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国产SFC设备在江苏沙河抽水蓄能电站应用研究20140929

首套国产百兆瓦级抽水蓄能机组SFC设备现场试验研究

闫伟1、魏伟2、常玉红3、吴龙1、易承勇2、姜涛2

(1.南京南瑞继保电气有限公司,江苏省南京市 211102;2. 安徽响水涧抽水蓄能有限公司,安徽芜湖市 241080;3. 国网新源控股有限公司,北京市宣武区 100761)

(国家电网公司科技项目)

摘要:本文首先论述了SFC设备现场动态试验的内容,提出动态试验应包括励磁电流控制试验、转子位置检测试验、初始转动试验、脉冲换相控制试验、工况切换试验、电机升速试验、并网试验等试验,并分别对各个试验的目的及原则进行了讨论。在此基础上,对首套国产百兆瓦级抽水蓄能机组SFC设备在安徽响水涧抽水蓄能电站(4*250MW)的现场动态试验进行了研究。

关键词:国产SFC 转子初始位置检测脉冲换相现场试验

1 前言

SFC:静止变频器(Static Frequency Converter),是抽水蓄能电站大型可逆式机组进入水泵工况时的主要启动设备,属于抽水蓄能电站的核心控制设备[1,2]。长期以来,国内抽水蓄能电站SFC设备全部依赖进口。2014年4月份,由我国自主研制的首套百兆瓦级抽水蓄能机组SFC设备在安徽响水涧抽水蓄能电站完成全部试验,顺利投入试运行。本文针对国产SFC设备的现场动态试验进行讨论。

2 现场SFC设备

响水涧抽水蓄能电站已有一套完整SFC设备,国产SFC设备与原SFC设备共用原输入、输出断路器及输入、输出变压器,通过输入切换刀闸SW11、SW21及输出切换刀闸SW12、SW13、SW22、 SW23与原SFC设备进行一次回路切换,见图1;二次信号回路通过专门的切换柜实现切换。国产SFC设备由控制柜、网桥柜、电抗器柜、机桥柜、进出线柜及输出变切换开关组成,设备设计容量20MW、额定电压5660V、额定直流电流2551A,可控硅功率桥每臂采用3+1冗余串联方式。

图1 现场SFC设备一次回路图

3 动态试验内容

SFC设备一直由国外厂商供货,其现场调试也一直由国外厂家主导,国内目前没有SFC 设备现场调试的相关标准或规程, SFC设备进行有序、完整的动态试验有利于调试过程中设备安全以及设备后期的稳定可靠运行。本文首先对SFC设备的动态试验内容进行论述。3.1 励磁电流控制

SFC设备在启动机组时,需要通过控制励磁进行电机转子初始位置检测,以及在电机启动过程中对启动力矩进行辅助控制,所以在进行启机试前首先要进行SFC设备对机组励磁电流的控制试验。SFC对励磁的控制有两种方式:一种是SFC输出励磁电流给定值信号到励磁设备,由励磁设备控制励磁电流大小;另外一种SFC直接控制励磁,励磁设备按照SFC励磁控制输出大小输出相应励磁电流。两种方式下,都需要对SFC设备与励磁设备之间的测量通道、测量定标进行校核;尤其要对励磁电流闭环控制参数进行试验校核,以确定在SFC通过励磁电流阶跃控制测量转子初始位置时,转子励磁电流上升速率足够快,从而使电机定子侧感应足够高的电压,提高SFC对转子初始位置检测的准确及可靠性。

3.2 初始位置检测

电机转子处于静止时,在电机转子突加励磁,会在定子感应出三相单调衰减的电压信号,通过对该信号的处理、计算获得转子初始位置。转子处于不同的位置,定子感应三相电压大小不同,SFC的转子位置检测要适应各种位置上的检测,做到准确、稳定(同一位置,多次测量值的一致性)。准确、稳定的转子位置检测是后续启动控制的基础。

3.3 机组初始转动

电机转子初始位置角获得后,通过SFC机桥的导通控制,给电机定子某两相通电流,产生正向力矩,实现转子初始转动。通入定子的电流大小及方向是否能够产生足够大的、正向力矩,使电机实现初始正向转动,需要进行试验整定和验证。同时通过初始转动也可以对电机转子初始位置检测进行校验。在机组初始转动正常后再进行后续试验,可避免初始启动异常对后续启动产生不利影响,对确保SFC设备及机组安全也是有益的。

3.4 脉冲换相控制

在完成机组初始转动后,机组启动进入脉冲换相阶段。当检测到机桥需要换相时,网桥逆变使回路中电流为零,机桥原来导通的桥臂关断,再重新使网桥恢复整流状态,给机桥下一组要导通的桥臂施加触发脉冲,实现机桥换相。脉冲换相阶段直流电流id是断续状态,如图2所示,其中T m为电机周期,t1、t2及t3分别为电流下降、电流判零及电流建立所需的时间,t1=5~8ms,t2=5~10ms,t3取决于回路时间常数及控制速度,t4=600~10ms,t4随机组转速上升而缩短。电流控制过程持续时间t3+t4最短可至20ms。电流断续及控制过程短暂对脉

冲换相阶段中每一次换相后电流恢复时的控制要求较高:在t3阶段要求较快的控制速度,在t4阶段要求电流平稳,并且随着机组转速上升,SFC 输出的直流电流保持在给定水平。脉冲换相阶段的控制参数直接影响机组在该阶段启动时震动的大小,以及升速快慢,控制参数的选取需要平衡震动小与升速快这两个相互矛盾的因素。

图2 脉冲换向阶段直流回路电流波形

3.5 工况切换

通过脉冲换相控制,使机组转速上升到一定值、机端感应电压也升至可以使机桥桥臂自然关断、实现自然换相时,需要进行脉冲换相到负载换相的工况切换控制。当机组频率达到切换频率switch f 时,首先网桥逆变将回路中电流降为零,同时机桥退出脉冲换相控制模式,回路电流为零后分开输出变旁路开关(或刀闸)S2,确认S2分开后合输出变接入开关S1,之后网桥恢复整流状态,机桥进入负载换相控制模式。在上述过程中,需要关注切换过程中各个控制环节的时序是否正确、机组转速有没有明显下降。切换频率switch f 的整定应考虑两方面的要求:

该频率下机端电压足够高,能够使机桥阀组自然关断,切换频率不能超过上限。 在脉冲换相控制过程中,回路电流降为零和电流建立按照图2进行,极端情况是:

6/)321(M T t t t =++

此时电机定子通流时间为(t3+ t1),通流时间最短,施加到转子上的有效力矩时间最短,所以switch f 应满足下式:

)

321(61

t t t f switch ++<

3.6 机组升速

机组升速阶段需要考察机组实际转速对转速参考的全程跟踪情况、回路电流的稳定性、SFC 设备能否在自身设计功率范围内将机组拖动至同步转速,需要对SFC 控制器参数进行整定,如整定双闭环控制参数。机组启动过程中,SFC 控制器采用双闭环控制方式[3,4],如图3所示:外环为转速闭环,采用PI(比例积分)调节,内环为电流闭环,也采用PI 调节方式。

图3 SFC闭环控制原理图

外环转速环输出的电流参考值变化会影响内环电流环的调节效果,而内环对回路电流的调节效果直接影响电机转速,转速作为外环的测量输入,又会影响外环的控制结果。所以对SFC双闭环PI控制参数的调试需要将外环与内环解耦。可采用使转速外环进入限制区、电流内环做电流阶跃的方式,消除外环对内环的影响,对电流环的参数进行调试。在内环动态性能达到要求后,对转速外环通过转速阶跃进行控制参数整定。

3.7 机组并网

当机组转速达到同期投入转速时,SFC向机组同期装置发送同期投入信号,同期装开始进行同期控制,直到找到同期点。现场试验中,先做假同期并网,成功后再进行真正的机组并网试验。一般来说电机转速的调节是由同期向SFC控制器发送增速、减速令实现,同期的增、减速令脉冲时间宽度与SFC的转速控制步长应匹配。而同期对机端电压的控制则有两种实现方式:一种是同期装置发送增磁、减磁令到励磁装置,由励磁装置进行电压调节;另一种是,同期装置发送增磁、减磁令到SFC控制器,由SFC控制器进行电压调节(响水涧电站采用该方式),同期的增、减磁令脉冲时间宽度与SFC的励磁电流控制步长应匹配。对已并网过程,需要检查收到并网令、变流桥闭锁、SFC回路电流为零、SFC回路开关分开及电机主开关合信号的时序关系是否正常(这些信号正常应该按照所述顺序出现),确认在并网过程中SFC与电机回路不产生环流。

4 现场试验

国产SFC设备在响水涧抽蓄电站进行了静态试验,及励磁电流控制、转子位置检测、初始转动、脉冲换相控制、工况切换、电机升速、假同期并网、真并网及连续拖动等动态试验。本文下边对几个关键的动态试验进行分析、介绍。

4.1 励磁控制及转子位置检测试验

响水涧的国产SFC 控制器输出励磁电流给定值信号到励磁设备,由励磁设备进行励磁电流闭环控制。现场试验中SFC 输出励磁电流参考阶跃信号,励磁控制器输出突变的励磁电流到电机转子,在机端感应出三相单调电压,如图4所示。

x 10

6

I f -s e t (A )

x 10

6

I f -m (A )

x 10

6

U a (V )

6

U b (V )

x 10

6

t(ms)

U c (V )

图4 励磁电流控制试验波形

图4中set -f I 为励磁电流给定、m -f I 励磁电流测量值,a U 、b U 及c U 分别为机端三相电压信号,均为一次值。由图4可见,励磁突变感应的机端电压信号几乎淹没于干扰信号中,这对SFC 控制器的转子位置检测的硬件、软件算法要求很高。

电站2#机、3#机、4#机分别处于某固定位置,由国产SFC 设备对各位置分别进行6次转子初始电气位置检测,表1为检测结果。

表-1 转子初始位置检测结果 位置角计算结果(度)与位置角平均值差(度)2#机

3#机

4号机2#机3#机4#机333.78 142.01293.140.1450.020-0.757 333.65 141.75294.350.015-0.2400.453334.17 142.36293.900.5350.3700.003333.59 141.97294.27-0.045-0.0200.373333.09 141.05294.86-0.545-0.940-0.977333.53 142.80

293.17

-0.105

0.810

-0.727

由表-1可见,多次测量结果很接近,各测量值与多次测量平均值的偏差绝对值小于1度,说明国产SFC 对于电机转子位置的测量具有很高的准确性及稳定性。后续试验及试运行中,从未出现因转子位置检测异常导致启机失败,也证明了转子初始位置检测的可靠性。 4.2 脉冲换相控制试验

脉冲换相试验中,国产SFC 控制器采用积分、比例分离的参数调试策略,实现了在图2所示的t3阶段电流快速上升无超调、在t4阶段电流维持稳定,同时也兼顾了震动小与升速快这两个因素的平衡。机组启动脉冲换相阶段持续约20s ,此过程中电机振动大小正常。脉

冲换相电流波形如图5所示。

x 10

6

U a (V )

6

I d c (p .u .)

x 10

6

I -N B (A )

x 10

6

t(ms)

I -M (A )

图5 脉冲换相控制试验波形

图5中Ua 为机端A 相电压,dc I 为直流回路电流,NB I 、M I 分别是网侧交流电流、机桥输出电流。图5中显示,脉冲换相过程中t1约为6ms ,t2约为8ms ,t3约为12ms ,t4时间随着电机转速上升而逐渐缩短。 4.3 工况转换试验

根据3.5所述工况切换频率选择原则,现场试验最终取switch f =5Hz 。当机组转速达到5Hz 时进行工况切换控制,切换过程见图6。

6

f m (H z )

6

U a (V )

6

I d c (p .u .)

6

I -N B (A )

6

I -M (A )

x 10

6

t(ms)

p c -l c

图6工况切换试验波形

图6中pc-lc (开关量信号)是机组转速满足工况切换条件信号。国产SFC 设备选用VD4真空开关作为输出变压器切换设备,开关比刀闸动作要快,由图6可见从控制器发S2分闸令到进入负载换相,切换时间仅为400ms ,机组惯性比较大,切换过程中转速保持稳定。 4.4 机组并网试验

当电机频率达到同期投入频率值(97%额定频率,48.5Hz )时, 同期装置投入,通过向SFC 控制器发送增速、减速,增磁、减磁令对机组转速、机端电压进行控制。并网过程见图7。

x 10

5

A l p h a -N

B (o )

x 10

5

4

U a (V )

x 10

5

U -N B (V )

x 10

5

I -M (A )

x 10

5

t(ms)

G C B -c l o s e -o r d e r

图7机组并网试验波形

上图中GCB-close-order 为并网令、Alpha-NB 为网桥触发角。由上图可见,在收到并网令后,SFC 控制器闭锁控制,约6ms SFC 回路电流降为零;同时发出跳OCB 开关令,约60ms 后OCB 跳开(机端Ua 电压信号消失),跳开后60ms 分节点返回;监控停机令在同期并网令后约820ms 给出;输入开关由监控系统控制分开,在同期并网令后约985ms 跳开(输入电压信号消失)。收到并网令后6ms 钟SFC 回路电流就可到零,远比主开关GCB 合闸快,所以这种并网方式不会产生环流。 5 结语

本文首先对SFC 设备现场动态试验的内容进行了论述,提出动态试验应包括励磁电流控制试验、转子位置检测试验、初始转动试验、脉冲换相控制试验、工况切换试验、电机升速试验、试验等试验,并分别对各个试验的目的及原则进行了讨论。在此基础上,对首套国产百兆瓦级抽水蓄能机组SFC 设备现场动态试验进行了介绍,现场试验结果表明国产SFC 设备各项功能均正常,在励磁控制、转子初始位置、脉冲换相控制、工况切换及升速并网等静止变频启动核心功能方面表现良好。我国自主研制的首套百兆瓦级抽水蓄能机组SFC 设备在安徽响水涧抽水蓄能电站成功投运,对我国抽水蓄能电站关键设备早日实现全面国产化起到了积极的推动作用。 参考文献

[1] 周军.抽水蓄能电站中SFC变频启动的若干特点。电力自动化设备,2004(11)。 [2] 姜树德,Jean-Michel CLAUDE,蒋一峰. 抽水蓄能电站发电电动机变频启动理。第二届水力发电技术国际会议论文集,北京:中国电力出版社,2009年。

[3] 田立军,陆于平,陈珩. 抽水蓄能电动发电机启动过程数字仿真.电力系统自动化,

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