水泵工况SFC模式启动时转子位置检测失败分析

祝加勇，刘康波，杨 晖，庞希斌，吴 敏

（国网新源湖南黑麋峰抽水蓄能有限公司，湖南 长沙410213）

0 引言

黑麋峰抽水蓄能电站位于湖南省长沙市望城区，装有4台单机300 MW的可逆式抽水蓄能机组，2010年10月份全部机组投产，主要承担湖南地区电网调峰、调频及事故备用。电站投产以来，充分利用抽水蓄能机组工况转换灵活、启动迅速的特点，为湖南电网减少常规水电弃水、晚间填谷发挥了巨大作用，因此保证机组水泵工况启动成功率是电站运维工作的重点，黑麋峰电站水泵工况启动方式以静止变频器（SFC）启动为主，背靠背启动为辅。

1 黑麋峰电站SFC系统简介

1.1 黑麋峰SFC系统结构

静止变频器（SFC）由瑞士ABB公司生产，型号为W1206-333/4R465，额定输出功率18.8MW，水冷，主要由输入单元、变频单元、输出单元、控制单元、保护单元及辅助单元几部分组成。输入单元包括输入开关、输入变、输入限流电抗器、避雷器等；变频单元包括整流桥（网桥）、逆变桥（机桥）和一个直流电抗器等；输出单元包括输出开关、输出电抗器、输出变、旁路刀闸、接地刀闸等，控制器为可编程逻辑控制器AC800 PEC，通过以太网及光纤通信。基本组成见图1。

1.2 黑麋峰电站水泵工况启动转子检测位置基本原理

抽水蓄能机组水泵工况启动时转子初始位置检测是SFC启动的关键技术，唯有精确判断转子初始位置，才能确保电机按指定方向以最大转矩启动，否则，

可能导致电机启动方向错误，或转矩过低无法启动。

图1 SFC系统接线图

黑麋峰电站SFC系统为ABB公司生产，转子初始位置检测采用电磁感应的方法检测，机组启动时，首先在转子上通入一定速率快速上升的励磁电流（短时间内，励磁电流从0上升至1.5倍的额定值），在此快速变化励磁电流的作用下，电机定子绕组上感应出幅值不同的电动势，通过该电动势进行转子位置检测。基本原理是通过对机端电压波形滤波后按式（1）进行 PARK 变换，再利用式（2）、（3）进行电压积分求解磁链，即可反正切求解转子位置角。

由于纯积分运算会引起采样误差的放大，影响转子位置计算，为此，引入电压矢量点与磁链矢量点的乘积作为转子磁链矢量幅值的反馈量，与磁链幅值相除作为偏差值送入PI调节器，于是可以得到式（3）、（4）。

式中：λm为通过PI调节计算出磁链的幅值，ωc为电压采样滤波器的截止频率。

通过式（4）及式（5），可以计算出 θ值的大小，从而确定转子的初始位置，SFC控制系统根据转子的初始位置触发脉冲。

2 水泵工况SFC启动失败现象

黑麋峰电站SFC投入运行后，采用SFC模式水泵工况启动时，经常在机组SFC拖动相关机组的电气轴已建立，机组励磁系统投入运行后，出现启动失败故障，此时，机组转速未上升，仍为0，监控系统发机组停机命令，“SFC事故跳闸”告警，SFC高压侧开关跳闸，SFC控制面板出现“T3_OpenCircuit”、“T2_ Over Frequency”、“T2_SFC_Underflux”报警。

遇到此类情况时，我们首先检查相关一次回路及控制系统是否异常，检查机组各一次设备实际位置及反馈位置是否到位，启动程序是否正确，都无异常后，复归相关报警，重新对SFC送电，用SFC试启动其他机组，检查是否出现上述问题。但每次后面的试启动均无异常，因此，初步判断为转子初始位置未检测到导致的启动不成功，但报警的原因需要进一步分析。

3 SFC启动失败报警原因分析

3.1 启动失败原因排查

为彻底解决转子位置检测失败对抽水工况启动成功率的影响，对可能导致检测不到转子位置的原因进行逐一排除。

（1）SFC转子位置检测方法不可靠。黑麋峰电站SFC系统为ABB公司生产，此类产品在国内外被广泛应用，根据对其他同类型设备调查的情况来看，ABB公司的这种通过磁通来检测转子位置的方法是相对先进的，可排除该项可能。

（2）一次回路及控制系统出现故障。启动失败后，经过对SFC启动回路、启动隔离开关进行检查，未发现有一次设备故障的痕迹；控制系统除出现的故障报警外，控制器AC800 PEC、输入、输出模块及可控硅触发脉冲板均无异常，二次设备端子紧固，各一次设备位置反馈正常，排除该项可能。

（3）SFC控制逻辑不合理。通过对SFC内部逻辑进行分析检测，未发现程序BUG及与监控系统配合方面的逻辑冲突，且SFC拖动机组大部分是成功的，因此，基本排除该项可能。

（4）SFC相关定值设置不合理。SFC在启动机组检测转子位置的过程中，存在初始阶段因为电流、电压的干扰，相关电气量检测时间的影响，可能偶尔出现转子位置检测不到而导致的检测不成功。因此定值设置不合理可能导致该现象的发生。

3.2 SFC报警检查分析

根据排查的结果，对启动失败时SFC系统存在的报警进行深入检查分析：

（1）报警一，“T3_OpenCircuit”，意思为 SFC 开路跳闸，主要的保护功能是判断SFC系统至机组的一次回路是否有开路，通过初始阶段感应的磁通来判断。调取相应的故障波形见图2。

图2 开路波形

从故障记录可以计算出：

而以前的设置值是0.3，基本上在计算值的附近，有时无法躲过，因此在启动之初开路的故障会时有发生。

（2）报警二，“Trip2_Over Frequency”：意思为SFC过频跳闸，当SFC系统输出频率已超过拖动机组运行频率时，保护启动，切断SFC与机组的联系。调取启动失败后的波形见图3。

图3 过频波形

从故障记录可以看出，转子位置在启动的初始阶段被电流干扰，检查参数发现转子位置回滞值为0.1，这个值太小容易造成混乱的转子位置。错误的转子位置造成错误的可控硅触发，可控硅触发后，未形成最大转矩，机组无法转动，SFC与机组频率不一致，SFC通过计算认为输出频率太高而报超频故障。

（3）报警三，T2_SFC_Underflux：意思为SFC判断电机低励磁跳闸，因判断转子位置失败，通入定子两相电流为不恰当的两相，定转子合成磁通偏小，无法形成最大的转动力矩（图4）。此时，SFC会出现低励磁报警。

只有当定子磁通与转子磁通的夹角接近90°时，形成的转动力矩才是最大的。设定的低磁通定值可以满足机组启动转矩的要求，但检查发现低磁通检测时间定值为3 s，考虑LCU切换、励磁的响应时间，此定值偏短。

4 应对措施

图4 SFC启动时定、转子磁通示意图

通过以上分析，SFC启动初始阶段检测转子位置的磁通量均在0.3附近，而Open Circuit（开路）的磁通设定值为0.3，一旦由于外界干扰等因素导致检测到的磁通量低于0.3将造成Open Circuit（开路）故障报警，定值设置不恰当，为避免该情况的发生，将Open Circuit（开路）磁通定值由0.3改为0.2。

转子位置回滞值为0.1，抗干扰能力不强，参考其他抽水蓄能电厂，结合厂家的指导意见，将转子位置回滞值由原来的0.1改为0.6。

SFC低磁通检测时间定值由3 s改为6 s，避免因监控系统、励磁系统响应造成的误动。

5 结束语

定值修改后，后续的SFC启动机组水泵工况并网过程中再没有出现类似转子位置检测不到的情况，处理达到理想的效果。抽水蓄能电站SFC投运后，运维过程中需对出现的各种问题进行总结分析，结合厂家的维保，对定值复核与校验，从而提升设备的可靠性。