大型調(diào)相機(jī)靜止變頻起動(dòng)系統(tǒng)的順控邏輯策略

胡 靜 簡(jiǎn)優(yōu)宗 楊合民 吳偉亮

（國(guó)電南瑞科技股份有限公司，南京 210003）

隨著清潔能源/能源基地的建設(shè)、特高壓直流的快速發(fā)展和大比例受電地區(qū)的出現(xiàn)，電網(wǎng)特性發(fā)生較大變化，部分地區(qū)動(dòng)態(tài)無(wú)功儲(chǔ)備下降、電壓支撐不足的問(wèn)題突出，成為大電網(wǎng)安全穩(wěn)定的主要問(wèn)題，給電網(wǎng)安全運(yùn)行帶來(lái)重大影響。同步調(diào)相機(jī)是一種不帶機(jī)械負(fù)載的同步電動(dòng)機(jī)，可以向電力系統(tǒng)提供容性或感性無(wú)功功率，改善電網(wǎng)功率因數(shù)，進(jìn)而提升電網(wǎng)電壓水平。與靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置相比，同步調(diào)相機(jī)無(wú)功補(bǔ)償容量大，且不易受電網(wǎng)電壓影響、諧波量小。國(guó)網(wǎng)新一代調(diào)相機(jī)暫態(tài)無(wú)功輸出能力是常規(guī)電機(jī) 3倍以上，短時(shí)過(guò)載能力是常規(guī)電機(jī)的 2倍以上，快速輸出無(wú)功速度是常規(guī)電機(jī)1.5倍以上，暫態(tài)性能達(dá)到大型空冷電機(jī)的設(shè)計(jì)極限，是一種高性能“無(wú)功沖擊發(fā)電機(jī)”，具有“暫動(dòng)態(tài)性能優(yōu)、安全可靠性高、運(yùn)行維護(hù)方便”的顯著特點(diǎn)，對(duì)保證電網(wǎng)安全、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有重要意義。調(diào)相機(jī)工程是國(guó)網(wǎng)公司“十三五”期間在直流特高壓建設(shè)中的重點(diǎn)配套工程，是世界上首次在特高壓電網(wǎng)大規(guī)模配套大容量調(diào)相機(jī)[1-4]。

調(diào)相機(jī)靜止變頻起動(dòng)系統(tǒng)在起動(dòng)過(guò)程中，需要與機(jī)組、勵(lì)磁、DCS等系統(tǒng)的配合，還包括輸入斷路器、變壓器、切換開(kāi)關(guān)柜、隔離開(kāi)關(guān)柜等的配合過(guò)程。每個(gè)開(kāi)入開(kāi)出信號(hào)設(shè)計(jì)都配合順控起動(dòng)功能，通過(guò)控制邏輯判斷完成與個(gè)子系統(tǒng)的流程設(shè)計(jì)，驗(yàn)證在各種工況下的設(shè)計(jì)思路，確保靜止變頻起動(dòng)系統(tǒng)拖動(dòng)調(diào)相機(jī)安全運(yùn)行。

1 SFC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

調(diào)相機(jī)靜止變頻起動(dòng)系統(tǒng)主接線結(jié)構(gòu)如圖1所示。調(diào)相機(jī)靜止變頻起動(dòng)系統(tǒng)包括輸入斷路器、起動(dòng)隔離變壓器、靜止變頻起動(dòng)裝置、切刀開(kāi)關(guān)柜、隔離開(kāi)關(guān)柜，以及配合機(jī)組起動(dòng)的勵(lì)磁系統(tǒng)、后臺(tái)監(jiān)控的DCS中控等[5]。

圖1 調(diào)相機(jī)靜止變頻起動(dòng)系統(tǒng)主接線

圖1 描繪了各子系統(tǒng)的信號(hào)接口設(shè)計(jì)，箭頭方向指出了每個(gè)子設(shè)備的開(kāi)入開(kāi)出信號(hào)交換。SFC通過(guò)DCS的控制指令，結(jié)合外部刀閘位置信號(hào)、電壓電流數(shù)據(jù)采樣以及勵(lì)磁模擬量采集等數(shù)據(jù)，合理實(shí)現(xiàn)起動(dòng)控制邏輯的功能。

為實(shí)現(xiàn)SFC起動(dòng)系統(tǒng)的所有邏輯需，結(jié)合調(diào)相機(jī)運(yùn)行工程的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，可分析出靜止變頻起動(dòng)系統(tǒng)所必需的接入信息，包括交流信息以及開(kāi)關(guān)信息2 類[6]。

交流信息包括以下內(nèi)容。

1）SFC輸入電壓：變壓器低壓三角側(cè)三相電壓。

2）SFC輸入電流：變壓器低壓三角側(cè)、星型側(cè)三相電流。

3）SFC輸出電壓：機(jī)橋側(cè)三相電壓。

4）SFC輸出電流：機(jī)橋側(cè)三相電流。

5）勵(lì)磁輸出輸入電流模擬量：4～20mA的電流模擬量采集。

開(kāi)關(guān)信息包括以下內(nèi)容：

1）輸入斷路器接點(diǎn)：斷路器分位、合位、分閘、合閘、保護(hù)跳斷路器。

2）切刀開(kāi)關(guān)柜接點(diǎn)：切刀1的合位、分位、合切刀、分切刀；切刀2的合位、分位、合切刀、分切刀。

3）對(duì)側(cè)切刀開(kāi)關(guān)柜的接點(diǎn)：對(duì)側(cè)切刀1的合位、分位；對(duì)側(cè)切刀2的合位、分位。

4）高壓隔刀開(kāi)關(guān)柜接點(diǎn)：隔刀的合位、分位、合閘、分閘。

5）勵(lì)磁系統(tǒng)的接點(diǎn)：起勵(lì)磁、退出勵(lì)磁、故障跳勵(lì)磁、勵(lì)磁就緒、勵(lì)磁運(yùn)行、勵(lì)磁有壓。

6）DCS的接點(diǎn)：機(jī)組起動(dòng)令、機(jī)組退出令、起機(jī)就緒、起機(jī)運(yùn)行、起機(jī)退出、機(jī)組轉(zhuǎn)速到達(dá)、起機(jī)告警、起機(jī)動(dòng)作。

SFC通過(guò)以上信號(hào)實(shí)現(xiàn)起動(dòng)機(jī)組的邏輯控制功能。

2 SFC起動(dòng)控制邏輯實(shí)現(xiàn)

DCS作為調(diào)相機(jī)整套系統(tǒng)的后臺(tái)主控，用于控制靜止變頻起動(dòng)系統(tǒng)按順控邏輯要求起動(dòng)調(diào)相機(jī)[7]。通過(guò)DCS發(fā)起動(dòng)指令，將調(diào)相機(jī)機(jī)組從靜止?fàn)顟B(tài)或任一轉(zhuǎn)速情況下帶動(dòng)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速3150r/min。在整個(gè)的過(guò)程中，需要輸入斷路器、切換刀閘、隔離刀閘、勵(lì)磁系統(tǒng)等配合，實(shí)現(xiàn)機(jī)組的可靠運(yùn)行。結(jié)合調(diào)相機(jī)起動(dòng)要求，設(shè)計(jì)出SFC主起動(dòng)控制邏輯設(shè)計(jì)、SFC快速再起動(dòng)控制邏輯設(shè)計(jì)、SFC起下一臺(tái)機(jī)組的控制邏輯設(shè)計(jì)、SFC停機(jī)控制邏輯設(shè)計(jì)以及同期過(guò)程中 SFC、勵(lì)磁、監(jiān)控、同期裝置配合控制邏輯設(shè)計(jì)[8]。

2.1 SFC主起動(dòng)流程設(shè)計(jì)

SFC處于停機(jī)狀態(tài)下，檢測(cè)輔助系統(tǒng)電源正常，且無(wú)故障、無(wú)告警信號(hào)時(shí)進(jìn)入“SFC就緒狀態(tài)”，發(fā)出“SFC就緒”信號(hào)給DCS。

DCS給需要起動(dòng)機(jī)組的高壓隔離開(kāi)關(guān)下發(fā)合閘指令，高壓隔離開(kāi)關(guān)閉合時(shí)SFC具備了起動(dòng)條件。SFC在收到人工就地起動(dòng)或者監(jiān)控遠(yuǎn)程起動(dòng)命令時(shí)，根據(jù)高壓隔離開(kāi)關(guān)的位置信號(hào)判斷待起動(dòng)的機(jī)組。

SFC開(kāi)起散熱風(fēng)機(jī)，閉合待起動(dòng)機(jī)組的切換刀閘。切換刀閘閉合成功后，SFC下發(fā)輸入斷路器閉合指令。輸入斷路器位置節(jié)點(diǎn)反饋正確的情況下，SFC控制勵(lì)磁系統(tǒng)工作并觸發(fā)SFC脈沖，拖動(dòng)調(diào)相機(jī)加速。當(dāng)轉(zhuǎn)速拖至額定轉(zhuǎn)速的1.05倍時(shí)，停勵(lì)磁并封SFC觸發(fā)脈沖，發(fā)“轉(zhuǎn)速達(dá)到”指令給監(jiān)控，斷開(kāi)高壓隔離開(kāi)關(guān)，由同期裝置進(jìn)行同期控制。SFC根據(jù)監(jiān)控的指令進(jìn)行下一步操作。此時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)起動(dòng)情況，可能由3種指令，分別為“同期失敗，再次起動(dòng)本臺(tái)機(jī)組”、“起動(dòng)下一臺(tái)機(jī)組”、“SFC系統(tǒng)停機(jī)”。SFC主起動(dòng)控制流程如圖2所示。

圖2 SFC主起動(dòng)控制流程

2.2 SFC快速再起動(dòng)流程

此時(shí)，SFC輸入斷路器、高壓隔離開(kāi)關(guān)、切換開(kāi)關(guān)都已處于正確合閘位置，散熱風(fēng)機(jī)正在運(yùn)行。

SFC收到監(jiān)控的“快速再起動(dòng)”（其流程如圖3所示）指令后，SFC給勵(lì)磁系統(tǒng)開(kāi)機(jī)令并設(shè)定勵(lì)磁電流給定值或勵(lì)磁系統(tǒng)觸發(fā)角度，同時(shí)裝置脈沖解鎖，拖動(dòng)機(jī)組加速。當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速的1.05倍時(shí)，SFC停勵(lì)磁并封脈沖，同時(shí)發(fā)“轉(zhuǎn)速達(dá)到”信號(hào)至監(jiān)控系統(tǒng)，并由同期裝置進(jìn)行同期并網(wǎng)操作，SFC進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)等待監(jiān)控的下一步指令。

圖3 SFC快速再起動(dòng)流程

2.3 SFC起動(dòng)下一臺(tái)機(jī)組流程

在起動(dòng)下一臺(tái)機(jī)組（其流程如圖4所示）時(shí)，監(jiān)控控制待起動(dòng)機(jī)組高壓隔離開(kāi)關(guān)合閘。

SFC選擇分合相應(yīng)的切換刀閘，給勵(lì)磁系統(tǒng)開(kāi)機(jī)令并設(shè)定勵(lì)磁電流給定值或勵(lì)磁系統(tǒng)觸發(fā)角度，同時(shí)裝置脈沖解鎖，拖動(dòng)機(jī)組加速。當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速的1.05倍時(shí)，SFC停勵(lì)磁并封脈沖，同時(shí)發(fā)“轉(zhuǎn)速達(dá)到”信號(hào)至監(jiān)控系統(tǒng)，并由同期裝置進(jìn)行同期并網(wǎng)操作，SFC進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)等待監(jiān)控的下一步指令。

圖4 SFC起動(dòng)下一臺(tái)機(jī)組流程

2.4 SFC系統(tǒng)停機(jī)流程

SFC在收到監(jiān)控的“停機(jī)”指令時(shí)，依次斷開(kāi)SFC輸入斷路器和切換刀閘，5min后停止散熱風(fēng)機(jī)工作。SFC系統(tǒng)停機(jī)流程如圖5所示。

圖5 SFC系統(tǒng)停機(jī)流程

2.5 同期過(guò)程中SFC、勵(lì)磁、監(jiān)控、同期裝置配合流程

同期流程如圖 6所示。在同期過(guò)程中，SFC、勵(lì)磁、監(jiān)控之間的配合邏輯如下：

監(jiān)控在收到“轉(zhuǎn)速到達(dá)”信號(hào)后，跳開(kāi)高壓隔離開(kāi)關(guān)，這時(shí)SFC與機(jī)組脫離進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。

同期裝置控制勵(lì)磁進(jìn)行同期并網(wǎng)操作[9]，并網(wǎng)成功后，監(jiān)控根據(jù)實(shí)際工況選擇停機(jī)或起動(dòng)下一臺(tái)機(jī)。如果同期并網(wǎng)不成功，監(jiān)控則根據(jù)實(shí)際工況選擇并下發(fā)快速再起動(dòng)、停機(jī)或起動(dòng)下一臺(tái)機(jī)組指令，并進(jìn)入相應(yīng)的控制流程。當(dāng)需要起動(dòng)下一臺(tái)機(jī)組時(shí)，監(jiān)控控制待起動(dòng)機(jī)組高壓隔離開(kāi)關(guān)合閘，并發(fā)出起動(dòng)下一臺(tái)機(jī)組指令。

3 在扎魯特±800kV換流站試驗(yàn)情況

2017年12月，整套調(diào)相機(jī)SFC系統(tǒng)設(shè)備在扎魯特±800kV換流站完成了整組試驗(yàn)。

測(cè)試SFC與DCS之間的控制邏輯，通過(guò)DCS順控完成起機(jī)至3150r/min。如圖7所示。圖7中為順控流程下機(jī)組轉(zhuǎn)速?gòu)?0上升到3150r/min的錄波波形，從波形可以看出起機(jī)過(guò)程464s，約7.73min。

圖8是測(cè)試SFC快速再起動(dòng)的功能，確保同期失敗后，DCS進(jìn)入快速再起動(dòng)順控，SFC能正常起動(dòng)將機(jī)組帶到3150r/min。

圖6 同期流程

圖7 電機(jī)轉(zhuǎn)速波形

圖8 SFC快速再重起波形

DCS遠(yuǎn)程控制SFC起機(jī)，到3150轉(zhuǎn)后同期并網(wǎng)失敗，進(jìn)入快速再起動(dòng)。SFC檢測(cè)到轉(zhuǎn)速大約在2640r/min，SFC直流側(cè)電流已輸出穩(wěn)定，并成功再次拖動(dòng)機(jī)組帶到3150r/min，同期并網(wǎng)成功。

4 結(jié)論

本文介紹了調(diào)相機(jī)靜止變頻起動(dòng)系統(tǒng)控制邏輯的基本原理，接入信息簡(jiǎn)單，自適應(yīng)性強(qiáng)，滿足不同工況下SFC系統(tǒng)的起機(jī)功能。扎魯特±800kV換流站第一套SFC系統(tǒng)是我國(guó)自主開(kāi)發(fā)研制具有完全知識(shí)產(chǎn)權(quán)的可用于300Mvar及以上大型調(diào)相機(jī)機(jī)組拖動(dòng)。整組試驗(yàn)和試運(yùn)行情況證明，該裝置完全符合大型調(diào)相機(jī)靜止變頻起動(dòng)系統(tǒng)控制邏輯的需求，具有很好的工程應(yīng)用價(jià)值。