马志强 陶 莉

（1.国网新源潘家口蓄能电厂，河北迁西 060409；2.天津引滦工程管理局大黑汀管理处，河北迁西 064300）

国网新源潘家口蓄能电站位于河北唐山迁西县，是国内最早的大型蓄能电站之一。有 3×90MW蓄能机组，于1991年投入运行。原SFC系统为ABB公司提供，60MW的变频系统，用于机组的软启动和变速运行的功能。

鉴于原系统运行时间较长、备品备件采购困难。潘家口电站于 2007年向国网申请科研项目作为国产化项目改造，新增系统将与原ABB系统并列运行，互为备用。国网公司委托国网电力科学研究院研发国产大型抽水蓄能机组的静止变频器。

“抽水蓄能机组变频启动器国产化研制SGKJ[2007]1014”项目（2007年9月～2011年 5月）由国网新源与国网电科院共同承担合作启动变频器改造项目。国网新源潘家口蓄能电厂作为示范现场，负责现场的改造等工作，并配合国网电科院共同完成整套系统的试验、投运等工作。

由于原SFC系统1991年投入运行，所以现场的施工资料不齐全、现场回路设计复杂，电缆繁多，对新变频器改造造成的困难很大。

此次改造是国产大型抽水蓄能机组的静止变频器首次现场施工，并要求国产变频器与原ABB系统并列备用运行。新增国产变频器安装在原ABB换流阀组之间的空地内，所以给现场施工增加了较大工作量。

本文就国产大型抽水蓄能机组的静止变频器首次现场施工进行了分析。

1 SFC运行原理

抽水蓄能机组静止启动变频器采用交—直—交电流源型晶闸管变频启动方式实现负载换相式变频(LCI)调速，用于完成抽水蓄能发电电动机启动功能，是抽水蓄能电站核心控制设备，担负所有蓄能机组抽水工况下的电动机启动任务。

国产变频器系统采用高-高 6脉波型式，系统配置示意如图1所示。

电气一次主回路系统由网侧 CT、网侧 PT、网侧隔离开关、整流桥、平波电抗器、逆变桥、机侧 PT和机侧隔离开关组成。输出侧不设置隔离变压器，整流桥和逆变桥阀串采用热管散热器自然冷却方式，两个阀串之间接直流平波电抗器，用于抑制谐波和续流作用。机侧和网侧接入相应的CT、 PT。

其中网侧PT、CT信号均同ABB系统共用。机侧PT为新增PT，装于输出隔离刀闸与逆变器输出母线之间。网侧CT、网侧PT和机侧PT分别采集对应电气信号给控制系统，用于机组启动控制。网侧隔离开关和机侧断路器分别负责主、备用变频器一次回路的切换。整流阀串将网侧工频电流整成直流，逆变阀串将直流电流逆变成不同频率的交流电流以达到变频作用。

二次回路控制系统由控制柜、保护切换柜和两台脉冲触发柜组成。控制柜采集模拟量和开关量信号、并对两台脉冲触发柜发出脉冲指令。保护切换柜主要实现主回路的保护及主、备两台变频器的二次信号切换。脉冲触发柜主要对阀串发出脉冲以达到控制阀串通断。

图1 抽水蓄能静止启动变频器系统

2 国产静止变频器系统的组成及运行流程

抽水蓄能机组国产静止变频器系统采用国网电科院自主研发生产的 NES-5500静止变频器。装置控制部分由一台 NES-5500控制柜、两台阀组触发监控柜（脉冲柜）、一台保护切换柜组成。一次部分由18MVA整流阀组、逆变阀组、平波电抗器以及高压隔离开关、过电压保护装置、PT等组成。

2.1 SFC启动过程

在抽水蓄能机组中，静止变频器实现机组由静止状态加速启动，直至并网的全部控制流程，它主要包括投励、脉冲换相运行、换相方式切换过渡过程控制、负载换相运行、同期调节和并网六个阶段。

(1)在机组处于静止状态时，首先投入励磁电流，通过励磁强励，根据在定子中感应的三相电压计算转子初始位置，确定第一组逆变器触发脉冲。

(2)待励磁电流上升至额定值并稳定后，变频器解锁，进入脉冲换相方式运行。

(3)当机组加速到额定转速的10%时，首先按照脉冲换相运行至电流过零时刻，再进行换相方式的切换，静止变频器由脉冲换相运行转入负载换相运行。

(4)完成换相方式的切换后，静止变频器靠电机反电动势进行负载换相，按设定转速加速。

(5)当机组加速到额定转速的97%时，系统进入同期调节运行阶段。

(6)在同期调整过程中，一旦符合并网条件，切除静止变频启动装置，延迟一定时间，合上并网控制隔离开关，机组与电网并列运行。

2.2 运行流程

SFC自检(无报警、无故障信号)监控发出机组选择信号，SFC收到监控开出的机组后，判断检测该机组的处于静止，主隔离开关处于断开状态，SFC机侧和网侧隔离开关处于分开位置。向监控系统确认所选机组号。然后，监控开出合闸信号（合机侧和网隔离开关），变频器阳极上电。监控开出励磁投入信号后，再向SFC发出变频器启动令。SFC系统收到启动令后，向励磁系统发出励磁电流指令IF，开始计算转子位置直到检测完毕。变频器解锁，开始发出触发脉冲，然后按照启动过程的六个阶段进行控制，直到达到同期并网要求，SFC开出并网信号，封锁变频器，合上并网开关后退出。

3 改造的方案及难点

由于潘家口变频器原来的控制保护系统接线和工况很复杂、程序繁琐，单独要更换控制保护系统涉及的接口较多，而且设备更换的过渡期比较长。因此变频器必须要作为一个整体系统来统一规划和实施，这是项目实施中关键性的问题之一。否则可能将造成变频器自身系统的混乱。故在改造的一开始就必须要搞好变频器详细的总体设计。

其中包括两套变频器的并列运行设计方案的制定、两套变频器切换方法的制定等。必须将前期工作做好，将变频器改造项目建立在扎实可靠的基础之上。

3.1 两套变频装置并列运行的实现

潘家口主回路改造，切换功能实现如图2所示。框外部分是改造之前的ABB静止变频器主回路原理图，虚线框内是新增国产设备。当使用国产变频器启动时，通过断开14-5和14-1隔离开关，闭合14-5b和14-1b隔离开关，国产变频器即同启动回路连接。同理，使用ABB变频器启动时，通过闭合14-5和14-1隔离开关，断开14-5b和14-1b隔离开关。

图2 潘蓄静止变频器电气原理图

图3 二次信号与国产变频器系统和ABB变频器系统的信号切换原理

二次信号改造切换过程如图3所示。图3中K1、K2为切换继电器，其中11、14为常开节点，11、12为常闭节点。当K1、K2线圈失磁状态时，外部信号通过切换继电器K1的常闭节点输入到ABB-SFC系统，该系统输出信号同理经过K2也被送至外部。当K1、K2线圈处于励磁状态时，常开节点11、14闭合，常闭节点11、12断开，外部信号通过11、14节点送至NARI-SFC系统，该系统的输出信号被送至外部。

这样将 SFC系统与外部有关的信号，均经过NARI-SFX的切换功能部分，即图纸方框内部分，就可以实现外部信号与两套设备的信号的公用。考虑到将来国产的设备作为主要的启动设备，因此，继电器线圈失电状态下信号处于NARI状态下。

3.2 国产静止变频器系统的切换

两套SFC启动变频器装置可在主套和备套之间进行切换。当SFC主套装置启动中出现问题或因故障而无法启动时。电厂人员对SFC装置进行主备用切换操作，两套SFC设备切换操作分为主回路切换和二次回路切换两部分。

3.2.1 主回路切换

如图2所示，主回路切换由手动操作隔离刀闸14-5、14-5b完成。其中14-1b亦为新增设备，但其受监控电控控制，无需人员操作。主回路切换方法如下。

（1）将 ABB变频器切换至国产变频器。手动将14-5打开、14-5b闭合。此时保护切换柜继电器J8点亮，说明国产变频器主回路切换已完成，否则说明刀闸分、合位置不正确或不彻底。

（2）将国产变频器切换至 ABB变频器。手动将14-5b打开、14-5闭合。此时保护切换柜继电器J7点亮，说明ABB变频器主回路切换已完成，否则说明刀闸分、合位置不正确或不彻底。

注：为防止主回路切换不正确或不彻底，将主回路切换逻辑条件，加入到原变频器系统“SFC可用”逻辑中。改造后的变频器，如果原“SFC可用”条件满足时报“SFC不可用”，可检查主回路切换逻辑，并观测 J7、J8是否在对应逻辑下正确性进行排查。

3.2.2 二次回路切换

投入备套（国产变频器、ABB变频器互为备用）SFC装置电源，查看装置信号指示灯，工作状态是否正常，电源指示是否正常。

确认变频器在停止状态，输入、输出断路器分闸状态。二次回路切换方法如下。

（1）将ABB变频器切换至国产变频器。

利用钥匙开关将保护切换柜面板切换把手由“ABB变频器”切换到“国产变频器”档位，此时柜内风扇停止运行，所有切换继电器（K1-K116）失电。

将保护切换柜内 ABB变频器部分压板（YB17-YB32，绿色）由投入状态（垂直插接）手工操作为退出状态（斜向放置）。

将保护切换柜内国产变频器部分压板（YB01-YB16，红色）由退出状态（斜向放置）手工操作为投入状态（垂直插接）。

（2）将国产变频器切换至ABB变频器。

利用钥匙开关将保护切换柜面板切换把手由“国产变频器”切换到“ABB变频器”档位，此时柜内风扇开始运行，所有切换继电器（K1-K116）得电。

A）将保护切换柜内国产变频器部分压板（YB01-YB16，红色）由投入状态（垂直插接）手工操作为退出状态（斜向放置）。

B）将保护切换柜内 ABB变频器部分压板（YB17-YB32，绿色）由退出状态（斜向放置）手工操作为投入状态（垂直插接）。

4 结 语

现场试验数据表明，变频器主设备经受了上电及全功率运行等各种方式运行的考验。同时也证明了变频器控制系统的双套切换功能满足机组监控系统、励磁系统、机组保护系统和调速系统之间信号传递与配合关系是正确的。在机组变频器启动过程中，机组各种参数稳定，速度变化均匀，启动动态特性较好，机组启动过程满足预先设计指标。

现场试验说明了所调试的静止变频器系统完全满足双套变频器系统切换运行的设计原理，现场的施工改造是成功的，提高了机组运行的稳定水平，简化了运行人员的操作，降低了运行人员的劳动强度，提高了工作效率，降低生产成本创造了条件。从总体上看， 变频器系统在现场的试验结果良好，各项性能指标均符合相关标准及设计要求，因此，设备运行完全可行，且不存在一般和重大威胁，但充分考虑抽水蓄能机组各种工况，要进一步验证设备的稳定性。

[1]魏守平.水轮机控制工程.武汉:华中科技大学出版社,2005

[2]DL/T583-1995 大中型水轮发电机电机静止整流励磁系统及装置技术条件.北京:中国电力出版社,1996

[3]沈祖诒.水轮机调节分析.北京:水利电力出版社,1991