隨著我國電網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，受地區(qū)水力資源的限制，抽水蓄能電站對電網(wǎng)的調(diào)峰作用日益重要。國家對電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和電源結(jié)構(gòu)調(diào)整提出了更高的要求，使得抽水蓄能電站的建設(shè)步伐加快。抽水蓄能電站中勵(lì)磁系統(tǒng)的運(yùn)行工況較為復(fù)雜，相對于常規(guī)電站有更高的要求，在現(xiàn)場運(yùn)行中常遇到各類問題。

1 項(xiàng)目情況概述

呼和浩特抽水蓄能電站是內(nèi)蒙古自治區(qū)第一座抽水蓄能電站，上下水庫水位差540m，電站共安裝了4臺30×104kW的立軸單級可逆混流式機(jī)組，設(shè)計(jì)年抽水用電量為26.77×108kW?h，年發(fā)電量為20.07× 108kW?h。該項(xiàng)目發(fā)電機(jī)由東方電機(jī)提供。

4臺勵(lì)磁系統(tǒng)均由東方電機(jī)控制設(shè)備有限公司（以下簡稱東方）生產(chǎn)。該項(xiàng)目為UN6800型勵(lì)磁系統(tǒng)在國內(nèi)抽水蓄能電站的首次應(yīng)用。軟件部分由東方自行設(shè)計(jì)，在調(diào)試過程中根據(jù)現(xiàn)場情況進(jìn)行了一些改進(jìn)優(yōu)化。

2 故障說明

2.1 系統(tǒng)概述

勵(lì)磁系統(tǒng)采用雙通道、3整流橋設(shè)計(jì)。勵(lì)磁變高壓側(cè)連接到主變低壓側(cè)，長期帶電。為保證檢修時(shí)可靠斷開電源，在交流進(jìn)線柜內(nèi)設(shè)置一個(gè)抽出式交流隔離開關(guān)作為斷點(diǎn)。交流側(cè)開關(guān)與滅磁開關(guān)設(shè)置有閉鎖邏輯。

勵(lì)磁系統(tǒng)支持正常發(fā)電、背靠背電動機(jī)、背靠背發(fā)電機(jī)、電制動、線路充電、靜態(tài)變頻起動系統(tǒng)（load commutated inverter starting system, LCI）水泵工況等模式，起動前根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)命令進(jìn)行模式選擇及流程、參數(shù)等切換。

監(jiān)控系統(tǒng)由北京貝利提供，LCI系統(tǒng)由ABB提供。該型號勵(lì)磁系統(tǒng)與上述系統(tǒng)均有豐富的配合業(yè)績。

2.2 LCI控制模式說明

該項(xiàng)目在水泵工況下由LCI系統(tǒng)拖動發(fā)電機(jī)至額定轉(zhuǎn)速，LCI系統(tǒng)與勵(lì)磁系統(tǒng)的通信量包含以下幾項(xiàng)：①勵(lì)磁電流給定4～20mA；②勵(lì)磁電流反饋4～20mA；③勵(lì)磁系統(tǒng)投入/切除；④勵(lì)磁系統(tǒng)投入狀態(tài)反饋；⑤在水泵工況起動前，由監(jiān)控系統(tǒng)選擇被拖動機(jī)組和勵(lì)磁系統(tǒng)。

水泵工況起動示意圖如圖1所示。起動后，LCI系統(tǒng)控制勵(lì)磁系統(tǒng)投入，投入時(shí)勵(lì)磁系統(tǒng)切換到手動模式，初始給定值設(shè)為0，并開放勵(lì)磁電流外部模擬量給定模式。

圖1 水泵工況起動示意圖

LCI系統(tǒng)通過4～20mA模擬量來控制勵(lì)磁電流的輸出。

勵(lì)磁投入后跟蹤LCI系統(tǒng)的給定值進(jìn)行調(diào)節(jié)，同期條件滿足時(shí)，同期裝置投入，由同期裝置下達(dá)頻率、電壓調(diào)節(jié)信號至LCI系統(tǒng)，由LCI系統(tǒng)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)電壓及頻率。同期合閘命令發(fā)出的同時(shí)，勵(lì)磁系統(tǒng)切換至自動模式，LCI系統(tǒng)退出運(yùn)行。

2.3 故障情況

在調(diào)試階段的某次水泵工況并網(wǎng)時(shí)，出現(xiàn)了下述情況：拖動過程正常，在同期合閘瞬間，LCI系統(tǒng)正常退出，但勵(lì)磁電流快速下降并觸發(fā)發(fā)變組失磁保護(hù)動作跳機(jī)。

3 故障分析

3.1 故障原因

1）首先列出LCI系統(tǒng)退出條件如下：①系統(tǒng)故障；②同期合閘命令；③發(fā)電機(jī)出口斷路器（generator circuit breaker, GCB）合閘狀態(tài)。

任一條件滿足時(shí)，LCI系統(tǒng)均退出運(yùn)行，同時(shí)閉鎖脈沖，并閉鎖發(fā)送至勵(lì)磁系統(tǒng)4～20mA模擬量信號。

2）勵(lì)磁系統(tǒng)給定消失條件如下：①系統(tǒng)故障；②給定值降低至0。

檢查發(fā)現(xiàn)勵(lì)磁系統(tǒng)并未出現(xiàn)故障報(bào)警信息，而是在保護(hù)系統(tǒng)動作后才跳閘并退出運(yùn)行的。退出時(shí)勵(lì)磁系統(tǒng)運(yùn)行在手動方式下。此時(shí)可以肯定，勵(lì)磁系統(tǒng)當(dāng)時(shí)沒有及時(shí)切換至電壓模式，并且給定值出現(xiàn)了異常。

3.2 過程回溯

根據(jù)圖2所示，在水泵工況下，LCI系統(tǒng)拖動至同期投入狀態(tài)時(shí)，同期裝置運(yùn)行并開始給LCI系統(tǒng)發(fā)送調(diào)節(jié)信號。

圖2 水泵工況控制信號示意圖

在同期條件滿足后，同期裝置同時(shí)發(fā)送同期合閘命令至GCB、LCI系統(tǒng)、勵(lì)磁系統(tǒng)。此時(shí)分別動作GCB合閘、LCI系統(tǒng)退出、勵(lì)磁切換至自動模式等。LCI退出流程，執(zhí)行閉鎖脈沖及閉鎖4～20mA模擬量信號。

理論上LCI退出至閉鎖4～20mA模擬量信號的時(shí)間比勵(lì)磁系統(tǒng)切換自動模式的時(shí)間更長，但這里偏差僅為ms級別。此次故障時(shí)，勵(lì)磁系統(tǒng)還沒有切換至自動模式，LCI系統(tǒng)已退出了4～20mA模擬量信號，導(dǎo)致勵(lì)磁系統(tǒng)電流給定值突降至0，出現(xiàn)此次故障。

4 現(xiàn)場解決方案

鑒于在水泵工況下勵(lì)磁系統(tǒng)由LCI系統(tǒng)控制，在自動模式下必須保證跟蹤LCI系統(tǒng)給定，要解決的問題是如何在并網(wǎng)時(shí)保證勵(lì)磁系統(tǒng)給定值正確，以避免出現(xiàn)錯(cuò)誤的給定情況。故障發(fā)生后，現(xiàn)場討論提出了幾種處理方案。

4.1 方案1

將LCI系統(tǒng)的4～20mA模擬量信號在并網(wǎng)后保持幾秒鐘時(shí)間，在GCB合閘后再退出。這里認(rèn)為，LCI系統(tǒng)在拖動完成退出后不應(yīng)該再接入到無關(guān)流程的控制中，并且此時(shí)勵(lì)磁系統(tǒng)應(yīng)該在自動模式下并網(wǎng)。該方案被否決。

4.2 方案2

在UN6800勵(lì)磁系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)LCI程序流程中，在LCI控制模式時(shí)會保持強(qiáng)制手動（ForceManual）（此時(shí)勵(lì)磁系統(tǒng)不可切換到自動模式）和允許LCI外部給定（EnableLCIRefInput）命令，防止LCI拖動中勵(lì)磁模式切換導(dǎo)致失控，將現(xiàn)場LCI外部模擬量給定對應(yīng)的勵(lì)磁電流輸出設(shè)定為0～1200A。

為避免上述故障情況發(fā)生，可以在同期投入調(diào)節(jié)后、GCB并網(wǎng)前將勵(lì)磁的LCI控制模式退出。而退出該模式，可通過將EnableLCIRefInput命令置零或?qū)?lì)磁系統(tǒng)切換到自動模式來實(shí)現(xiàn)。考慮運(yùn)行安全，采用了自動模式并網(wǎng)的解決方案，并依據(jù)此方案對勵(lì)磁系統(tǒng)程序進(jìn)行了修改。

首先設(shè)定一個(gè)機(jī)端電壓目標(biāo)值，在電壓值達(dá)到時(shí)復(fù)歸ForceManual命令，使勵(lì)磁系統(tǒng)可切換至自動模式。在同期裝置投入后，將勵(lì)磁系統(tǒng)切換至自動模式，閉鎖LCI系統(tǒng)控制。可以通過勵(lì)磁系統(tǒng)自行判斷、監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出切自動命令或?qū)⑼谕度朊钭鳛樽詣幽Ｊ角袚Q條件等方式實(shí)現(xiàn)。

同期控制模式如圖3所示。此時(shí)的增、減電壓信號由同期裝置發(fā)送至勵(lì)磁系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)端電壓調(diào)節(jié)，而LCI系統(tǒng)只需控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速。

圖3 同期控制模式

現(xiàn)場勵(lì)磁系統(tǒng)沒有接入同期投入的接點(diǎn)信號，現(xiàn)場討論也不建議采取勵(lì)磁系統(tǒng)自行切換到自動模式的方式。最終采取監(jiān)控系統(tǒng)控制方式，在發(fā)出同期投入命令時(shí)向勵(lì)磁系統(tǒng)同時(shí)發(fā)出自動模式投入指令。

在同期合閘條件滿足并發(fā)出合閘命令時(shí)，勵(lì)磁系統(tǒng)已切換至自動模式，LCI閉鎖輸出后將不會導(dǎo)致發(fā)電機(jī)失磁情況發(fā)生。

4.3 方案2優(yōu)化

在將上述流程修改后，順利執(zhí)行了多次水泵工況并網(wǎng)操作，但在運(yùn)行1個(gè)月后的一次并網(wǎng)過程中，再次出現(xiàn)了失磁情況。

現(xiàn)場同期裝置合閘需要在同期投入、同期合閘條件滿足、監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出允許同期合閘命令的條件下才會送出GCB合閘指令。

監(jiān)控系統(tǒng)記錄顯示，此次同期合閘時(shí)間非常短，查看勵(lì)磁系統(tǒng)錄波記錄看出，自動方式投入命令與GCB合閘狀態(tài)信號幾乎同時(shí)動作，但勵(lì)磁系統(tǒng)的GCB合閘狀態(tài)為接點(diǎn)反饋信號，實(shí)際GCB合閘時(shí)間應(yīng)早于自動模式投入指令。故障仍然是勵(lì)磁系統(tǒng)手動方式下并網(wǎng)，LCI給定值消失導(dǎo)致。

為解決該問題，在監(jiān)控系統(tǒng)流程中增加了勵(lì)磁自動模式判斷條件。在檢測到勵(lì)磁系統(tǒng)自動模式反饋信號后，再允許同期合閘，這樣就從根本上避免了此類故障情況的發(fā)生，最大程度上保證了發(fā)電機(jī)運(yùn)行安全。

4.4 現(xiàn)場運(yùn)行情況

方案修改前，同期投入后，由同期裝置發(fā)送增/減磁、增/減速信號至LCI系統(tǒng)，LCI系統(tǒng)控制發(fā)電機(jī)（電動機(jī)）轉(zhuǎn)速及機(jī)端電壓。并且，項(xiàng)目合同中對拖動時(shí)長也有考核要求。因此，方案修改前，擔(dān)心同期調(diào)節(jié)時(shí)間增長、影響LCI系統(tǒng)調(diào)節(jié)等情況發(fā)生，具體如下：

1）方案增加了勵(lì)磁系統(tǒng)自動模式切換的數(shù)秒時(shí)間，但根據(jù)歷史記錄核算，不影響考核時(shí)間。

2）勵(lì)磁切換自動模式后，將保持機(jī)端電壓為切換瞬間的給定值，此時(shí)LCI系統(tǒng)調(diào)節(jié)定子電流又會影響機(jī)端電壓值，造成互相影響。

3）根據(jù)多次拖動過程的錄波以及LCI控制原理分析，同期投入后，機(jī)端電壓和LCI輸出定子電流大小基本維持不變，僅緩慢調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，不會出現(xiàn)不穩(wěn)定情況。并且LCI及勵(lì)磁系統(tǒng)均有完善的保護(hù)功能，并網(wǎng)前出現(xiàn)異常也不會對各個(gè)系統(tǒng)造成損害。決定試運(yùn)行該方案進(jìn)行驗(yàn)證。

目前，方案修改后已運(yùn)行5年時(shí)間，并未對同期合閘時(shí)間造成影響，現(xiàn)場LCI系統(tǒng)也運(yùn)行正常，未出現(xiàn)異常調(diào)節(jié)情況，充分驗(yàn)證了該方案的可靠性。

5 結(jié)論

綜合上述分析及現(xiàn)場運(yùn)行情況，在抽水蓄能機(jī)組中可參考呼蓄電站的水泵工況并網(wǎng)流程，同時(shí)根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況優(yōu)化判斷條件及勵(lì)磁調(diào)節(jié)模式切換方案，避免水泵工況下并網(wǎng)時(shí)出現(xiàn)失磁故障。

以上研究成果發(fā)表在2020年第11期《電氣技術(shù)》，論文標(biāo)題為“抽水蓄能電站勵(lì)磁系統(tǒng)水泵工況并網(wǎng)流程分析”，作者為安冬、魏蔓。