郝國文，李建光，張志明，楊艷平

（1.國網(wǎng)新源控股有限公司，北京市 100053；2.山東大學(xué)電氣工程學(xué)院，山東省濟南市 250002；3.山東泰山抽水蓄能電站有限責(zé)任公司，山東省泰安市 271000）

抽水蓄能機組抽水工況下同期并網(wǎng)參數(shù)的整定計算方法

郝國文1，李建光1，張志明2，楊艷平3

（1.國網(wǎng)新源控股有限公司，北京市 100053；2.山東大學(xué)電氣工程學(xué)院，山東省濟南市 250002；3.山東泰山抽水蓄能電站有限責(zé)任公司，山東省泰安市 271000）

提出了一種抽水蓄能機組抽水工況下同期并網(wǎng)參數(shù)的整定計算方法，該方法基于對抽水蓄能機組抽水工況下并網(wǎng)過程的理論分析，結(jié)合了機組并網(wǎng)參數(shù)整定的原則，利用數(shù)學(xué)模型進行推導(dǎo)而得到。針對抽水工況下合閘脈沖導(dǎo)前時間取值的不同，推導(dǎo)了在合閘脈沖導(dǎo)前時間內(nèi)機組電壓和頻率的變化情況，進而計算出同期并網(wǎng)時的允許電壓差、頻率差和相角差等并網(wǎng)參數(shù)。本文的并網(wǎng)參數(shù)整定計算方法為抽水蓄能機組同期并網(wǎng)定值的設(shè)定提供了理論依據(jù)，對于減小并網(wǎng)沖擊電流、提高同期并網(wǎng)成功率具有重要意義。

抽水蓄能；抽水工況；同期并網(wǎng)；參數(shù)整定計算

0 引言

在抽水蓄能機組頻繁的工況變化過程中，并網(wǎng)操作是其中的一項極為重要的操作。并網(wǎng)由自動準(zhǔn)同期并列裝置按照預(yù)先整定的同期參數(shù)自動完成，因此同期參數(shù)是否合理對并網(wǎng)操作的成功率和并網(wǎng)沖擊電流的大小有著重要的影響。

目前大多數(shù)抽水蓄能機組的并網(wǎng)參數(shù)整定還存在一些不足之處，主要表現(xiàn)為以下幾個方面：①有些準(zhǔn)同期裝置只允許設(shè)置一組定值，該定值用于所有運行工況下的同期并網(wǎng)操作；②有些裝置雖然能夠提供多組同期并網(wǎng)定值，但由于缺乏對抽水工況特點的分析，無法得到適合抽水工況的同期并網(wǎng)參數(shù)，只能采用發(fā)電工況的并網(wǎng)參數(shù)；③對于設(shè)置多組并網(wǎng)參數(shù)的機組，往往根據(jù)運行經(jīng)驗確定抽水工況下的同期并網(wǎng)參數(shù)整定值，同期參數(shù)的整定具有隨意性，缺乏標(biāo)準(zhǔn)和依據(jù)。

上述問題的存在導(dǎo)致抽水蓄能機組在其他工況下尤其是抽水工況下的并網(wǎng)效果不理想，并網(wǎng)過程沖擊電流較大，對機組使用壽命和電網(wǎng)穩(wěn)定性都造成不利影響，有時甚至出現(xiàn)主變差動保護誤動、機組并網(wǎng)失敗等現(xiàn)象。

針對抽水蓄能機組抽水工況下同期并網(wǎng)所存在的問題，國內(nèi)外學(xué)者和現(xiàn)場專家開展了大量的研究工作，提出了一系列的解決方案。文獻[1]分析了發(fā)電工況和抽水工況下合閘導(dǎo)前時間的差異，并根據(jù)十三陵蓄能電廠的情況，對相應(yīng)的同期合閘導(dǎo)前時間重新進行了整定。該方案只分析了合閘導(dǎo)前之間，對于抽水工況并網(wǎng)過程中其他參數(shù)的變化情況未作分析，沒有形成一套完整的參數(shù)整定方法。

文獻[2]、[3]分析了在僅調(diào)整合閘導(dǎo)前時間的情況下，依然會出現(xiàn)的同期并網(wǎng)失敗的情況，原因在于允許頻率差沒有改變，在較長的合閘導(dǎo)前時間之后，會導(dǎo)致合閘時刻相角差過大，引起合閘失敗。文獻[2]認(rèn)為應(yīng)當(dāng)提高準(zhǔn)同期裝置精度，準(zhǔn)確測量并網(wǎng)過程頻率變化，并通過實驗調(diào)整參數(shù)，以實現(xiàn)更好的并網(wǎng)效果，文獻[3]提出減小合閘允許的頻率差，并增大允許的相角差來提高并網(wǎng)的成功率。文獻[4]指出了并網(wǎng)過程中頻率將因電源切換而發(fā)生變化，提出采用多次并網(wǎng)實驗的方法，試驗出合理的并網(wǎng)參數(shù)。

以上文獻雖然注意到了抽水蓄能機組在抽水運行工況下導(dǎo)前時間較長的問題，也意識到了抽水工況不同的啟動過程會給同期并網(wǎng)帶來較大影響，也從修改整定值、提高裝置性能等方面提出了相應(yīng)的改進措施，但所提的解決措施多是依靠經(jīng)驗和實驗的方法，沒有形成完整的同期并網(wǎng)參數(shù)整定計算方法。

本文針對抽水蓄能機組抽水工況下同期并網(wǎng)的要求和特點，從機組數(shù)學(xué)模型本身出發(fā)，推導(dǎo)各同期并網(wǎng)參數(shù)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，提出滿足抽水蓄能機組抽水工況要求的同期并網(wǎng)參數(shù)整定方法，對提高機組同期并網(wǎng)的成功率、減小并網(wǎng)沖動電流具有重要意義。

1 抽水蓄能機組抽水工況下啟動過程分析

抽水蓄能電機組轉(zhuǎn)換為抽水運行工況時，有幾種不同的啟動方式[5]：同軸電動機啟動、異步啟動、同步（背靠背）啟動、半同步啟動以及靜止變頻器（Static Frequency Converter，SFC）啟動等。目前各抽水蓄能電站一般采用SFC啟動作為主啟動，以背靠背啟動作為備用啟動，采用不同的啟動方式，并網(wǎng)過程并不相同。因此，啟動方式對并網(wǎng)參數(shù)的整定具有極大的影響，為了得到抽水工況下并網(wǎng)參數(shù)的整定方法，首先必須對上述抽水工況下兩種主要啟動方式進行詳細分析。

1.1 SFC啟動過程

SFC啟動方式是利用晶閘管變頻器產(chǎn)生頻率可變的交流電源對蓄能機組進行啟動[6]。靜止變頻器包括兩組三相橋式晶閘管，第一組為整流電路，第二組為逆變電路，將輸入的三相交流電先整流后逆變，以得到各種所需頻率的三相交流電。通過轉(zhuǎn)子位置檢測裝置輸出轉(zhuǎn)速及位置信號，由變頻器控制調(diào)整晶閘管的導(dǎo)通角，用此來進行轉(zhuǎn)速和整流控制。變頻啟動方式具有設(shè)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)沖擊小等諸多優(yōu)勢，現(xiàn)已被用作各蓄能電站的主啟動方式。

蓄能機組的SFC啟動過程的一般過程為：在確定機組開機條件后，投入SFC裝置與被啟動機組間的選擇開關(guān)和斷路器，使被啟動機組于SFC裝置連接，機組加上空載額定電壓的勵磁，然后投入SFC裝置電源，靜止變頻器開始向電動機定子輸入頻率從零開始，逐步上升的三相交流電，定子三相電流所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場與已勵磁的轉(zhuǎn)子磁場相互作用下產(chǎn)生加速力矩，機組轉(zhuǎn)速隨之逐步上升，當(dāng)水泵電動機轉(zhuǎn)速大于15%額定轉(zhuǎn)速，對水泵轉(zhuǎn)輪室充氣壓水，在第一次將轉(zhuǎn)輪室水位壓到轉(zhuǎn)輪以下，壓水氣系統(tǒng)通過其控制系統(tǒng)和水位信號反饋，自動調(diào)節(jié)補氣和停止補氣，保證在整個啟動過程中維持轉(zhuǎn)輪室水位在轉(zhuǎn)輪以下。

當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到頻率大于或等于49.5Hz時，開始進入同期并網(wǎng)階段，自動準(zhǔn)同期裝置按照預(yù)設(shè)同期參數(shù)，對機組的端電壓、頻率進行調(diào)節(jié)，當(dāng)各項參數(shù)滿足并網(wǎng)要求時，自動準(zhǔn)同期裝置發(fā)出合閘命令，SFC調(diào)節(jié)器馬上被閉鎖，電流衰減并打開SFC輸出斷路器，隨后閉合并網(wǎng)斷路器，機組轉(zhuǎn)換為由電網(wǎng)供電，實現(xiàn)并網(wǎng)，機組轉(zhuǎn)入抽水運行，完成啟動。

可以看出由SFC啟動的準(zhǔn)同期并網(wǎng)過程，因為機組在并網(wǎng)前后分別由兩種電源供電，即機組需要從由啟動發(fā)電機變?yōu)橛呻娋W(wǎng)供電，為避免兩電源同時供電現(xiàn)象的出現(xiàn)，在同期系統(tǒng)發(fā)出“并網(wǎng)”指令后的一段時間，變頻器停止，啟動回路斷開，使水泵處在無動力狀態(tài)，僅靠自身慣性繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，即需要在變頻器停止工作并且等待SFC啟動回路開關(guān)分閘后，再完成同期并網(wǎng)合閘操作，機組轉(zhuǎn)由電網(wǎng)供電運行。

1.2 背靠背啟動過程分析

同步啟動又稱背靠背啟動或?qū)ν蠁印Ｍ絾訒r用本電站或相鄰電站的一臺常規(guī)發(fā)電機組或蓄能機組做發(fā)電機運行來啟動其他蓄能機組抽水，現(xiàn)作為抽水蓄能電站的備用啟動方式被廣泛采用。

背靠背啟動的一般步驟為：開機前將被啟動機組與啟動機組在電氣上連接，并分別加上勵磁。將轉(zhuǎn)動起來的發(fā)電機產(chǎn)生的低頻電源直接加在電動機定子上，電動機在同步轉(zhuǎn)矩作用下跟隨發(fā)電機逐步升速。當(dāng)被拖動機轉(zhuǎn)速至15%額定轉(zhuǎn)速，進行與SFC啟動時同樣的充氣壓水操作，并同樣保證在整個啟動過程中維持轉(zhuǎn)輪室水位在轉(zhuǎn)輪以下。當(dāng)轉(zhuǎn)速升到80%額定轉(zhuǎn)速時，投入各自的勵磁調(diào)節(jié)器。

當(dāng)被拖動機速度大于90%額定轉(zhuǎn)速，發(fā)出被拖動機準(zhǔn)備同期命令，利用機組控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)機端電壓和被拖動機轉(zhuǎn)速，符合同期條件時，自動準(zhǔn)同期裝置發(fā)出并網(wǎng)指令，隨后首先斷開拖動機組斷路器，將兩臺機組分開，閉合被拖動機組并網(wǎng)斷路器，并使拖動機轉(zhuǎn)至事先已選擇好的穩(wěn)定狀態(tài)（停機或發(fā)電），被拖動機并網(wǎng)后進入水泵抽水運行，完成并網(wǎng)。

背靠背啟動的同期過程與SFC啟動的同期過程類似，同樣存在機組供電電源的轉(zhuǎn)換問題。同期裝置發(fā)出“并網(wǎng)”指令后，拖動機組拖動回路斷開, 使水泵處在無動力狀態(tài)，僅靠自身慣性繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，即需要在背靠背啟動回路開關(guān)斷開后，再完成同期合閘操作，水泵轉(zhuǎn)由電網(wǎng)供電運行。

2 抽水蓄能機組抽水工況下并網(wǎng)過程分析

通過上述分析可見，抽水蓄能機組在不同的啟動方式下，都要經(jīng)歷一個電源切換的過程，該過程會導(dǎo)致抽水工況下同期并網(wǎng)的合閘導(dǎo)前時間變大，進而影響同期并網(wǎng)期間電氣量參數(shù)的變化，最終影響同期合閘時的沖擊電流大小。

2.1 啟動電源切除瞬間端電壓變化情況的分析

在兩種主要啟動方式下，都需要將啟動的拖動電源切除，使蓄能機組短時間內(nèi)處于無動力狀態(tài)，依靠轉(zhuǎn)子自身慣性維持運行，隨后完成與電網(wǎng)的并列，改由電網(wǎng)提供電能。因此，待并網(wǎng)的機組在斷開啟動電源后，機組將會從當(dāng)前由啟動電源供電，轉(zhuǎn)變?yōu)橐揽哭D(zhuǎn)子慣性轉(zhuǎn)動，相應(yīng)的其端電壓向量會產(chǎn)生突變。

從圖1凸極同步電動機向量圖[7]中可以看出在同步電動機狀態(tài)下，端電壓超前勵磁電動勢功率角δM，但在斷開啟動電源供電后則會導(dǎo)致于是有即端電壓向量與勵磁電動勢向量重合。

圖1 凸極同步電動機向量圖

式中f為頻率，N1為每相繞組總的串聯(lián)匝數(shù)，kw1為電樞繞組系數(shù)，Φ0為每極的主磁通。由式（1）可見，由于啟動電源切除瞬間勵磁電流和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速（由于機組較大的機械慣性）基本保持不變，基本保持不變，而將滯后δM，幅值也會發(fā)生相應(yīng)變化，最終與幅值保持一致。

結(jié)合圖1，忽略電樞電阻Ra可得

將IqM=Icos（?M+δM）代入式（2）并化簡可得到δM的計算公式：

同時根據(jù)

2.2 機組依靠慣性運行過程中相關(guān)變化過程的分析

在啟動電源完全斷開到并網(wǎng)完成的過程中會有一段延遲時間。在這段時間內(nèi)，機組處于依靠慣性運行的空載運行狀態(tài)，由于沒有原動機提供的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩T1，機組原有的空載轉(zhuǎn)矩平衡T1=T0被打破，只有空載轉(zhuǎn)矩T0仍存在，發(fā)電機將減速運行。該減速運行過程引起的機組頻率下降以及合閘相角差的偏差將對并網(wǎng)過程產(chǎn)生重要的影響，因此必須對該過程中頻率變化規(guī)律f（t）和合閘相角差變化量?θ進行分析和公式推導(dǎo)。

空載轉(zhuǎn)矩T0的表達式為：

其中pFe為定子鐵損，pmec為機械損耗，?s為當(dāng)前系統(tǒng)同步角速度。對于式（6）中各損耗有[8]：

式中，ph為磁滯損耗，pe為渦流損耗。

式（8）、式（9）中，σh、σe均為取決于材料性能的常數(shù)，f為系統(tǒng)的同步頻率，B為磁通密度振幅，G為鐵芯總重量。

式中，p為電機磁極對數(shù)，v為轉(zhuǎn)子圓周速度，lt1為定子鐵芯總長度。對于v有：

式中r為轉(zhuǎn)子半徑。

考慮到?s=2πf，同時將式（7）～式（11）代入

式（6），可得

在當(dāng)前僅有空載轉(zhuǎn)矩情況下，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的角加速度a與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系式為：

其中，J為轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量。根據(jù)角速度ω與角加速度的關(guān)系可得：

本文僅考慮從啟動電源切除至并網(wǎng)合閘完成期間較短時間內(nèi)頻率的變化，所以公式中的磁通密度振幅?可視為常量，故將ω=2πf代入公式（12）后，將僅存在一個與時間相關(guān)的變量f （t），再將式（12）、式（13）代入，并整理得：

不難看出式（15）中含有大量常系數(shù)，為方便后續(xù)運算，將這些系數(shù)進行簡化，令：

對式（16）兩端求導(dǎo)可得微分方程：

取f （0）=f0解該微分方程，可以得到頻率隨時間變化的數(shù)學(xué)模型，即：

為進一步簡化表達形式，現(xiàn)令：

將式（19）、式（20）代入式（18），得：

3 抽水蓄能機組抽水工況下并網(wǎng)參數(shù)計算與整定方法

對于各種工況下的同期并網(wǎng)，理想的并網(wǎng)條件有三個[9]：

（1）抽水蓄能機組的機端電壓幅值UG與電網(wǎng)的電壓幅值UX相等；

（2）抽水蓄能機組的頻率fG與電網(wǎng)頻率fX（50Hz）相等；

（3）并網(wǎng)開關(guān)合閘瞬間，抽水蓄能機組機端電壓的相位與電網(wǎng)電壓的相位相等（相角差δi等于 0）。

結(jié)合抽水工況的運行特點，為實現(xiàn)理想的并網(wǎng)條件，需對以下參數(shù)進行計算整定：

（1）合閘脈沖導(dǎo)前時間TDL；

（2）允許合閘電壓差的高限dUmax和低限dUmin；

（3）允許合閘頻率差的高限dfmax和低限dfmin；

（4）相角差補償量??。

3.1 合閘脈沖導(dǎo)前時間

合閘脈沖導(dǎo)前時間與啟動方式有關(guān)，以SFC啟動和背靠背啟動兩種方式為例，對應(yīng)合閘脈沖導(dǎo)前時間為TDL=t1+t2，其組成如表1和表2所示。

表1 SFC啟動方式下的合閘脈沖導(dǎo)前時間

表2 背靠背啟動方式下的合閘脈沖導(dǎo)前時間

3.2 允許合閘電壓差

允許合閘電壓差的整定可根據(jù)式（5）計算?U。式中其他各項參數(shù)為額定電壓和頻率運行時，對應(yīng)的機端電壓、電流及功率角數(shù)據(jù)。?U可以認(rèn)為是抽水工況與發(fā)電工況兩種情況下同期并網(wǎng)的電壓差整定值的差異，因此對抽水工況下同期并網(wǎng)電壓差上下限值的整定，在發(fā)電機工況下的同期并網(wǎng)電壓差值上下限的基礎(chǔ)上加?U，即可分別得到新的dUmax、dUmin，以此作為抽水工況下同期并網(wǎng)的電壓差上下限值整定值。

3.3 允許頻率差

取初始頻率f0等于額定頻率（50Hz），利用式（21）可計算出f（t2），該值為考慮不同啟動過程后的機組實際頻率值。令?f=f（t2）-f0，為實際頻率值與額定頻率值之間的誤差，對抽水工況下允許頻率的上下限值整定可以在發(fā)電機工況下整定值的基礎(chǔ)上加?f，即可得到新的dfmax、dfmin，則以此作為抽水工況下同期并網(wǎng)的頻率差上下限值整定值。

3.4 合閘相角差

由式（21）可得到頻率變化表達式，設(shè)同期合閘信號開始發(fā)出至啟動電源切除的延時為t1，從啟動電源切除至并網(wǎng)合閘完成的延時為t2，而并網(wǎng)合閘過程的總延時設(shè)為t，則t=t1+t2。

系統(tǒng)頻率視為定值fs，機組初始頻率取f0，合閘過程中相角差的變化量為：

整理得：

上式表明：當(dāng)同期并網(wǎng)的頻率上下限值調(diào)整后，同時考慮較長的合閘脈沖導(dǎo)前時間，會給同期并網(wǎng)的相角差帶來較大影響。為了克服上述影響，可以通過設(shè)置合理的相角差補償參數(shù)?Φ，抵消相角偏差給同期并網(wǎng)帶來的不利影響。

首先求取δM，該電氣量在計算允許合閘電壓差過程中，通過式（3）就可以同時得到，之后利用式（23），計算出?θ?？紤]到?Φ是以電網(wǎng)側(cè)電壓超前機組側(cè)為正，故有：?Φ=δM-?θ。所以如果要考慮機組等待并網(wǎng)過程中頻率變化對相角差的影響，可以先根據(jù)式（23）估算出相角差的變化，然后設(shè)置相應(yīng)的角差補償參數(shù)?Φ來補償相角差的變化。

4 結(jié)論

本文在對抽水蓄能機組抽水工況啟動方式和運行特點分析的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)了抽水工況下機端電壓、機組頻率、系統(tǒng)電壓與機組電壓相角差等同期并網(wǎng)參數(shù)的變化規(guī)律，結(jié)合各種啟動方式下合閘脈沖導(dǎo)前時間的不同，給出了抽水工況下合閘脈沖導(dǎo)前時間、允許電壓差上下限值、允許頻率差上下限值和允許相角差幾個重要同期并網(wǎng)參數(shù)的整定計算方法。該方法為抽水蓄能機組抽水工況下整定合理的同期并網(wǎng)參數(shù)提供了理論依據(jù)，可以改變長期以來憑經(jīng)驗或?qū)嶒灲Y(jié)果設(shè)置同期并網(wǎng)參數(shù)的現(xiàn)狀，對于減小機組抽水工況下同期并網(wǎng)的沖擊電流、延長機組使用壽命和提高系統(tǒng)穩(wěn)定性具有重要意義。

[1] 李紅偉.蓄能電廠實現(xiàn)多工況無沖擊同期并網(wǎng)問題分析及解決方法[J].水電廠自動化，2008，29（2）：69-71.

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[4] 施美霖.多套參數(shù)同期裝置在抽水蓄能電廠同期回路中的應(yīng)用[J].水電廠自動化，2008，29（3）：42-45.

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[7] 王秀和，孫雨萍.電機學(xué).北京：機械工業(yè)出版社，2009.

[8] 戴文進，張景明.電機設(shè)計.北京：清華大學(xué)出版社，2010.

[9] 王葵，孫瑩.電力系統(tǒng)自動化.北京：中國電力出版社，2012.

郝國文（1981—），男，本科，工程師，電氣，主要研究方向：常規(guī)水電廠和抽水蓄能電站電氣二次設(shè)備管理。

李建光（1978—），男，本科，高級工程師，電氣，主要研究方向：常規(guī)水電廠和抽水蓄能電站運檢技術(shù)管理。

張志明（1991—），男，碩士研究生，主要研究方向：電力系統(tǒng)繼電保護。

楊艷平（1982—），男，本科，工程師，電氣，主要研究方向：抽水蓄能電站運檢管理。

Parameters Setting Method for Synchronization of Pumped Storage Power Unites under the Pumping Condition

HAO Guowen1， LI Jianguang1， ZHANG Zhiming2， YANG Yanping3
（1. State Grid Xin Yuan Co.， Ltd.， Beijing 100053，China;2.School Of Electrical Engineering Shan Dong University，Jinan， 250002，China;3. Shan DongTaishan Pumped Storage Power Station Co.， Ltd.， Taian， 270001，China）

This paper presents one kind of parameters setting method for the synchronization of pumped storage power unites under the pumping condition. This method based on the theoretical analysis of the synchronization process of the pumped storage unites.Combined with the synchronization parameters setting principle of generating units， the method is finally obtained through mathematical formula derivation.According to the difference of the closing pulse leading time，the change of voltage and frequency of unites within closing pulse leading time are deduced. Then， the allowable voltage difference， frequency difference and phase-angle difference of synchronization could be figured out. The parameters setting method in this paper provides the theoretical foundation for synchronization parameters setting of pumped storage power unite. This method is significant for decreasing the impact current of synchronization and heightening success ratio of quasi-synchronizing paralleling.

pumped storage; pumping operation mode;quasisynchronizing paralleling; synchronization parameters