大型抽水蓄能電機啟動過程的勵磁控制策略

郭春平

（國網電力科學研究院/南瑞集團公司，江蘇南京211000）

大型抽水蓄能電機啟動過程的勵磁控制策略

郭春平

（國網電力科學研究院/南瑞集團公司，江蘇南京211000）

對大型抽水蓄能電機啟動過程中勵磁系統的控制進行了深入的理論研究，并將研究成果應用在國內某單機容量300MW的抽水蓄能電機上進行了試驗驗證，試驗結果達到了預期目標，表明研究成果的正確性，具有推廣應用價值。

大型抽水蓄能電機；啟動過程；勵磁系統；控制策略；工程應用

1 引言

自2003年以來，國家電網公司積極采取措施推進抽水蓄能電站設備自主化進程，在“十一五”科技發展規劃中，就抽水蓄能電站控制和運行技術，明確提出“重點開展抽水蓄能電站機組控制系統設備的自主化研究與開發”。

抽水蓄能機組勵磁系統是為機組提供勵磁電流、維持發電機組/電動機組機端電壓穩定的核心實時自動控制系統，其功能和性能直接關系到機組可靠穩定運行；同時還是抑制電力系統低頻振蕩最有效、最經濟的手段；它還是發電機組/電動機組內部故障時重要的保護裝置。與常規水電站電機相比，抽水蓄能電站電機具有發電機和電動機兩種運行方式［1］，所以抽水蓄能機組勵磁系統控制策略不同于常規水電機組。本文基于這一情況針對大型抽水蓄能電站中300MW典型電機在啟動過程中勵磁系統的控制策略進行理論研究，并結合工程實際應用，進行了試驗驗證。

2 機組啟動過程分析及控制

2.1 靜止變頻啟動過程分析及控制

抽水蓄能機組兼有發電和電動兩種運行工況，這兩種運行工況下，勵磁系統控制策略有所區別。在發電工況下，勵磁系統以常規控制策略運行，在水泵電動啟動及運行工況下，應采用不同的控制策略，以實現啟動的快速性和平穩性，避免產生較大的啟動電流，對電網穩定性產生不利影響。如圖1所示，為解決此問題在國際上首次提出了機組低于10%額定轉速階段勵磁系統采用變增益控制策略，以實現機組SFC啟動方式低轉速階段勵磁系統具有高起始特性，保證機組低速啟動的快速性和平穩性，提高機組啟動成功率。

圖1 機組SFC啟動方式機組低于10%額定轉速勵磁系統變增益控制

該控制策略的具體實施，可采用如下操作。勵磁系統在SFC啟動初始階段，勵磁電流閉環控制采用專用的PID參數，使機端電壓平穩上升，待轉速上升至10%額定轉速時，SFC進入自然換相階段，此時勵磁系統勵磁電流閉環控制PID參數切換至正常值，機組加速運行，到同期并網控制階段，直至機組并網，控制流程如圖2所示。

圖2 機組SFC啟動方式勵磁控制策略流程

2.2 背靠背啟動過程分析及控制

如圖3所示，抽水蓄能機組背靠背啟動的啟動過程可分為兩個階段［4、5］，即啟動同步階段和同步加速階段。

圖3 背靠背啟動示意圖

在磁路飽和影響的情況下，對機組背靠背啟動工況下發電機和電動機基本電磁關系進行綜合分析研究，得到了如圖4所示的發電機、電動機之間電壓、電流和機械方程之間的相互關系，建立背靠背啟動發電機和電動機聯立狀態方程組，方程如式（1）所示。

圖4 發電機、電動機之間電壓、電流和機械方程的相互關系

式（1）中：

i表示電流，ω表示機組旋轉角速度，δ表示機組功角，T表示時間常數，H表示機組轉動慣量；變量右上角：g表示發電機，m表示電動機；變量右下角：d表示定義d繞組，q表示定子q繞組，fd和f表示勵磁繞組，1d表示阻尼繞組D，1q表示阻尼繞組Q。

應用Matlab軟件進行仿真，對兩機組勵磁電流取值大小對電動機啟動的影響進行研究，研究結果如表1所示。

3 工程應用

在國內某裝機容量為4×300MW的抽水蓄能電站，分別進行了靜止變頻啟動和背靠背啟動試驗驗證。

3.1 靜止變頻啟動試驗

試驗波形如圖5所示。

圖5 機組SFC啟動方式低速階段（10%額定轉速以下）電氣量波形

表1 勵磁電流取值對機組啟動的影響

從圖5可以得出，機組SFC啟動方式低轉速階段勵磁電流閉環控制采用專用PID參數，保證了機組低速啟動的快速性，提高了電動方向的啟動成功率，證明了機組SFC啟動方式低速階段變增益控制思想的正確性。

3.2 背靠背啟動試驗

機組背靠背啟動進行了現場試驗驗證，試驗從開始至并網，各階段波形如圖6-圖11所示。

圖6 背靠背啟動開始時電動機側波形

圖7 背靠背啟動期間電動機側波形

圖8 背靠背啟動電動機側并網波形

圖9 背靠背啟動開始時發電機側波形

圖10 背靠背啟動期間發電機側波形

圖11 背靠背啟動電動機并網發電機側波形

4 結束語

針對抽水蓄能機組勵磁系統不同與常規水電

機組的特點，對抽水蓄能機組SFC啟動變增益控制和背靠背啟動過程進行研究，并將研究成果在國內某300MW抽水蓄能機組上進行了試驗驗證，試驗結果達到預期目標，表明研究成果的正確性，具有推廣應用價值。

［1］郭春平，許其品.抽水蓄能電站勵磁和SFC設備國產化發展概述［J］.水電廠自動化，2013，34（3），60-61.

［2］赫衛國，華光輝等.大型抽水蓄能機組勵磁系統設計［J］.水電自動化與大壩監測，2011，35（3）：25-29.

［3］田立軍，陸于平等.抽水蓄能電動發電機啟動過程數字仿真［J］.電力系統自動化，1997，21（7）：38-41.

［4］邵宜祥，呂宏水等.抽水蓄能機組背靠背啟動規律的仿真［J］.水電自動化與大壩監測，2008，32（4）：5-9.

［5］王自濤，戈寶軍等.蓄能電機背靠背啟動過程的計算機仿真［C］.抽水哈爾濱理工大學學報，1999，4（3）：41-45.

［6］高金玲，文 俊.抽水蓄能電站背靠背啟動過程的數字仿真［J］.河北電力技術，1998，17（4）：6-9.

Excitation control strategies for the large water-pumping energy-storage motor instart-up process

GUO Chun-ping
（State Grid Electric Power Research Institute/Nanrui Group Corporation，Nanjing211000，China）

The excitation control strategies for the large water-pumping energy-storage motor in the start-up process are presented.The control strategies are tested and verified by applying them on the domestic 300MW water-pumping energy-storage motor.The test results show that the expected aim is achieved and verify the correctness of the control strategies.The control strategies are worthy of promotion in many fields.

large water-pumping energy-storage motor；start-up process；excitation system；control strategies；engineering application

TM331

A

1005—7277（2016）03—0021—03

郭春平（1980-），男，碩士，工程師，主要研究方向為交流電機暫態分析及控制。

2016-02-29