東方電氣自動控制工程有限公司的研究人員安冬、魏蔓，在2020年第11期《電氣技術》上撰文，針對呼和浩特抽水蓄能電站勵磁系統在水泵工況下併網時機組出現的失磁故障進行原因分析，並根據併網前各系統的控制流程，對同期裝置以及靜態變頻起動系統的控制方式進行修改，同時在監控系統中增加了勵磁系統運行方式的判斷條件，最終實現勵磁系統水泵工況下的可靠併網。
隨著我國電網規模不斷擴大，受地區水力資源的限制，抽水蓄能電站對電網的調峰作用日益重要。國家對電網經濟運行和電源結構調整提出了更高的要求，使得抽水蓄能電站的建設步伐加快。抽水蓄能電站中勵磁系統的運行工況較為複雜，相對於常規電站有更高的要求，在現場運行中常遇到各類問題。
1 項目情況概述
呼和浩特抽水蓄能電站是內蒙古自治區第一座抽水蓄能電站，上下水庫水位差540m，電站共安裝了4臺30×104kW的立軸單級可逆混流式機組，設計年抽水用電量為26.77×108kWh，年發電量為20.07× 108kWh。該項目發電機由東方電機提供。
4臺勵磁系統均由東方電機控制設備有限公司（以下簡稱東方）生產。該項目為UN6800型勵磁系統在國內抽水蓄能電站的首次應用。軟體部分由東方自行設計，在調試過程中根據現場情況進行了一些改進優化。
2 故障說明
2.1 系統概述
勵磁系統採用雙通道、3整流橋設計。勵磁變高壓側連接到主變低壓側，長期帶電。為保證檢修時可靠斷開電源，在交流進線櫃內設置一個抽出式交流隔離開關作為斷點。交流側開關與滅磁開關設置有閉鎖邏輯。
勵磁系統支持正常發電、背靠背電動機、背靠背發電機、電制動、線路充電、靜態變頻起動系統（load commutated inverter starting system, LCI）水泵工況等模式，起動前根據監控系統命令進行模式選擇及流程、參數等切換。
監控系統由北京貝利提供，LCI系統由ABB提供。該型號勵磁系統與上述系統均有豐富的配合業績。
2.2 LCI控制模式說明
該項目在水泵工況下由LCI系統拖動發電機至額定轉速，LCI系統與勵磁系統的通信量包含以下幾項：①勵磁電流給定4～20mA；②勵磁電流反饋4～20mA；③勵磁系統投入/切除；④勵磁系統投入狀態反饋；⑤在水泵工況起動前，由監控系統選擇被拖動機組和勵磁系統。
水泵工況起動示意圖如圖1所示。起動後，LCI系統控制勵磁系統投入，投入時勵磁系統切換到手動模式，初始給定值設為0，並開放勵磁電流外部模擬量給定模式。
LCI系統通過4～20mA模擬量來控制勵磁電流的輸出。
勵磁投入後跟蹤LCI系統的給定值進行調節，同期條件滿足時，同期裝置投入，由同期裝置下達頻率、電壓調節信號至LCI系統，由LCI系統調節發電機電壓及頻率。同期合閘命令發出的同時，勵磁系統切換至自動模式，LCI系統退出運行。
2.3 故障情況
在調試階段的某次水泵工況併網時，出現了下述情況：拖動過程正常，在同期合閘瞬間，LCI系統正常退出，但勵磁電流快速下降並觸發發變組失磁保護動作跳機。
3 故障分析
3.1 故障原因
1）首先列出LCI系統退出條件如下：①系統故障；②同期合閘命令；③發電機出口斷路器（generator circuit breaker, GCB）合閘狀態。
任一條件滿足時，LCI系統均退出運行，同時閉鎖脈衝，並閉鎖發送至勵磁系統4～20mA模擬量信號。
2）勵磁系統給定消失條件如下：①系統故障；②給定值降低至0。
檢查發現勵磁系統並未出現故障報警信息，而是在保護系統動作後才跳閘並退出運行的。退出時勵磁系統運行在手動方式下。此時可以肯定，勵磁系統當時沒有及時切換至電壓模式，並且給定值出現了異常。
3.2 過程回溯
根據圖2所示，在水泵工況下，LCI系統拖動至同期投入狀態時，同期裝置運行並開始給LCI系統發送調節信號。
在同期條件滿足後，同期裝置同時發送同期合閘命令至GCB、LCI系統、勵磁系統。此時分別動作GCB合閘、LCI系統退出、勵磁切換至自動模式等。LCI退出流程，執行閉鎖脈衝及閉鎖4～20mA模擬量信號。
理論上LCI退出至閉鎖4～20mA模擬量信號的時間比勵磁系統切換自動模式的時間更長，但這裡偏差僅為ms級別。此次故障時，勵磁系統還沒有切換至自動模式，LCI系統已退出了4～20mA模擬量信號，導致勵磁系統電流給定值突降至0，出現此次故障。
4 現場解決方案
鑑於在水泵工況下勵磁系統由LCI系統控制，在自動模式下必須保證跟蹤LCI系統給定，要解決的問題是如何在併網時保證勵磁系統給定值正確，以避免出現錯誤的給定情況。故障發生後，現場討論提出了幾種處理方案。
4.1 方案1
將LCI系統的4～20mA模擬量信號在併網後保持幾秒鐘時間，在GCB合閘後再退出。這裡認為，LCI系統在拖動完成退出後不應該再接入到無關流程的控制中，並且此時勵磁系統應該在自動模式下併網。該方案被否決。
4.2 方案2
在UN6800勵磁系統的標準LCI程序流程中，在LCI控制模式時會保持強制手動（ForceManual）（此時勵磁系統不可切換到自動模式）和允許LCI外部給定（EnableLCIRefInput）命令，防止LCI拖動中勵磁模式切換導致失控，將現場LCI外部模擬量給定對應的勵磁電流輸出設定為0～1200A。
為避免上述故障情況發生，可以在同期投入調節後、GCB併網前將勵磁的LCI控制模式退出。而退出該模式，可通過將EnableLCIRefInput命令置零或將勵磁系統切換到自動模式來實現。考慮運行安全，採用了自動模式併網的解決方案，並依據此方案對勵磁系統程序進行了修改。
首先設定一個機端電壓目標值，在電壓值達到時復歸ForceManual命令，使勵磁系統可切換至自動模式。在同期裝置投入後，將勵磁系統切換至自動模式，閉鎖LCI系統控制。可以通過勵磁系統自行判斷、監控系統發出切自動命令或將同期投入命令作為自動模式切換條件等方式實現。
同期控制模式如圖3所示。此時的增、減電壓信號由同期裝置發送至勵磁系統進行機端電壓調節，而LCI系統只需控制發電機轉速。
現場勵磁系統沒有接入同期投入的接點信號，現場討論也不建議採取勵磁系統自行切換到自動模式的方式。最終採取監控系統控制方式，在發出同期投入命令時向勵磁系統同時發出自動模式投入指令。
在同期合閘條件滿足並發出合閘命令時，勵磁系統已切換至自動模式，LCI閉鎖輸出後將不會導致發電機失磁情況發生。
4.3 方案2優化
在將上述流程修改後，順利執行了多次水泵工況併網操作，但在運行1個月後的一次併網過程中，再次出現了失磁情況。
現場同期裝置合閘需要在同期投入、同期合閘條件滿足、監控系統發出允許同期合閘命令的條件下才會送出GCB合閘指令。
監控系統記錄顯示，此次同期合閘時間非常短，查看勵磁系統錄波記錄看出，自動方式投入命令與GCB合閘狀態信號幾乎同時動作，但勵磁系統的GCB合閘狀態為接點反饋信號，實際GCB合閘時間應早於自動模式投入指令。故障仍然是勵磁系統手動方式下併網，LCI給定值消失導致。
為解決該問題，在監控系統流程中增加了勵磁自動模式判斷條件。在檢測到勵磁系統自動模式反饋信號後，再允許同期合閘，這樣就從根本上避免了此類故障情況的發生，最大程度上保證了發電機運行安全。
4.4 現場運行情況
方案修改前，同期投入後，由同期裝置發送增/減磁、增/減速信號至LCI系統，LCI系統控制發電機（電動機）轉速及機端電壓。並且，項目合同中對拖動時長也有考核要求。因此，方案修改前，擔心同期調節時間增長、影響LCI系統調節等情況發生，具體如下：
1）方案增加了勵磁系統自動模式切換的數秒時間，但根據歷史記錄核算，不影響考核時間。
2）勵磁切換自動模式後，將保持機端電壓為切換瞬間的給定值，此時LCI系統調節定子電流又會影響機端電壓值，造成互相影響。
3）根據多次拖動過程的錄波以及LCI控制原理分析，同期投入後，機端電壓和LCI輸出定子電流大小基本維持不變，僅緩慢調節轉速，不會出現不穩定情況。並且LCI及勵磁系統均有完善的保護功能，併網前出現異常也不會對各個系統造成損害。決定試運行該方案進行驗證。
目前，方案修改後已運行5年時間，並未對同期合閘時間造成影響，現場LCI系統也運行正常，未出現異常調節情況，充分驗證了該方案的可靠性。
5 結論
綜合上述分析及現場運行情況，在抽水蓄能機組中可參考呼蓄電站的水泵工況併網流程，同時根據現場實際情況優化判斷條件及勵磁調節模式切換方案，避免水泵工況下併網時出現失磁故障。
以上研究成果發表在2020年第11期《電氣技術》，論文標題為「抽水蓄能電站勵磁系統水泵工況併網流程分析」，作者為安冬、魏蔓。