某抽水蓄能机组励磁系统若干设计缺陷分析与处理

刘向东，凌 鹏，吴 钊

（南方电网调峰调频发电有限公司检修试验分公司，广东省广州市 511400）

0 引言

励磁系统是连接发电机组和电网的重要环节[1-3]，其对稳定机组运行和维持电力系统的静态[4-6]、暂态[7]及动态稳定[8-9]具有极其重要的作用。

本文结合某抽水蓄能机组励磁系统调试实际情况，在原有设计的基础上，研究设计缺陷对励磁系统正常运行造成的影响，通过原理分析，提出相应的优化改进方案。

1 调节器内部励磁电流检测逻辑优化设计

1.1 缺陷概况

背靠背拖动调试过程中，监控系统下发励磁直流灭磁开关FCB合闸指令后，FCB无法正常合闸。监控显示励磁一级故障，查看励磁调节柜LCP控制屏，报文显示励磁电流检测故障“EXCITATION CURRENT MEASURE FAULT”。

1.2 缺陷原理分析

调节器内部励磁电流检测逻辑如图1所示。模块102、103、109和110为与门，输入全部有效则输出有效，输入只要有一个无效则输出无效；模块104为或门，输入全部无效则输出无效，输入只要有一个有效则输出有效；模块93和94为比较器，当模块93输入IN1数值上大于输入IN2时，模块93输出有效。当模块94输入IN1数值上小于输入IN2时，模块94输出有效；模块105为RS触发器（或非门组成），约束方程为SR=0，当输入S端有效且R端无效，则输出端Q有效，/Q无效。当输入端S端无效且R端有效，则输出端Q无效，/ Q有效。当RS端均无效，则触发器状态保持不变。

为保证机组安全稳定运行，在机组GCB合闸后励磁调节器会通过其内部逻辑判断励磁电流情况（黑启动模式下励磁电流检测功能已被闭锁），在励磁电流检测装置正常的情况下，当励磁电流为零或励磁电流有一个从额定励磁电流3%以上至额定励磁电流2%以下的回落过程时，调节器则判断励磁电流测量故障。

例如，G工况下GCB正常合闸后励磁电流为零，调节器则判断电流测量故障。模块102输入IN1有效（GCB已合闸）、输入IN2有效（已收到励磁启动令）、输入IN3有效（励磁未选择黑启动模式），模块102输出有效。励磁电流为零，即电流值始终小于额定励磁电流的2%，模块93输出无效，模块94输出有效。模块104输入IN1有效，模块104输出有效。模块105输入S端有效，R端无效（励磁不处于逆变模式），模块105输出Q有效。模块109输入IN1有效，输入IN2有效，输入IN3有效（励磁初始化已完成），输入IN4有效（励磁未选择SFC模式），模块109输出有效。模块110输入IN1无效，即使输入IN2有效（励磁电流检测装置正常），模块110输出仍然无效，即调节器判断励磁电流测量故障。

与其他工况转换流程不同的是，背靠背拖动流程中拖动机的GCB合闸动作早于励磁直流灭磁开关FCB合闸动作，GCB合闸意味着调节器励磁电流检测功能被激活（模块102输入IN1有效），然而此时FCB并未合闸，转子电流为零，故调节器逻辑判断结果为励磁电流测量故障，FCB将无法正常合闸。

图1 调节器内部励磁电流检测逻辑Figure 1 Internal excitation current detection logic of regulator

1.3 缺陷处理方案

针对背靠背拖动过程中，拖动机GCB合闸后，励磁电流检测故障报警导致直流灭磁开关FCB无法合闸的问题，考虑在FCB合闸前闭锁励磁电流检测功能，转子通流后模块93输出有效，闭锁自动解除。

优化改进后的调节器内部励磁电流检测逻辑如图2所示，检测流程中新增背靠背模式和发电模式判断。以下模拟拖动机在背靠背流程中，判断励磁电流检测情况。励磁选择背靠背模式和发电机模式后，模块101输入IN1和IN2有效，模块102输入IN4无效，模块102输出无效。模块103输入IN2无效，模块103输出无效。模块104输入IN1和IN2均无效，模块104输出无效。模块105输入S端无效，R端无效，模块105输出Q无效（保持原状态）。模块109输入IN1无效，模块109输出无效。模块110输入IN1有效，当输入IN2也有效（即励磁电流检测装置正常）时，模块110输出有效，励磁电流检测正常，此时励磁直流灭磁开关FCB正常合闸不受影响。

图2 优化改进后的调节器内部励磁电流检测逻辑Figure 2 Optimized and improved internal excitation current detection logic of regulator

将修改后的程序重新加载至励磁调节器，试验表明，优化改进后的励磁系统在接收到直流灭磁开关合闸指令后，FCB正常动作，励磁电流检测故障报警消除。

2 励磁直流灭磁开关控制回路优化设计

2.1 缺陷概况

励磁直流灭磁开关分闸动作后出现了自动合闸现象，检查控制回路发现灭磁开关合闸令继电器K1损坏，动合触点11、14被击穿后融化粘结，直流灭磁开关合闸控制回路始终处于导通状态。

2.2 缺陷原理分析

励磁直流灭磁开关控制回路如图3所示。励磁直流灭磁开关合闸控制回路主要由灭磁开关合闸令继电器K1、接触器Q01-1、防跳电阻RE及合闸线圈C组成。

图3 励磁直流灭磁开关控制回路Figure 3 Excitation DC de-excitation switch control loop

直流灭磁开关合闸控制过程如下：灭磁开关合闸令继电器K1接收调节器远程IO脉冲信号后励磁，继电器K1所在合闸控制回路导通，接触器Q01-1励磁，合闸线圈C通电，励磁直流灭磁开关合闸。随后，直流灭磁开关合闸脉冲信号消失，继电器K1失磁，K1动合触点11、14断开，直流灭磁开关保持在合闸位。

接触器Q01-1线圈的电感特性决定了回路电流无法突变，当继电器K1所在合闸控制回路被切断时，接触器Q01-1线圈本体会产生一个很强的反向电动势来维持回路电流不变，原本已断开的K1常开触点11、14被击穿，合闸控制回路再次导通，影响直流灭磁开关正常分闸。

2.3 缺陷处理方案

优化后的直流灭磁开关控制回路如图4所示。针对接触器Q01-1线圈电流无法突变的问题，考虑在接触器Q01-1处并联一个反向的续流二极管。当合闸控制回路导通时续流二极管承受反向电压处于关断状态，当合闸控制回路断开后续流二极管正向导通，接触器Q01-1与续流二极管形成电流回路释放接触器中储存的能量，确保继电器K1所在合闸控制回路电流随继电器动合触点断开而迅速消减。

同时，综合考虑直流灭磁开关分闸、合闸控制回路的关联性及开关分闸正确动作的重要性，提出在合闸控制回路的继电器K1处与之串联一个灭磁开关合闸令继电器K5，励磁直流灭磁开关合闸后调节器A3合闸脉冲信号消失，继电器K1和K5同时失磁，合闸控制回路出现两个断点，有效控制回路电流关断。

试验表明，优化后的合闸控制回路能按要求准确关断回路电流，开关分合闸动作正确有效。

3 机组停机热备转抽水调相过程中的励磁调节模式切换节点优化设计

3.1 缺陷概况

机组停机热备转抽水调相过程中，同期并网GCB合闸瞬间发电电动机进相运行。

3.2 缺陷原理分析

机组停机热备转抽水调相流程中，励磁在收到启动命令（“EXCITATION ON CMD”）后，直流灭磁开关合闸，调节器于手动电流调节模式 。当机组转速上升至95%额定转速时，调节器由手动电流调节模式切换至自动电压调节模式。

图4 优化后的直流灭磁开关控制回路Figure 4 The control loop of the DC demagnetization switch after being melted

励磁各种调节模式之间相互跟踪，主备用模式可实现无扰切换。自动电压调节模式切换后，如无外部干预对励磁控制参数（机端电压给定值）重新设置，机端待并侧电压值则不再变化，恒等于95%额定转速模式切换瞬间的电压值。

当转子转速上升至99%额定转速时，机组同期装置投入。为实现快速并网，同期合闸允许压差整定范围为±5%。较为宽松的合闸允许压差使得机组不必继续升高机端待并侧电压便已满足同期并网要求，GCB合闸瞬间发电电动机进相运行。

3.3 缺陷处理方案

措施1：针对自动电压调节模式切换后在无外部干预对励磁控制参数（机端电压给定值）重新设置的条件下机端待并侧电压值不再变化的问题，考虑将机组停机热备转抽水调相流程中励磁调节模式切换时间节点由转子达到95%额定转速修改为99%额定转速。修改后的励磁调节模式切换节点转速判断逻辑如图5所示，虚线框内为新增部分。

图5 优化改进后的励磁调节模式切换节点转速判断逻辑Figure 5 Optimized and improved speed judgment logic of excitation regulation mode switching node

根据电磁感应定律，在定子铁芯磁通未饱和的情况下，发电电动机机端电压和频率成正比。相比于原设计，切换模式节点调整后，在机组转速由95%额定转速上升为99%额定转速的时间段内，发电电动机机端待并侧电压会随转子转速升高而持续上升，同期合闸时机端待并侧电压和系统电压差值相对较小，合闸不会造成较大的无功波动。

措施2：考虑到同期合闸装置在机组不符合同期条件时可通过控制调节器改变机端电压给定值实现机组电压自动控制，所以提出将同期合闸允许压差整定范围由±5%缩小为±3%，即使模式切换后机端待并侧电压相对较低（超出±3%的范围），仍可通过同期装置调整压差，直至同期合闸条件满足。合闸瞬间较小的压差则不会造成机组深度进相。

两种措施对比分析：采用措施1，机组在转速95%～99%时间段内，电压持续上升，当达到99%额定转速释放同期装置后，合闸条件一旦满足便可立即并网。采用措施2，机组在转速95%～99%时间段内，电压恒定不变，所以在机组99%额定转速释放同期装置后，需要额外的时间通过励磁装置调整机端待并侧电压直至同期合闸条件满足后方可并网。两种措施均可缩小同期合闸电压差值，不同的是措施1将从一定程度上节省同期并网时间。

另外，考虑到当电网负荷较小导致系统电压过高时，即使采用措施1，仍然无法排除GCB合闸瞬间电压差值较大造成机组深度进相的可能。所以提出同时采用措施1和措施2，既可节省同期合闸并网时间，又可在电力系统电压过高［超出同期合闸允许压差整定值（±3%）］时，通过同期装置自动提高机端待并侧电压，减小机端待并侧电压和系统电压差值，有效避免GCB合闸瞬间机组进相运行。

4 结论

（1）考虑抽水蓄能机组背靠背拖动机启动流程的特殊性，针对拖动机GCB合闸后，励磁电流检测故障报警导致直流灭磁开关FCB无法合闸的问题，提出了一种基于励磁模式判断的励磁电流检测逻辑优化设计方案。

（2）针对励磁系统直流灭磁开关合闸控制回路电流无法正常关断的问题，本文提出了在电感元件处反向并联续流二极管的方法，同时考虑直流灭磁开关分合闸控制回路的关联性及开关分闸的重要性，通过新增直流灭磁开关合闸继电器，确保了开关分合闸动作的正确性。

（3）针对机组停机热备转抽水调相过程中，同期并网GCB合闸瞬间发电电动机进相运行的问题，本文提出了励磁调节模式切换节点设计优化方案，可有效改善机组GCB合闸瞬间进相运行状况。