水泵工況SFC模式啟動時轉子位置檢測失敗分析

祝加勇，劉康波，楊 暉，龐希斌，吳 敏

（國網新源湖南黑麋峰抽水蓄能有限公司，湖南 長沙410213）

0 引言

黑麋峰抽水蓄能電站位于湖南省長沙市望城區，裝有4臺單機300 MW的可逆式抽水蓄能機組，2010年10月份全部機組投產，主要承擔湖南地區電網調峰、調頻及事故備用。電站投產以來，充分利用抽水蓄能機組工況轉換靈活、啟動迅速的特點，為湖南電網減少常規水電棄水、晚間填谷發揮了巨大作用，因此保證機組水泵工況啟動成功率是電站運維工作的重點，黑麋峰電站水泵工況啟動方式以靜止變頻器（SFC）啟動為主，背靠背啟動為輔。

1 黑麋峰電站SFC系統簡介

1.1 黑麋峰SFC系統結構

靜止變頻器（SFC）由瑞士ABB公司生產，型號為W1206-333/4R465，額定輸出功率18.8MW，水冷，主要由輸入單元、變頻單元、輸出單元、控制單元、保護單元及輔助單元幾部分組成。輸入單元包括輸入開關、輸入變、輸入限流電抗器、避雷器等；變頻單元包括整流橋（網橋）、逆變橋（機橋）和一個直流電抗器等；輸出單元包括輸出開關、輸出電抗器、輸出變、旁路刀閘、接地刀閘等，控制器為可編程邏輯控制器AC800 PEC，通過以太網及光纖通信。基本組成見圖1。

1.2 黑麋峰電站水泵工況啟動轉子檢測位置基本原理

抽水蓄能機組水泵工況啟動時轉子初始位置檢測是SFC啟動的關鍵技術，唯有精確判斷轉子初始位置，才能確保電機按指定方向以最大轉矩啟動，否則，

可能導致電機啟動方向錯誤，或轉矩過低無法啟動。

圖1 SFC系統接線圖

黑麋峰電站SFC系統為ABB公司生產，轉子初始位置檢測采用電磁感應的方法檢測，機組啟動時，首先在轉子上通入一定速率快速上升的勵磁電流（短時間內，勵磁電流從0上升至1.5倍的額定值），在此快速變化勵磁電流的作用下，電機定子繞組上感應出幅值不同的電動勢，通過該電動勢進行轉子位置檢測。基本原理是通過對機端電壓波形濾波后按式（1）進行 PARK 變換，再利用式（2）、（3）進行電壓積分求解磁鏈，即可反正切求解轉子位置角。

由于純積分運算會引起采樣誤差的放大，影響轉子位置計算，為此，引入電壓矢量點與磁鏈矢量點的乘積作為轉子磁鏈矢量幅值的反饋量，與磁鏈幅值相除作為偏差值送入PI調節器，于是可以得到式（3）、（4）。

式中：λm為通過PI調節計算出磁鏈的幅值，ωc為電壓采樣濾波器的截止頻率。

通過式（4）及式（5），可以計算出 θ值的大小，從而確定轉子的初始位置，SFC控制系統根據轉子的初始位置觸發脈沖。

2 水泵工況SFC啟動失敗現象

黑麋峰電站SFC投入運行后，采用SFC模式水泵工況啟動時，經常在機組SFC拖動相關機組的電氣軸已建立，機組勵磁系統投入運行后，出現啟動失敗故障，此時，機組轉速未上升，仍為0，監控系統發機組停機命令，“SFC事故跳閘”告警，SFC高壓側開關跳閘，SFC控制面板出現“T3_OpenCircuit”、“T2_ Over Frequency”、“T2_SFC_Underflux”報警。

遇到此類情況時，我們首先檢查相關一次回路及控制系統是否異常，檢查機組各一次設備實際位置及反饋位置是否到位，啟動程序是否正確，都無異常后，復歸相關報警，重新對SFC送電，用SFC試啟動其他機組，檢查是否出現上述問題。但每次后面的試啟動均無異常，因此，初步判斷為轉子初始位置未檢測到導致的啟動不成功，但報警的原因需要進一步分析。

3 SFC啟動失敗報警原因分析

3.1 啟動失敗原因排查

為徹底解決轉子位置檢測失敗對抽水工況啟動成功率的影響，對可能導致檢測不到轉子位置的原因進行逐一排除。

（1）SFC轉子位置檢測方法不可靠。黑麋峰電站SFC系統為ABB公司生產，此類產品在國內外被廣泛應用，根據對其他同類型設備調查的情況來看，ABB公司的這種通過磁通來檢測轉子位置的方法是相對先進的，可排除該項可能。

（2）一次回路及控制系統出現故障。啟動失敗后，經過對SFC啟動回路、啟動隔離開關進行檢查，未發現有一次設備故障的痕跡；控制系統除出現的故障報警外，控制器AC800 PEC、輸入、輸出模塊及可控硅觸發脈沖板均無異常，二次設備端子緊固，各一次設備位置反饋正常，排除該項可能。

（3）SFC控制邏輯不合理。通過對SFC內部邏輯進行分析檢測，未發現程序BUG及與監控系統配合方面的邏輯沖突，且SFC拖動機組大部分是成功的，因此，基本排除該項可能。

（4）SFC相關定值設置不合理。SFC在啟動機組檢測轉子位置的過程中，存在初始階段因為電流、電壓的干擾，相關電氣量檢測時間的影響，可能偶爾出現轉子位置檢測不到而導致的檢測不成功。因此定值設置不合理可能導致該現象的發生。

3.2 SFC報警檢查分析

根據排查的結果，對啟動失敗時SFC系統存在的報警進行深入檢查分析：

（1）報警一，“T3_OpenCircuit”，意思為 SFC 開路跳閘，主要的保護功能是判斷SFC系統至機組的一次回路是否有開路，通過初始階段感應的磁通來判斷。調取相應的故障波形見圖2。

圖2 開路波形

從故障記錄可以計算出：

而以前的設置值是0.3，基本上在計算值的附近，有時無法躲過，因此在啟動之初開路的故障會時有發生。

（2）報警二，“Trip2_Over Frequency”：意思為SFC過頻跳閘，當SFC系統輸出頻率已超過拖動機組運行頻率時，保護啟動，切斷SFC與機組的聯系。調取啟動失敗后的波形見圖3。

圖3 過頻波形

從故障記錄可以看出，轉子位置在啟動的初始階段被電流干擾，檢查參數發現轉子位置回滯值為0.1，這個值太小容易造成混亂的轉子位置。錯誤的轉子位置造成錯誤的可控硅觸發，可控硅觸發后，未形成最大轉矩，機組無法轉動，SFC與機組頻率不一致，SFC通過計算認為輸出頻率太高而報超頻故障。

（3）報警三，T2_SFC_Underflux：意思為SFC判斷電機低勵磁跳閘，因判斷轉子位置失敗，通入定子兩相電流為不恰當的兩相，定轉子合成磁通偏小，無法形成最大的轉動力矩（圖4）。此時，SFC會出現低勵磁報警。

只有當定子磁通與轉子磁通的夾角接近90°時，形成的轉動力矩才是最大的。設定的低磁通定值可以滿足機組啟動轉矩的要求，但檢查發現低磁通檢測時間定值為3 s，考慮LCU切換、勵磁的響應時間，此定值偏短。

4 應對措施

圖4 SFC啟動時定、轉子磁通示意圖

通過以上分析，SFC啟動初始階段檢測轉子位置的磁通量均在0.3附近，而Open Circuit（開路）的磁通設定值為0.3，一旦由于外界干擾等因素導致檢測到的磁通量低于0.3將造成Open Circuit（開路）故障報警，定值設置不恰當，為避免該情況的發生，將Open Circuit（開路）磁通定值由0.3改為0.2。

轉子位置回滯值為0.1，抗干擾能力不強，參考其他抽水蓄能電廠，結合廠家的指導意見，將轉子位置回滯值由原來的0.1改為0.6。

SFC低磁通檢測時間定值由3 s改為6 s，避免因監控系統、勵磁系統響應造成的誤動。

5 結束語

定值修改后，后續的SFC啟動機組水泵工況并網過程中再沒有出現類似轉子位置檢測不到的情況，處理達到理想的效果。抽水蓄能電站SFC投運后，運維過程中需對出現的各種問題進行總結分析，結合廠家的維保，對定值復核與校驗，從而提升設備的可靠性。