大型抽水蓄能電機(jī)啟動(dòng)過(guò)程的勵(lì)磁控制策略

郭春平

（國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院/南瑞集團(tuán)公司，江蘇南京211000）

大型抽水蓄能電機(jī)啟動(dòng)過(guò)程的勵(lì)磁控制策略

郭春平

（國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院/南瑞集團(tuán)公司，江蘇南京211000）

對(duì)大型抽水蓄能電機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中勵(lì)磁系統(tǒng)的控制進(jìn)行了深入的理論研究，并將研究成果應(yīng)用在國(guó)內(nèi)某單機(jī)容量300MW的抽水蓄能電機(jī)上進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，表明研究成果的正確性，具有推廣應(yīng)用價(jià)值。

大型抽水蓄能電機(jī)；啟動(dòng)過(guò)程；勵(lì)磁系統(tǒng)；控制策略；工程應(yīng)用

1 引言

自2003年以來(lái)，國(guó)家電網(wǎng)公司積極采取措施推進(jìn)抽水蓄能電站設(shè)備自主化進(jìn)程，在“十一五”科技發(fā)展規(guī)劃中，就抽水蓄能電站控制和運(yùn)行技術(shù)，明確提出“重點(diǎn)開(kāi)展抽水蓄能電站機(jī)組控制系統(tǒng)設(shè)備的自主化研究與開(kāi)發(fā)”。

抽水蓄能機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)是為機(jī)組提供勵(lì)磁電流、維持發(fā)電機(jī)組/電動(dòng)機(jī)組機(jī)端電壓穩(wěn)定的核心實(shí)時(shí)自動(dòng)控制系統(tǒng)，其功能和性能直接關(guān)系到機(jī)組可靠穩(wěn)定運(yùn)行；同時(shí)還是抑制電力系統(tǒng)低頻振蕩最有效、最經(jīng)濟(jì)的手段；它還是發(fā)電機(jī)組/電動(dòng)機(jī)組內(nèi)部故障時(shí)重要的保護(hù)裝置。與常規(guī)水電站電機(jī)相比，抽水蓄能電站電機(jī)具有發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)兩種運(yùn)行方式［1］，所以抽水蓄能機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)控制策略不同于常規(guī)水電機(jī)組。本文基于這一情況針對(duì)大型抽水蓄能電站中300MW典型電機(jī)在啟動(dòng)過(guò)程中勵(lì)磁系統(tǒng)的控制策略進(jìn)行理論研究，并結(jié)合工程實(shí)際應(yīng)用，進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

2 機(jī)組啟動(dòng)過(guò)程分析及控制

2.1 靜止變頻啟動(dòng)過(guò)程分析及控制

抽水蓄能機(jī)組兼有發(fā)電和電動(dòng)兩種運(yùn)行工況，這兩種運(yùn)行工況下，勵(lì)磁系統(tǒng)控制策略有所區(qū)別。在發(fā)電工況下，勵(lì)磁系統(tǒng)以常規(guī)控制策略運(yùn)行，在水泵電動(dòng)啟動(dòng)及運(yùn)行工況下，應(yīng)采用不同的控制策略，以實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)的快速性和平穩(wěn)性，避免產(chǎn)生較大的啟動(dòng)電流，對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。如圖1所示，為解決此問(wèn)題在國(guó)際上首次提出了機(jī)組低于10%額定轉(zhuǎn)速階段勵(lì)磁系統(tǒng)采用變?cè)鲆婵刂撇呗?，以?shí)現(xiàn)機(jī)組SFC啟動(dòng)方式低轉(zhuǎn)速階段勵(lì)磁系統(tǒng)具有高起始特性，保證機(jī)組低速啟動(dòng)的快速性和平穩(wěn)性，提高機(jī)組啟動(dòng)成功率。

圖1 機(jī)組SFC啟動(dòng)方式機(jī)組低于10%額定轉(zhuǎn)速勵(lì)磁系統(tǒng)變?cè)鲆婵刂?/p>

該控制策略的具體實(shí)施，可采用如下操作。勵(lì)磁系統(tǒng)在SFC啟動(dòng)初始階段，勵(lì)磁電流閉環(huán)控制采用專(zhuān)用的PID參數(shù)，使機(jī)端電壓平穩(wěn)上升，待轉(zhuǎn)速上升至10%額定轉(zhuǎn)速時(shí)，SFC進(jìn)入自然換相階段，此時(shí)勵(lì)磁系統(tǒng)勵(lì)磁電流閉環(huán)控制PID參數(shù)切換至正常值，機(jī)組加速運(yùn)行，到同期并網(wǎng)控制階段，直至機(jī)組并網(wǎng)，控制流程如圖2所示。

圖2 機(jī)組SFC啟動(dòng)方式勵(lì)磁控制策略流程

2.2 背靠背啟動(dòng)過(guò)程分析及控制

如圖3所示，抽水蓄能機(jī)組背靠背啟動(dòng)的啟動(dòng)過(guò)程可分為兩個(gè)階段［4、5］，即啟動(dòng)同步階段和同步加速階段。

圖3 背靠背啟動(dòng)示意圖

在磁路飽和影響的情況下，對(duì)機(jī)組背靠背啟動(dòng)工況下發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)基本電磁關(guān)系進(jìn)行綜合分析研究，得到了如圖4所示的發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)之間電壓、電流和機(jī)械方程之間的相互關(guān)系，建立背靠背啟動(dòng)發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)聯(lián)立狀態(tài)方程組，方程如式（1）所示。

圖4 發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)之間電壓、電流和機(jī)械方程的相互關(guān)系

式（1）中：

i表示電流，ω表示機(jī)組旋轉(zhuǎn)角速度，δ表示機(jī)組功角，T表示時(shí)間常數(shù)，H表示機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；變量右上角：g表示發(fā)電機(jī)，m表示電動(dòng)機(jī)；變量右下角：d表示定義d繞組，q表示定子q繞組，fd和f表示勵(lì)磁繞組，1d表示阻尼繞組D，1q表示阻尼繞組Q。

應(yīng)用Matlab軟件進(jìn)行仿真，對(duì)兩機(jī)組勵(lì)磁電流取值大小對(duì)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的影響進(jìn)行研究，研究結(jié)果如表1所示。

3 工程應(yīng)用

在國(guó)內(nèi)某裝機(jī)容量為4×300MW的抽水蓄能電站，分別進(jìn)行了靜止變頻啟動(dòng)和背靠背啟動(dòng)試驗(yàn)驗(yàn)證。

3.1 靜止變頻啟動(dòng)試驗(yàn)

試驗(yàn)波形如圖5所示。

圖5 機(jī)組SFC啟動(dòng)方式低速階段（10%額定轉(zhuǎn)速以下）電氣量波形

表1 勵(lì)磁電流取值對(duì)機(jī)組啟動(dòng)的影響

從圖5可以得出，機(jī)組SFC啟動(dòng)方式低轉(zhuǎn)速階段勵(lì)磁電流閉環(huán)控制采用專(zhuān)用PID參數(shù)，保證了機(jī)組低速啟動(dòng)的快速性，提高了電動(dòng)方向的啟動(dòng)成功率，證明了機(jī)組SFC啟動(dòng)方式低速階段變?cè)鲆婵刂扑枷氲恼_性。

3.2 背靠背啟動(dòng)試驗(yàn)

機(jī)組背靠背啟動(dòng)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)從開(kāi)始至并網(wǎng)，各階段波形如圖6-圖11所示。

圖6 背靠背啟動(dòng)開(kāi)始時(shí)電動(dòng)機(jī)側(cè)波形

圖7 背靠背啟動(dòng)期間電動(dòng)機(jī)側(cè)波形

圖8 背靠背啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)側(cè)并網(wǎng)波形

圖9 背靠背啟動(dòng)開(kāi)始時(shí)發(fā)電機(jī)側(cè)波形

圖10 背靠背啟動(dòng)期間發(fā)電機(jī)側(cè)波形

圖11 背靠背啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)并網(wǎng)發(fā)電機(jī)側(cè)波形

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)抽水蓄能機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)不同與常規(guī)水電

機(jī)組的特點(diǎn)，對(duì)抽水蓄能機(jī)組SFC啟動(dòng)變?cè)鲆婵刂坪捅晨勘硢?dòng)過(guò)程進(jìn)行研究，并將研究成果在國(guó)內(nèi)某300MW抽水蓄能機(jī)組上進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，表明研究成果的正確性，具有推廣應(yīng)用價(jià)值。

［1］郭春平，許其品.抽水蓄能電站勵(lì)磁和SFC設(shè)備國(guó)產(chǎn)化發(fā)展概述［J］.水電廠自動(dòng)化，2013，34（3），60-61.

［2］赫衛(wèi)國(guó)，華光輝等.大型抽水蓄能機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.水電自動(dòng)化與大壩監(jiān)測(cè)，2011，35（3）：25-29.

［3］田立軍，陸于平等.抽水蓄能電動(dòng)發(fā)電機(jī)啟動(dòng)過(guò)程數(shù)字仿真［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，1997，21（7）：38-41.

［4］邵宜祥，呂宏水等.抽水蓄能機(jī)組背靠背啟動(dòng)規(guī)律的仿真［J］.水電自動(dòng)化與大壩監(jiān)測(cè)，2008，32（4）：5-9.

［5］王自濤，戈寶軍等.蓄能電機(jī)背靠背啟動(dòng)過(guò)程的計(jì)算機(jī)仿真［C］.抽水哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，4（3）：41-45.

［6］高金玲，文 俊.抽水蓄能電站背靠背啟動(dòng)過(guò)程的數(shù)字仿真［J］.河北電力技術(shù)，1998，17（4）：6-9.

Excitation control strategies for the large water-pumping energy-storage motor instart-up process

GUO Chun-ping
（State Grid Electric Power Research Institute/Nanrui Group Corporation，Nanjing211000，China）

The excitation control strategies for the large water-pumping energy-storage motor in the start-up process are presented.The control strategies are tested and verified by applying them on the domestic 300MW water-pumping energy-storage motor.The test results show that the expected aim is achieved and verify the correctness of the control strategies.The control strategies are worthy of promotion in many fields.

large water-pumping energy-storage motor；start-up process；excitation system；control strategies；engineering application

TM331

A

1005—7277（2016）03—0021—03

郭春平（1980-），男，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)榻涣麟姍C(jī)暫態(tài)分析及控制。

2016-02-29