抽水蓄能機組SFC系統(tǒng)保護關鍵技術

陳 俊，司紅建，周榮斌，徐 金，嚴 偉，沈全榮

（1.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102；2.江蘇沙河抽水蓄能發(fā)電有限公司，江蘇 溧陽 213333）

0 引言

大型抽水蓄能機組均采用靜止變頻器（SFC）變頻啟動系統(tǒng)，SFC系統(tǒng)是大型抽水蓄能機組水泵工況啟動的重要設備，可以快速、平穩(wěn)地將抽水蓄能機組由靜止拖動到同步轉速，從而減小機組啟動和并網時對電網的沖擊。它的工作原理是，根據(jù)電機轉子位置或機端電壓信息，將頻率逐漸升高的交流電壓加到電機定子上，產生超前于轉子磁場的定子旋轉磁場，通過定／轉子磁場的相互作用，將電機轉子加速到設定轉速[1-12]。

目前，已投產的國內大型抽水蓄能機組SFC系統(tǒng)全部采用進口設備，導致投資成本高，維護和更新困難。隨著國內技術水平的進步，少數(shù)企業(yè)已掌握SFC系統(tǒng)的核心技術，并且成功應用在小型抽水蓄能機組上，具備了取代進口設備的條件。以往，進口SFC系統(tǒng)的保護功能均集成在SFC調節(jié)器中，保護功能簡單，配置不完整，通常不具備變流橋差動保護（ALSTOM公司產品除外）和輸出變壓器差動保護功能①ALSTOM.Power generation-pumped storage power stations starting frequency converter protections description.2003.-②ABB.Static frequency converter protection scheme.2008.，且一些抽水蓄能電站接入SFC調節(jié)器的電流互感器（TA）為測量級，很容易在故障時快速飽和，不能為SFC系統(tǒng)提供可靠的保護，存在一定的安全隱患。雖然SFC系統(tǒng)只在啟動階段投入運行，但考慮到很多抽水蓄能電站只有1套SFC系統(tǒng)，而且其造價昂貴，因此，SFC系統(tǒng)的繼電保護也應引起足夠重視。

綜上所述，有必要研究SFC系統(tǒng)的保護配置方案和關鍵技術，研制單獨的SFC系統(tǒng)保護裝置，為SFC系統(tǒng)提供完備的保護功能，更好地保障設備的安全運行。

1 SFC系統(tǒng)保護配置方案

SFC的拓撲結構按功率橋交流電壓等級分為高-高結構和高-低-高結構；按功率橋脈動數(shù)分為6-6脈動方式、12-6脈動方式和12-12脈動方式。目前抽水蓄能機組SFC多采用高-低-高結構。

大型抽水蓄能機組SFC系統(tǒng)一般采用12-12脈動方式，其典型配置如圖1所示。

圖1所示配置包括調節(jié)器、I／O裝置、保護裝置等二次設備；還包括輸入／輸出斷路器、輸入／輸出變壓器、直流電抗器、整流橋、逆變橋、切換刀閘等一次設備。完整的SFC系統(tǒng)保護的保護范圍應涵蓋以上一次設備。

輸入變壓器保護具體包括：輸入變壓器差動保護、輸入變壓器高壓側過流保護、輸入變壓器高壓側電流變化率保護、輸入變壓器低壓側過流保護、輸入變壓器低壓側電流變化率保護和輸入變壓器低壓側低電壓保護。

變流橋本體差動保護為整流橋、逆變橋和電抗器提供了快速主保護，其包括SFC差動保護1至SFC差動保護4，保護范圍可分別選擇網橋側TA（TA1和TA2）和機橋側電流互感器（TA3和TA4）的兩兩組合。

圖1 SFC系統(tǒng)典型配置圖Fig.1 Typical configuration of SFC system

輸出變壓器保護具體包括：輸出變壓器差動保護、輸出變壓器高壓側過流保護、輸出變壓器低壓側過流保護、輸出變壓器低壓側電流變化率保護、輸出變壓器低壓側過頻保護、輸出變壓器低壓側過勵磁保護、輸出變壓器低壓側零序過壓保護、輸出變壓器高壓側低電壓保護和輸出變壓器低壓側低勵磁保護。

2 SFC系統(tǒng)保護的關鍵技術

2.1 SFC變流橋本體差動保護

SFC系統(tǒng)的網橋側為工頻電流，而機橋側為變頻電流，如何實現(xiàn)兩側頻率不一致情況下的差動保護，是SFC變流橋本體差動保護的難點。

將機橋側變頻電流經算法處理轉換成工頻校正電流，再與網橋側電流構成差動電流和制動電流，采用全周傅氏算法計算。為了提高差動保護的可靠性，采用如下比率制動特性：

其中，IN為網橋側電流，I′M為機橋側校正電流，Id為差動電流，Ir為制動電流，Iqd為差動啟動定值，Kset為比率制動系數(shù)。

RTDS試驗表明，該原理的動作速度與機橋側的頻率無關，動作時間小于30 ms（2倍定值）。

沙河抽水蓄能電站SFC系統(tǒng)負載換相階段的網橋側TA和機橋側TA電流見圖2，由兩側電流構成的SFC變流橋差動保護差流和制動電流（已轉換為相應電流和TA二次側額定電流In的比值）見圖3。

可見，變頻啟動過程中，變流橋差動電流接近于0，遠小于制動電流，差動保護的比率制動系數(shù)可以整定為0.3～0.5，保護可以獲得比較高的靈敏度。

圖2 負載換相階段的網橋側和機橋側電流Fig.2 Currents at grid side and generator side during load commutation

圖3 負載換相階段的差動電流和制動電流Fig.3 Differential current and braking current during load commutation

2.2 輸出變壓器變頻差動保護

輸出變壓器兩側電流為變頻（0～50 Hz），常規(guī)變壓器差動保護均采用工頻算法，無法在此過程中保障輸出變壓器的安全。以往進口的SFC系統(tǒng)均未配置輸出變壓器變頻差動保護功能。

輸出變壓器差動保護應采取與頻率無關的算法，確保低頻情況下也能準確測量，本文采用了發(fā)電機保護中常用的啟停機保護算法，實現(xiàn)了低頻啟動過程中的準確測量①南京南瑞繼保電氣有限公司.PCS-985系列發(fā)電機變壓器組保護裝置技術說明書.2010.；采用變斜率比率制動特性，防止區(qū)外故障導致的誤動[13]。另外，脈沖換相階段可能不帶輸出變壓器啟動，此時，經旁路開關（圖1中的S1）位置接點將輸出變壓器差動保護退出。

2.3 電流變化率保護

電流變化率保護具有動作迅速、靈敏度高的特點，在短路電流上升的起始階段就能動作，而且故障越嚴重，電流變化率保護反應越迅速[15-16]，因此，能夠對變流橋本體的電力電子器件起到很好的保護作用。對于未配置變流橋差動保護的情況，電流變化率保護實際上充當了變流橋本體快速主保護。

但從現(xiàn)場應用情況來看，該保護易受干擾信號的影響，如沙河抽水蓄能電站的進口SFC系統(tǒng)，其調節(jié)器內的電流變化率保護曾多次發(fā)生誤動。

為了提高電流變化率保護的可靠性，可采取以下2個措施：連續(xù)、多次判斷是否滿足動作條件；增加采樣值過流輔助判據(jù)，其與電流變化率判據(jù)均滿足動作條件時，保護才出口。

2.4 機橋側頻率測量方法

SFC系統(tǒng)脈沖換相階段，機橋側電壓波形嚴重畸變，含有大量的諧波分量。圖4為某抽水蓄能電站SFC系統(tǒng)脈沖換相階段的機橋側AB相間電壓波形，顯然，若不進行數(shù)據(jù)處理，難以準確計算電壓的幅值和頻率。如何消除諧波分量的影響，準確測量電壓幅值和頻率，是實現(xiàn)機橋側頻率異常保護、過勵磁保護和低勵磁保護的關鍵。

圖4 機橋側UAB原始波形Fig.4 Original waveform of UABat generator side

為了準確計算機橋側的頻率，需設計高性能的數(shù)字低通濾波器，要求0～60 Hz頻率范圍內不衰減，同時能夠很好地抑制高次諧波，其幅頻特性如圖5所示。

圖5 數(shù)字低通濾波器的幅頻特性Fig.5 Amplitude-frequency characteristic of digital low-pass filter

圖4所示的電壓經以上數(shù)字低通濾波器后的波形如圖6所示。可見，經高性能數(shù)字低通濾波后，機橋側電壓波形大為改善，為準確測量機橋側頻率和電壓幅值創(chuàng)造了條件。

圖7為脈沖換相階段頻率為3.5 Hz的機橋側電壓波形和實測頻率值?？梢?，頻率計算值與實際頻率吻合，采用以上方法，能夠在脈沖換相階段準確測量機橋側的頻率。

圖6 濾波后的機橋側UAB波形Fig.6 Waveform of UABat generator side after filtering

圖7 脈沖換相階段機橋側電壓和頻率Fig.7 Voltage and frequency at generator side during pulse commutation

2.5 提高SFC系統(tǒng)保護可靠性的措施

所有用于SFC系統(tǒng)保護的電流不應取自測量級TA，而應該設置獨立的保護級TA。

脈沖換相階段，機橋側頻率小于5 Hz，TA不能正確傳變，變流橋差動保護和輸出變壓器差動保護均將出現(xiàn)較大的差流，為防止差動保護誤動，應在此過程中閉鎖這2種保護。

不帶輸出變壓器拖動的階段，經旁路開關（圖1中的S1）位置接點將輸出變壓器高壓側過流保護、輸出變壓器高壓側低電壓保護退出；當頻率超過5 Hz，投入輸出變壓器后，相應的保護功能自動投入。

3 現(xiàn)場應用情況

基于本文研究結果開發(fā)了SFC系統(tǒng)保護裝置PCS-985FA，實現(xiàn)了輸入變壓器、變流橋本體和輸出變壓器的所有電氣量保護功能。該裝置采用4U標準機箱，雙CPU系統(tǒng)硬件結構，“與門”出口方式，2個CPU系統(tǒng)之間進行相互校驗，可靠防止硬件異常導致的誤動。

該裝置已在江蘇沙河抽水蓄能電站得到應用，SFC變頻啟動過程中，保護裝置能準確測量機橋側頻率和過勵磁倍數(shù)等重要電氣量，所有保護功能運行正常。自2012年6月投入應用以來，保護裝置未出現(xiàn)任何異常，運行情況良好。

4 結語

進口SFC系統(tǒng)保護功能配置不完整，缺少了SFC變流橋差動保護和輸出變壓器差動保護功能，存在一定的安全隱患。為了克服進口保護設備存在的問題，本文研究了SFC系統(tǒng)保護的典型配置方案和關鍵技術，簡要總結如下：

a.提出了SFC變流橋差動保護方法，實現(xiàn)了與機橋側頻率無關的快速差動保護方法；

b.提出了輸出變壓器變頻差動保護方法，提高了輸出變壓器內部故障檢測的靈敏度；

c.提出了提高電流變化率保護可靠性的措施；

d.設計了高性能數(shù)字低通濾波器，消除了大量諧波分量的影響，實現(xiàn)了機橋側頻率和過勵磁倍數(shù)的準確測量；

e.提出了提高SFC系統(tǒng)保護可靠性的若干技術措施。

根據(jù)本文研究內容開發(fā)的SFC系統(tǒng)保護裝置已在現(xiàn)場得到應用，應用效果良好，具備了推廣應用的條件。該保護裝置同樣適用于F級大型燃氣輪發(fā)電機組的LCI變頻啟動系統(tǒng)，只需將輸出變壓器的相關保護功能退出即可。