國產靜止變頻器改造雙套并列運行方式的設計及實現

馬志強 陶 莉

（1.國網新源潘家口蓄能電廠，河北遷西 060409；2.天津引灤工程管理局大黑汀管理處，河北遷西 064300）

國網新源潘家口蓄能電站位于河北唐山遷西縣，是國內最早的大型蓄能電站之一。有 3×90MW蓄能機組，于1991年投入運行。原SFC系統(tǒng)為ABB公司提供，60MW的變頻系統(tǒng)，用于機組的軟啟動和變速運行的功能。

鑒于原系統(tǒng)運行時間較長、備品備件采購困難。潘家口電站于 2007年向國網申請科研項目作為國產化項目改造，新增系統(tǒng)將與原ABB系統(tǒng)并列運行，互為備用。國網公司委托國網電力科學研究院研發(fā)國產大型抽水蓄能機組的靜止變頻器。

“抽水蓄能機組變頻啟動器國產化研制SGKJ[2007]1014”項目（2007年9月～2011年 5月）由國網新源與國網電科院共同承擔合作啟動變頻器改造項目。國網新源潘家口蓄能電廠作為示范現場，負責現場的改造等工作，并配合國網電科院共同完成整套系統(tǒng)的試驗、投運等工作。

由于原SFC系統(tǒng)1991年投入運行，所以現場的施工資料不齊全、現場回路設計復雜，電纜繁多，對新變頻器改造造成的困難很大。

此次改造是國產大型抽水蓄能機組的靜止變頻器首次現場施工，并要求國產變頻器與原ABB系統(tǒng)并列備用運行。新增國產變頻器安裝在原ABB換流閥組之間的空地內，所以給現場施工增加了較大工作量。

本文就國產大型抽水蓄能機組的靜止變頻器首次現場施工進行了分析。

1 SFC運行原理

抽水蓄能機組靜止啟動變頻器采用交—直—交電流源型晶閘管變頻啟動方式實現負載換相式變頻(LCI)調速，用于完成抽水蓄能發(fā)電電動機啟動功能，是抽水蓄能電站核心控制設備，擔負所有蓄能機組抽水工況下的電動機啟動任務。

國產變頻器系統(tǒng)采用高-高 6脈波型式，系統(tǒng)配置示意如圖1所示。

電氣一次主回路系統(tǒng)由網側 CT、網側 PT、網側隔離開關、整流橋、平波電抗器、逆變橋、機側 PT和機側隔離開關組成。輸出側不設置隔離變壓器，整流橋和逆變橋閥串采用熱管散熱器自然冷卻方式，兩個閥串之間接直流平波電抗器，用于抑制諧波和續(xù)流作用。機側和網側接入相應的CT、 PT。

其中網側PT、CT信號均同ABB系統(tǒng)共用。機側PT為新增PT，裝于輸出隔離刀閘與逆變器輸出母線之間。網側CT、網側PT和機側PT分別采集對應電氣信號給控制系統(tǒng)，用于機組啟動控制。網側隔離開關和機側斷路器分別負責主、備用變頻器一次回路的切換。整流閥串將網側工頻電流整成直流，逆變閥串將直流電流逆變成不同頻率的交流電流以達到變頻作用。

二次回路控制系統(tǒng)由控制柜、保護切換柜和兩臺脈沖觸發(fā)柜組成?？刂乒癫杉M量和開關量信號、并對兩臺脈沖觸發(fā)柜發(fā)出脈沖指令。保護切換柜主要實現主回路的保護及主、備兩臺變頻器的二次信號切換。脈沖觸發(fā)柜主要對閥串發(fā)出脈沖以達到控制閥串通斷。

圖1 抽水蓄能靜止啟動變頻器系統(tǒng)

2 國產靜止變頻器系統(tǒng)的組成及運行流程

抽水蓄能機組國產靜止變頻器系統(tǒng)采用國網電科院自主研發(fā)生產的 NES-5500靜止變頻器。裝置控制部分由一臺 NES-5500控制柜、兩臺閥組觸發(fā)監(jiān)控柜（脈沖柜）、一臺保護切換柜組成。一次部分由18MVA整流閥組、逆變閥組、平波電抗器以及高壓隔離開關、過電壓保護裝置、PT等組成。

2.1 SFC啟動過程

在抽水蓄能機組中，靜止變頻器實現機組由靜止狀態(tài)加速啟動，直至并網的全部控制流程，它主要包括投勵、脈沖換相運行、換相方式切換過渡過程控制、負載換相運行、同期調節(jié)和并網六個階段。

(1)在機組處于靜止狀態(tài)時，首先投入勵磁電流，通過勵磁強勵，根據在定子中感應的三相電壓計算轉子初始位置，確定第一組逆變器觸發(fā)脈沖。

(2)待勵磁電流上升至額定值并穩(wěn)定后，變頻器解鎖，進入脈沖換相方式運行。

(3)當機組加速到額定轉速的10%時，首先按照脈沖換相運行至電流過零時刻，再進行換相方式的切換，靜止變頻器由脈沖換相運行轉入負載換相運行。

(4)完成換相方式的切換后，靜止變頻器靠電機反電動勢進行負載換相，按設定轉速加速。

(5)當機組加速到額定轉速的97%時，系統(tǒng)進入同期調節(jié)運行階段。

(6)在同期調整過程中，一旦符合并網條件，切除靜止變頻啟動裝置，延遲一定時間，合上并網控制隔離開關，機組與電網并列運行。

2.2 運行流程

SFC自檢(無報警、無故障信號)監(jiān)控發(fā)出機組選擇信號，SFC收到監(jiān)控開出的機組后，判斷檢測該機組的處于靜止，主隔離開關處于斷開狀態(tài)，SFC機側和網側隔離開關處于分開位置。向監(jiān)控系統(tǒng)確認所選機組號。然后，監(jiān)控開出合閘信號（合機側和網隔離開關），變頻器陽極上電。監(jiān)控開出勵磁投入信號后，再向SFC發(fā)出變頻器啟動令。SFC系統(tǒng)收到啟動令后，向勵磁系統(tǒng)發(fā)出勵磁電流指令IF，開始計算轉子位置直到檢測完畢。變頻器解鎖，開始發(fā)出觸發(fā)脈沖，然后按照啟動過程的六個階段進行控制，直到達到同期并網要求，SFC開出并網信號，封鎖變頻器，合上并網開關后退出。

3 改造的方案及難點

由于潘家口變頻器原來的控制保護系統(tǒng)接線和工況很復雜、程序繁瑣，單獨要更換控制保護系統(tǒng)涉及的接口較多，而且設備更換的過渡期比較長。因此變頻器必須要作為一個整體系統(tǒng)來統(tǒng)一規(guī)劃和實施，這是項目實施中關鍵性的問題之一。否則可能將造成變頻器自身系統(tǒng)的混亂。故在改造的一開始就必須要搞好變頻器詳細的總體設計。

其中包括兩套變頻器的并列運行設計方案的制定、兩套變頻器切換方法的制定等。必須將前期工作做好，將變頻器改造項目建立在扎實可靠的基礎之上。

3.1 兩套變頻裝置并列運行的實現

潘家口主回路改造，切換功能實現如圖2所示。框外部分是改造之前的ABB靜止變頻器主回路原理圖，虛線框內是新增國產設備。當使用國產變頻器啟動時，通過斷開14-5和14-1隔離開關，閉合14-5b和14-1b隔離開關，國產變頻器即同啟動回路連接。同理，使用ABB變頻器啟動時，通過閉合14-5和14-1隔離開關，斷開14-5b和14-1b隔離開關。

圖2 潘蓄靜止變頻器電氣原理圖

圖3 二次信號與國產變頻器系統(tǒng)和ABB變頻器系統(tǒng)的信號切換原理

二次信號改造切換過程如圖3所示。圖3中K1、K2為切換繼電器，其中11、14為常開節(jié)點，11、12為常閉節(jié)點。當K1、K2線圈失磁狀態(tài)時，外部信號通過切換繼電器K1的常閉節(jié)點輸入到ABB-SFC系統(tǒng)，該系統(tǒng)輸出信號同理經過K2也被送至外部。當K1、K2線圈處于勵磁狀態(tài)時，常開節(jié)點11、14閉合，常閉節(jié)點11、12斷開，外部信號通過11、14節(jié)點送至NARI-SFC系統(tǒng)，該系統(tǒng)的輸出信號被送至外部。

這樣將 SFC系統(tǒng)與外部有關的信號，均經過NARI-SFX的切換功能部分，即圖紙方框內部分，就可以實現外部信號與兩套設備的信號的公用。考慮到將來國產的設備作為主要的啟動設備，因此，繼電器線圈失電狀態(tài)下信號處于NARI狀態(tài)下。

3.2 國產靜止變頻器系統(tǒng)的切換

兩套SFC啟動變頻器裝置可在主套和備套之間進行切換。當SFC主套裝置啟動中出現問題或因故障而無法啟動時。電廠人員對SFC裝置進行主備用切換操作，兩套SFC設備切換操作分為主回路切換和二次回路切換兩部分。

3.2.1 主回路切換

如圖2所示，主回路切換由手動操作隔離刀閘14-5、14-5b完成。其中14-1b亦為新增設備，但其受監(jiān)控電控控制，無需人員操作。主回路切換方法如下。

（1）將 ABB變頻器切換至國產變頻器。手動將14-5打開、14-5b閉合。此時保護切換柜繼電器J8點亮，說明國產變頻器主回路切換已完成，否則說明刀閘分、合位置不正確或不徹底。

（2）將國產變頻器切換至 ABB變頻器。手動將14-5b打開、14-5閉合。此時保護切換柜繼電器J7點亮，說明ABB變頻器主回路切換已完成，否則說明刀閘分、合位置不正確或不徹底。

注：為防止主回路切換不正確或不徹底，將主回路切換邏輯條件，加入到原變頻器系統(tǒng)“SFC可用”邏輯中。改造后的變頻器，如果原“SFC可用”條件滿足時報“SFC不可用”，可檢查主回路切換邏輯，并觀測 J7、J8是否在對應邏輯下正確性進行排查。

3.2.2 二次回路切換

投入備套（國產變頻器、ABB變頻器互為備用）SFC裝置電源，查看裝置信號指示燈，工作狀態(tài)是否正常，電源指示是否正常。

確認變頻器在停止狀態(tài)，輸入、輸出斷路器分閘狀態(tài)。二次回路切換方法如下。

（1）將ABB變頻器切換至國產變頻器。

利用鑰匙開關將保護切換柜面板切換把手由“ABB變頻器”切換到“國產變頻器”檔位，此時柜內風扇停止運行，所有切換繼電器（K1-K116）失電。

將保護切換柜內 ABB變頻器部分壓板（YB17-YB32，綠色）由投入狀態(tài)（垂直插接）手工操作為退出狀態(tài)（斜向放置）。

將保護切換柜內國產變頻器部分壓板（YB01-YB16，紅色）由退出狀態(tài)（斜向放置）手工操作為投入狀態(tài)（垂直插接）。

（2）將國產變頻器切換至ABB變頻器。

利用鑰匙開關將保護切換柜面板切換把手由“國產變頻器”切換到“ABB變頻器”檔位，此時柜內風扇開始運行，所有切換繼電器（K1-K116）得電。

A）將保護切換柜內國產變頻器部分壓板（YB01-YB16，紅色）由投入狀態(tài)（垂直插接）手工操作為退出狀態(tài)（斜向放置）。

B）將保護切換柜內 ABB變頻器部分壓板（YB17-YB32，綠色）由退出狀態(tài)（斜向放置）手工操作為投入狀態(tài)（垂直插接）。

4 結 語

現場試驗數據表明，變頻器主設備經受了上電及全功率運行等各種方式運行的考驗。同時也證明了變頻器控制系統(tǒng)的雙套切換功能滿足機組監(jiān)控系統(tǒng)、勵磁系統(tǒng)、機組保護系統(tǒng)和調速系統(tǒng)之間信號傳遞與配合關系是正確的。在機組變頻器啟動過程中，機組各種參數穩(wěn)定，速度變化均勻，啟動動態(tài)特性較好，機組啟動過程滿足預先設計指標。

現場試驗說明了所調試的靜止變頻器系統(tǒng)完全滿足雙套變頻器系統(tǒng)切換運行的設計原理，現場的施工改造是成功的，提高了機組運行的穩(wěn)定水平，簡化了運行人員的操作，降低了運行人員的勞動強度，提高了工作效率，降低生產成本創(chuàng)造了條件。從總體上看， 變頻器系統(tǒng)在現場的試驗結果良好，各項性能指標均符合相關標準及設計要求，因此，設備運行完全可行，且不存在一般和重大威脅，但充分考慮抽水蓄能機組各種工況，要進一步驗證設備的穩(wěn)定性。

[1]魏守平.水輪機控制工程.武漢:華中科技大學出版社,2005

[2]DL/T583-1995 大中型水輪發(fā)電機電機靜止整流勵磁系統(tǒng)及裝置技術條件.北京:中國電力出版社,1996

[3]沈祖詒.水輪機調節(jié)分析.北京:水利電力出版社,1991