某抽水蓄能機(jī)組勵磁系統(tǒng)若干設(shè)計(jì)缺陷分析與處理

劉向東，凌 鵬，吳 釗

（南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電有限公司檢修試驗(yàn)分公司，廣東省廣州市 511400）

0 引言

勵磁系統(tǒng)是連接發(fā)電機(jī)組和電網(wǎng)的重要環(huán)節(jié)[1-3]，其對穩(wěn)定機(jī)組運(yùn)行和維持電力系統(tǒng)的靜態(tài)[4-6]、暫態(tài)[7]及動態(tài)穩(wěn)定[8-9]具有極其重要的作用。

本文結(jié)合某抽水蓄能機(jī)組勵磁系統(tǒng)調(diào)試實(shí)際情況，在原有設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，研究設(shè)計(jì)缺陷對勵磁系統(tǒng)正常運(yùn)行造成的影響，通過原理分析，提出相應(yīng)的優(yōu)化改進(jìn)方案。

1 調(diào)節(jié)器內(nèi)部勵磁電流檢測邏輯優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.1 缺陷概況

背靠背拖動調(diào)試過程中，監(jiān)控系統(tǒng)下發(fā)勵磁直流滅磁開關(guān)FCB合閘指令后，F(xiàn)CB無法正常合閘。監(jiān)控顯示勵磁一級故障，查看勵磁調(diào)節(jié)柜LCP控制屏，報文顯示勵磁電流檢測故障“EXCITATION CURRENT MEASURE FAULT”。

1.2 缺陷原理分析

調(diào)節(jié)器內(nèi)部勵磁電流檢測邏輯如圖1所示。模塊102、103、109和110為與門，輸入全部有效則輸出有效，輸入只要有一個無效則輸出無效；模塊104為或門，輸入全部無效則輸出無效，輸入只要有一個有效則輸出有效；模塊93和94為比較器，當(dāng)模塊93輸入IN1數(shù)值上大于輸入IN2時，模塊93輸出有效。當(dāng)模塊94輸入IN1數(shù)值上小于輸入IN2時，模塊94輸出有效；模塊105為RS觸發(fā)器（或非門組成），約束方程為SR=0，當(dāng)輸入S端有效且R端無效，則輸出端Q有效，/Q無效。當(dāng)輸入端S端無效且R端有效，則輸出端Q無效，/ Q有效。當(dāng)RS端均無效，則觸發(fā)器狀態(tài)保持不變。

為保證機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行，在機(jī)組GCB合閘后勵磁調(diào)節(jié)器會通過其內(nèi)部邏輯判斷勵磁電流情況（黑啟動模式下勵磁電流檢測功能已被閉鎖），在勵磁電流檢測裝置正常的情況下，當(dāng)勵磁電流為零或勵磁電流有一個從額定勵磁電流3%以上至額定勵磁電流2%以下的回落過程時，調(diào)節(jié)器則判斷勵磁電流測量故障。

例如，G工況下GCB正常合閘后勵磁電流為零，調(diào)節(jié)器則判斷電流測量故障。模塊102輸入IN1有效（GCB已合閘）、輸入IN2有效（已收到勵磁啟動令）、輸入IN3有效（勵磁未選擇黑啟動模式），模塊102輸出有效。勵磁電流為零，即電流值始終小于額定勵磁電流的2%，模塊93輸出無效，模塊94輸出有效。模塊104輸入IN1有效，模塊104輸出有效。模塊105輸入S端有效，R端無效（勵磁不處于逆變模式），模塊105輸出Q有效。模塊109輸入IN1有效，輸入IN2有效，輸入IN3有效（勵磁初始化已完成），輸入IN4有效（勵磁未選擇SFC模式），模塊109輸出有效。模塊110輸入IN1無效，即使輸入IN2有效（勵磁電流檢測裝置正常），模塊110輸出仍然無效，即調(diào)節(jié)器判斷勵磁電流測量故障。

與其他工況轉(zhuǎn)換流程不同的是，背靠背拖動流程中拖動機(jī)的GCB合閘動作早于勵磁直流滅磁開關(guān)FCB合閘動作，GCB合閘意味著調(diào)節(jié)器勵磁電流檢測功能被激活（模塊102輸入IN1有效），然而此時FCB并未合閘，轉(zhuǎn)子電流為零，故調(diào)節(jié)器邏輯判斷結(jié)果為勵磁電流測量故障，F(xiàn)CB將無法正常合閘。

圖1 調(diào)節(jié)器內(nèi)部勵磁電流檢測邏輯Figure 1 Internal excitation current detection logic of regulator

1.3 缺陷處理方案

針對背靠背拖動過程中，拖動機(jī)GCB合閘后，勵磁電流檢測故障報警導(dǎo)致直流滅磁開關(guān)FCB無法合閘的問題，考慮在FCB合閘前閉鎖勵磁電流檢測功能，轉(zhuǎn)子通流后模塊93輸出有效，閉鎖自動解除。

優(yōu)化改進(jìn)后的調(diào)節(jié)器內(nèi)部勵磁電流檢測邏輯如圖2所示，檢測流程中新增背靠背模式和發(fā)電模式判斷。以下模擬拖動機(jī)在背靠背流程中，判斷勵磁電流檢測情況。勵磁選擇背靠背模式和發(fā)電機(jī)模式后，模塊101輸入IN1和IN2有效，模塊102輸入IN4無效，模塊102輸出無效。模塊103輸入IN2無效，模塊103輸出無效。模塊104輸入IN1和IN2均無效，模塊104輸出無效。模塊105輸入S端無效，R端無效，模塊105輸出Q無效（保持原狀態(tài)）。模塊109輸入IN1無效，模塊109輸出無效。模塊110輸入IN1有效，當(dāng)輸入IN2也有效（即勵磁電流檢測裝置正常）時，模塊110輸出有效，勵磁電流檢測正常，此時勵磁直流滅磁開關(guān)FCB正常合閘不受影響。

圖2 優(yōu)化改進(jìn)后的調(diào)節(jié)器內(nèi)部勵磁電流檢測邏輯Figure 2 Optimized and improved internal excitation current detection logic of regulator

將修改后的程序重新加載至勵磁調(diào)節(jié)器，試驗(yàn)表明，優(yōu)化改進(jìn)后的勵磁系統(tǒng)在接收到直流滅磁開關(guān)合閘指令后，F(xiàn)CB正常動作，勵磁電流檢測故障報警消除。

2 勵磁直流滅磁開關(guān)控制回路優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 缺陷概況

勵磁直流滅磁開關(guān)分閘動作后出現(xiàn)了自動合閘現(xiàn)象，檢查控制回路發(fā)現(xiàn)滅磁開關(guān)合閘令繼電器K1損壞，動合觸點(diǎn)11、14被擊穿后融化粘結(jié)，直流滅磁開關(guān)合閘控制回路始終處于導(dǎo)通狀態(tài)。

2.2 缺陷原理分析

勵磁直流滅磁開關(guān)控制回路如圖3所示。勵磁直流滅磁開關(guān)合閘控制回路主要由滅磁開關(guān)合閘令繼電器K1、接觸器Q01-1、防跳電阻RE及合閘線圈C組成。

圖3 勵磁直流滅磁開關(guān)控制回路Figure 3 Excitation DC de-excitation switch control loop

直流滅磁開關(guān)合閘控制過程如下：滅磁開關(guān)合閘令繼電器K1接收調(diào)節(jié)器遠(yuǎn)程IO脈沖信號后勵磁，繼電器K1所在合閘控制回路導(dǎo)通，接觸器Q01-1勵磁，合閘線圈C通電，勵磁直流滅磁開關(guān)合閘。隨后，直流滅磁開關(guān)合閘脈沖信號消失，繼電器K1失磁，K1動合觸點(diǎn)11、14斷開，直流滅磁開關(guān)保持在合閘位。

接觸器Q01-1線圈的電感特性決定了回路電流無法突變，當(dāng)繼電器K1所在合閘控制回路被切斷時，接觸器Q01-1線圈本體會產(chǎn)生一個很強(qiáng)的反向電動勢來維持回路電流不變，原本已斷開的K1常開觸點(diǎn)11、14被擊穿，合閘控制回路再次導(dǎo)通，影響直流滅磁開關(guān)正常分閘。

2.3 缺陷處理方案

優(yōu)化后的直流滅磁開關(guān)控制回路如圖4所示。針對接觸器Q01-1線圈電流無法突變的問題，考慮在接觸器Q01-1處并聯(lián)一個反向的續(xù)流二極管。當(dāng)合閘控制回路導(dǎo)通時續(xù)流二極管承受反向電壓處于關(guān)斷狀態(tài)，當(dāng)合閘控制回路斷開后續(xù)流二極管正向?qū)ǎ佑|器Q01-1與續(xù)流二極管形成電流回路釋放接觸器中儲存的能量，確保繼電器K1所在合閘控制回路電流隨繼電器動合觸點(diǎn)斷開而迅速消減。

同時，綜合考慮直流滅磁開關(guān)分閘、合閘控制回路的關(guān)聯(lián)性及開關(guān)分閘正確動作的重要性，提出在合閘控制回路的繼電器K1處與之串聯(lián)一個滅磁開關(guān)合閘令繼電器K5，勵磁直流滅磁開關(guān)合閘后調(diào)節(jié)器A3合閘脈沖信號消失，繼電器K1和K5同時失磁，合閘控制回路出現(xiàn)兩個斷點(diǎn)，有效控制回路電流關(guān)斷。

試驗(yàn)表明，優(yōu)化后的合閘控制回路能按要求準(zhǔn)確關(guān)斷回路電流，開關(guān)分合閘動作正確有效。

3 機(jī)組停機(jī)熱備轉(zhuǎn)抽水調(diào)相過程中的勵磁調(diào)節(jié)模式切換節(jié)點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 缺陷概況

機(jī)組停機(jī)熱備轉(zhuǎn)抽水調(diào)相過程中，同期并網(wǎng)GCB合閘瞬間發(fā)電電動機(jī)進(jìn)相運(yùn)行。

3.2 缺陷原理分析

機(jī)組停機(jī)熱備轉(zhuǎn)抽水調(diào)相流程中，勵磁在收到啟動命令（“EXCITATION ON CMD”）后，直流滅磁開關(guān)合閘，調(diào)節(jié)器于手動電流調(diào)節(jié)模式 。當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速上升至95%額定轉(zhuǎn)速時，調(diào)節(jié)器由手動電流調(diào)節(jié)模式切換至自動電壓調(diào)節(jié)模式。

圖4 優(yōu)化后的直流滅磁開關(guān)控制回路Figure 4 The control loop of the DC demagnetization switch after being melted

勵磁各種調(diào)節(jié)模式之間相互跟蹤，主備用模式可實(shí)現(xiàn)無擾切換。自動電壓調(diào)節(jié)模式切換后，如無外部干預(yù)對勵磁控制參數(shù)（機(jī)端電壓給定值）重新設(shè)置，機(jī)端待并側(cè)電壓值則不再變化，恒等于95%額定轉(zhuǎn)速模式切換瞬間的電壓值。

當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速上升至99%額定轉(zhuǎn)速時，機(jī)組同期裝置投入。為實(shí)現(xiàn)快速并網(wǎng)，同期合閘允許壓差整定范圍為±5%。較為寬松的合閘允許壓差使得機(jī)組不必繼續(xù)升高機(jī)端待并側(cè)電壓便已滿足同期并網(wǎng)要求，GCB合閘瞬間發(fā)電電動機(jī)進(jìn)相運(yùn)行。

3.3 缺陷處理方案

措施1：針對自動電壓調(diào)節(jié)模式切換后在無外部干預(yù)對勵磁控制參數(shù)（機(jī)端電壓給定值）重新設(shè)置的條件下機(jī)端待并側(cè)電壓值不再變化的問題，考慮將機(jī)組停機(jī)熱備轉(zhuǎn)抽水調(diào)相流程中勵磁調(diào)節(jié)模式切換時間節(jié)點(diǎn)由轉(zhuǎn)子達(dá)到95%額定轉(zhuǎn)速修改為99%額定轉(zhuǎn)速。修改后的勵磁調(diào)節(jié)模式切換節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)速判斷邏輯如圖5所示，虛線框內(nèi)為新增部分。

圖5 優(yōu)化改進(jìn)后的勵磁調(diào)節(jié)模式切換節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)速判斷邏輯Figure 5 Optimized and improved speed judgment logic of excitation regulation mode switching node

根據(jù)電磁感應(yīng)定律，在定子鐵芯磁通未飽和的情況下，發(fā)電電動機(jī)機(jī)端電壓和頻率成正比。相比于原設(shè)計(jì)，切換模式節(jié)點(diǎn)調(diào)整后，在機(jī)組轉(zhuǎn)速由95%額定轉(zhuǎn)速上升為99%額定轉(zhuǎn)速的時間段內(nèi)，發(fā)電電動機(jī)機(jī)端待并側(cè)電壓會隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速升高而持續(xù)上升，同期合閘時機(jī)端待并側(cè)電壓和系統(tǒng)電壓差值相對較小，合閘不會造成較大的無功波動。

措施2：考慮到同期合閘裝置在機(jī)組不符合同期條件時可通過控制調(diào)節(jié)器改變機(jī)端電壓給定值實(shí)現(xiàn)機(jī)組電壓自動控制，所以提出將同期合閘允許壓差整定范圍由±5%縮小為±3%，即使模式切換后機(jī)端待并側(cè)電壓相對較低（超出±3%的范圍），仍可通過同期裝置調(diào)整壓差，直至同期合閘條件滿足。合閘瞬間較小的壓差則不會造成機(jī)組深度進(jìn)相。

兩種措施對比分析：采用措施1，機(jī)組在轉(zhuǎn)速95%～99%時間段內(nèi)，電壓持續(xù)上升，當(dāng)達(dá)到99%額定轉(zhuǎn)速釋放同期裝置后，合閘條件一旦滿足便可立即并網(wǎng)。采用措施2，機(jī)組在轉(zhuǎn)速95%～99%時間段內(nèi)，電壓恒定不變，所以在機(jī)組99%額定轉(zhuǎn)速釋放同期裝置后，需要額外的時間通過勵磁裝置調(diào)整機(jī)端待并側(cè)電壓直至同期合閘條件滿足后方可并網(wǎng)。兩種措施均可縮小同期合閘電壓差值，不同的是措施1將從一定程度上節(jié)省同期并網(wǎng)時間。

另外，考慮到當(dāng)電網(wǎng)負(fù)荷較小導(dǎo)致系統(tǒng)電壓過高時，即使采用措施1，仍然無法排除GCB合閘瞬間電壓差值較大造成機(jī)組深度進(jìn)相的可能。所以提出同時采用措施1和措施2，既可節(jié)省同期合閘并網(wǎng)時間，又可在電力系統(tǒng)電壓過高［超出同期合閘允許壓差整定值（±3%）］時，通過同期裝置自動提高機(jī)端待并側(cè)電壓，減小機(jī)端待并側(cè)電壓和系統(tǒng)電壓差值，有效避免GCB合閘瞬間機(jī)組進(jìn)相運(yùn)行。

4 結(jié)論

（1）考慮抽水蓄能機(jī)組背靠背拖動機(jī)啟動流程的特殊性，針對拖動機(jī)GCB合閘后，勵磁電流檢測故障報警導(dǎo)致直流滅磁開關(guān)FCB無法合閘的問題，提出了一種基于勵磁模式判斷的勵磁電流檢測邏輯優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

（2）針對勵磁系統(tǒng)直流滅磁開關(guān)合閘控制回路電流無法正常關(guān)斷的問題，本文提出了在電感元件處反向并聯(lián)續(xù)流二極管的方法，同時考慮直流滅磁開關(guān)分合閘控制回路的關(guān)聯(lián)性及開關(guān)分閘的重要性，通過新增直流滅磁開關(guān)合閘繼電器，確保了開關(guān)分合閘動作的正確性。

（3）針對機(jī)組停機(jī)熱備轉(zhuǎn)抽水調(diào)相過程中，同期并網(wǎng)GCB合閘瞬間發(fā)電電動機(jī)進(jìn)相運(yùn)行的問題，本文提出了勵磁調(diào)節(jié)模式切換節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)優(yōu)化方案，可有效改善機(jī)組GCB合閘瞬間進(jìn)相運(yùn)行狀況。