仙游抽水蓄能电站SFC的应用与分析

余睿，林文峰

(福建仙游抽水蓄能有限公司，福建　莆田　351100)

【摘　要】　本文简述了福建仙游抽水蓄能电站静止变频器的组成及功能，对实际运行出现的若干案例进行了分析，以期在其他抽水蓄能电站设计阶段对静止变频器(Static Frequency Converter，SFC)的配置、逻辑优化等方面，提供一定的参考和帮助。

【关键词】　静止变频器;系统配置;拖动原理;接地保护;站用电设计;连拖逻辑

0　引言

福建仙游抽水蓄能电站是一座纯调节的抽水蓄能电站，安装4台单机容量300MW的主轴单级混流可逆式水泵水轮机发电电动机组;承担系统内调峰填谷、调频、紧急事故备用、调相、黑启动等任务。静止变频器(SFC)主要用于将发电电动机拖动至额定转速，从而使其并网，SFC启动是抽水蓄能机组电动工况的首选启动方式，具有非常重要的作用。

1　仙游电站静止变频器组成

福建仙游抽水蓄能电站安装配置1套瑞士ABB公司生产的静止变频器，其额定容量为20MW，用于机组抽水工况启动(抽水调相)，变频设备由输入单元、变频单元、输出单元、控制单元、保护单元及辅助单元组成。输入单元包括输入断路器、输入变压器、输入电抗器;变频单元包括整流桥、逆变桥和一组直流电抗器等;输出单元包括输出旁路隔离开关、输出变压器、输出断路器等;控制单元包括电力电子专用控制器AC 800PEC、测量单元、电源装置、脉冲单元等;保护单元包括监视操作装置、输入输出变的保护、变频单元的保护等;辅助单元包括SFC冷却单元、输入/输出变冷却单元等。

输入变额定容量为24.978kVA，采用Dy5接线方式，低压侧为整流器提供7100V的额定电压，高压侧通过2个24kV输入断路器分别从1号、4号主变低压侧引入两路相互独立的15.75kV系统电源，两路电源相互闭锁，互为备用，不得同时投入;一旦出现整流器的桥臂短路时，输入变的漏抗也起限制短路电流的作用。

整流逆变单元采用6-6脉冲模式，可抑制5次、7次谐波;共配置了72个可控硅，即每个桥臂以N+1配置的原则串接了6个4英寸的晶闸管，每个晶闸管均设置过电压自触发保护回路，晶闸管交直流侧均装设相应的过电压保护设备及过电流保护设备。整流桥、逆变桥间装设了感抗为5.7mH的直流电抗器;电抗器额定直流电流为2605A，可对电流进行平波，并限制直流电流的上升率。

输出变配置与输入变一致，其低压侧与逆变桥间配置了一套旁路隔离开关，高压侧通过输出断路器、被拖动隔离开关与发电机机端实现电气连接。当机组运行在5Hz以下时，旁路隔离开关合于旁路侧;当机组运行在5Hz以上时，旁路隔离开关合于输出变侧。

输入变保护由单独设置的保护屏柜和通用型的保护装置实现，配置专用的电流电压测量回路。LCI通过AC 800PEC控制单元实现对过速、接地、磁通故障、整流/逆变桥过流、电源故障等一系列事件的监视。在事故状态下，各保护装置根据保护动作情况，同时输出断路器跳闸指令和变频器停止运行的指令。

SFC冷却系统包括LCI冷却单元和输入/输出变冷却单元两部分。LCI冷却单元为强迫风冷，其中功率柜风机采用2回380V交流电源，直流电抗器室风机电源由380V交流电源经变压器转换引入。LCI冷却单元共9台风机，无冗余设置，SFC系统在运行时任何一台风机故障都将导致SFC跳机。输入/输出变采用强迫油循环冷却方式，冷却系统有两组冷却器，一台主用，一台备用，主备用需要手动切换。仙游电站SFC系统原理图见图1。

2　拖动基本原理

转子初始位置检测是抽水蓄能机组变频启动关键的一个环节，检测正确与否直接决定机组能否启动成功。仙游电站SFC系统采用电磁感应法进行转子初始位置测量;其原理是在机组启动前由变频器设定并给出一个按阶跃函数变化的励磁电流值，此时机组处于静止状态，但由于机组的励磁电流在随给定命令增长过程中是变化的，该变化的励磁电流会在定子三相绕组中感应出电动势，在转子的不同位置下所产生的三相感应电动势的大小、方向均不同，对测得的三相感应电动势进行处理计算后就可以得到转子的初始位置。静止变频器根据测得的转子位置触发相应的可控硅导通，这就能使转子获得最大的转动力矩，使机组顺利启动。

当机组启动开始时，由于发电机电压过低，无法关断导通的逆变侧可控硅，所以在启动的初期过程中(机组转速为10%额定转速以下)，采用强制换相措施，分为低速运行阶段和高速运行阶段，同步地将机组拖动起来。

(1)低速运行阶段。此阶段采用脉冲耦合工作方式，机组在启动初期的电势太低，SFC的逆变桥不能自动换相，换相时强制整流桥全逆变截止回路中的电流，待电流为零时，取消整流桥的全逆变同时发脉冲至下一组待触发的可控硅。

(2)高速运行阶段。此阶段属于同步运行方式，由于电动机电压的自然交替SFC可控硅可以通过自动换相来控制变频单元的触发脉冲，调节SFC输出的启动电流频率。

SFC拖动机组由静止态到额定转速时间小于4min，并网时间小于1min;满足机组频繁启停的要求，能连续逐一启动电站4台机组，并留有启动失败再启动的裕度，即一个工作周期内能连续启动6次;连续工作时间不小于6×(4+1)=30min，并具有间隔30min后再次运行一个工作周期的能力。SFC与监控、励磁系统配合情况见图2，SFC系统启动波形见图3。

3　故障案例分析

3.1　增设接地保护隔离开关

仙游抽水蓄能机组设有100%定子接地保护，采用外加20Hz电源回路的原理检测接地故障; SFC系统也设置了接地保护(在整流桥输入端装设有3相TV，TV中性点短接并经电阻接地，SFC控制器通过检测接地电阻电压判断是否有接地故障)。当SFC拖动机组在5Hz以下运行时，SFC输出侧经旁路隔离开关直接与机端相连，使拖动回路同时存在两个接地点，则三倍工频交流电易与直流电形成环流，该环流可能引起检测电压异常以致保护误动，该情况在其他抽水蓄能电站已得以证实。

机组在5Hz以下运行时接地保护的冗余设置将导致保护误动，降低SFC拖动成功率。仙游电站在SFC接地电阻上端装设接地保护隔离开关，当机组运行在0～5Hz时，断开隔离开关，暂时退出SFC系统接地保护;当机组在大于5Hz情况下运行时，旁路隔离开关合于输出变侧实现电气隔离，不会出现两点接地从而导致保护误动的情况，此时可合上接地保护隔离开关，接地保护正常投入。仙游电站自2013年投运至今未出现因SFC系统接地保护误动导致的抽水调相工况启动不成功事件。

3.2　站用电设计不合理导致的启动不成功分析

某日12:12:9，SFC拖动4号机组抽水调相方向开机;12:15:28，机组转速大于额定转速的25%，监控画面收到SFCCOMMEN ALARM报警信号;12:15:32，监控画面收到SFC跳闸信号;机组跳闸并转停机。在SFC现地控制屏查看信息，SFC系统在发出A_AuxUndervoltage (辅助电压低报警)信号4s后发出T1_AuxUndervoltage(辅助电压低跳闸)信号，导致SFC系统跳机。

SFC辅助系统400V电压为整流、逆变单元及电抗器柜风机电源，一主一备两路风机电源均由主变洞4号低压分配电箱引入。当时由于1号主变处于停役，1号厂高变停运，根据备自投第一逻辑4号低压分配电箱负荷由10kVⅡ段母线(35kV施工变)供电。施工变供电时略比厂高变低，测量SFC本体风机电源为350～370V，而厂高变供电时约为390V;SFC辅助电源监视继电器设定值为低于340V动作(报警并断开风机电源)、高于360V复归(合上风机电源)。由于35kV施工变电源取自农村输变电线路，电能质量不高，且中午12时正处于用电高峰期，本体风机电源已低至350V左右，SFC风机启动时又将电压拉低至340V，电源监视继电器正确动作发出辅助电压低报警并延时跳闸。

该案例反映出的问题:①10kVⅡ段母线由35kV施工变供电，与10kVⅠ/Ⅲ段母线电压相比较低，无法保证电源可靠性，需适当调高变压器电压挡位;②由于前期设计不合理，主备用风机电源均由主变洞4号低压分配电箱引入，当配电盘电压低时无法保证风机备用电源正常供电。

3.3　连拖逻辑的应用

SFC拖动机组完成同期并网断开输出断路器后，其冷却系统(风机及变压器油泵)将延时5min停止，使可控硅及变压器系统得以充分散热。仙游电站在延时5min停冷却系统的逻辑上稍作修改，即SFC系统若在5min之内检测到启动母线隔离开关合上，并收到“operation on”命令时，将合上输入断路器直接转入拖动流程。

由于监控系统向SFC系统发出“operation on”命令是在机组压水完成之后，而机组从停机稳态转至压水成功所需时间约90s，若SFC系统在发出停冷却系统命令的同时收到“operation on”命令则可能导致冷却系统无法启动引起跳机。连拖逻辑改动为应对调度连续拖动的需求起到了重要作用，但也存在启动不成功的风险;为避免功率元件长时间运行导致过热损坏，若非紧急情况，建议确保SFC冷却系统完全停运后再拖动机组。

4　结语

SFC系统是抽水蓄能电站的关键设备，在设计初期根据电站实际情况和设备特点进行合理配置，保证设备的稳定可靠运行。

作者简介:

余睿(1987—　)，男，福建莆田人，助理工程师，主要从事福建仙游抽水蓄能电站励磁系统、静止变频器等二次系统日常运维工作。

林文峰(1981—　)，男，福建连城人，工程师，主要从事抽水蓄能电站运行维护管理。