隨著我國電網規(guī)模不斷擴大，受地區(qū)水力資源的限制，抽水蓄能電站對電網的調峰作用日益重要。國家對電網經濟運行和電源結構調整提出了更高的要求，使得抽水蓄能電站的建設步伐加快。抽水蓄能電站中勵磁系統(tǒng)的運行工況較為復雜，相對于常規(guī)電站有更高的要求，在現場運行中常遇到各類問題。

1 項目情況概述

呼和浩特抽水蓄能電站是內蒙古自治區(qū)第一座抽水蓄能電站，上下水庫水位差540m，電站共安裝了4臺30×104kW的立軸單級可逆混流式機組，設計年抽水用電量為26.77×108kW?h，年發(fā)電量為20.07× 108kW?h。該項目發(fā)電機由東方電機提供。

4臺勵磁系統(tǒng)均由東方電機控制設備有限公司（以下簡稱東方）生產。該項目為UN6800型勵磁系統(tǒng)在國內抽水蓄能電站的首次應用。軟件部分由東方自行設計，在調試過程中根據現場情況進行了一些改進優(yōu)化。

2 故障說明

2.1 系統(tǒng)概述

勵磁系統(tǒng)采用雙通道、3整流橋設計。勵磁變高壓側連接到主變低壓側，長期帶電。為保證檢修時可靠斷開電源，在交流進線柜內設置一個抽出式交流隔離開關作為斷點。交流側開關與滅磁開關設置有閉鎖邏輯。

勵磁系統(tǒng)支持正常發(fā)電、背靠背電動機、背靠背發(fā)電機、電制動、線路充電、靜態(tài)變頻起動系統(tǒng)（load commutated inverter starting system, LCI）水泵工況等模式，起動前根據監(jiān)控系統(tǒng)命令進行模式選擇及流程、參數等切換。

監(jiān)控系統(tǒng)由北京貝利提供，LCI系統(tǒng)由ABB提供。該型號勵磁系統(tǒng)與上述系統(tǒng)均有豐富的配合業(yè)績。

2.2 LCI控制模式說明

該項目在水泵工況下由LCI系統(tǒng)拖動發(fā)電機至額定轉速，LCI系統(tǒng)與勵磁系統(tǒng)的通信量包含以下幾項：①勵磁電流給定4～20mA；②勵磁電流反饋4～20mA；③勵磁系統(tǒng)投入/切除；④勵磁系統(tǒng)投入狀態(tài)反饋；⑤在水泵工況起動前，由監(jiān)控系統(tǒng)選擇被拖動機組和勵磁系統(tǒng)。

水泵工況起動示意圖如圖1所示。起動后，LCI系統(tǒng)控制勵磁系統(tǒng)投入，投入時勵磁系統(tǒng)切換到手動模式，初始給定值設為0，并開放勵磁電流外部模擬量給定模式。

圖1 水泵工況起動示意圖

LCI系統(tǒng)通過4～20mA模擬量來控制勵磁電流的輸出。

勵磁投入后跟蹤LCI系統(tǒng)的給定值進行調節(jié)，同期條件滿足時，同期裝置投入，由同期裝置下達頻率、電壓調節(jié)信號至LCI系統(tǒng)，由LCI系統(tǒng)調節(jié)發(fā)電機電壓及頻率。同期合閘命令發(fā)出的同時，勵磁系統(tǒng)切換至自動模式，LCI系統(tǒng)退出運行。

2.3 故障情況

在調試階段的某次水泵工況并網時，出現了下述情況：拖動過程正常，在同期合閘瞬間，LCI系統(tǒng)正常退出，但勵磁電流快速下降并觸發(fā)發(fā)變組失磁保護動作跳機。

3 故障分析

3.1 故障原因

1）首先列出LCI系統(tǒng)退出條件如下：①系統(tǒng)故障；②同期合閘命令；③發(fā)電機出口斷路器（generator circuit breaker, GCB）合閘狀態(tài)。

任一條件滿足時，LCI系統(tǒng)均退出運行，同時閉鎖脈沖，并閉鎖發(fā)送至勵磁系統(tǒng)4～20mA模擬量信號。

2）勵磁系統(tǒng)給定消失條件如下：①系統(tǒng)故障；②給定值降低至0。

檢查發(fā)現勵磁系統(tǒng)并未出現故障報警信息，而是在保護系統(tǒng)動作后才跳閘并退出運行的。退出時勵磁系統(tǒng)運行在手動方式下。此時可以肯定，勵磁系統(tǒng)當時沒有及時切換至電壓模式，并且給定值出現了異常。

3.2 過程回溯

根據圖2所示，在水泵工況下，LCI系統(tǒng)拖動至同期投入狀態(tài)時，同期裝置運行并開始給LCI系統(tǒng)發(fā)送調節(jié)信號。

圖2 水泵工況控制信號示意圖

在同期條件滿足后，同期裝置同時發(fā)送同期合閘命令至GCB、LCI系統(tǒng)、勵磁系統(tǒng)。此時分別動作GCB合閘、LCI系統(tǒng)退出、勵磁切換至自動模式等。LCI退出流程，執(zhí)行閉鎖脈沖及閉鎖4～20mA模擬量信號。

理論上LCI退出至閉鎖4～20mA模擬量信號的時間比勵磁系統(tǒng)切換自動模式的時間更長，但這里偏差僅為ms級別。此次故障時，勵磁系統(tǒng)還沒有切換至自動模式，LCI系統(tǒng)已退出了4～20mA模擬量信號，導致勵磁系統(tǒng)電流給定值突降至0，出現此次故障。

4 現場解決方案

鑒于在水泵工況下勵磁系統(tǒng)由LCI系統(tǒng)控制，在自動模式下必須保證跟蹤LCI系統(tǒng)給定，要解決的問題是如何在并網時保證勵磁系統(tǒng)給定值正確，以避免出現錯誤的給定情況。故障發(fā)生后，現場討論提出了幾種處理方案。

4.1 方案1

將LCI系統(tǒng)的4～20mA模擬量信號在并網后保持幾秒鐘時間，在GCB合閘后再退出。這里認為，LCI系統(tǒng)在拖動完成退出后不應該再接入到無關流程的控制中，并且此時勵磁系統(tǒng)應該在自動模式下并網。該方案被否決。

4.2 方案2

在UN6800勵磁系統(tǒng)的標準LCI程序流程中，在LCI控制模式時會保持強制手動（ForceManual）（此時勵磁系統(tǒng)不可切換到自動模式）和允許LCI外部給定（EnableLCIRefInput）命令，防止LCI拖動中勵磁模式切換導致失控，將現場LCI外部模擬量給定對應的勵磁電流輸出設定為0～1200A。

為避免上述故障情況發(fā)生，可以在同期投入調節(jié)后、GCB并網前將勵磁的LCI控制模式退出。而退出該模式，可通過將EnableLCIRefInput命令置零或將勵磁系統(tǒng)切換到自動模式來實現?？紤]運行安全，采用了自動模式并網的解決方案，并依據此方案對勵磁系統(tǒng)程序進行了修改。

首先設定一個機端電壓目標值，在電壓值達到時復歸ForceManual命令，使勵磁系統(tǒng)可切換至自動模式。在同期裝置投入后，將勵磁系統(tǒng)切換至自動模式，閉鎖LCI系統(tǒng)控制?？梢酝ㄟ^勵磁系統(tǒng)自行判斷、監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出切自動命令或將同期投入命令作為自動模式切換條件等方式實現。

同期控制模式如圖3所示。此時的增、減電壓信號由同期裝置發(fā)送至勵磁系統(tǒng)進行機端電壓調節(jié)，而LCI系統(tǒng)只需控制發(fā)電機轉速。

圖3 同期控制模式

現場勵磁系統(tǒng)沒有接入同期投入的接點信號，現場討論也不建議采取勵磁系統(tǒng)自行切換到自動模式的方式。最終采取監(jiān)控系統(tǒng)控制方式，在發(fā)出同期投入命令時向勵磁系統(tǒng)同時發(fā)出自動模式投入指令。

在同期合閘條件滿足并發(fā)出合閘命令時，勵磁系統(tǒng)已切換至自動模式，LCI閉鎖輸出后將不會導致發(fā)電機失磁情況發(fā)生。

4.3 方案2優(yōu)化

在將上述流程修改后，順利執(zhí)行了多次水泵工況并網操作，但在運行1個月后的一次并網過程中，再次出現了失磁情況。

現場同期裝置合閘需要在同期投入、同期合閘條件滿足、監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出允許同期合閘命令的條件下才會送出GCB合閘指令。

監(jiān)控系統(tǒng)記錄顯示，此次同期合閘時間非常短，查看勵磁系統(tǒng)錄波記錄看出，自動方式投入命令與GCB合閘狀態(tài)信號幾乎同時動作，但勵磁系統(tǒng)的GCB合閘狀態(tài)為接點反饋信號，實際GCB合閘時間應早于自動模式投入指令。故障仍然是勵磁系統(tǒng)手動方式下并網，LCI給定值消失導致。

為解決該問題，在監(jiān)控系統(tǒng)流程中增加了勵磁自動模式判斷條件。在檢測到勵磁系統(tǒng)自動模式反饋信號后，再允許同期合閘，這樣就從根本上避免了此類故障情況的發(fā)生，最大程度上保證了發(fā)電機運行安全。

4.4 現場運行情況

方案修改前，同期投入后，由同期裝置發(fā)送增/減磁、增/減速信號至LCI系統(tǒng)，LCI系統(tǒng)控制發(fā)電機（電動機）轉速及機端電壓。并且，項目合同中對拖動時長也有考核要求。因此，方案修改前，擔心同期調節(jié)時間增長、影響LCI系統(tǒng)調節(jié)等情況發(fā)生，具體如下：

1）方案增加了勵磁系統(tǒng)自動模式切換的數秒時間，但根據歷史記錄核算，不影響考核時間。

2）勵磁切換自動模式后，將保持機端電壓為切換瞬間的給定值，此時LCI系統(tǒng)調節(jié)定子電流又會影響機端電壓值，造成互相影響。

3）根據多次拖動過程的錄波以及LCI控制原理分析，同期投入后，機端電壓和LCI輸出定子電流大小基本維持不變，僅緩慢調節(jié)轉速，不會出現不穩(wěn)定情況。并且LCI及勵磁系統(tǒng)均有完善的保護功能，并網前出現異常也不會對各個系統(tǒng)造成損害。決定試運行該方案進行驗證。

目前，方案修改后已運行5年時間，并未對同期合閘時間造成影響，現場LCI系統(tǒng)也運行正常，未出現異常調節(jié)情況，充分驗證了該方案的可靠性。

5 結論

綜合上述分析及現場運行情況，在抽水蓄能機組中可參考呼蓄電站的水泵工況并網流程，同時根據現場實際情況優(yōu)化判斷條件及勵磁調節(jié)模式切換方案，避免水泵工況下并網時出現失磁故障。

以上研究成果發(fā)表在2020年第11期《電氣技術》，論文標題為“抽水蓄能電站勵磁系統(tǒng)水泵工況并網流程分析”，作者為安冬、魏蔓。