可變速抽蓄機組黑啟動交流勵磁設備及其控制研究

閆 偉，石祥建，施一峰，吳 龍，謝 歡，劉為群，鐘高躍

(1.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102；2.國網冀北電力有限公司電力科學研究院，北京 100045)

0 引 言

交流勵磁可變速抽水蓄能機組，轉子勵磁繞組為三相對稱繞組，采用交流勵磁方式，勵磁電壓的頻率、幅值、相位及相序均為可調，機械轉速與電網頻率柔性連接[1-2]。交流勵磁可變速抽水蓄能機組，通過變機械轉速運行，在發電和抽水兩種工況下都能獲得較高的效率，提高機組對水頭變化的適應能力，同時避開機組運行的不穩定區；交流勵磁可變速抽蓄機組有功和無功解耦控制、深度進相能力及功角與轉子位置解耦的特性，使其具有良好的電力系統穩定支撐能力；水泵工況下通過改變可變速機組轉速可快速調節吸收的有功功率，從而突破抽蓄機組水泵工況下只能“開機-滿負荷-停機”的運行束縛，提高電網對系統頻率的控制能力參與電網的調頻[3-7]。

我國在運行的抽水蓄能電站機組都為定速機組，定速機組的黑啟動勵磁設備及其控制技術已成熟。交流勵磁可變速機組在國內尚無應用，對其黑啟動交流勵磁設備及其控制技術研究較少。一般黑啟動要完成2個任務[8-11]：對內要恢復提供廠用電的發電機母線電壓，對外要配合調度恢復電網運行。本文主要討論的范圍限于發電機母線電壓。

1 變速機組黑啟動交流勵磁裝置

可變速機組的交流勵磁設備采用過交-直-交、交-交拓撲結構，交-交結構的交流勵磁設備因其諧波含量高、無功消耗大、輸出頻率受限等因素，在日本早期的變速機組中有使用，后來建設的變速機組都采用電壓源型交-直-交拓撲[12-13]。本文介紹的黑啟動交流勵磁設備屬于電壓源型交-直-交拓撲。對于交流勵磁變速機組，不考慮黑啟動功能時，其交流勵磁裝置主要由交流勵磁控制器、網側變流器、機側變流器、直流回路及其預充電環節組成。考慮黑啟動功能時，需要在原有設備基礎上增加黑啟動輔助功率部分，同時交流勵磁控制器在原有功能的基礎上要具備黑啟動交流勵磁控制功能。

抽水蓄能電站電氣主接線多采用單元接線，在發電電動機與主變壓器之間設置發電機斷路器，勵磁變壓器接在主變低壓側，正常情況下勵磁電源通過主變壓器從電網獲得，黑啟動時需要獨立的黑啟動電源將機組啟動，由其為電網提供啟動電源。由于變速機組的勵磁電源是三相交流電，而兩個交流電源無法直接并接及切換，所以可變速機組黑啟動輔助勵磁電源與電壓源型交-直-交勵磁系統的電源并接及切換點應在交流勵磁系統的直流環節。本文提出的變速機組黑啟動交流勵磁裝置組成見圖1。

圖1 可變速機組黑啟動交流勵磁裝置結構示意

黑啟動交流勵磁裝置由黑啟動交流勵磁控制器、主勵磁功率部分、黑啟動輔助功率部分組成。黑啟動交流勵磁控制器由控制計算單元、傳感器單元及輸出控制單元組成，用于對黑啟動輔助功率部分、主勵磁功率部分的控制，以實現機組正常工況控制及黑啟動控制。主勵磁功率部分由網側變流器、直流環節、機側變流器組成，在黑啟動輔助功率模塊退出后，為機組提供機端電壓繼續上升所需勵磁功率。黑啟動輔助功率部分由輔助交流電源、變壓器、整流單元1及預充電模塊組成，為可變速機組提供建立初始機端電壓所需的勵磁功率，當初始機端電壓建立后，通過整流單元1中的輸出開關分閘，將黑啟動輔助功率部分退出；其中的預充電模塊由整流單元2和直流側限流電阻(限流電阻也可以在整流單元2的交流側)組成，用于給主勵磁功率部分的直流環節中的電容充電，充電到設定值后，通過限流單元中的輸出開關分閘，將預充電模塊退出。之所以沒有使用主勵磁功率部分原來的預充電模塊，是因為黑啟動時輔助功率部分交流側電壓大小、直流環節的充電電壓水平與正常機組啟動時的值不同，所以包括整流單元、限流電阻等在內的充電回路參數設計要求不同。也可以采用整流單元1中串聯限流電阻的方式進行預充電，充電完成后由短路開關將限流電阻短路。

2 黑啟動主要設備參數計算

黑啟動交流勵磁裝置中主勵磁功率部分及勵磁變壓器的設備參數，一般按照發電電動機參數及機組的運行范圍參數進行了選擇計算，對于黑啟動設備而言是已經確定的，在此不做討論。主要對黑啟動輔助功率設備部分主要設備參數計算進行研究。

2.1 輔助交流電源參數計算

輔助交流電源可選用柴油發電機，需要確定其輸出額定電壓及容量。設UGN為變速機組定子額定電壓，k為建壓系數，即黑啟動輔助功率部分在機端電壓升至kUGN時可以退出，0

Irc=kIroN

(1)

式中，IroN為變速電機額定空載轉子電流。

此時，轉子電壓Ur表達式為

(2)

考慮1.1倍裕量，據此可選擇輔助功率部分中輔助交流電源的容量SBS

(3)

式中，Sr為最大轉子勵磁容量。輔助交流電源的額定電壓UBSN可按照可選電源的常見額定值進行選擇，如0.4 kV。

由式(3)可以看到，當變速機組確定之后，SBS的大小取決于建壓系數k和進行黑啟動勵磁時可變速機組所處的穩定轉速值nS，nS一般在(90%～110%)nN范圍內。k的取值直接影響輔助交流電源的電壓大小和電源容量。k的取值應使黑啟動輔助功率部分退出時，機端電壓經勵磁變降壓后，其大小應能使主勵磁功率部分在控制器的控制下，穩定可靠地將機端電壓繼續升至額定值；太小，不利于控制穩定，太大，造成輔助交流電源容量及電壓的浪費，可取0.2～0.3。

2.2 變壓器參數計算

黑啟動輔助功率部分中變壓器容量可按照SBS選擇，原邊電壓UT1=UBSN。這里對變壓器副邊電壓UT2的計算方法進行研究。當勵磁電壓為Ur時，根據PWM逆變器工作原理可得，直流回路直流電壓UDC滿足

(4)

式中，M1為主勵磁功率模塊中機側變流器的調制比，黑啟動時，取值可為0.9～1.15。

則整流單元1交流側電壓，即黑啟動輔助功率部分中變壓器副邊電壓UT2按照式(5)選取。

(5)

2.3 對建壓系數k的探討

在黑啟動輔助電源的設計階段，主要考慮2.1中提到的對建壓系數的限制條件。黑啟動的實際控制過程中，機端電壓設定值UGset，不一定是額定值UGN，當機端電壓達到kUGset時，如果勵磁變低壓側電壓值比黑啟動輔助功率部分的變壓器副邊電壓UT2大很多，發電機斷路器合閘后，勵磁斷路器合閘時，因網側變流器IGBT反并聯二極管形成的整流橋的存在，將產生沖擊電壓、電流，對設備安全不利。所以，在合開關前應通過機側變流器控制使機端電壓UG達到UGset1值，UGset1應滿足

(6)

β∈[105，12]

式中，j為勵磁變低壓側到高壓側的電壓變比；β定義為主勵磁電源投入安全系數。UG=UGset1時，進行勵磁變投入，則產生的沖擊較小，不會對設備造成不利影響。

3 變速抽蓄機組黑啟動交流勵磁控制

可變速機組的勵磁系統是電壓源型交-直-交的變流器系統，有網側變流器控制和機側變流器控制，黑啟動時涉及黑啟動輔助電源部分的控制、輔助電源到主勵磁電源的平穩切換以及持續平穩的將機端電壓升至設定值UGset，主要控制過程如圖2所示。

圖2 可變速機組黑啟動交流勵磁控制流程

首先機組轉速應已達到設定值nS，而nS應在黑啟動輔助電源設計時所對應的轉速范圍內；接收到黑啟動命令后，啟動輔助交流電源，其輸出交流電壓正常后啟動預充電模塊，對主勵磁直流回路電容進行充電，充電達到UDCS時，退出預充模塊，黑啟動輔助部分與主勵磁直流回路連接，維持直流電壓為UDCS；網側變流器處于閉鎖狀態，解鎖機側變流器使其按照控制要求輸出響應PWM控制脈沖，對變速電機組轉子進行勵磁，建立機端電壓UG；當UG=UGset1時，先后合并網開斷路器、勵磁斷路器，則勵磁變低壓側帶電；解鎖網側變流器脈沖輸出，控制直流側電壓達到UNDC1，顯然UNDCS1應滿足

UNDC1≥UDCS

(7)

實際控制中可選UNDCS1比UDCS稍大一些，比如可選UNDCS1=1.05UDCS。此時控制整流單元1中的輸出斷路器分閘，則黑啟動輔助功率部分安全退出。

通過控制網側變流器來控制直流電壓達到UNDCS2，使得在該直流電壓下，機側變流器輸出的交流電壓能夠將機端電壓升至額定值，并且機側變流器調制比適中，UNDCS2按照式(8)計算。

(8)

式中，M2為機側變流器由主勵磁電源供電時的調制比，考慮黑啟動時機組處于空載狀態，取0.5～0.6。

4 300 MW變速機組黑啟動RTDS仿真

利用交流勵磁控制器裝置及RTDS仿真平臺，搭建300 MW變速機組黑啟動仿真系統。在RTDS中搭建如圖1所示的300 MW可變速機組、主勵磁功率部分、黑啟動輔助功率部分及一次交流系統模型，主勵磁功率部分采用主流的I型三電平電壓源型交-直-交變流器形式。交流勵磁控制器實物裝置中集成黑啟動控制軟件，接收RTDS輸出的系統二次電壓電流信號、開出信號，向RTDS發出斷路器分合閘信號、兩個變流橋的PWM控制脈沖信號。

300 MW變速電機參數為：額定容量Sn=336 MV·A，同步轉速nN=500 r/min，定子額定電壓UGN=15.75 kV，定子電阻Rs=0.002(p.u.)，定子漏抗LSδ=0.14(p.u.)，轉子電阻Rr=0.003 (p.u.)，轉子漏抗Lrδ=0.18(p.u.) ；定轉子互感Lm=2.7(p.u.)，空載轉子電流為1 780 A。

設定nS=490 r/min，由電機參數及2.1、2.2中給出的算法，選擇黑啟動輔助功率部分輔助交流電源容量為263 kV·A，電壓為0.4 kV，變壓器容量和輔助交流容量相同，變壓器原邊電壓0.4 kV，副邊電壓按照式(5)計算為0.54 kV，建壓系數k=0.2。

仿真波形如圖3所示。在波形顯示的零時刻，已完成預充電模塊對主勵磁直流環節電壓充至0.83 kV。網側變流器閉鎖，控制器控制機側變流器使機端電壓UG按照給定值UGref曲線，以1 kV/s的速度上升至UG=UGset1=3.1 kV。此時合發電機斷路器、勵磁斷路器，選擇合適的UGset1后，勵磁斷路器合閘時，直流電壓無突升現象，則無沖擊電流出現。網側變流器解鎖，將直流電壓抬升至比0.83 kV高，見圖3中約4 s處，則安全退出輔助功率部分。之后，網側變流器繼續將直流電壓UNDC抬升，在圖3中約4.8 s處開始控制機側變流器，使UG繼續按照給定UGref曲線，以1 kV/s的速度升到設定值UGset，并維持，在此期間直流電壓UNDC逐漸升高到正常工作值。整個黑啟動過程持續約16.5 s。圖3中給出了轉子電流有效值Ir及1 Hz瞬時轉子電流ir波形，可見整個啟動過程電流變化平穩。機端電壓上升速度在主勵磁功率部分投入后，可以進一步加快，從而縮短整個定子升壓時間。

圖3 黑啟動過程仿真

5 結 論

針對抽水蓄能電站交流勵磁可變速機組黑啟動，提出了一種黑啟動交流勵磁裝置，對其結構及各部分功能及主要設備參數計算方法進行了分析討論，提出了與之適應的黑啟動控制方法，可得以下結論：

(1)由于變速機組的勵磁電源是三相交流電，而兩個交流電源無法直接并接及切換，所以可變速機組黑啟動輔助勵磁電源與電壓源型交-直-交勵磁系統的電源并接及切換點應在交流勵磁系統的直流環節。

(2)建壓系數k的取值應合適，太小，不利于控制穩定，太大，造成輔助交流電源容量及電壓的浪費；實際控制階段，應按照式(6)對k進行校核，避免因k值過大，導致勵磁開關合閘時產生較大的電壓、電流沖擊。

(3)交流勵磁控制裝置加RTDS的仿真試驗表明，本文提出的黑啟動交流勵磁裝置及其控制方法，可實現變速機組母線電壓的平穩、快速建立，同時各中間電氣量變化平穩，能夠滿足實際工程對交流勵磁裝置黑啟動的要求。

定速機組對電網的黑啟動中可能出現的自勵磁問題已有較多研究。對于交流勵磁變速機組對電網的黑啟動中，可能出現的自勵磁情況的研究是下一步需要開展的工作。