大型调相机静止变频起动系统的顺控逻辑策略
国电南瑞科技股份有限公司的研究人员胡静、简优宗等，在2018年第9期《电气技术》杂志上撰文指出，随着清洁能源/能源基地的建设、特高压直流的快速发展，投入同步调相机以改善电网功率因数，提升电网电压水平。而调相机静止变频起动系统投入，需要与机组、励磁、DCS（distributed control system, DCS）等系统实现无缝配合，这就需要验证调相机静止变频起动系统与其他二次关键控制设备、同期装置的功能及一二次设备间配合的效果。
本文通过世界首台300Mvar调相机在国家电网扎鲁特±800kV换流站的现场调试情况，介绍了调相机静止变频起动系统和机组、DCS、励磁等系统的顺控设计思路和控制策略，并通过现场投运后的结果，验证了顺控逻辑策略的可行性。
随着清洁能源/能源基地的建设、特高压直流的快速发展和大比例受电地区的出现，电网特性发生较大变化，部分地区动态无功储备下降、电压支撑不足的问题突出，成为大电网安全稳定的主要问题，给电网安全运行带来重大影响。
同步调相机是一种不带机械负载的同步电动机，可以向电力系统提供容性或感性无功功率，改善电网功率因数，进而提升电网电压水平。与静止无功补偿装置相比，同步调相机无功补偿容量大，且不易受电网电压影响、谐波量小。
国网新一代调相机暂态无功输出能力是常规电机3倍以上，短时过载能力是常规电机的2倍以上，快速输出无功速度是常规电机1.5倍以上，暂态性能达到大型空冷电机的设计极限，是一种高性能“无功冲击发电机”，具有“暂动态性能优、安全可靠性高、运行维护方便”的显著特点，对保证电网安全、可靠、经济运行具有重要意义。调相机工程是国网公司“十三五”期间在直流特高压建设中的重点配套工程，是世界上首次在特高压电网大规模配套大容量调相机[1-4]。
调相机静止变频起动系统在起动过程中，需要与机组、励磁、DCS等系统的配合，还包括输入断路器、变压器、切换开关柜、隔离开关柜等的配合过程。每个开入开出信号设计都配合顺控起动功能，通过控制逻辑判断完成与个子系统的流程设计，验证在各种工况下的设计思路，确保静止变频起动系统拖动调相机安全运行。
1 SFC系统结构
调相机静止变频起动系统主接线结构如图1所示。调相机静止变频起动系统包括输入断路器、起动隔离变压器、静止变频起动装置、切刀开关柜、隔离开关柜，以及配合机组起动的励磁系统、后台监控的DCS中控等[5]。
图1 调相机静止变频起动系统主接线
图1描绘了各子系统的信号接口设计，箭头方向指出了每个子设备的开入开出信号交换。SFC通过DCS的控制指令，结合外部刀闸位置信号、电压电流数据采样以及励磁模拟量采集等数据，合理实现起动控制逻辑的功能。
为实现SFC起动系统的所有逻辑需，结合调相机运行工程的现场实际，可分析出静止变频起动系统所必需的接入信息，包括交流信息以及开关信息2类[6]。
交流信息包括以下内容。
1）SFC输入电压：变压器低压三角侧三相电压。2）SFC输入电流：变压器低压三角侧、星型侧三相电流。3）SFC输出电压：机桥侧三相电压。4）SFC输出电流：机桥侧三相电流。5）励磁输出输入电流模拟量：4～20mA的电流模拟量采集。
开关信息包括以下内容：
1）输入断路器接点：断路器分位、合位、分闸、合闸、保护跳断路器。2）切刀开关柜接点：切刀1的合位、分位、合切刀、分切刀；切刀2的合位、分位、合切刀、分切刀。3）对侧切刀开关柜的接点：对侧切刀1的合位、分位；对侧切刀2的合位、分位。4）高压隔刀开关柜接点：隔刀的合位、分位、合闸、分闸。5）励磁系统的接点：起励磁、退出励磁、故障跳励磁、励磁就绪、励磁运行、励磁有压。6）DCS的接点：机组起动令、机组退出令、起机就绪、起机运行、起机退出、机组转速到达、起机告警、起机动作。
SFC通过以上信号实现起动机组的逻辑控制功能。
2 SFC起动控制逻辑实现
DCS作为调相机整套系统的后台主控，用于控制静止变频起动系统按顺控逻辑要求起动调相 机[7]。通过DCS发起动指令，将调相机机组从静止状态或任一转速情况下带动到目标转速3150r/min。在整个的过程中，需要输入断路器、切换刀闸、隔离刀闸、励磁系统等配合，实现机组的可靠运行。
结合调相机起动要求，设计出SFC主起动控制逻辑设计、SFC快速再起动控制逻辑设计、SFC起下一台机组的控制逻辑设计、SFC停机控制逻辑设计以及同期过程中SFC、励磁、监控、同期装置配合控制逻辑设计[8]。
2.1 SFC主起动流程设计
SFC处于停机状态下，检测辅助系统电源正常，且无故障、无告警信号时进入“SFC就绪状态”，发出“SFC就绪”信号给DCS。
DCS给需要起动机组的高压隔离开关下发合闸指令，高压隔离开关闭合时SFC具备了起动条件。SFC在收到人工就地起动或者监控远程起动命令时，根据高压隔离开关的位置信号判断待起动的机组。
SFC开起散热风机，闭合待起动机组的切换刀闸。切换刀闸闭合成功后，SFC下发输入断路器闭合指令。输入断路器位置节点反馈正确的情况下，SFC控制励磁系统工作并触发SFC脉冲，拖动调相机加速。当转速拖至额定转速的1.05倍时，停励磁并封SFC触发脉冲，发“转速达到”指令给监控，断开高压隔离开关，由同期装置进行同期控制。
SFC根据监控的指令进行下一步操作。此时根据现场起动情况，可能由3种指令，分别为“同期失败，再次起动本台机组”、“起动下一台机组”、“SFC系统停机”。SFC主起动控制流程如图2所示。
图2 SFC主起动控制流程
2.2 SFC快速再起动流程
此时，SFC输入断路器、高压隔离开关、切换开关都已处于正确合闸位置，散热风机正在运行。
SFC收到监控的“快速再起动”（其流程如图3所示）指令后，SFC给励磁系统开机令并设定励磁电流给定值或励磁系统触发角度，同时装置脉冲解锁，拖动机组加速。当机组转速达到额定转速的1.05倍时，SFC停励磁并封脉冲，同时发“转速达到”信号至监控系统，并由同期装置进行同期并网操作，SFC进入待机状态等待监控的下一步指令。
图3 SFC快速再起动流程
2.3 SFC起动下一台机组流程
在起动下一台机组（其流程如图4所示）时，监控控制待起动机组高压隔离开关合闸。
SFC选择分合相应的切换刀闸，给励磁系统开机令并设定励磁电流给定值或励磁系统触发角度，同时装置脉冲解锁，拖动机组加速。当机组转速达到额定转速的1.05倍时，SFC停励磁并封脉冲，同时发“转速达到”信号至监控系统，并由同期装置进行同期并网操作，SFC进入待机状态等待监控的下一步指令。
图4 SFC起动下一台机组流程
2.4 SFC系统停机流程
SFC在收到监控的“停机”指令时，依次断开SFC输入断路器和切换刀闸，5min后停止散热风机工作。SFC系统停机流程如图5所示。
图5 SFC系统停机流程
2.5 同期过程中SFC、励磁、监控、同期装置配合流程
同期流程如图6所示。在同期过程中，SFC、励磁、监控之间的配合逻辑如下：监控在收到“转速到达”信号后，跳开高压隔离开关，这时SFC与机组脱离进入待机状态。
同期装置控制励磁进行同期并网操作[9]，并网成功后，监控根据实际工况选择停机或起动下一台机。如果同期并网不成功，监控则根据实际工况选择并下发快速再起动、停机或起动下一台机组指令，并进入相应的控制流程。当需要起动下一台机组时，监控控制待起动机组高压隔离开关合闸，并发出起动下一台机组指令。
3 在扎鲁特±800kV换流站试验情况
2017年12月，整套调相机SFC系统设备在扎鲁特±800kV换流站完成了整组试验。
测试SFC与DCS之间的控制逻辑，通过DCS顺控完成起机至3150r/min。如图7所示。图7中为顺控流程下机组转速从0上升到3150r/min的录波波形，从波形可以看出起机过程464s，约7.73min。
图8是测试SFC快速再起动的功能，确保同期失败后，DCS进入快速再起动顺控，SFC能正常起动将机组带到3150r/min。
图6 同期流程
图7 电机转速波形
图8 SFC快速再重起波形
DCS远程控制SFC起机，到3150转后同期并网失败，进入快速再起动。SFC检测到转速大约在2640r/min，SFC直流侧电流已输出稳定，并成功再次拖动机组带到3150r/min，同期并网成功。
本文介绍了调相机静止变频起动系统控制逻辑的基本原理，接入信息简单，自适应性强，满足不同工况下SFC系统的起机功能。扎鲁特±800kV换流站第一套SFC系统是我国自主开发研制具有完全知识产权的可用于300Mvar及以上大型调相机机组拖动。整组试验和试运行情况证明，该装置完全符合大型调相机静止变频起动系统控制逻辑的需求，具有很好的工程应用价值。