU調(diào)用停機熱備態(tài)至抽水調(diào)相態(tài)，包括：合抽水工況閘刀，置工況轉(zhuǎn)換閥為水泵工況，合啟動閘刀對SFC上電，水機充氣壓水，調(diào)用SFC輔機設(shè)備啟動流程，設(shè)置勵磁系統(tǒng)在SFC啟動模式，設(shè)置調(diào)速器在調(diào)相控制模式。上述步驟均完成后，調(diào)用SFC啟動流程。其中啟動母線聯(lián)絡(luò)開關(guān)的投切取決于機組啟動對SFC的選擇。

值得注意的是在啟動過程中充氣壓水引起的機組蠕動會影響轉(zhuǎn)子位置檢測的準(zhǔn)確性，降低啟動的成功率，因此現(xiàn)場增加“充氣壓水前機械制動投入、充氣壓水成功后機械制動退出”的流程，明顯提高了啟動的成功率。

2.2 同期并網(wǎng)

在SFC和機組勵磁系統(tǒng)的配合下，發(fā)出啟動勵磁系統(tǒng)指令，建立SFC啟動的電氣軸(SFC與機組之間通過電氣設(shè)備建立的一種電的聯(lián)系)，當(dāng)SFC確定機組的轉(zhuǎn)子位置后，建立定子電流啟動機組，通過低速和高速2個階段直接將機組拖動至49.5 Hz，同時勵磁系統(tǒng)將機組的機端電壓調(diào)節(jié)至95%Un(Un為發(fā)電機額定電壓)，監(jiān)控發(fā)令啟動同期裝置，同期裝置將跟蹤系統(tǒng)的頻率和電壓不斷地向勵磁系統(tǒng)和SFC發(fā)出調(diào)節(jié)電壓和轉(zhuǎn)速的指令。當(dāng)同期裝置檢測到同期三要素滿足時合上發(fā)電機出口開關(guān)，SFC轉(zhuǎn)入備用狀態(tài)，分開啟動閘刀，勵磁系統(tǒng)在自動電壓調(diào)節(jié)模式下正常工作，至此機組停機態(tài)至抽水調(diào)相態(tài)的啟動結(jié)束。

3 SFC參數(shù)優(yōu)化

目前SFC采用全控橋自動換相必需有相適應(yīng)的交流電壓。當(dāng)機組處于靜止?fàn)顟B(tài)時，機端電壓基本為零，過低的交流電壓會使全控橋無法自動換相， 因此機組拖動至定速的過程分為低速階段和高速階段。

3.1 低速模式

低速階段也稱強迫換相階段，其影響拖動成功率的2個關(guān)鍵因素：一是轉(zhuǎn)子位置檢測，通過確定轉(zhuǎn)子當(dāng)前位置從而計算出格里茲橋的導(dǎo)通順序；二是強迫換相的時機。

3.1.1 轉(zhuǎn)子位置檢測方法

轉(zhuǎn)子位置檢測的準(zhǔn)確性是SFC啟動過程中低速階段能否強制拖動的關(guān)鍵因素[1]。從實現(xiàn)方法上來看，目前主要有3種：(1) 轉(zhuǎn)子位置傳感器檢測；(2) 大軸位置編碼檢測；(3) 定子電壓檢測。定子電壓檢測由于無需任何外部設(shè)備，實施簡單，減少了啟運過程的中間環(huán)節(jié)，且目前技術(shù)較成熟，在實際應(yīng)用中最為廣泛，溧陽抽蓄也采用此方法。

轉(zhuǎn)子的可能初始位置有無限多個，但機橋可能的導(dǎo)通橋臂組合只有6種[2]。所以將電機定子內(nèi)的空間劃分為6個60°的扇形區(qū)，每個扇形區(qū)的起始軸線均為定子繞組一相的磁場的軸線，轉(zhuǎn)子軸線必然處于6個扇形區(qū)之一。定子電壓檢測法通過在SFC啟動前瞬間投入勵磁電流時測量定子側(cè)電磁感應(yīng)電壓，從而精確計算出第一對導(dǎo)通的晶閘管。通過兩支晶閘管閥組導(dǎo)通產(chǎn)生的定子磁通，2個磁通矢量相距小于60°空間角度，令轉(zhuǎn)子獲得最大的啟動力矩，拖動機組。

調(diào)試階段大量的參數(shù)調(diào)整是為獲得與監(jiān)控、勵磁的指令時間上的最佳配合，若設(shè)置不當(dāng)，機組將無法可靠啟動。

在溧陽抽蓄電站首臺機組拖動試驗前期，SFC拖動的成功率較低，經(jīng)多次錄波比較發(fā)現(xiàn)，從SFC發(fā)出勵磁啟動命令到勵磁調(diào)節(jié)器增磁至設(shè)定值的時間間隔過大，以致SFC所采集到的定子電壓不能每次都實時反映轉(zhuǎn)子位置的實際情況，從而使SFC無法分析出此時轉(zhuǎn)子的初始位置，機組無法正確轉(zhuǎn)動。圖2所示勵磁增磁時間為1.60 s時，SFC開始啟動的失敗波形。

圖2 SFC拖動失敗波形

考慮到勵磁電流是按階躍函數(shù)變化的，如果起勵時間過長，磁通變化率小，SFC捕捉不到定子電勢；如果起勵時間過短，磁通變化率消失的過快，同樣會導(dǎo)致SFC測不出轉(zhuǎn)子位置。如圖3所示，經(jīng)過反復(fù)試驗并修改參數(shù)，當(dāng)勵磁電流升至設(shè)定值時間為1.8～2.1 s時,SFC滯后啟動時間設(shè)置為0.3～0.5 s，同時將勵磁設(shè)定電流值由If0(If0為勵磁空載額定電流)升至1.05～1.10倍If0，機組能可靠啟動。

圖3 SFC拖動成功波形

3.1.2 強迫換相

在低速階段，每一個換相周期等于取消原回路電流的時間與非換相時間以及回路電流恢復(fù)時間之和。取消回路電流的時間經(jīng)測試至少要4～8 ms，隨著機組轉(zhuǎn)速的增加，可用于恢復(fù)回路電流的時間將越來越短，最終將無法繼續(xù)強迫換相方式，為此必須對脈沖耦合方式中的上限工作頻率設(shè)定一限制值，一般此頻率設(shè)定在2.5～8 Hz左右。試驗中，機組在5 Hz強迫換相時啟動多次失敗，經(jīng)反復(fù)試驗后改在4 Hz強迫換相，啟動成功率才顯著提高。圖4所示4 Hz換相成功時的勵磁、定子電流波形。

在勵磁起勵2.07 s時，勵磁電流達到105%If0，SFC根據(jù)感應(yīng)到磁通，整流-逆變裝置開始向定子注入變頻電流。在轉(zhuǎn)速到達4 Hz時，強制換相，啟動成功切入高速模式控制。

3.2 高速模式

高速階段為同步運行方式，其機端電壓與機組轉(zhuǎn)速成正比，且隨之上升，由于機端電壓的上升，機橋晶閘管輸出交流電壓亦隨之升高，元件此時已進入自然換相的工作狀態(tài)，即退出換相的晶閘管元件電流會被自動截止。此時SFC根據(jù)力矩設(shè)定值和轉(zhuǎn)速基準(zhǔn)值，并通過測量機橋、網(wǎng)橋側(cè)電流、電壓來控制觸發(fā)脈沖，從而調(diào)節(jié)SFC輸出的啟動電流將機組拖動至99%Ne(49.5 Hz)(Ne為發(fā)電機額定轉(zhuǎn)速)，并最終啟動發(fā)電機出口開關(guān)、同期并網(wǎng)。為了使SFC能在整個頻率范圍內(nèi)能正常工作，要求脈沖耦合方式的工作頻率上限應(yīng)高于同步工作方式的工作頻率下限，使兩種工作方式能有效的切換與相接。

圖4 4 Hz換相成功時的勵磁、定子電流波形

在溧陽抽蓄首臺機組拖動至25～40 Hz期間，多次發(fā)生SFC差動保護動作引起啟動不成功[3]。經(jīng)SFC復(fù)位后，報警信號能消除，檢查并未發(fā)現(xiàn)故障存在，SFC也能正常再次啟動。對現(xiàn)場多次成功拖動的波形分析發(fā)現(xiàn)，由于整流和逆變，導(dǎo)致存在大量諧波干擾，在確認設(shè)備無任何故障時，最大差流能達到0.25Ie(Ie為SFC額定電流)[4]，為此將動作電流設(shè)置為0.3Ie并優(yōu)化部分諧波的干擾和采樣時間，啟動成功率明顯提高。建議SFC差動保護采用比率差動特性，在啟動過程中逐步增大差動電流動作值，可兼顧低速階段故障的靈敏性和高速階段的選擇性。

4 結(jié)束語

SFC作為重要的啟動設(shè)備，帶動機組運行啟動平穩(wěn)，不存在失步問題，而且成功率高、維護量小，被抽水蓄能電站廣泛采用。本文結(jié)合抽蓄現(xiàn)場的SFC啟動試驗，對SFC啟動流程、保護設(shè)置及啟動參數(shù)進行優(yōu)化，大大縮短了啟動調(diào)試的時間，為同類機組的SFC啟動試驗提供了參考。

[1] 陳 剛，廖文亮，彭永懷. 抽水蓄能機組變頻啟動時3種轉(zhuǎn)子位置測量方式的比較[J]. 華東電力，2008， 36(10): 142-144。

[2] 李集成. 現(xiàn)代同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用[M]. 北京：中國電力出版社,2009:415-448.

[3] 舒建紅，鄭建鋒. 靜止變頻器在抽水蓄能電站中的應(yīng)用[J]. 華東電力，2010，32(8): 39-43.

[4] DL/T 1166—2012大型發(fā)電機勵磁系統(tǒng)現(xiàn)場試驗導(dǎo)則[S]. 北京： 中國電力出版社， 2012.

單 華

單 華(1985 —)，男，江蘇揚州人，工程師，從事發(fā)電廠繼電保護工作;

彭宇菲(1995 —)，女，江蘇南京人，本科在讀，專業(yè)為電氣工程及其自動化;

徐 鋼(1967 —)，男，江蘇揚州人，高級工程師，長期從事繼電保護及勵磁系統(tǒng)的試驗研究工作。

Application and Parameter Optimization of SFC in Pumped Storage Power Plant

SHAN Hua1, PENG Yufei2, Xu Gang1

(1. Jiangsu Frontier Electric Technology Co. Ltd., Nanjing 211102, China;2. Nanjing Normal University, Nanjing 210023, China)

Static frequency converter (SFC), as the variable frequency starting device of pumping conditions, is based on the speed regulator equipment. It is mainly used to apply the torque to the unit and drag it to the desired speed, so the unit can connect to the grid. This paper expounds the basic working principle, main equipment, and function of the SFC, also analyzes and summarizes the problems and solutions in the starting process.

static frequency converter starting device (SFC); pumping phase modulation; rotor position; parameter optimization.

2016-10-11；

2016-11-02

TV743

B

2096-3203(2017)01-0109-04