變速抽水蓄能機組水泵方向啟動過程的監控流程研究

趙 博，秦 俊，高 翔

(1. 國網新源控股有限公司技術中心，北京 100161；2. 國家電網公司抽水蓄能技術實驗室，北京 100161)

0 引 言

隨著智能電網中風力發電、光伏發電等間歇性可再生能源發電系統的大規模接入，電網對系統的穩定性運行，尤其是晝夜頻率控制提出了更高的要求。抽水蓄能電站在電網中調峰調頻的作用日益增大[1,2]。然而，目前國內主要使用的定轉速抽水蓄能機組在水泵工況運行時，輸入功率不可調節，無法配合電網快速有效地進行頻率調節。相較于定轉速抽蓄機組，轉子側采用交流勵磁形式的變速抽蓄機組，在水泵工況下亦可通過調節機組的轉速，在一定范圍內調節機組的輸入功率，參與電網頻率的自動控制[3,4]。

可變速機組可分為定子變頻機組、轉子交流勵磁式變速機組以及轉子變極機組等多種形式，本文所提及的變速機組專指轉子交流勵磁式可變速機組。目前，日本及歐洲等國已有可變速機組投入商業運行。我國豐寧二期等在建抽水蓄能電站將成為國內首批安裝轉子勵磁式可變速機組的電站。合理的監控流程可以增加機組的啟動成功率，而監控流程中的錯誤將直接導致機組事故停機，啟動失敗。由于國內尚未有可變速機組并網運營，國內關于可變速機組調試及啟動流程的文章尚處空白。

變速機組轉子側采用與定子繞組相似的三相交流分布繞組結構，轉子繞組通過變頻器與電網相連，可以實現能量從電網的吸收與回饋。通過控制轉子電流的頻率，可以在一定范圍內改變機組的轉速。由于機組結構與傳統定速機組有著較大的區別，變速機組的啟動方式，尤其是水泵工況下的啟動方式與定速機組存在差異。因此，需要針對變速機組設計相應的水泵方向啟動監控流程，以使機組能夠安全可靠的啟動。

變速機組可以采用靜止變頻器(static frequency converter，縮寫SFC)啟動或背靠背啟動的傳統水泵方向啟動方式，也可采用自啟動這一特有的啟動方式。SFC和背靠背啟動的監控流程與傳統定速機組基本一致，只是由于可變速機組將同期檢測并網的功能附加到了轉子勵磁控制系統中，同期并網環節的監控流程需進行修改。而可變速機組在水泵工況下自啟動的監控流程與定速機組啟動存在較大差異，需要根據自啟動的方式對監控流程進行重新設計。

1 水泵方向同期并網過程分析

1.1 定速機組同期并網過程分析

定速機組SFC啟動過程中，當轉速達到預設的同期裝置啟動轉速后，同期裝置啟動，其根據機組端電壓與電網側電壓的差值，同時給SFC和勵磁發送信號，調節機組轉速及端電壓。同期并網時，機組端電壓與電網側電壓的頻率、幅值和相角必須限制在規定的范圍內，以減小機組并網時對電網的沖擊。機組端部的相電壓可由公式(1)求得。

E0=4.44N1kw1fφ0

(1)

式中：N1為一相繞組串聯匝數；kw1為繞組系數；f為頻率；φ為每極主磁通量。

端電壓的幅值與每極磁(調整行間距)通量和轉子頻率成正比。SFC啟動過程中，每極磁通量由勵磁系統控制，轉子頻率由SFC控制。同時，端電壓的頻率由SFC控制，而相角亦有SFC控制。當機組頻率與電網頻率完全相同時，相角差將保持不變。當機組的相位落后電網相位時，通過SFC增大拖動力矩使機組頻率高于電網頻率，從而縮小相位差，待機組電壓相位接近電網電壓相位時，減小機組頻率，使機組頻率略高電網頻率，以延長兩者相角差滿足規定要求的時間，增加同期并網成功率。因此，同期過程開始后，同期裝置需要同時控制SFC和勵磁系統，以使機端電壓與電網側電壓的幅值、相位和頻率滿足同期要求。

背靠背啟動過程中，拖動機與被拖動機同步加速到同期裝置啟動預設值后，同期裝置啟動。同期裝置通過控制拖動機的導葉開度，調節拖動機和被拖動機的轉速，進而調節被拖動機機端與電網側的電壓相角差。通過調節被拖動機的勵磁電流和轉速控制被拖動機機端與電網側的電壓幅值差。因此，背靠背啟動同期過程開始后，同期裝置需要同時控制被拖動機的勵磁系統和拖動機的調速器系統，以滿足同期并網要求。

根據以上分析，定速機組必須調節轉子的實際轉速來滿足并網時對電壓相角差和頻率差的要求。其根本原因在于定速機組轉子勵磁電流產生的磁場與轉子在空間上相對靜止，只有改變轉子的物理轉速，才能改變轉子勵磁系統產生的磁場相對于定子繞組的切割速度，從而改變感應出的定子端電壓。

1.2 變速機組同期并網過程分析

可變速機組在國外抽蓄中廣泛應用的結構是轉子側采用分布繞組的結構形式，通過控制轉子交流勵磁系統的頻率，在一定范圍內改變機組的轉速[3]。可變速機組的系統原理圖如圖1所示。受到轉子散熱能力，變頻器容量及經濟性等條件的制約，這種形式的可變速機組轉速變化范圍一般在±10%以內[5]。

圖1 可變速機組系統原理圖

轉子交流勵磁式變速機組的轉子勵磁系統可以產生一定頻率范圍內的交流電流，也可產生直流電流。因此，轉子勵磁電流產生的空間磁場相對于轉子的位置和頻率是主動可控可調節的。由于轉子磁場波峰波谷的位置以及相對定子的頻率都由轉子電流瞬時控制，因而，其在定子中感應出的端電壓的幅值、頻率和相角也可由轉子勵磁系統實時控制。有了這一優勢，在變速機組水泵方向啟動過程中，轉子轉速達到可變速范圍內之后，轉子勵磁系統可以根據此刻電網側電壓的幅值、相角和頻率，迅速調節轉子三相勵磁電流的幅值和頻率，使其產生適當的轉子磁場，在定子中瞬時感應出滿足同期并網條件的端電壓。機端與電網側電壓幅值差、頻率差和相角差滿足同期規定后，機組即可并網。

變速機組同期并網的過程中，無需同期裝置對轉動慣量較大的轉子進行轉速調節，大大縮短了同期時間，進而縮短了機組的啟動總時間，增強了電網應對突發情況的能力。

2 SFC啟動和背靠背啟動監控流程的修改

SFC啟動和背靠背啟動是常規定轉速機組水泵工況啟動的兩種常用方式。可變速機組也可以采用這兩種方式進行水泵工況啟動。在抽蓄電站有定轉速機組以及SFC的情況下，采用SFC和背靠背方式啟動可以減小可變速機組轉子變頻器的容量，從而增加變速機組的經濟性。由于變速機組并網時無需轉子達到額定轉速，只需轉子在可變轉速范圍內，通過調節勵磁電流頻率，即可滿足同期并網條件。因此，通常不另設同期裝置，將同期功能整合到轉子變頻器的控制系統中。變速機組達到同期條件前的監控流程與常規機組基本相同，達到同期條件后，監控流程進行適當的修改。

可變速機組監控系統的原理框圖如圖2所示。以電站共有4臺機組為例，現地控制單元1～4分別控制1～4號機組，而SFC系統由于廠房布置時離機組一般較遠，需要單獨由現地控制單元5控制。現地控制單元之間通過交換機通信。交流勵磁控制系統與調速器控制系統等分系統之間均可通過現地控制單元進行數據交換。一套SFC設備和兩臺可變速機組的主接線原理圖如圖3所示。

以1號機SFC啟動為例，啟動過程需要現地控制單元1和現地控制單元5協同配合。假設可變速機組的調速范圍為±10%，SFC啟動的監控流程簡圖如圖4所示。在抽水工況刀閘合閘，被拖動刀閘合閘，充氣壓水完成以及設置保護到抽水調相模式等前期流程完成后，設置勵磁系統為SFC啟動態直流模式。此時，轉子側勵磁系統輸出的電流為直流，其形成的轉子磁場相對轉子靜止，這與常規機組SFC啟動時類似。監控確認勵磁系統投入后，啟動SFC，機組開始升速，當機組轉速達到額定轉速時，監控給SFC輸出開關分閘令，停止SFC對機組的拖動，確認SFC輸出分閘后，監控給勵磁系統勵磁模式轉換令，勵磁系統由直流勵磁模式切換到交流勵磁模式，同時啟動勵磁系統的同期功能，勵磁系統通過判斷機端與網側的電壓幅值、頻率和相角差，滿足同期條件后，合發電機出口斷路器(GCB)并網。

圖2 可變速機組監控原理框圖

圖3 SFC和背靠背啟動主接線原理圖

圖4 可變速機組SFC啟動流程簡圖

背靠背啟動的監控流程相對復雜，拖動機與被拖動機有各自執行的流程。以1號機與2號機背靠背啟動為例，需要現地控制單元1和現地控制單元2協同配合，完成背靠背啟動。其主要的監控流程如圖5所示。可變速機組背靠背啟動中，拖動機組的勵磁系統始終設置為直流勵磁模式，被拖動機組的勵磁系統與SFC啟動時的設置相同。當機組轉速達到100%額定轉速后，分拖動機GCB，監控給被拖動機勵磁系統勵磁模式轉換令，被拖動機勵磁系統由直流勵磁模式切換到交流勵磁模式，同時啟動勵磁系統的同期功能，勵磁系統通過判斷機端與網側的電壓幅值、頻率和相角差，滿足同期條件后，合被拖動機GCB并網。

圖5 可變速機組背靠背啟動監控流程簡圖

常規定轉速機組SFC拖動并網過程中，由于轉子慣性較大，從同期裝置啟動同期到機組并網成功，需要經過數秒鐘的時間。背靠背拖動過程中，同期裝置啟動后，需要通過調節導葉開度來控制機組轉速，從啟動同期到并網成功時間較SFC拖動更長。而可變速機組取消同期裝置后，將同期判斷的功能整合到勵磁控制系統中，在可變轉速范圍內，機組可以在任意轉速并網，電流調節的時間遠小于常規機組轉速調節的時間。因此，監控流程修改后的可變速機組同期時間較常規定速機組大大縮短。

3 水泵方向自啟動模式的監控流程

可變速機組在轉子變頻器的容量足夠大的情況下，可以具備水泵方向自啟動的能力。具備自啟動能力的機組可以省去SFC裝置，也無需背靠背系統。以1號機自啟動為例，其監控原理框圖僅包括圖2中現地控制單元1的部分，無需與其他現地控制單元通信，監控原理較為簡單。變速機組自啟動的電氣原理如圖6所示。與SFC拖動和背靠背拖動相比，省略了SFC，啟動母線，啟動母線刀閘，拖動刀閘，被拖動刀閘等電氣一次設備，簡化了系統的復雜度及各系統的配合難度，有利于提高機組的啟動成功率。

機組啟動前，合自啟動刀閘S2，機組定子繞組三相對稱短路。轉子繞組通以低頻交流電流，產生出的旋轉磁場切割定子繞組，感應出定子電流，從而形成定子磁場產生啟動力矩。這一啟動方式的原理與傳統異步電機啟動的原理相同。為增大啟動力矩，減少啟動電流，可以采用增大轉子電流，同時在定子回路中串電阻的方法。

啟動過程中，為保證轉子磁場始終同方向切割定子繞組，隨著轉速的增加，轉子勵磁交流的頻率逐漸增大。當轉速達到100%額定轉速時，監控給勵磁下達停交流勵磁令，之后下令分勵磁輸入開關S1，勵磁斷開后，處在三相短路狀態的定子三相繞組的電流減小為零，由于自啟動刀閘S2并不具備分斷大電流的能力，監控必須確認收到S1分閘的信號后，才可以發出分S2的信號。監控確認收到S2分閘信號后，再次合勵磁輸入開關S1。勵磁調節系統根據當前機組轉速以及電網側電壓的幅值、頻率和相角，調節勵磁電流的幅值和頻率，滿足同期并網條件后，合GCB并網。自啟動過程中，機組轉速隨時間變化的示意圖如圖7所示。自啟動的第一階段升速與常規機組SFC啟動的升速過程類似，啟動時的加速度較大，隨著轉速上升，加速度逐漸減小。當轉速達到100%額定轉速后，勵磁輸入開關S1斷開，啟動過程進入第二階段，機組的升速力矩降為零，機組減速。由于自啟動過程是在抽蓄機組調相壓水過程完成后進行的，水輪機的轉輪在空氣中旋轉，空氣阻力相對于機組慣性很小，機組減速過程緩慢。待定子短路刀閘拉開后，勵磁輸入開關S1合閘，勵磁系統快速調節機組端電壓，使其滿足同期并網條件，機組并網，機組進入啟動第三階段，機組可以根據調度要求在可變速范圍內調節機組升降速，機組啟動過程完成。

圖7 自啟動過程機組轉速變化示意圖

自啟動監控流程設計的關鍵是在轉速達到100%額定轉速，要先停交流勵磁，確定勵磁輸入開關斷開后，再分定子短路刀閘，以免定子短路刀閘帶大電流分閘，燒蝕刀閘觸頭。水泵方向自啟動的流程充分考慮了監控、電氣以及水機等系統的協同配合問題，有利于增加機組的啟動成功率。

4 結 語

本文分析了轉子交流勵磁式變速機組的三種水泵方向啟動方式，分析結果表明：

(1)變速機組水泵方向同期并網過程中，無需調節轉子轉速，只需調節勵磁電流的幅值和頻率，縮短了同期時間。

(2)變速機組的SFC啟動和背靠背啟動需修改同期過程的監控流程，修改后，應可滿足機組正常啟動過程。

(3)變速機組采用自啟動方式時，電氣一次系統結構較為簡單，有利于提高機組的啟動成功率。根據變速機組自啟動的原理，提出了一種滿足自啟動條件的監控流程，以供探討。

(4)由于國內尚未有變速機組投產，未來變速機組現場調試期間，需根據機組實際情況，對監控流程進行適當修正。

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