開關(guān)變壓器模塊在抽水蓄能電站軟起動方面的應(yīng)用研究

潘政剛 潘家忠

（1.哈爾濱電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，哈爾濱 150090；2.哈爾濱帕特爾科技有限公司，哈爾濱 150090）

1 引言

改革開放以來，我國電力行業(yè)有了很大的發(fā)展，全國已形成幾大骨干電網(wǎng)并實現(xiàn)北電南送，西電東送，有效地緩解了供電緊張的局面。大機組大電網(wǎng)供電時，其調(diào)頻調(diào)壓、調(diào)峰填谷任務(wù)非常重要，它對提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性，保證供電質(zhì)量有著非常重大的意義。

抽水蓄能電站既能調(diào)峰、又能填谷，在系統(tǒng)中科學(xué)的調(diào)度好抽水蓄能機組的運行方式，可以實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)大火電機組的高效運行，以達到降低燃料消耗、減少排放的目的。近年來，我國的抽水蓄能電站發(fā)展很快。據(jù)權(quán)威資料報導(dǎo)，到2020年，我國抽水蓄能電站裝機將超過3000萬kW。

由于抽水蓄能機組調(diào)峰填谷的工作特點，頻繁起動是其主要特征之一，良好的起動方式和起動裝置的優(yōu)越性能是保證抽水蓄能機組良性運行的關(guān)鍵因素之一。抽水蓄能機組的起動實質(zhì)上就是大型同步電動機的起動。過去一般有3種方式：①間接方式，即用起動電機起動；②低周同步起動，即用單獨的發(fā)電機組供電起動；③異步起動，即電抗器降壓異步起動和自耦變壓器分壓異步起動。目前我國的抽水蓄能電站大多采用國外的成套設(shè)備，軟起動設(shè)備基本上是采用進口變頻設(shè)備，從理論上講，變頻同步起動具有很多的優(yōu)越性。但是當(dāng)前的變頻制造技術(shù)尚不是很完善，損耗比較大、可靠性還較低、諧波大、起動時間長、電源切換時有電流沖擊、冷卻系統(tǒng)復(fù)雜等，可以這樣說，在當(dāng)前變頻同步起動還存在許多無法克服的缺點。針對這些問題，我們開展了“開關(guān)變壓器模塊”用于抽水蓄能電站發(fā)電電動機組軟起動的應(yīng)用研究。

2 開關(guān)變壓器模塊應(yīng)用于高壓電機軟起動

開關(guān)變壓器模塊用于高壓電機的軟起動的設(shè)備我們稱之為開關(guān)變壓器式高壓電機軟起動裝置。目前已有200多臺套用于鋼鐵、石化等行業(yè)，實踐證明該裝置性能先進、可靠性高、諧波小、價格低，完全可以替代進口變頻設(shè)備應(yīng)用于抽水蓄能電站的軟起動。

開關(guān)變壓器式高壓電機軟起動裝置可以說是對可控硅串聯(lián)式軟起動裝置的改進，它將變壓器的開路特性、短路特性與晶閘管（或其他電力電子器件）的導(dǎo)通與關(guān)斷特性相結(jié)合。即用變壓器的初級繞組來替代晶閘管串而與電機串聯(lián)，把晶閘管放在變壓器次級，通過控制晶閘管的開斷與導(dǎo)通來實現(xiàn)變壓器的開路與短路運行，在變壓器原端的輸出特性完全與相控調(diào)壓相同，且由于其執(zhí)行器件是變壓器，故可靠性高是不容置疑的。主電路如圖1所示。K1為運行柜，它與電動機D構(gòu)成正常工作時的運行系統(tǒng)；K 2為起動柜，它與開關(guān)變壓器TK構(gòu)成起動回路。當(dāng)電動機起動時，合上 K2，給可控硅 SCR加上觸發(fā)信號即可實現(xiàn)相控調(diào)壓軟起動；起動結(jié)束后，合上K1、斷開K2，電動機即轉(zhuǎn)入運行狀態(tài)。

起動回路的控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖1 主電路圖

圖2 控制系統(tǒng)框圖

軟起動不同時段的電流由程序給定，主電路中的電流由采樣單元采集，PLC比較電流反饋值和給定值，根據(jù)差值調(diào)節(jié)觸發(fā)單元的輸入電壓，改變SCR的導(dǎo)通角，從而使主電路中的電流與給定值相等。

修改程序中起動各時段電流的大小和保持時間，即可得到各種不同的起動電流曲線。由控制系統(tǒng)框圖可見，如果從虛線處隔開，右側(cè)為功率主回路，左側(cè)為控制環(huán)節(jié)。當(dāng)電動機功率不同時，只要更改TK、CT及SCR即可，其控制環(huán)節(jié)不用改變。

其特點主要如下：①無級調(diào)壓、可輸出任意波形；②高次諧波少，母線電壓總諧波畸變率在國標(biāo)以內(nèi)；③空載起動時，起動電流小于1.5I e；④利用特殊的可控硅并用技術(shù)，可以起動任意容量的電動機；⑤因晶閘管短時過流能力很高，其并用技術(shù)的風(fēng)險性大大低于串聯(lián)技術(shù)，故該裝置可靠性很高；⑥原理簡明，一般技術(shù)工人都能掌握，模塊式結(jié)構(gòu)，檢修方便。

3 開關(guān)變壓器模塊軟起動與變頻起動之比較

抽水蓄能電站的發(fā)電電動機在作為抽水電動應(yīng)用時，其起動方法是一個值得探討的問題，過去使用的方法有同軸小電機起動、異步起動和同步起動，當(dāng)前很多都采用變頻起動。從理論上講，變頻起動的優(yōu)越性很多，但是當(dāng)前變頻器制造技術(shù)尚不完善，仍有一些不足之處：如高次諧波問題、并網(wǎng)時的電流沖擊問題、可靠性問題、維護修理問題等，隨著工業(yè)的發(fā)展，大電機的應(yīng)用越來越多，新的起動方法也不斷出現(xiàn)，其中開關(guān)變壓器式高壓電機軟起動裝置異軍突起，特別適合于超大型電動機的軟起動。

下面就二者在抽水蓄能電站電動發(fā)電機的起動上作一比較。

（1）諧波問題。據(jù)有關(guān)文章介紹，結(jié)合我國蓄能電站的具體情況，變頻裝置在連接點處產(chǎn)生的總諧波畸變率大約在 6%～19%，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于國家標(biāo)準(zhǔn)的4%要求，有些電站就這么用了，似乎也沒有什么問題。其實這是個危險的隱患，比如對絕緣的傷害，它有個累積的過程，并非一下子就能表現(xiàn)出來的，設(shè)備壽命的縮短是必然的。

開關(guān)變壓器式軟起動裝置在連接點處的總諧波畸變率在國標(biāo)范圍內(nèi)，對其他設(shè)備的傷害很小。

（2）向電網(wǎng)切換時的電流沖擊問題。當(dāng)采用變頻起動時，由于變頻裝置一般不允許與電網(wǎng)并聯(lián)，故要先斷開變頻電源再把電機接入電網(wǎng)，這時在電機定子繞組中會產(chǎn)生大電流沖擊，由于抽水電動機工作一天要起動多次，故對電機繞組絕緣的傷害及端部變形都會產(chǎn)生積累效應(yīng)，長此以往，定會降低電機的使用壽命。人們在對待自同期并列時的大電流沖擊相當(dāng)慎重，一般情況下不用自同期并列，只在事故狀況下才不得不用自同期并列。

開關(guān)變壓器式軟起動裝置可以在電機接入電網(wǎng)后斷開，完全沒有大電流沖擊，這對延長電動發(fā)電機的使用壽命是非常有利的。

（3）可靠性問題。變頻裝置中的開關(guān)器件，當(dāng)前尚未實現(xiàn)軟開關(guān)技術(shù)，開關(guān)損耗還比較大，因此自身損耗大、壽命短。高壓變頻裝置中開關(guān)器件數(shù)量很多，出現(xiàn)故障的可能性很大，據(jù)我們有限的了解，近幾年國內(nèi)用于起動的變頻裝置就多次出現(xiàn)問題。抽水蓄能電站的發(fā)電電動機更大，變頻裝置的容量也更大，出現(xiàn)故障的可能性也要大得多。

開關(guān)變壓器式軟起動裝置完全避開了開關(guān)器件運行中的風(fēng)險性，可靠性非常高。

（4）起動時間問題。抽水蓄能電站的重要作用是調(diào)峰填谷，調(diào)頻調(diào)壓。為了提高電網(wǎng)的供電質(zhì)量，要求機組的起動時間越短越好。但是當(dāng)前的

大容量變頻器制造技術(shù)尚存在一定困難，故只有靠增加起動時間來減少變頻器的容量，對于300MW機組，進口變頻設(shè)備一般要求起動時間延長到5m in左右。

開關(guān)變壓器式軟起動裝置可在 1m in甚至更短的時間內(nèi)完成電機的起動，這對保持電網(wǎng)的穩(wěn)定、提高供電質(zhì)量無疑是非常有利的。

（5）冷卻系統(tǒng)的復(fù)雜性問題。高壓變頻裝置均采用水冷方式，水質(zhì)要求高、管路質(zhì)量要求高，給維護帶來很大的麻煩。

開關(guān)變壓器式軟起動裝置采用風(fēng)扇通風(fēng)冷卻，簡單方便。

（6）關(guān)于起動成功率。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計，由于變頻器原因而造成起動失敗的次數(shù)大約占每年起動次數(shù)的1%左右。

開關(guān)變壓器式軟起動裝置使用近十年來，從未發(fā)生過因它致使起動失敗的情況。

（7）占地面積問題。軟起動裝置位于地下機房，每單位面積的開挖費用是相當(dāng)可觀的，減小裝置的占地面積對降低電站投資有著重要的作用。

據(jù)了解，某電站的300MW機組變頻軟起裝置占地約 400m2。如果用開關(guān)變壓器式軟起動裝置，則裝置本身占地只80m2，加上附屬面積有200m2足夠了。

（8）冗余設(shè)計。開關(guān)變壓器式軟起動裝置采用模塊化冗余設(shè)計，進一步提高可靠性。大型機組（12MW以上）的開關(guān)變壓器式軟起動裝置均采用模塊化設(shè)計，每個模塊12MW，結(jié)構(gòu)緊湊、方便維修、更換。另外，模塊數(shù)量上采用冗余設(shè)計，即使各別模塊發(fā)生故障也不影響機組的起動。

（9）維護修理問題。大型變頻裝置國內(nèi)目前尚不能制造，完全依賴進口，技術(shù)復(fù)雜、資料不全給維護修理造成了非常大的困難，一旦出現(xiàn)故障只有請外國專家前來修理，費用高、時間長、后續(xù)的維修費用是相當(dāng)高的。

開關(guān)變壓器式軟起動裝置中的電力電子元件為可控硅，這種器件在我國的應(yīng)用已有幾十年的歷史，維修技術(shù)簡單得多，一般技術(shù)工人都能掌握。由于在設(shè)計時即考慮到可靠性問題，維護工作量非常小。

（10）一機二用。大家都知道，自同期并列在許多方面優(yōu)于準(zhǔn)同期并列，但是由于自同期并列時有大電流沖擊而限制了它的應(yīng)用，使自同期并列只用于電網(wǎng)事故情況下的備用機組起動并網(wǎng)（準(zhǔn)同期并列對此無能為力）。開關(guān)變壓器式軟起動裝置還可用于自同期并列時限制大電流沖擊，作到一機二用，充分發(fā)揮設(shè)備的使用率。

開關(guān)變壓器技術(shù)可以用來限制并網(wǎng)時的大電流沖擊，使自同期并列的優(yōu)點更加突出。這樣，使自同期并列可以擴大應(yīng)用范圍，在正常情況下也可以用自同期并列。完全避免了非同期并列的危險情況。另外使大型水輪發(fā)電機也可以在電網(wǎng)事故情況下起動并網(wǎng)，這無疑對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行具有非常重要的意義。

4 抽水蓄能電站軟起動的設(shè)計方案

開關(guān)變壓器模塊在應(yīng)用于高壓電機軟起動方面的優(yōu)異性能已經(jīng)得到了廣泛的認(rèn)同，由于它面世時間較短，目前已經(jīng)做到20MW，對于抽水蓄能機組的大容量電機，只要采用晶閘管并用與模塊并用相配合的設(shè)計方案,實現(xiàn)幾萬千瓦甚至幾十萬千瓦高壓電機軟起動是完全有把握的。

（1）可控硅并用技術(shù)方案

如果要控制的設(shè)備容量很大而使得可控硅額定電流受限時，專門發(fā)明了“多副繞組開關(guān)變壓器模塊（已申報專利）” 來解決這個問題。多副繞組開關(guān)變壓器的技術(shù)實質(zhì)是采用了可控硅并用技術(shù)（如圖3所示），這里的開關(guān)變壓器次級繞組采用多股并繞（匝數(shù)一致、參數(shù)一致），可控硅分別連接、同步觸發(fā)，開關(guān)變壓器次級電流被多副繞組分流，以保證每只可控硅中流過的電流不大于其額定電流。

圖3 多副繞組開關(guān)變壓器模塊

這里的可控硅并用與常規(guī)的可控硅并聯(lián)有本質(zhì)的區(qū)別，常規(guī)的并聯(lián)技術(shù)是指被并聯(lián)器件首與首相接且尾與尾相接后再接到電路中，而我們提出的并用器件（SCR）是分別接在各自的繞組中,與可控硅并聯(lián)有本質(zhì)的區(qū)別。

（2）開關(guān)變壓器模塊并用技術(shù)方案

如果要控制的設(shè)備容量再大而使得開關(guān)變壓器（體積、重量所限）額定電流受限時，專門發(fā)明了“多副繞組開關(guān)變壓器模塊并用技術(shù)（也已申報專利）”來解決這個問題（見圖4）。開關(guān)變壓器并用完全不同于教科書上所說的電力變壓器并聯(lián)運行。電力變壓器并聯(lián)運行是指幾臺變壓器不僅初級接在相同相位的電源上，而且次級并聯(lián)向負(fù)荷供電。如果變壓器的特性參數(shù)不一致，則會產(chǎn)生環(huán)流，損耗加大甚至損壞變壓器。

圖4 開關(guān)變壓器并用等效圖

開關(guān)變壓器并用只是把初級并聯(lián)起來，次級仍然各自獨立，它就好象許多電力變壓器都接在同一電網(wǎng)上一樣，完全沒有環(huán)流之說。

開關(guān)變壓器并用可以等效為圖4右側(cè)的晶閘管并聯(lián)電路。其中x1是開關(guān)變壓器TK 1的漏抗；x2是開關(guān)變壓器TK2的漏抗。由于變壓器的漏抗遠(yuǎn)大于晶閘管的內(nèi)阻，故均流效果相當(dāng)好，兩組晶閘管不必配對選擇，兩路電流完全一致。

晶閘管直接并聯(lián)時，如果開通時間有微小差異，當(dāng)首先有一只晶閘管開通時，晶閘管端電壓立即下降為晶閘管的管壓降（僅2V左右）。此時，未開通的晶閘管雖然有觸發(fā)電壓，但由于端電壓太小很容易不開通，造成先開通的晶閘管過流。

開關(guān)變壓器并用時，如果有一臺開關(guān)變壓器先開通，則在其初級繞組兩端仍至少有 5%的短路壓降。對于10kV的情況至少有500V的電壓（變壓器次級電壓100V左右），這對于其他支路的開通是完全有保障的。

5 結(jié)論

在冶金、石化企業(yè)高壓電動機軟起動市場已經(jīng)證明，開關(guān)變壓器式軟起動裝置作為調(diào)壓軟起動設(shè)備具有獨到的優(yōu)勢。該技術(shù)控制功率的提升原理簡潔，實用易行，完全可以應(yīng)用于抽水蓄能機組的起動。此外，該技術(shù)在水輪發(fā)電機自同期并網(wǎng)方面的技術(shù)優(yōu)勢，完全可以設(shè)計制造出軟起動與自同期并網(wǎng)功能并舉的專用設(shè)備，為我國抽水蓄能電站建設(shè)提供性能優(yōu)越的大型裝備。

[1]潘政剛等.中壓(3-10KV)電動機起動方法的分析與比較[J].電氣傳動,2002 (11).

[2]何永秀等. 周調(diào)節(jié)抽水蓄能電站在京津唐電網(wǎng)中的調(diào)峰與事故響應(yīng)作用[J]. 電網(wǎng)技術(shù),2006,30(19):71-75.

[3]陳志剛. 惠州抽水蓄能電站建設(shè)的必要性分析[J].電網(wǎng)技術(shù), 2001,25(7):67-71.