0 引言

随着蒙西电网新能源装机容量的不断增长，新能源的间歇性、不稳定性等固有缺点，给电网带来了越来越大的调峰压力^[1]。因此作为能实现削峰填谷功能的抽水蓄能电站，越来越重要。内蒙古呼和浩特抽水蓄能电站（以下简称呼蓄电站）位于呼和浩特市东北部的大青山区域（距市区约20 km），安装4台300 MW的立轴单级可逆混流式机组，总装机容量1200 MW，设计年抽水用电量26.767亿kWh，年平均发电量20.075亿kWh，是维持蒙西电网安全稳定运行的重要电站，也是蒙西电网目前唯一1座抽水蓄能电站。呼蓄电站不仅为蒙西电网提供调峰填谷、调频调相的功能，而且能起到为蒙西电网提供事故备用、消纳新能源与黑启动等综合作用。

由于抽水蓄能电站的功能特殊性，电站都采用可逆式的发电电动机组。当前大型抽水蓄能机组众多的拖动技术中SFC和背靠背拖动技术最为成熟。考虑到背靠背拖动技术存在浪费上库水资源与无法拖动最后1台机组等缺点，在抽水蓄能电站中多采用SFC拖动技术^[2]。因此研究SFC对于提高机组从静止到抽水调相工况的成功率具有非常重要的意义。

本文通过对强迫换流阶段的实例进行分析，提出计算机监控系统、励磁系统和SFC之间的协调方法及保护参数的整定方法，以减少SFC保护装置的误动。

1 SFC强迫换流分析 1.1 SFC组成

呼蓄电站SFC主要由输入变压器、网桥（整流桥）、平波电抗器、机桥（逆变桥）、输出变压器、晶闸管冷却单元、控制单元等组成，SFC结构如图 1所示。SFC核心部件为格里兹桥（整流桥加逆变桥），整流桥在直流侧等效于1个电动势与1个二极管串联，逆变桥等效于1个反电动势与1个二极管串联。二极管指示直流电流（I_d）的方向，直流电压（U_d）的幅值与方向由调节器控制。电压为正时, 电桥就是1个整流桥，将交流电流转换成直流电流；电压为负时, 电桥就是1个逆变桥，将直流电流转换成一定频率的交流电流。正常情况下，交流侧电压幅值足够大，能完成自然换相。但是，发电电动机机端电压正比于转速，在发电电动机静止不动时，电压为零，须强制换流。因此SFC须在高转速-同步模式和低转速-脉冲模式下运行。

1.2 SFC强迫换流阶段的磁链方程

发电电动机的数学模型如公式（1）：

(1)

式中U_U、U_V、U_W—发电电动机三相电压；

U_f、U_d、U_q—转子三相绕组电压；

R_U、R_V、R_W—定子三相绕组电阻；

R_f、R_d、R_q—转子三相绕组电阻；

I_U、I_V、I_W—发电电动机三相电流；

I_f、I_d、I_q—转子三相励磁电流。

其中ψ_U、ψ_V、ψ_W、ψ_f、ψ_d、ψ_q为合成磁链；p=d/dt，为对时间的微分算子^[3-4]。

忽略磁势饱和的因素，式（1）可以等效简化为U = RI + ψ。R为互感参数矩阵，可以表示为式（2）：

(2)

式中L_UU、L_VV、L_WW —定子三相绕组自感参数；

L_ff、L_dd、L_qq —转子三相绕组自感参数；

M_UV、M_UW —定子U相绕组分别与V相和W相绕组的互感参数；

M_Uf、M_Ud、M_Uq—定子U相绕组分别与转子U相、V相、W相绕组的互感参数；

M_Vf、M_Vd、M_Vq—定子V相绕组分别与转子U相、V相、W相绕组的互感参数；

M_Wf、M_Wd、M_Wq—定子W相绕组分别与转子U相、V相、W相绕组的互感参数。

1.3 转子初始位置计算方法

定子与转子的互感参数方程为：

(3)

其中，M_{Uf 0}、M_{Vf 0}、M_{Wf 0}为定子三相绕组轴线与转子主机轴线重合时的互感参数；θ₀为定子U相绕组轴线与转子主极轴线的夹角，即反映转子与定子初始位置的夹角。

由公式（1）、（2）、（3）推导可以得到绕组磁链方程（4）：

(4)

令α= R_f/L_f（α为时间常数参数，L_f为转子绕组自然参数），可以得出方程（5）^[5]：

(5)

由法拉第电磁势感应定律可得出如下方程：

(6)

其中，U_Uf、U_Vf、U_Wf分别为U、V、W三相绕组感应电压。由式（6）可得转子的初始位置与定子U相绕组轴线夹角公式^[5]：

(7)

2 SFC协调控制流程

在抽水蓄能机组进行由静止转抽水调相工况时，计算机监控系统启动SFC流程（图 2），合18 kV设备的抽水方向换相隔离开关，接着合机组的拖动隔离开关，此时SFC与机组建立起电气连接；然后启动SFC冷却系统、SFC辅助系统，包括转换器水泵与直流电抗器柜内风扇等；最后启动SFC中压系统，至此SFC的准备阶段完成，并向监控系统发出SFC准备好的反馈信息。监控系统收到该信息后，开始执行转轮压水流程，当收到转轮下水位低信号时，标志着压水过程完成。之后设置调速器调相工况与水泵模式，释放机械制动，检查机组辅助状态，包括技术供水泵正常运行、上导水导空冷器冷却水流量正常、高压油顶起压力正常、机械制动压力低、主轴密封流量与压力正常，至此机组所有辅控系统准备完毕。之后开始设置励磁系统SFC电动机方式，启动励磁和SFC。当转速大于额定转速N_e（500 r/min）的5%时，SFC由强迫环流阶段切换至自然换流，转速大于N_e的90%时退出高压油顶起系统。最后设置同期装置SFC模式，启动同期装置，当其系统侧与机组侧电压相位、频率和幅值在指定范围时，同期装置发合发电机出口断路器系统（GCB）命令，机组抽水调相启动成功。

由于在流程中SFC强迫换流阶段，转子初始位置的准确识别是SFC控制的核心技术，也是流程成功执行的关键。而识别初始位置需要励磁电流在定子三相绕组中感应出电压，通过三相感应电压的相位、幅值识别，因此监控系统在此阶段如何协调励磁系统和SFC系统至关重要。

3 SFC强迫换流协调控制和保护整定 3.1 SFC强迫换流协调控制

在SFC强迫换流阶段，首先由SFC设定并给出1个按阶跃函数变化的励磁电流值，此时尽管机组处于静止状态，但是励磁电流是变化的，变化的励磁电流会在定子三相绕组中感应出电压，通过三相感应电压的相位、幅值计算转子的初始位置，因此可采用电磁感应最强的两相线电压幅值进行计算。由于励磁电流的变化是初始位置检测的关键，在励磁电流达到最大时开始进行转子位置检测最为合适。以下对SFC强迫换流阶段成功和不成功的典型曲线进行对比分析，如图 3和图 4所示。

图 3中可以看出在励磁电流给定为800 A时，励磁电流在2 s时达到最大，而此时也是SFC初始位置的检测时间，因此转子初始位置检测成功。SFC根据检测到的转子初始位置，可以得出对应的强迫换流所需触发导通的可控硅桥臂号，最终保证转子无论在何种位置均可以获得最大转矩。

由图 4可以看出，在励磁电流给定为500 A时，励磁电流在2.8 s时达到最大，此时已经错过SFC初始位置的检测时间，励磁电流已趋于恒定，SFC无法检测初始位置，导致强迫换流失败。

综上所述，要保证强迫换流的成功率，SFC位置检测的时间与励磁电流达到最大的时间必须一致，从而为转子初始位置检测提供足够的磁通。因此提出改进协调策略，将励磁初始电流给定值设置为900 A，起励时间为2 s。在呼蓄电站采用此方法进行由静止转抽水调相工况试验，在进行的100次试验中，仅有3次失败，成功率达97%，证明该方法可以极大地提高SFC启动的成功率。

3.2 SFC保护整定方法

SFC系统保护范围为输入/输出变压器、格里兹桥、直流平波电抗器、冷却系统、控制系统等^[5]。输入/输出变压器保护由变压器保护配置，冷却系统与控制系统的保护由监控系统与SFC系统的保护逻辑进行配置。而对于格里兹桥目前国内外没有相关的保护整定技术规范，因此提出一种保护整定的方法，供相关行业进行参考。

格里兹桥一般配置差动保护，由变流桥本体实现。SFC保护难点在于将逆变桥的变频电流转换为整流桥的工频电流。其动作方程为：

(8)

其中，I_nd为整流桥工频电流；I_md为逆变桥变频的校正电流；I_cdqd为差动保护启动电流；K_set为比率系数。

整流桥与逆变桥差动保护整定，将整流桥与逆变桥的采样电流输入格里兹桥差动保护装置，保护装置实时比较两侧电流大小，当|I_nd-I_md|>I_cd（保护装置动作电流）时，保护装置动作。根据呼蓄电站调试经验，该值取0.3I_e（I_e为额定电流）最为合理，可确保差动保护动作的正确性，减少保护装置误动。

4 结语

本文利用发电电动机的磁链方程推导出转子初始位置的计算方法，并通过改变励磁系统的初始电流与起励时间，提高SFC强迫换流的成功率。提出的格里兹桥的差动保护整定方法，可确保差动保护动作的正确性。