随着我国电网规模不断扩大，受地区水力资源的限制，抽水蓄能电站对电网的调峰作用日益重要。国家对电网经济运行和电源结构调整提出了更高的要求，使得抽水蓄能电站的建设步伐加快。抽水蓄能电站中励磁系统的运行工况较为复杂，相对于常规电站有更高的要求，在现场运行中常遇到各类问题。

1 项目情况概述

呼和浩特抽水蓄能电站是内蒙古自治区第一座抽水蓄能电站，上下水库水位差540m，电站共安装了4台30×104kW的立轴单级可逆混流式机组，设计年抽水用电量为26.77×108kW•h，年发电量为20.07× 108kW•h。该项目发电机由东方电机提供。

4台励磁系统均由东方电机控制设备有限公司（以下简称东方）生产。该项目为UN6800型励磁系统在国内抽水蓄能电站的首次应用。软件部分由东方自行设计，在调试过程中根据现场情况进行了一些改进优化。

2 故障说明

2.1 系统概述

励磁系统采用双通道、3整流桥设计。励磁变高压侧连接到主变低压侧，长期带电。为保证检修时可靠断开电源，在交流进线柜内设置一个抽出式交流隔离开关作为断点。交流侧开关与灭磁开关设置有闭锁逻辑。

励磁系统支持正常发电、背靠背电动机、背靠背发电机、电制动、线路充电、静态变频起动系统（load commutated inverter starting system, LCI）水泵工况等模式，起动前根据监控系统命令进行模式选择及流程、参数等切换。

监控系统由北京贝利提供，LCI系统由ABB提供。该型号励磁系统与上述系统均有丰富的配合业绩。

2.2 LCI控制模式说明

该项目在水泵工况下由LCI系统拖动发电机至额定转速，LCI系统与励磁系统的通信量包含以下几项：①励磁电流给定4～20mA；②励磁电流反馈4～20mA；③励磁系统投入/切除；④励磁系统投入状态反馈；⑤在水泵工况起动前，由监控系统选择被拖动机组和励磁系统。

水泵工况起动示意图如图1所示。起动后，LCI系统控制励磁系统投入，投入时励磁系统切换到手动模式，初始给定值设为0，并开放励磁电流外部模拟量给定模式。

图1 水泵工况起动示意图

LCI系统通过4～20mA模拟量来控制励磁电流的输出。

励磁投入后跟踪LCI系统的给定值进行调节，同期条件满足时，同期装置投入，由同期装置下达频率、电压调节信号至LCI系统，由LCI系统调节发电机电压及频率。同期合闸命令发出的同时，励磁系统切换至自动模式，LCI系统退出运行。

2.3 故障情况

在调试阶段的某次水泵工况并网时，出现了下述情况：拖动过程正常，在同期合闸瞬间，LCI系统正常退出，但励磁电流快速下降并触发发变组失磁保护动作跳机。

3 故障分析

3.1 故障原因

1）首先列出LCI系统退出条件如下：①系统故障；②同期合闸命令；③发电机出口断路器（generator circuit breaker, GCB）合闸状态。

任一条件满足时，LCI系统均退出运行，同时闭锁脉冲，并闭锁发送至励磁系统4～20mA模拟量信号。

2）励磁系统给定消失条件如下：①系统故障；②给定值降低至0。

检查发现励磁系统并未出现故障报警信息，而是在保护系统动作后才跳闸并退出运行的。退出时励磁系统运行在手动方式下。此时可以肯定，励磁系统当时没有及时切换至电压模式，并且给定值出现了异常。

3.2 过程回溯

根据图2所示，在水泵工况下，LCI系统拖动至同期投入状态时，同期装置运行并开始给LCI系统发送调节信号。

图2 水泵工况控制信号示意图

在同期条件满足后，同期装置同时发送同期合闸命令至GCB、LCI系统、励磁系统。此时分别动作GCB合闸、LCI系统退出、励磁切换至自动模式等。LCI退出流程，执行闭锁脉冲及闭锁4～20mA模拟量信号。

理论上LCI退出至闭锁4～20mA模拟量信号的时间比励磁系统切换自动模式的时间更长，但这里偏差仅为ms级别。此次故障时，励磁系统还没有切换至自动模式，LCI系统已退出了4～20mA模拟量信号，导致励磁系统电流给定值突降至0，出现此次故障。

4 现场解决方案

鉴于在水泵工况下励磁系统由LCI系统控制，在自动模式下必须保证跟踪LCI系统给定，要解决的问题是如何在并网时保证励磁系统给定值正确，以避免出现错误的给定情况。故障发生后，现场讨论提出了几种处理方案。

4.1 方案1

将LCI系统的4～20mA模拟量信号在并网后保持几秒钟时间，在GCB合闸后再退出。这里认为，LCI系统在拖动完成退出后不应该再接入到无关流程的控制中，并且此时励磁系统应该在自动模式下并网。该方案被否决。

4.2 方案2

在UN6800励磁系统的标准LCI程序流程中，在LCI控制模式时会保持强制手动（ForceManual）（此时励磁系统不可切换到自动模式）和允许LCI外部给定（EnableLCIRefInput）命令，防止LCI拖动中励磁模式切换导致失控，将现场LCI外部模拟量给定对应的励磁电流输出设定为0～1200A。

为避免上述故障情况发生，可以在同期投入调节后、GCB并网前将励磁的LCI控制模式退出。而退出该模式，可通过将EnableLCIRefInput命令置零或将励磁系统切换到自动模式来实现。考虑运行安全，采用了自动模式并网的解决方案，并依据此方案对励磁系统程序进行了修改。

首先设定一个机端电压目标值，在电压值达到时复归ForceManual命令，使励磁系统可切换至自动模式。在同期装置投入后，将励磁系统切换至自动模式，闭锁LCI系统控制。可以通过励磁系统自行判断、监控系统发出切自动命令或将同期投入命令作为自动模式切换条件等方式实现。

同期控制模式如图3所示。此时的增、减电压信号由同期装置发送至励磁系统进行机端电压调节，而LCI系统只需控制发电机转速。

图3 同期控制模式

现场励磁系统没有接入同期投入的接点信号，现场讨论也不建议采取励磁系统自行切换到自动模式的方式。最终采取监控系统控制方式，在发出同期投入命令时向励磁系统同时发出自动模式投入指令。

在同期合闸条件满足并发出合闸命令时，励磁系统已切换至自动模式，LCI闭锁输出后将不会导致发电机失磁情况发生。

4.3 方案2优化

在将上述流程修改后，顺利执行了多次水泵工况并网操作，但在运行1个月后的一次并网过程中，再次出现了失磁情况。

现场同期装置合闸需要在同期投入、同期合闸条件满足、监控系统发出允许同期合闸命令的条件下才会送出GCB合闸指令。

监控系统记录显示，此次同期合闸时间非常短，查看励磁系统录波记录看出，自动方式投入命令与GCB合闸状态信号几乎同时动作，但励磁系统的GCB合闸状态为接点反馈信号，实际GCB合闸时间应早于自动模式投入指令。故障仍然是励磁系统手动方式下并网，LCI给定值消失导致。

为解决该问题，在监控系统流程中增加了励磁自动模式判断条件。在检测到励磁系统自动模式反馈信号后，再允许同期合闸，这样就从根本上避免了此类故障情况的发生，最大程度上保证了发电机运行安全。

4.4 现场运行情况

方案修改前，同期投入后，由同期装置发送增/减磁、增/减速信号至LCI系统，LCI系统控制发电机（电动机）转速及机端电压。并且，项目合同中对拖动时长也有考核要求。因此，方案修改前，担心同期调节时间增长、影响LCI系统调节等情况发生，具体如下：

1）方案增加了励磁系统自动模式切换的数秒时间，但根据历史记录核算，不影响考核时间。

2）励磁切换自动模式后，将保持机端电压为切换瞬间的给定值，此时LCI系统调节定子电流又会影响机端电压值，造成互相影响。

3）根据多次拖动过程的录波以及LCI控制原理分析，同期投入后，机端电压和LCI输出定子电流大小基本维持不变，仅缓慢调节转速，不会出现不稳定情况。并且LCI及励磁系统均有完善的保护功能，并网前出现异常也不会对各个系统造成损害。决定试运行该方案进行验证。

目前，方案修改后已运行5年时间，并未对同期合闸时间造成影响，现场LCI系统也运行正常，未出现异常调节情况，充分验证了该方案的可靠性。

5 结论

综合上述分析及现场运行情况，在抽水蓄能机组中可参考呼蓄电站的水泵工况并网流程，同时根据现场实际情况优化判断条件及励磁调节模式切换方案，避免水泵工况下并网时出现失磁故障。

以上研究成果发表在2020年第11期《电气技术》，论文标题为“抽水蓄能电站励磁系统水泵工况并网流程分析”，作者为安冬、魏蔓。