抽水蓄能机组SFC系统保护关键技术

陈 俊，司红建，周荣斌，徐 金，严 伟，沈全荣

（1.南京南瑞继保电气有限公司，江苏 南京 211102；2.江苏沙河抽水蓄能发电有限公司，江苏 溧阳 213333）

0 引言

大型抽水蓄能机组均采用静止变频器（SFC）变频启动系统，SFC系统是大型抽水蓄能机组水泵工况启动的重要设备，可以快速、平稳地将抽水蓄能机组由静止拖动到同步转速，从而减小机组启动和并网时对电网的冲击。它的工作原理是，根据电机转子位置或机端电压信息，将频率逐渐升高的交流电压加到电机定子上，产生超前于转子磁场的定子旋转磁场，通过定／转子磁场的相互作用，将电机转子加速到设定转速[1-12]。

目前，已投产的国内大型抽水蓄能机组SFC系统全部采用进口设备，导致投资成本高，维护和更新困难。随着国内技术水平的进步，少数企业已掌握SFC系统的核心技术，并且成功应用在小型抽水蓄能机组上，具备了取代进口设备的条件。以往，进口SFC系统的保护功能均集成在SFC调节器中，保护功能简单，配置不完整，通常不具备变流桥差动保护（ALSTOM公司产品除外）和输出变压器差动保护功能①ALSTOM.Power generation-pumped storage power stations starting frequency converter protections description.2003.-②ABB.Static frequency converter protection scheme.2008.，且一些抽水蓄能电站接入SFC调节器的电流互感器（TA）为测量级，很容易在故障时快速饱和，不能为SFC系统提供可靠的保护，存在一定的安全隐患。虽然SFC系统只在启动阶段投入运行，但考虑到很多抽水蓄能电站只有1套SFC系统，而且其造价昂贵，因此，SFC系统的继电保护也应引起足够重视。

综上所述，有必要研究SFC系统的保护配置方案和关键技术，研制单独的SFC系统保护装置，为SFC系统提供完备的保护功能，更好地保障设备的安全运行。

1 SFC系统保护配置方案

SFC的拓扑结构按功率桥交流电压等级分为高-高结构和高-低-高结构；按功率桥脉动数分为6-6脉动方式、12-6脉动方式和12-12脉动方式。目前抽水蓄能机组SFC多采用高-低-高结构。

大型抽水蓄能机组SFC系统一般采用12-12脉动方式，其典型配置如图1所示。

图1所示配置包括调节器、I／O装置、保护装置等二次设备；还包括输入／输出断路器、输入／输出变压器、直流电抗器、整流桥、逆变桥、切换刀闸等一次设备。完整的SFC系统保护的保护范围应涵盖以上一次设备。

输入变压器保护具体包括：输入变压器差动保护、输入变压器高压侧过流保护、输入变压器高压侧电流变化率保护、输入变压器低压侧过流保护、输入变压器低压侧电流变化率保护和输入变压器低压侧低电压保护。

变流桥本体差动保护为整流桥、逆变桥和电抗器提供了快速主保护，其包括SFC差动保护1至SFC差动保护4，保护范围可分别选择网桥侧TA（TA1和TA2）和机桥侧电流互感器（TA3和TA4）的两两组合。

图1 SFC系统典型配置图Fig.1 Typical configuration of SFC system

输出变压器保护具体包括：输出变压器差动保护、输出变压器高压侧过流保护、输出变压器低压侧过流保护、输出变压器低压侧电流变化率保护、输出变压器低压侧过频保护、输出变压器低压侧过励磁保护、输出变压器低压侧零序过压保护、输出变压器高压侧低电压保护和输出变压器低压侧低励磁保护。

2 SFC系统保护的关键技术

2.1 SFC变流桥本体差动保护

SFC系统的网桥侧为工频电流，而机桥侧为变频电流，如何实现两侧频率不一致情况下的差动保护，是SFC变流桥本体差动保护的难点。

将机桥侧变频电流经算法处理转换成工频校正电流，再与网桥侧电流构成差动电流和制动电流，采用全周傅氏算法计算。为了提高差动保护的可靠性，采用如下比率制动特性：

其中，IN为网桥侧电流，I′M为机桥侧校正电流，Id为差动电流，Ir为制动电流，Iqd为差动启动定值，Kset为比率制动系数。

RTDS试验表明，该原理的动作速度与机桥侧的频率无关，动作时间小于30 ms（2倍定值）。

沙河抽水蓄能电站SFC系统负载换相阶段的网桥侧TA和机桥侧TA电流见图2，由两侧电流构成的SFC变流桥差动保护差流和制动电流（已转换为相应电流和TA二次侧额定电流In的比值）见图3。

可见，变频启动过程中，变流桥差动电流接近于0，远小于制动电流，差动保护的比率制动系数可以整定为0.3～0.5，保护可以获得比较高的灵敏度。

图2 负载换相阶段的网桥侧和机桥侧电流Fig.2 Currents at grid side and generator side during load commutation

图3 负载换相阶段的差动电流和制动电流Fig.3 Differential current and braking current during load commutation

2.2 输出变压器变频差动保护

输出变压器两侧电流为变频（0～50 Hz），常规变压器差动保护均采用工频算法，无法在此过程中保障输出变压器的安全。以往进口的SFC系统均未配置输出变压器变频差动保护功能。

输出变压器差动保护应采取与频率无关的算法，确保低频情况下也能准确测量，本文采用了发电机保护中常用的启停机保护算法，实现了低频启动过程中的准确测量①南京南瑞继保电气有限公司.PCS-985系列发电机变压器组保护装置技术说明书.2010.；采用变斜率比率制动特性，防止区外故障导致的误动[13]。另外，脉冲换相阶段可能不带输出变压器启动，此时，经旁路开关（图1中的S1）位置接点将输出变压器差动保护退出。

2.3 电流变化率保护

电流变化率保护具有动作迅速、灵敏度高的特点，在短路电流上升的起始阶段就能动作，而且故障越严重，电流变化率保护反应越迅速[15-16]，因此，能够对变流桥本体的电力电子器件起到很好的保护作用。对于未配置变流桥差动保护的情况，电流变化率保护实际上充当了变流桥本体快速主保护。

但从现场应用情况来看，该保护易受干扰信号的影响，如沙河抽水蓄能电站的进口SFC系统，其调节器内的电流变化率保护曾多次发生误动。

为了提高电流变化率保护的可靠性，可采取以下2个措施：连续、多次判断是否满足动作条件；增加采样值过流辅助判据，其与电流变化率判据均满足动作条件时，保护才出口。

2.4 机桥侧频率测量方法

SFC系统脉冲换相阶段，机桥侧电压波形严重畸变，含有大量的谐波分量。图4为某抽水蓄能电站SFC系统脉冲换相阶段的机桥侧AB相间电压波形，显然，若不进行数据处理，难以准确计算电压的幅值和频率。如何消除谐波分量的影响，准确测量电压幅值和频率，是实现机桥侧频率异常保护、过励磁保护和低励磁保护的关键。

图4 机桥侧UAB原始波形Fig.4 Original waveform of UABat generator side

为了准确计算机桥侧的频率，需设计高性能的数字低通滤波器，要求0～60 Hz频率范围内不衰减，同时能够很好地抑制高次谐波，其幅频特性如图5所示。

图5 数字低通滤波器的幅频特性Fig.5 Amplitude-frequency characteristic of digital low-pass filter

图4所示的电压经以上数字低通滤波器后的波形如图6所示。可见，经高性能数字低通滤波后，机桥侧电压波形大为改善，为准确测量机桥侧频率和电压幅值创造了条件。

图7为脉冲换相阶段频率为3.5 Hz的机桥侧电压波形和实测频率值。可见，频率计算值与实际频率吻合，采用以上方法，能够在脉冲换相阶段准确测量机桥侧的频率。

图6 滤波后的机桥侧UAB波形Fig.6 Waveform of UABat generator side after filtering

图7 脉冲换相阶段机桥侧电压和频率Fig.7 Voltage and frequency at generator side during pulse commutation

2.5 提高SFC系统保护可靠性的措施

所有用于SFC系统保护的电流不应取自测量级TA，而应该设置独立的保护级TA。

脉冲换相阶段，机桥侧频率小于5 Hz，TA不能正确传变，变流桥差动保护和输出变压器差动保护均将出现较大的差流，为防止差动保护误动，应在此过程中闭锁这2种保护。

不带输出变压器拖动的阶段，经旁路开关（图1中的S1）位置接点将输出变压器高压侧过流保护、输出变压器高压侧低电压保护退出；当频率超过5 Hz，投入输出变压器后，相应的保护功能自动投入。

3 现场应用情况

基于本文研究结果开发了SFC系统保护装置PCS-985FA，实现了输入变压器、变流桥本体和输出变压器的所有电气量保护功能。该装置采用4U标准机箱，双CPU系统硬件结构，“与门”出口方式，2个CPU系统之间进行相互校验，可靠防止硬件异常导致的误动。

该装置已在江苏沙河抽水蓄能电站得到应用，SFC变频启动过程中，保护装置能准确测量机桥侧频率和过励磁倍数等重要电气量，所有保护功能运行正常。自2012年6月投入应用以来，保护装置未出现任何异常，运行情况良好。

4 结语

进口SFC系统保护功能配置不完整，缺少了SFC变流桥差动保护和输出变压器差动保护功能，存在一定的安全隐患。为了克服进口保护设备存在的问题，本文研究了SFC系统保护的典型配置方案和关键技术，简要总结如下：

a.提出了SFC变流桥差动保护方法，实现了与机桥侧频率无关的快速差动保护方法；

b.提出了输出变压器变频差动保护方法，提高了输出变压器内部故障检测的灵敏度；

c.提出了提高电流变化率保护可靠性的措施；

d.设计了高性能数字低通滤波器，消除了大量谐波分量的影响，实现了机桥侧频率和过励磁倍数的准确测量；

e.提出了提高SFC系统保护可靠性的若干技术措施。

根据本文研究内容开发的SFC系统保护装置已在现场得到应用，应用效果良好，具备了推广应用的条件。该保护装置同样适用于F级大型燃气轮发电机组的LCI变频启动系统，只需将输出变压器的相关保护功能退出即可。