新一代大容量調相機啟動控制策略

張 寅，武 強，王亞婧，馬伯樂，李 藝

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新一代大容量調相機啟動控制策略

張 寅1,2，武 強1,2，王亞婧1,2，馬伯樂1,2，李 藝1,2

（1. 南瑞集團（國網電力科學研究院）有限公司，南京 211106；2. 國電南瑞科技股份有限公司，南京 211106）

新一代大容量調相機已成功應用于特高壓直流送、受端換流站。新一代調相機屬于同步電動機，掛網運行時，消耗電網能量以維持額定轉速運行；啟動過程中，采用靜止變頻器SFC（Static Frequency Converter）實現0轉速至1.05倍額定轉速全速范圍內升速。本文基于國網扎魯特換流站調相機本體電氣拓撲結構，研究了新一代調相機的啟動控制策略，詳細分析了在調相機啟動過程中關聯開關變位時序。同時，研制PLC實現進口SFC一拖二功能。最后，基于扎魯特站現場調相機實際啟動情況，驗證本文提出的新一代大容量調相機啟動控制策略的正確性。

調相機；靜止變頻器SFC；啟動控制策略；開關變位時序

0 前言

新一代調相機相比傳統調相機具有更優良的動態無功補償特性[1-4]。在電力系統發生故障時，新一代調相機可瞬時為電網提供數倍于自身容量的動態無功，為系統提供緊急無功支撐；穩態運行時，具備大容量較寬范圍的動態無功連續調節能力，穩定系統電壓水平[5-7]。

調相機啟動方式主要包括直接啟動、降壓啟動、電動機啟動和靜止變頻器SFC啟動。不少文獻[8-11]對調相機啟動方式已進行一定的研究。SFC因其結構簡單、配置靈活、維護量小等主要優點成為調相機啟動方式的最佳選擇[12-13]。本文基于國網扎魯特站調相機二次設備集成項目，詳細介紹了調相機本體電氣拓撲結構，研究了新一代調相機的啟動控制策略，詳細分析了在調相機啟動過程中關聯開關變位時序。同時，研制PLC實現進口SFC一拖二功能。

1 調相機本體電氣拓撲結構

圖1為包含啟動系統、勵磁系統、同期系統在內的調相機本體電氣拓撲結構圖。如圖1所示，調相機啟動系統配置國電南瑞NES-5900和ABB MEGADRIVE-LCI.ST型雙套靜止變頻器，實現2×300MVA調相機的二拖二雙冗余啟動。單套啟動系統由輸入斷路器、隔離變壓器、SFC本體（進口SFC本體包含配套PLC）、切換開關和高壓隔離開關5部分組成。調相機勵磁系統包含啟動勵磁系統和主勵磁系統。主勵磁系統采用自并勵勵磁方式，在調相機掛網運行時快速調節系統無功；啟動勵磁系統工作于電流閉環模式，受SFC控制滿足調相機升速過程中勵磁需求。調相機啟動方式采用降壓啟動，在啟動過程中，機端電壓控制在額定電壓的10%左右；在掛網運行時，通過高壓隔離開關將SFC與調相機本體隔離。

圖1 調相機本體勵磁系統、SFC 系統電氣拓撲結構圖

大型同步電機靜止變頻啟動技術已日趨成熟[14-15]，對調相機啟動控制技術的研究重點在于啟動系統、勵磁系統、同期系統等各分子系統和DCS（Distributed Control System）系統之間的配合。圖1中，QS01、QS02、QF01分別為啟動勵磁系統交流側開關、直流側開關和磁場斷路器；QF11為主勵磁系統磁場斷路器；ICB1、ICB2為啟動系統輸入斷路器；SCB11、SCB12、SCB21、SCB22為啟動系統切換開關；IPB1、IPB2為啟動系統與調相機本體隔離開關；GCB1、GCB2為調相機本體并網斷路器；NE01、NE02為調相機本體定子中性點隔離刀閘。

2 調相機啟動控制策略

2.1 調相機啟動程控邏輯

圖2給出了不考慮油、水等輔助系統的2號SFC升速1號調相機正常啟動流程圖，包含勵磁系統、啟動系統、同期系統與DCS系統之間的配合，主要程控邏輯如下：

（1）DCS檢測“1號機啟動勵磁就緒”、“2號SFC啟1號機就緒”信號收到；

（2）DCS發“1號機中性點隔刀分閘令”，檢測“1號機中性點隔刀位置已分”信號收到；

（3）DCS發“1號機隔離開關合閘令”，檢測“1號隔離開關已合”信號收到；

（4）DCS發“2號SFC升速1號機啟動令”；

（5）2號SFC收到啟動令，發“切刀SCB21合閘令”，檢測“SCB21已合”信號收到；

（6）2號SFC發“ICB2合閘令”，檢測“ICB2已合”信號收到；

（7）2號SFC啟動冷卻，發“1號機啟動勵磁開機令”；

（8）1號機啟動勵磁收到開機令，發“QS01合閘令”，檢測“QS01已合”信號收到；

（9）1號機啟動勵磁發“QS02合閘令”，檢測“QS02已合”信號收到；

（10）1號機啟動勵磁發“QF01合閘令”，檢測“QF01已合”信號收到；

（11）1號機啟動勵磁強勵，配合2號SFC完成1號機轉子初始位置檢測，執行1號機由轉速0升速至1.05倍額定轉速過程；

（12）1號機轉速到達3150r/min，2號SFC發“1號機轉速到達令”；

（13）DCS收到轉速到達令，發“2號SFC升速1號機退出令”；

（14）2號SFC收到退出令，封整流橋和逆變橋脈沖，發“ICB2分閘令”，發“1號機啟動勵磁停機令”，檢測“ICB2已分”信號收到，反饋“2號SFC已退出”信號，延遲2s發“切刀SCB21分閘令”；

（15）1號機啟動勵磁收到停機令，降低轉子電流至額定空載勵磁電流的3%~5%，以降低惰轉過程中調相機能量損耗，延長惰轉時間；

（16）DCS檢測“2號SFC已退出”信號收到，發“1號機隔離開關分閘令”，同時發“1號機中性點隔刀合閘令”，檢測到“1號機隔離開關分位”和“1號機中性點隔刀合位”信號，發“1號機主勵磁開機令”；

（17）1號機主勵磁收到開機令，發“QF01合閘令”，檢測“QF01已合”信號收到；

（18）1號機主勵磁I段升壓至20%額定機端電壓，發“1號機啟動勵磁停機令”；

（19）1號機啟動勵磁收到停機令，封脈沖，發“QF01分閘令”，檢測“QF01已分”信號收到，發“QS02分閘令”，檢測“QS02已分”信號收到；

（20）1號機主勵磁II段升壓至100%額定機端電壓；

（21）DCS發“1號機同期啟動令”；

（22）1號機同期裝置捕捉同期點，捕捉成功，發“GCB1合閘令”；捕捉失敗，反饋“1號機同期失敗”；

（23）DCS收到“1號機同期失敗”信號，執行快速重啟動流程；

（24）1號機啟動勵磁收到“1號機同期成功”信號，發“QS01分閘令”，檢測“QS01已分”信號收到，DCS執行2號SFC升速1號調相機順控流程退出。

圖2 2號SFC 升速1 號調相機啟動控制流程圖

2.2 調相機啟動關聯開關變位研究

圖3為全轉速范圍內與調相機啟動關聯開關變位時序圖，包括靜止階段、升速階段、惰轉同期階段和調相機掛網運行階段。如圖3所示，通過對調相機啟動過程中各分子系統開關變位時序的研究以驗證調相機啟動程控邏輯的合理性。

圖3含如下6個關鍵設計：

（1）SFC屬于電流源型大功率電力電子設備，其工作時，注入調相機定子電流為方波，含較豐富的諧波。在SFC啟動過程中，需斷開調相機定子中性點隔刀NE01。否則，會引起接地保護誤動作；

（2）實測調相機轉速由3150r/min惰轉至2950r/min時間較短，僅22s。在SFC反饋“1號機轉速已到達信號”時，DCS需快速合閘中性點隔刀NE01，快速分閘隔離開關IPB1，增加同期捕捉窗口；

（3）1號機啟動勵磁收到停機令，降低轉子電流至額定空載勵磁電流的3%~5%，作為主勵磁I段升壓的他勵源，不能完全退出；

（4）1號機啟動勵磁自檢主勵磁升壓至20%額定機端電壓時，啟動勵磁完全退出，分啟動勵磁滅磁開關QF01、分直流側開關QS02；

（5）主勵磁檢測“QS02已分”狀態時，主勵磁II段建壓至100%額定機端電壓；

（6）同期捕捉成功后，1號機啟動勵磁完全退出，分交流側開關QS01。

圖3 2號SFC升速1號調相機正常啟動開關變位時序圖

2.3 調相機快速重啟動開關變位

圖4為同期捕捉失敗進行快速重啟動時開關變位時序圖，包括惰轉階段、快速重啟升速階段、惰轉同期階段和調相機掛網運行階段。與正常啟動不同，啟動勵磁交流側開關QS01在初始惰轉階段已處于合位，節省了啟動勵磁投入時間。

3 PLC一拖二接口設計

進口SFC本體對外接口僅支持1臺調相機的啟動。為滿足實際工程需求，研制PLC進行邏輯切換、接口擴展，實現一拖二功能。

3.1 PLC啟機預判邏輯

如圖5所示，為滿足現場對2套SFC對外接口完全一致的要求，在2號SFC啟機前，需預判2號SFC選擇啟動哪一臺調相機，提前搭建通信信道。

圖5 PLC啟機預判邏輯初始化流程圖

圖5給出了PLC啟機預判邏輯初始化流程圖。在選擇2號SFC啟動調相機前，DCS需提前合閘預啟動機組對應隔離開關；在1號SFC投入運行時，本側切刀SCB11、SCB12處于已就緒位置。表1為PLC信道選擇預判表。

表1中，STARTGEN1為DCS選擇2號SFC升速1號調相機啟動令，STARTGEN2為DCS選擇2號SFC升速2號調相機啟動令。切換開關SCB11、SCB21之間有合閘閉鎖。同理，切換開關SCB12、SCB22之間有合閘閉鎖，故有：

（1）在隔離開關IPB1、IPB2都處于分閘時，默認選擇建立2號SFC啟動2號機信道；

（2）在IPB1分閘、IPB2合閘時，對側切刀SCB12處于合閘位，表明1號SFC正在升速2號機，建立2號SFC啟動1號機信道；對側切刀SCB12處于分閘位，建立2號SFC啟動2號機信道；

（3）在IPB1合閘、IPB2分閘時，對側切刀SCB11處于合閘位，表明1號SFC正在升速1號機，建立2號SFC啟動2號機信道；對側切刀SCB11處于分閘位，建立2號SFC啟動1號機信道；

（4）在IPB1合閘、IPB2合閘時，對側切刀SCB11處于合閘位，表明1號SFC正在升速1號機，建立2號SFC啟動2號機信道；對側切刀SCB12處于合閘位，表明1號SFC正在升速2號機，建立2號SFC啟動1號機信道；若對側切刀SCB11、SCB12均處于分閘位，由DCS啟機令建立信道。

表1 PLC信道選擇預判表

3.2 保護信道閉鎖邏輯

SFC對外接口IO分為普通IO和保護IO，普通IO通過PLC程序設計實現接口的邏輯擴展或合并，會有1個程序運行周期的延時；保護IO要求響應無時延，需提前搭建保護信道。同時，在SFC非運行期間，需閉鎖保護通道。

SFC的保護信道開放區間段選擇為切刀SCB21、SCB22合閘至對應高壓隔離開關IPB1、IPB2分閘持續時間段，如圖6所示。在區間段外，閉鎖保護信道，確保在SFC非運行期間，SFC故障動作不會引起掛網運行調相機的誤跳閘。圖7給出了保護IO接口合并設計圖，圖8給出了保護IO接口擴展設計圖，滿足保護IO經PLC中轉響應無延時的要求。

4 現場試驗結果

由南瑞集團有限公司發電事業部承擔的國網扎魯特站調相機二次設備集成項目于2017年12月11日已成功投運。為了驗證本文提出的新一代大容量調相機啟動控制策略的正確性，截取現場實際啟動過程波形如圖9所示。

圖6 保護信道開放區間段

圖7 保護IO接口合并設計

圖8 保護IO接口擴展設計

圖9 調相機靜止升速至1.05倍額定轉速啟動過程

圖9給出了首臺調相機在扎魯特換流站的實際啟動曲線，驗證了本文提出的新一代大容量調相機啟動控制策略的正確性。

5 結論

新一代調相機的成功投運，為特高壓交直流輸電工程提供次暫態、暫態、穩態不同時間尺度大容量的動態無功補償，在抑制直流換相失敗、提高系統穩定性等方面具有顯著的功效。本文對調相機啟動控制策略進行了研究，詳細分析了調相機啟動過程中關聯開關變位時序關系，基于此，開發了調相機啟動程控邏輯，解決了調相機啟動相關技術難點，為后續調相機工程提供了技術支撐。

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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

張寅（1986-），2012年畢業于湖南大學電氣與信息工程學院，碩士研究生，主要從事發電機勵磁技術和大型同步電機靜止變頻技術的研究。