抽水蓄能機組啟動與停機的勵磁控制策略研究

余 振，葛東平，黃 志

（國電南瑞科技股份有限公司，江蘇省南京市 211106）

0 引言

抽水蓄能電站機組既能在電網負荷高峰時作為發(fā)電機發(fā)電，也能在負荷低谷時作為電動機抽水蓄能，具備調峰、填谷、調頻、調相、事故備用等多種用途，具有啟動快、反應靈敏、負荷跟蹤迅速的特點，同時對勵磁系統(tǒng)的控制能力和可靠性提出了更高的要求[1]。目前抽水蓄能電站中應用最多的是可逆式電動發(fā)電機，區(qū)別于一般的水電機組，抽水蓄能機組除了正常的啟動模式之外，工作在電動抽水工況時需要專門的啟動措施，由發(fā)電工況向抽水工況轉換時有換相要求，停機時需要電制動[2]。

機組在進入電動機工況時可以采用多種啟動模式：同軸電動機啟動、全電壓異步啟動、半電壓異步啟動、背靠背啟動（同步啟動）、半同步啟動和變頻啟動?？紤]到抽水蓄能機組啟動對電網運行穩(wěn)定性的影響、前期投資成本、后期維護成本等諸多因素，目前國內外運行的機組一般以SFC變頻器啟動作為主要啟動模式，以背靠背啟動作為備用方式[3，4]。

1 SFC變頻器啟動

變頻啟動是利用晶閘管變頻器產生頻率可變的交流電源對電動發(fā)電機進行啟動，是抽水蓄能電機啟動的一種新方法，在國內外抽水蓄能機組得到了廣泛的應用。靜止變頻器（SFC）包括兩組三相橋式晶閘管，其中一組用于整流，另一組用于逆變。通過轉子位置檢測裝置輸出轉速及位置信號，由變頻器控制調整晶閘管的導通角，以此來進行轉速和整流控制。變頻啟動方式的優(yōu)點是設備靜止、運行維護方便、啟動容量大、啟動速度快、工作可靠性高，對系統(tǒng)沖擊小[5]。

SFC變頻器的一次接線如圖1所示。變頻啟動時同期斷路器斷開，SFC斷路器1、SFC斷路器2閉合。抽水蓄能機組在變頻器的作用下加速旋轉，當轉速接近額定值時投入同期斷路器。通過控制變頻器同期裝置滿足并網條件后，同期斷路器閉合的同時閉鎖SFC變頻器（SFC整流橋和逆變橋同時閉鎖脈沖），SFC斷路器1、SFC斷路器2斷開，機組并網進入電動狀態(tài)。

圖1 抽水蓄能機組靜止變頻器啟動一次接線圖

勵磁系統(tǒng)收到“靜止變頻器啟動模式令”之后，控制方式切換為電流閉環(huán)，勵磁電流的給定值是由靜止變頻器外部控制的，靜止變頻器通過輸出一個電流信號給勵磁調節(jié)器來作為電流給定值，來控制勵磁電流的大小，使機端電壓平穩(wěn)上升，勵磁設備輸出轉子電壓、轉子電流信號反饋給變頻設備。并網運行后，自動切換為電壓閉環(huán)控制模式，也可以根據需要選擇其他閉環(huán)控制方式。

對于勵磁設備來說，只是開環(huán)接受變頻器的一個控制信號，因此在控制流程上沒有特殊的要求，然而在SFC啟動初始階段，感應磁通的大小是勵磁電流的變化率決定的，因此要求勵磁設備對勵磁電流的響應速度要快，否則可能造成變頻啟動無法實現的情況。為此，靜止變頻器工況啟動需設計獨立的變增益PID控制模型，如圖2所示，該PID參數只在機組變頻器啟動時起作用，有利于靜止變頻器檢測電動機轉子位置，當發(fā)電機并網之后，勵磁系統(tǒng)控制模型自動切換到電壓閉環(huán)控制模式，也可以根據需要選擇其他閉環(huán)控制方式。這樣既保證機組靜止變頻器一次啟動成功的可靠性，又不影響機組在其他工況下運行的穩(wěn)定性。此外，SFC拖動將要到達額定轉速時，由于給定勵磁電流有提前量，當轉速達到額定時，SFC才對勵磁電流給定進行調整，所以為防止機端電壓過高引起發(fā)電機過壓或變壓器過激磁，勵磁系統(tǒng)需要對SFC給定電流最大值進行限制，一般設置為空載額定勵磁電流值的1.1～1.2倍。

圖2 抽水蓄能機組靜止變頻器啟動控制方框圖

在抽水蓄能機組上進行SFC變頻器啟動試驗，勵磁調節(jié)器進入電流閉環(huán)模式，常規(guī)自并勵勵磁系統(tǒng)正常運行時，為防止勵磁調節(jié)超調量過大和振蕩次數過多，電流閉環(huán)PID參數通常相對較小。但是在SFC啟動時，比例和積分值偏小會導致勵磁電流階躍時，上升速度太慢，SFC采樣發(fā)電機感應磁通較弱，影響轉子角度的測量，因此需要加大比例和積分值，實際經過多組參數測試后確定比例、積分和微分值放大為電流閉環(huán)PID參數的2倍以上，在此參數下由于發(fā)電機勵磁電壓已經達到了頂值電壓，再放大PID參數對發(fā)電機勵磁電流響應速度已經不再產生實際作用，因此使用該組參數作為SFC啟動PID控制參數值。使用該組勵磁模型及參數后，現場SFC啟動成功率達到100%。

如圖3所示，整個拖動過程發(fā)電機機端電壓平穩(wěn)上升，經過約1min后，機端電壓順利達到90%以上，由同期裝置經過增減磁控制后發(fā)電機轉入并網運行。

圖3 SFC啟動波形

2 背靠背發(fā)電、電動啟動工況控制

背靠背啟動是用一臺蓄能機組做發(fā)電機運行來同步啟動其他蓄能機組進入電動機工況的啟動模式。這種啟動方式的優(yōu)點是對電網沒有什么沖擊，但啟動過程的調整和操作比較復雜，需要設置專用的啟動母線，而且電站最后一臺機組不能用此方法啟動，還需配置其他方式的啟動設備。因此，目前大型抽水蓄能電站通常采用此方式作為變頻啟動的備用，當SFC無法正常啟動時采用該種工況[6]。

背靠背啟動時，啟動機組運行在背靠背發(fā)電工況，被啟動機組運行在背靠背電動工況。兩種工況均采用恒勵磁電流調節(jié)模式。當機組還處于停止狀態(tài)時，預先給抽水蓄能機組投入勵磁。其中背靠背發(fā)電工況的機組勵磁電流給定值配置為發(fā)電工況空載額定值；背靠背電動工況的機組勵磁電流給定值需進行現場試驗整定。當兩種機組加速到額定轉速時，通過調節(jié)背靠背發(fā)電工況的機組同期設備來控制背靠背電動工況的機組同期并網。并網之后，運行于背靠背發(fā)電工況的機組勵磁設備退出運行[7]。

背靠背啟動模式的一次接線如圖4所示。兩臺機組的定子通過拖動機組的負荷斷路器及拖動隔離開關用電纜短接起來（兩臺機組定子的機端相序要保證不一致，以確保發(fā)電機和電動機轉子的旋轉方向不一致），并分別投入各自的勵磁系統(tǒng)。逐漸開啟水輪機的導葉，讓發(fā)電機的轉速逐步升高，轉動起來的發(fā)電機將產生的低頻電源加到電動機的定子上，并產生啟動轉矩，電動機在同步轉矩作用下跟隨發(fā)電機逐步升速。當電動機的轉速到達額定值后，斷開發(fā)電機的負荷斷路器，閉合電動機的負荷斷路器。勵磁系統(tǒng)從監(jiān)控系統(tǒng)得知機組所處的狀態(tài)后閉鎖發(fā)電機的勵磁系統(tǒng)，抽水蓄能機組進入電動機工作狀態(tài)，之后自動轉換為機端電壓或者其他需求的勵磁控制方式。

背靠背拖動作為SFC拖動的備用方式，由于背靠背拖動有一定失敗可能，如果兩臺機組轉子的初始位置不太理想，容易造成在拖動開始時，拖動機無法拖動被拖動機，導致定子電流過大，保護低頻過流動作，拖動失敗。因此，拖動機組（發(fā)電機）和被拖動機組（電動機）勵磁電流選擇十分重要，勵磁電流給定一般設定為空載勵磁電流，實際試驗中是將拖動機組和被拖動機組勵磁電流給定設定為1和0.9，即拖動機勵磁電流給定為空載額定勵磁電流，被拖動機組勵磁電流為0.9倍空載勵磁電流。按這樣設定后，拖動成功率有所提高。

圖4 背靠背啟動拓撲圖

如圖5和圖6所示，整個拖動過程機端電壓保持穩(wěn)定的速度上升，并且與電壓目標值相比無超調，對發(fā)電機沖擊較小，大約1min后被拖動機組和拖動機組電壓達到95%額定電壓以上，由同期裝置經過增減磁控制后發(fā)電機順利轉入并網運行。

圖5 拖動機組拖動開始波形

圖6 被拖動機組被拖動完成轉并網波形

3 電制動工況控制

抽水蓄能機組在電網中承擔著調頻、調峰、事故備用的作用，開停機非常頻繁，由于機組單機容量越來越大，發(fā)電機的轉動慣量也很大，使用傳統(tǒng)的機械制動單一制動方式就遠不能滿足現代運行控制方式的需要，因此大型抽水蓄能機組在與電網解列后的停機過程中均需要進行電制動，其最大的優(yōu)點是制動轉矩大，可以有效地縮短機組減速的時間，滿足工況迅速轉換的要求。

圖7 抽水蓄能機組電制動一次接線圖

抽水蓄能機組一次接線如圖7所示，具有兩種接線方式。左圖中，勵磁變壓器連接在主變壓器低壓側，機組停機時變壓器依舊帶電。當需要投電制動時，只需要合上短路斷路器的同時投入勵磁設備，利用勵磁晶閘管整流元件提供制動所需要的勵磁電流。當一次接線按照右圖連接時，由于勵磁變壓器連接在機端側，機組停機后勵磁變壓器沒有電源無法供電，所以需要增加單獨的制動設備，包括制動變壓器和晶閘管整流元件，制動所用勵磁電源取自廠用電。

當前，抽水蓄能勵磁系統(tǒng)設計，一般為勵磁變壓器接在電網側，即機組停機時，勵磁變壓器同樣帶電，所以在電制動時，可以直接使用勵磁變壓器的電源進行電制動，不需另外提供制動電源，簡化了電氣線路。

在發(fā)電機組解列后，執(zhí)行停機操作過程中，先合上短路斷路器將定子繞組三相短路，并向勵磁繞組中輸入恒定的電流，以使定子繞組中產生短路電流，該電流在定子繞組中產生制動轉矩，使機組減速制動到停機。在電制動時，為保證短路定子電流恒定，勵磁調節(jié)采用恒勵磁電流調節(jié)方式，不隨機組轉速下降而變化。由于ME=PE/w=3I2R/2πf，而f=nP/60，因此電磁轉矩與定子短路電流的平方成正比，與機組轉速成反比。由此可見，增大定子短路電流對縮短停機時間十分有效，停機過程中的關鍵在于低轉速區(qū)中機組轉速下降陡度，只要電制動電流等于甚至大于定子的額定電流，電制動在低速區(qū)就能夠獲得滿意的轉速下降率，實現機組快速停機[8]。

電制動的控制流程為：當監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出機組停機指令后，檢測到發(fā)電機轉速低于50%額定轉速，且導葉處于關閉位置，向勵磁系統(tǒng)發(fā)出電制動啟動令，勵磁系統(tǒng)收到監(jiān)控系統(tǒng)電制動啟動令后，檢測是否有勵磁系統(tǒng)停機令，機端電壓低于5%額定電壓，如條件滿足則勵磁系統(tǒng)合上電制動短路斷路器、交流側斷路器以及滅磁斷路器，勵磁調節(jié)器進入電制動模式。

電制動時，定子電流一般控制在1～1.2倍額定定子電流，電制動勵磁電流一般為發(fā)電機短路試驗時的額定定子電流的勵磁電流。由于電制動時機端處于短路狀態(tài)，在投入勵磁電流時要使機端短路電流盡量緩慢上升，避免對發(fā)電機造成沖擊，所以電制動勵磁電流采用電流閉環(huán)方式。為使電流緩慢上升，要通過試驗調整PID參數，使勵磁電流投入時能夠緩慢上升。

現場進行電制動試驗，機組停機過程中當電制動啟動時如圖8所示，整個過程轉子電流上升平滑，充分體現了柔性制動的特點。

如圖9所示，當轉速降到1%額定轉速，勵磁調節(jié)器逆變，待定子電流和轉子電流降為零后，分斷滅磁斷路器、短路斷路器及交流側斷路器，電制動程序結束。使用電制動停機后，有效地縮短了機組減速的時間，滿足了機組運行工況迅速切換的要求。

圖8 電制動啟動時波形

圖9 電制動停機時波形

需要注意的是：當電制動啟動時，由于發(fā)電機組電氣量的變化可能造成機組保護誤動，因此在電制動投入時需要閉鎖相關的保護，如負序電流保護、低頻過電流保護等，電制動退出后再解除閉鎖。此外，對電制動過程要考慮系統(tǒng)的安全可靠性，要設計相應的軟硬件閉鎖、冗余和容錯，例如電制動程序執(zhí)行應該有一定的時間，超時則勵磁系統(tǒng)也要發(fā)出超時跳閘的信號并自動退出電制動程序。

4 結束語

本文根據抽水蓄能機組區(qū)別于常規(guī)發(fā)電機組啟動和停機的不同方式，設計了勵磁系統(tǒng)在SFC啟動、背靠背啟動、電制動停機工況下相應的控制模型和參數，并在現場進行了多次試驗，機組啟動和停機的成功率達到了100%。通過現場機組的成功試驗和應用，證明了該勵磁模型和參數的有效性，能夠提高抽水蓄能機組啟動和停機的成功率，為抽水蓄能電站提供有力的支撐。

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