子午水電站變頻發電變頻抽水運行工況研究

李小波，何 文

(陜西省引漢濟渭工程建設有限公司，陜西 西安 710011)

1 引漢濟渭子午水電站概況及運行方式

1.1 概況

子午水電站地處佛坪縣與寧陜縣交界的子午河中游狹谷段，壩址位于佛坪縣大河壩鎮三河口村下游2km處。壩高141.5m，庫區總庫容7.1億m3，調節庫容6.5億m3，是引漢濟渭工程的2個水源地(黃金峽和三河口)之一。其主要任務是調蓄子午河來水與漢江干流不能直供受水區的水量[1]，并結合發電。

子午水電站三河口水庫最大流量為72.71m3/s，其中供水最大流量70m3/s，下游生態放水流量2.71m3/s。庫區向關中供水時通過供水流量及泄放流量發電。因庫區水位變化范圍較大(最低發電水位593m，正常蓄水位643m)，額定轉速下常規機組的運行以及可逆式機組的工頻運行均難以滿足工程需求，為保證工程經濟效益[2- 3]，設計變頻發電以及變頻抽水工況。

1.2 運行方式

子午水電站運行時分抽水、供水、發電等3個運行工況。安裝2臺可逆式混流機組、2臺常規混流機組，其中常規機組單機容量20MW，額定功率因數0.85，額定轉速375r/min；可逆機組單機容量10MW，額定轉速500r/min，電動工況額定功率因數0.95，發電工況額定功率因數0.85。發電總裝機60MW，抽水總裝機24MW。處于供水期時，全部機組作發電工況運行，即2臺常規水輪發電機組和2臺可逆機組均發電；當黃金峽泵站的抽水流量大于關中需水量時，多出的水由可逆式水泵水輪機組抽回子午水電站三河口庫區，此間可逆式機組作泵工況運行。

2 變頻器系統

2.1 變頻器簡介

子午水電站采用西門子GH180四象限完美無諧波高壓變頻器，主要由輸入/輸出部分、變壓器部分、功率單元部分、控制部分、冷卻部分組成。

在抽水工況時變頻器將工頻交流電源通過整流器轉換成直流電源，然后再把直流電源轉換成頻率、電壓均可控制的交流電源供給可逆式機組[4]。

在發電工況時變頻器將發電機端低頻、低壓的電通過整流逆變成工頻的交流電輸送到電網。

四象限變頻調速裝置能量在直流母線和電網間雙方向流動，采用IGBT有源整流，既可以改變水泵的揚程、流量、調整電機輸入的功率[5- 7]，也可以將低水頭下發電機發出的能量送到電網，可實現機組在發電工況下穩定連續工作[8]。

2.2 完美無諧波高壓變頻器基本原理

完美無諧波高壓變頻采用若干個低壓PWM變頻功率單元級聯的方式[9]，實現直接高壓輸出。變頻器具有電網諧波污染極小，輸入功率因數高，輸出波形質量好，不存在諧波引起的電機附加發熱、轉矩脈動、噪音、dv/dt及共模電壓等問題的特性。

10kV電網電壓經過副邊多重化的隔離變壓器降壓后給功率單元供電，功率單元為三相輸入、單相輸出的交直交PWM電壓源型逆變器結構，實現變壓變頻的高壓直接輸出，供給高壓電動機[10]。

以10kV輸出電壓等級為例，每相均由8個額定電壓為750V的功率單元串聯而成，輸出相電壓達6000V，線電壓達10500V，每個功率單元分別由輸入變壓器的一組副邊供電，功率單元之間及變壓器二次繞組之間相互絕緣。

2.3 變頻器布局

子午水電站共裝設2臺變頻器，其中1號變頻器分別拖動1、2、4號機組，2號變頻器分別拖動1、2、3號機組，變頻器投入時，1號2號可逆式機組有變頻抽水、變頻發電工況，3號4號常規機組有變頻發電工況。其中1、2號變頻器可分別拖動1號2號可逆式機組變頻運行，于1、2號可逆式機組而言，1、2號變頻器互為備用。子午水電站1、2號機單元電氣主接線如圖1所示。

圖1 子午水電站1、2號可逆機組電氣主接線

2.4 變頻器功能

(1)可實現2臺可逆式水泵水輪機組電動工況下的軟啟動、運行和調速，變頻運行切換到工頻運行時具備自動同期功能，可檢測并網點兩側的電網頻率、電壓幅值、電壓相位是否到達條件，以實現自動并網。

(2)可實現2臺可逆式水泵水輪機組電動工況下的變頻運行(30～50Hz)，裝置的最大輸出功率滿足不同轉速下機組的最大輸入功率要求，見表1。

表1 變頻器輸出功率與機組輸入功率

(3)可實現2臺常規機組和2臺可逆式水泵水輪機組低水頭下的變頻發電(30～50Hz)功能。但同一時間一臺變頻器只允許拖動一臺機組變頻運行。

3 機組運行工況分析

3.1 工頻發電

當子午水電站三河口水庫處于供水期，且水頭在65～99m時，可逆式水泵水輪機組工頻運行。水頭在55～99.3m時，常規機組工頻運行。

可逆機組工頻發電工況時，152發電換相斷路器在合，并網時合121A出口斷路器(以1號機為例)。

工頻啟動過程:

上位機發工頻發電令至調速器，調速器控制機組升轉速至額定，然后勵磁系統升勵磁電流使發電機端電壓升至額定空載電壓后同期合閘并網。

工頻運行工況下變頻器不投入運行，機組開停機流程與常規水力發電機組流程一致，在此便不做贅述。

3.2 變頻發電

當子午水電站三河口水庫處于供水期，且水頭滿足下述要求時，機組變頻發電。

在24～65m水頭之間，可逆機變頻發電，對應轉速為300～500r/min，對應頻率為30～50Hz。

在30～55m水頭之間，常規機變頻發電，對應轉速為225～375r/min，對應頻率為30～50Hz。

變頻發電時發電機發出低頻、低壓的電通過變頻調速裝置調控為頻率為50Hz和額定電壓10.5kV的交流電輸送至電網。發電機端送出的功率大小根據供水流量做出相應調整。

3.2.1變頻發電流程分析

上位機發變頻開機令，先由調速器控制，使機組轉速升至5Hz對應轉速值，在機組轉速到達對應轉速后，變頻器開始接受開機令，合153變頻器母線側斷路器以及121B變頻器拖動斷路器。

在變頻發電啟動過程中機組出口斷路器121A以及發電換相斷路器151均在分閘狀態，變頻器啟動前會判別發電換相斷路器是否在分閘位，若不是則開機流程終止。

同期并網前，調速器控制機組頻率在5～25Hz區間緩慢升速，變頻器在機組低轉速模式下，捕捉發電機轉速信號，捕捉成功后，變頻器內部IGBT導通，實現并網發電(以1號機為例)。

影響變頻器同期的因素有頻率的高低以及頻率變化速度，在機組低頻緩慢升速時，降低了頻率變化速度對變頻器同期的影響。變頻器捕捉難度降低，更容易同期并網。在調速器控制機組轉速升速期間，變頻器同時也會給調速器反饋一個稍低于目前轉速值的功率值，進一步減緩機組升速的時間。

6)第一次空中三角測量預測了導入的控制點在影像上的大概位置，由此減輕了人工尋找控制點點位的負擔。這種方法還可以用來發現和排查野外像控點錯誤。

待變頻器完全介入后，即變頻器啟動成功，則會反饋變頻器介入成功的信號給上位機，上位機收到反饋后開始給定變頻器目標功率，然后變頻器會拖動機組到設定的功率值。

變頻發電時，變頻器會自動判別當前水頭下的最優工況運行，若調度需要增減負荷，上位機直接發令，變頻器會和上位機同步增減負荷。且變頻發電時只發有功功率，不發無功功率，變頻發電時沒有無功調節功能。

變頻發電工況下，變頻器上下側斷路器由變頻器本體控制，上位機只發令給變頻器，不參與上下側斷路器153和121B的分合閘(以1號機為例)。

3.2.2變頻發電停機流程分析

上位機發變頻發電停機令后，變頻器和調速器同時并行執行停機令。變頻發電停機時由變頻器發令至勵磁系統控制勵磁系統進行滅磁，而后變頻器控制其上下側斷路器153和121B分閘。

變頻發電停機過程中，變頻器的作用相當于電制動，會加速停機流程的執行。

3.3 變頻發電存在的不足及解決方法

3.3.1機組低頻空轉

變頻發電時，要求調速器控制機組頻率在達到5～25Hz之前保持約3min，變頻器才能捕捉到機組轉速信號，而后進行同期并網。超低速空轉對水輪機軸承以及油膜損傷較大，會縮短機組使用壽命。

3.3.2并網失敗率高

當機組頻率約30Hz時，變頻發電啟動機組平均每100次同期中有3次會同期失敗。當機組頻率在5～25Hz時同樣會有一定概率同期失敗，同期失敗后，變頻發電開機流程終止。上位機發變頻發電令后有可能會啟機失敗，投產后運行不便，相較工頻發電運行難度系數較大。且變頻啟機失敗后對機組的損傷不亞于惰性停機，設備維護成本高。

3.3.3解決方法

引漢濟渭子午水電站采用寬水頭變幅機組，可使機組在最高水頭與最低水頭相差較大的情況下的振動、氣蝕均在合理范圍內。針對并網失敗率高的現狀，目前規避機組并網前長時間超低轉速運轉的解決方式是與調度聯系減少機組在變頻工況下的日平均啟停次數。由于機組出力較小，變頻工況下出力更是遠小于額定出力，對電網整體影響較小。

3.4 抽水工況

當子午水電站處于補水期，在40～96.44m揚程范圍之間，可逆式水泵水輪機組抽水運行。

3.4.1工頻抽水流程分析

在85～96.44m揚程范圍內，可逆式水泵水輪機組工頻抽水運行。

工頻抽水啟動時，變頻器上下側斷路器153和121B一直在合位，然后合151抽蓄換相斷路器以及121A出口斷路器(以1號機為例)。啟動時變頻器與151抽蓄換相斷路器同時拖動電機旋轉，然后變頻器帶載逐步降低，正常線路帶載逐步升高，待電機轉速至額定后，變頻器內部IGBT通道斷，此時工頻抽水啟動完成。工頻抽水時變頻器的作用相當于軟啟動器。

若直接高壓啟動水泵水輪機，啟動時會產生較大的啟動電流，對電網造成沖擊并減少機組使用壽命[11]。

工頻抽水停機時，上位機直接發停機令，切121A出口斷路器以及151抽蓄換相斷路器即可(以1號機為例)。

3.4.2變頻抽水流程分析

在40～85m揚程范圍內，可逆式水泵水輪機組變頻抽水。

變頻抽水工況時，變頻器將工頻電流(50Hz)變換成30～50Hz的交流電流，來實現可逆機組抽水工況時的變速運行。

變頻抽水時，上位機發變頻抽水令后，由變頻器控制153變頻器母線側斷路器和121B變頻器拖動斷路器合閘，直接由變頻器拖動至設定抽蓄揚程所需的轉速值(以1號機為例)。

3.4.3抽水工況優劣分析

子午水電站機組進水口前為電動蝶閥，庫區正常蓄水位640m，尾水位532m，水頭較高，來水壓力大。在抽水工況時，需要首先開啟蝶閥旁通閥，壓力鋼管的水通過蝶閥旁通閥進入蝸殼，待蝸殼充滿水使蝶閥上下游平壓后，開啟機組進水口蝶閥，啟動可逆機泵工況運轉。

當變頻啟動信號和頻率設定信號輸入變頻器時，變頻器將輸出啟動頻率，此時電機產生啟動扭矩。因上游來水壓力大，可逆機組啟動負載較大，需可逆機組啟動扭矩大于負載啟動扭矩即壓力鋼管來水壓力時，可逆機以泵工況開始轉動抽水。

抽水工況變頻啟動時需要的啟動電流較大。

變頻器作為啟動變頻器時，可同步下切和上切。即電機在工頻運行狀態，將變頻器輸出與電網同步，然后將電機無擾動切換到變頻運行，也可無擾動啟動后依據揚程變化，由變頻運行無擾動切換至工頻抽水，提升了水泵水輪機的利用效率。

4 結語

變頻抽水雖然在一些揚程較大的泵站應用較為廣泛，但也只是單純的可調速拖動電機，引漢濟渭子午水電站是國內首次同時將變頻發電與變頻抽水應用到實際中的水電工程，變頻技術的應用使機組能夠在不同水頭條件下均匹配與之對應的轉速，顯著提高了供水率與發電小時，環保節能，增加了工程的經濟效益。該應用實例對水頭變幅較大的小水電有很大的借鑒作用。