水泵工況SFC模式啟動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)失敗分析

祝加勇，劉康波，楊 暉，龐希斌，吳 敏

（國(guó)網(wǎng)新源湖南黑麋峰抽水蓄能有限公司，湖南 長(zhǎng)沙410213）

0 引言

黑麋峰抽水蓄能電站位于湖南省長(zhǎng)沙市望城區(qū)，裝有4臺(tái)單機(jī)300 MW的可逆式抽水蓄能機(jī)組，2010年10月份全部機(jī)組投產(chǎn)，主要承擔(dān)湖南地區(qū)電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)頻及事故備用。電站投產(chǎn)以來(lái)，充分利用抽水蓄能機(jī)組工況轉(zhuǎn)換靈活、啟動(dòng)迅速的特點(diǎn)，為湖南電網(wǎng)減少常規(guī)水電棄水、晚間填谷發(fā)揮了巨大作用，因此保證機(jī)組水泵工況啟動(dòng)成功率是電站運(yùn)維工作的重點(diǎn)，黑麋峰電站水泵工況啟動(dòng)方式以靜止變頻器（SFC）啟動(dòng)為主，背靠背啟動(dòng)為輔。

1 黑麋峰電站SFC系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.1 黑麋峰SFC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

靜止變頻器（SFC）由瑞士ABB公司生產(chǎn)，型號(hào)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(hù)單元及輔助單元幾部分組成。輸入單元包括輸入開(kāi)關(guān)、輸入變、輸入限流電抗器、避雷器等；變頻單元包括整流橋（網(wǎng)橋）、逆變橋（機(jī)橋）和一個(gè)直流電抗器等；輸出單元包括輸出開(kāi)關(guān)、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(guò)以太網(wǎng)及光纖通信?；窘M成見(jiàn)圖1。

1.2 黑麋峰電站水泵工況啟動(dòng)轉(zhuǎn)子檢測(cè)位置基本原理

抽水蓄能機(jī)組水泵工況啟動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)子初始位置檢測(cè)是SFC啟動(dòng)的關(guān)鍵技術(shù)，唯有精確判斷轉(zhuǎn)子初始位置，才能確保電機(jī)按指定方向以最大轉(zhuǎn)矩啟動(dòng)，否則，

可能導(dǎo)致電機(jī)啟動(dòng)方向錯(cuò)誤，或轉(zhuǎn)矩過(guò)低無(wú)法啟動(dòng)。

圖1 SFC系統(tǒng)接線圖

黑麋峰電站SFC系統(tǒng)為ABB公司生產(chǎn)，轉(zhuǎn)子初始位置檢測(cè)采用電磁感應(yīng)的方法檢測(cè)，機(jī)組啟動(dòng)時(shí)，首先在轉(zhuǎn)子上通入一定速率快速上升的勵(lì)磁電流（短時(shí)間內(nèi)，勵(lì)磁電流從0上升至1.5倍的額定值），在此快速變化勵(lì)磁電流的作用下，電機(jī)定子繞組上感應(yīng)出幅值不同的電動(dòng)勢(shì)，通過(guò)該電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)。基本原理是通過(guò)對(duì)機(jī)端電壓波形濾波后按式（1）進(jìn)行 PARK 變換，再利用式（2）、（3）進(jìn)行電壓積分求解磁鏈，即可反正切求解轉(zhuǎn)子位置角。

由于純積分運(yùn)算會(huì)引起采樣誤差的放大，影響轉(zhuǎn)子位置計(jì)算，為此，引入電壓矢量點(diǎn)與磁鏈?zhǔn)噶奎c(diǎn)的乘積作為轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶糠档姆答伭?，與磁鏈幅值相除作為偏差值送入PI調(diào)節(jié)器，于是可以得到式（3）、（4）。

式中：λm為通過(guò)PI調(diào)節(jié)計(jì)算出磁鏈的幅值，ωc為電壓采樣濾波器的截止頻率。

通過(guò)式（4）及式（5），可以計(jì)算出 θ值的大小，從而確定轉(zhuǎn)子的初始位置，SFC控制系統(tǒng)根據(jù)轉(zhuǎn)子的初始位置觸發(fā)脈沖。

2 水泵工況SFC啟動(dòng)失敗現(xiàn)象

黑麋峰電站SFC投入運(yùn)行后，采用SFC模式水泵工況啟動(dòng)時(shí)，經(jīng)常在機(jī)組SFC拖動(dòng)相關(guān)機(jī)組的電氣軸已建立，機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)投入運(yùn)行后，出現(xiàn)啟動(dòng)失敗故障，此時(shí)，機(jī)組轉(zhuǎn)速未上升，仍為0，監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)機(jī)組停機(jī)命令，“SFC事故跳閘”告警，SFC高壓側(cè)開(kāi)關(guān)跳閘，SFC控制面板出現(xiàn)“T3_OpenCircuit”、“T2_ Over Frequency”、“T2_SFC_Underflux”報(bào)警。

遇到此類(lèi)情況時(shí)，我們首先檢查相關(guān)一次回路及控制系統(tǒng)是否異常，檢查機(jī)組各一次設(shè)備實(shí)際位置及反饋位置是否到位，啟動(dòng)程序是否正確，都無(wú)異常后，復(fù)歸相關(guān)報(bào)警，重新對(duì)SFC送電，用SFC試啟動(dòng)其他機(jī)組，檢查是否出現(xiàn)上述問(wèn)題。但每次后面的試啟動(dòng)均無(wú)異常，因此，初步判斷為轉(zhuǎn)子初始位置未檢測(cè)到導(dǎo)致的啟動(dòng)不成功，但報(bào)警的原因需要進(jìn)一步分析。

3 SFC啟動(dòng)失敗報(bào)警原因分析

3.1 啟動(dòng)失敗原因排查

為徹底解決轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)失敗對(duì)抽水工況啟動(dòng)成功率的影響，對(duì)可能導(dǎo)致檢測(cè)不到轉(zhuǎn)子位置的原因進(jìn)行逐一排除。

（1）SFC轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)方法不可靠。黑麋峰電站SFC系統(tǒng)為ABB公司生產(chǎn)，此類(lèi)產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)外被廣泛應(yīng)用，根據(jù)對(duì)其他同類(lèi)型設(shè)備調(diào)查的情況來(lái)看，ABB公司的這種通過(guò)磁通來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置的方法是相對(duì)先進(jìn)的，可排除該項(xiàng)可能。

（2）一次回路及控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障。啟動(dòng)失敗后，經(jīng)過(guò)對(duì)SFC啟動(dòng)回路、啟動(dòng)隔離開(kāi)關(guān)進(jìn)行檢查，未發(fā)現(xiàn)有一次設(shè)備故障的痕跡；控制系統(tǒng)除出現(xiàn)的故障報(bào)警外，控制器AC800 PEC、輸入、輸出模塊及可控硅觸發(fā)脈沖板均無(wú)異常，二次設(shè)備端子緊固，各一次設(shè)備位置反饋正常，排除該項(xiàng)可能。

（3）SFC控制邏輯不合理。通過(guò)對(duì)SFC內(nèi)部邏輯進(jìn)行分析檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)程序BUG及與監(jiān)控系統(tǒng)配合方面的邏輯沖突，且SFC拖動(dòng)機(jī)組大部分是成功的，因此，基本排除該項(xiàng)可能。

（4）SFC相關(guān)定值設(shè)置不合理。SFC在啟動(dòng)機(jī)組檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置的過(guò)程中，存在初始階段因?yàn)殡娏鳌㈦妷旱母蓴_，相關(guān)電氣量檢測(cè)時(shí)間的影響，可能偶爾出現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)不到而導(dǎo)致的檢測(cè)不成功。因此定值設(shè)置不合理可能導(dǎo)致該現(xiàn)象的發(fā)生。

3.2 SFC報(bào)警檢查分析

根據(jù)排查的結(jié)果，對(duì)啟動(dòng)失敗時(shí)SFC系統(tǒng)存在的報(bào)警進(jìn)行深入檢查分析：

（1）報(bào)警一，“T3_OpenCircuit”，意思為 SFC 開(kāi)路跳閘，主要的保護(hù)功能是判斷SFC系統(tǒng)至機(jī)組的一次回路是否有開(kāi)路，通過(guò)初始階段感應(yīng)的磁通來(lái)判斷。調(diào)取相應(yīng)的故障波形見(jiàn)圖2。

圖2 開(kāi)路波形

從故障記錄可以計(jì)算出：

而以前的設(shè)置值是0.3，基本上在計(jì)算值的附近，有時(shí)無(wú)法躲過(guò)，因此在啟動(dòng)之初開(kāi)路的故障會(huì)時(shí)有發(fā)生。

（2）報(bào)警二，“Trip2_Over Frequency”：意思為SFC過(guò)頻跳閘，當(dāng)SFC系統(tǒng)輸出頻率已超過(guò)拖動(dòng)機(jī)組運(yùn)行頻率時(shí)，保護(hù)啟動(dòng)，切斷SFC與機(jī)組的聯(lián)系。調(diào)取啟動(dòng)失敗后的波形見(jiàn)圖3。

圖3 過(guò)頻波形

從故障記錄可以看出，轉(zhuǎn)子位置在啟動(dòng)的初始階段被電流干擾，檢查參數(shù)發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置回滯值為0.1，這個(gè)值太小容易造成混亂的轉(zhuǎn)子位置。錯(cuò)誤的轉(zhuǎn)子位置造成錯(cuò)誤的可控硅觸發(fā)，可控硅觸發(fā)后，未形成最大轉(zhuǎn)矩，機(jī)組無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)，SFC與機(jī)組頻率不一致，SFC通過(guò)計(jì)算認(rèn)為輸出頻率太高而報(bào)超頻故障。

（3）報(bào)警三，T2_SFC_Underflux：意思為SFC判斷電機(jī)低勵(lì)磁跳閘，因判斷轉(zhuǎn)子位置失敗，通入定子兩相電流為不恰當(dāng)?shù)膬上?，定轉(zhuǎn)子合成磁通偏小，無(wú)法形成最大的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩（圖4）。此時(shí)，SFC會(huì)出現(xiàn)低勵(lì)磁報(bào)警。

只有當(dāng)定子磁通與轉(zhuǎn)子磁通的夾角接近90°時(shí)，形成的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩才是最大的。設(shè)定的低磁通定值可以滿足機(jī)組啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的要求，但檢查發(fā)現(xiàn)低磁通檢測(cè)時(shí)間定值為3 s，考慮LCU切換、勵(lì)磁的響應(yīng)時(shí)間，此定值偏短。

4 應(yīng)對(duì)措施

圖4 SFC啟動(dòng)時(shí)定、轉(zhuǎn)子磁通示意圖

通過(guò)以上分析，SFC啟動(dòng)初始階段檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置的磁通量均在0.3附近，而Open Circuit（開(kāi)路）的磁通設(shè)定值為0.3，一旦由于外界干擾等因素導(dǎo)致檢測(cè)到的磁通量低于0.3將造成Open Circuit（開(kāi)路）故障報(bào)警，定值設(shè)置不恰當(dāng)，為避免該情況的發(fā)生，將Open Circuit（開(kāi)路）磁通定值由0.3改為0.2。

轉(zhuǎn)子位置回滯值為0.1，抗干擾能力不強(qiáng)，參考其他抽水蓄能電廠，結(jié)合廠家的指導(dǎo)意見(jiàn)，將轉(zhuǎn)子位置回滯值由原來(lái)的0.1改為0.6。

SFC低磁通檢測(cè)時(shí)間定值由3 s改為6 s，避免因監(jiān)控系統(tǒng)、勵(lì)磁系統(tǒng)響應(yīng)造成的誤動(dòng)。

5 結(jié)束語(yǔ)

定值修改后，后續(xù)的SFC啟動(dòng)機(jī)組水泵工況并網(wǎng)過(guò)程中再?zèng)]有出現(xiàn)類(lèi)似轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)不到的情況，處理達(dá)到理想的效果。抽水蓄能電站SFC投運(yùn)后，運(yùn)維過(guò)程中需對(duì)出現(xiàn)的各種問(wèn)題進(jìn)行總結(jié)分析，結(jié)合廠家的維保，對(duì)定值復(fù)核與校驗(yàn)，從而提升設(shè)備的可靠性。