蒲石河抽水蓄能电站静止变频器调试分析

吕鹏飞，潘立刚，李忠崴

（辽宁蒲石河抽水蓄能有限公司，辽宁 丹东 118216）

蒲石河抽水蓄能电站位于辽宁省丹东市宽甸满族自治县境内，总装机容量4×300 MW。设置一套静止变频器SFC(Static Frequency Convertor)，由法国CONVERTEAM公司提供。为获取较高的经济性和可靠性，机组抽水方向启动方式首选为SFC启动，备用为背靠背启动。SFC拖动可逆式机组作为同步电机运行，启动平稳、迅速可靠、成功率高、维护量小且自诊断能力强。本文结合蒲石河抽水蓄能电站工程实例，介绍了SFC系统调试过程中出现的问题以及解决办法。

1 SFC系统调试问题分析

SFC系统是抽水蓄能电站中比较重要的控制系统，与其他系统相比，它既具有电气一次系统的高电压、大电流等特点，也具有电气二次系统的多输入输出，控制调节复杂等特点。目前国内还没有形成一套成熟的关于SFC系统调试和应用的导则和规范，电站一般根据生产厂家提供的调试程序进行现场调试。调试程序分静态调试和动态调试两个阶段。静态调试中主要包括SFC系统内部输入输出量的测试，SFC系统与其他系统间的通信测试；动态调试主要包括轴线启动、电动机低转速试验、电动机高转速试验、同期并网试验等。

2 SFC紧急停止

SFC启动过程中，在发变组保护动作后，原设计通过监控系统发 “紧急停止”信号停SFC，但实际调试过程中存在保护直接发跳闸信号至输入输出开关的问题。

SFC正常启动机组过程中，输入开关以及输出开关处各变量变化情况如图1、2所示。在输入开关处，启动初期网桥触发角较大，启动电流逐渐上升，很快便进入平稳阶段。随后，频率、电压和电流都基本保持不变。故紧急跳闸情况下，若开关遮断容量和分闸时间皆满足相应要求，则输入开关能可靠拉开故障电流。在输出开关处，低频阶段输出变压器被旁路，输出电压较低，频率较低，启动电流较大，且直流分量较大。若此时发生故障，直接拉开输出断路器，则很可能造成直流拉弧开关损坏。高频阶段时，虽然输出变压器已正常工作，输出电压有所提升，但频率仍较低，启动电流中会存在大量的直流分量，若此时跳闸同样会导致开关的损坏。

图1 启动过程中输入开关处各变量变化情况

图2 启动过程中输出开关处各变量变化情况

若未发 “紧急停止”信号至SFC，而直接跳开断路器意味着在SFC脉冲未被关断的情况下，依靠断路器切断启动回路电流，一方面易导致SFC直流电抗器中的能量因无法释放而产生过电压击穿晶闸管，另一方面低频情况下拉开断路器也容易产生瞬时过电压，拉弧损坏断路器。

因此，蒲石河电站将实际流程关系修改为：先通过监控系统发送 “紧急停止”信号至SFC，待SFC关断所有触发脉冲后，由SFC发出断路器的分闸信号，严禁SFC启动机组过程中保护直接跳输出断路器。

3 SFC接地故障

在SFC正常启动过程中，变频器输入端和输出端均会出现较高的直流电压差以及3倍工频的交流电压差，它们会通过中性点接地的输入变压器、输出变压器、电压互感器以及电动机本身的中性点等形成交直流环流。

蒲石河电站在SFC调试过程中曾多次出现“SFC Ground Fault”接地故障跳闸，同时，定子100%接地保护测值过低也发出跳闸信号。通过对启动回路中所有中性点接地的变压器、电压互感器、测量卡件的详细排查，发现输入变压器为中性点直接接地，输出变压器为中性点经电阻接地，同时存在的2个接地点，使3倍工频的交流电与直流电形成环流，导致越限跳闸。拆除输入变压器中性点接地线后，经再次试验，结果一切正常。

因此，SFC输入变压器中性点应采取不接地运行方式，而输出变压器应采取经电阻接地运行方式，这样可以隔离直流回路和三倍工频交流电回路，消除接地故障跳闸隐患。

4 SFC、励磁、监控系统间的配合

在整个机组启动过程中，监控系统起到发令和各设备间信号传递与判断的作用。励磁系统一方面为转子绕组提供励磁电流，建立主极磁场，另一方面与SFC配合，以测量转子初始位置。上述3者配合之间的任何1个信号的延迟或配合出现问题都将导致启动失败。

在机组启动初期，SFC、励磁、监控3个系统之间的信号传递要求严格分开时间次序。首先，由监控系统发 “Power On”令至SFC，SFC在收到命令以后，启动辅助设备，待辅助设备启动正常无故障后向监控系统发出 “SFC Ready”反馈信号。然后，监控系统发送 “SFC Mode”令至励磁调节器，发送 “Unit*Selection”信号至SFC。励磁系统在收到命令以后，选择工作模式为 “SFC Mode”，并发送反馈信号至监控系统。

SFC收到信号后向相应机组的励磁系统发出“Excitation Released”投入励磁的请求信号，励磁系统收到信号后即合上磁场开关。SFC收到磁场开关合闸信号后开始测量转子初始位置，进入启动状态。在此阶段，励磁系统和SFC系统一方面需要精确的时间配合来保证磁场的建立和SFC检测程序之间的时序同步，另一方面还需要励磁系统保持电机的磁通恒定以便SFC实现恒转矩启动。

在机组频率达到5 Hz时，监控系统向SFC发出“f＞5 Hz”信号，SFC系统根据此信号进行输出刀闸的切换。在机组转速大于99%额定转速以后，SFC进入同期模式，根据同期装置发出的增速 “Faster”或减速 “Slower”命令来调整机组转速，直至机组并网。在收到机组出口开关GCB合闸信号后，SFC闭锁相关的触发脉冲，分开输入输出开关，启动完成。

5 SFC与发变组保护间的配合

SFC拖动机组在低速运行模式，以及从低速切换到高速运行过程中，发电电动机的电压、电流中会含有大量的高次谐波分量，这些谐波分量的存在将影响到互感器测量回路的电压电流，进而影响保护装置的测频、测压、测流模块，有可能导致发变组保护的误动。在设计和设备选型阶段需考虑低频运行和高次谐波对关联设备的影响，防止启动过程中保护误动。SFC功率电子控制器在机组启动过程中会实时监测启动回路上的电压、电流、频率，内部设有变压器差动保护，机组的过速保护，机桥网桥的过流保护、差压保护、低压保护、过压保护、接地保护等。以上保护与机组的保护存在功能重复，区域重叠现象，不同的保护定值和延时也同样可能造成保护误动，启动失败。

6 SFC系统冷却水温度过低问题

蒲石河电站SFC系统安装于地下GIS室，室内空间较大，且位于地下厂房，室温较低，加之冬季来临，调试期间地下GIS室室温接近0℃，内冷却去离子水温度最低达到5℃，远低于晶闸管正常运行温度20℃。当去离子水水温达到0℃时，去离子水将凝结，极易导致晶闸管堆和冷却水管路的损坏。另外，控制盘柜工作环境温度过低也容易导致卡件不能正常工作。因此，在电站设计阶段应考虑增加一定的温控措施来提高SFC工作环境温度，或为SFC系统设置单独工作空间以免外部温度变化对系统产生影响。对于冬季温度较低的地区建设抽水蓄能电站，应注重温度因素对SFC设备安全可靠运行的影响，采取措施避免低温运行。

7 SFC系统安装期间绝缘过低问题

蒲石河电站SFC系统在安装期间，输入开关母线及电缆设备曾多次出现绝缘过低问题。调试初期，输入开关母线绝缘电阻最低值达0.9 MΩ，输入开关至输入变压器电缆绝缘电阻最低达3 MΩ。对绝缘电阻较低部分进行检查发现，输入开关母线积尘较严重，且严重受潮。清理母排积尘并对受潮部位进行烘烤加热后，绝缘电阻上升超过20 MΩ。由此分析，SFC系统在安装过程中部分元件受安装环境影响较大，系统绝缘降低很有可能导致放电和短路而损坏设备。

所以，SFC系统安装期间应严格按照要求进行组装，尤其注意对易受潮、易积尘部位进行必要的成品保护。另外，在安装期间施工单位应注意绝缘电阻的实时监测，严格履行施工单位三级验收制度以及监理旁站监督制度，确保安装质量和设备安全。

8 SFC系统安装调试对蓄能电站首台机组投运的影响

一般情况下抽水蓄能电站上、下库径流及天然来水总量可以满足电站蓄水的要求，但个别抽水蓄能电站的上水库天然蓄水量不能达到要求，需考虑其他补水措施来满足水轮机方向旋转或启动所需的最小水量。对于水头较低的抽水蓄能电站，库容较大，机组流量较大，需要的蓄水量较多，上水库蓄水是制约投产工期的关键因素。

为了减少上水库补水方案的投资，节约首台机组投运的宝贵时间，应合理安排工期，优先安装和调试完成SFC系统。这样，首台机组的首次启动方式选择水泵工况启动，可以直接利用SFC启动机组，进行水泵工况的动平衡以及并网调相试验，同时利用外加充水泵向引水系统充水至满足水泵工况低扬程启动的水位。然后机组以水泵工况启动运行，向上水库充水直至满足水轮机工况运行所需的水位。

9 结语

在SFC系统的设计过程中，一方面应做好输出开关的选型工作，另一方面应谨慎考虑拖动过程中故障的预防和处理。纯抽水蓄能电站首台机组首次启动采用SFC启动方式，可缩短工期，节省投资。