余 振，葛東平，黃 志

（國(guó)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(jī)組既能在電網(wǎng)負(fù)荷高峰時(shí)作為發(fā)電機(jī)發(fā)電，也能在負(fù)荷低谷時(shí)作為電動(dòng)機(jī)抽水蓄能，具備調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相、事故備用等多種用途，具有啟動(dòng)快、反應(yīng)靈敏、負(fù)荷跟蹤迅速的特點(diǎn)，同時(shí)對(duì)勵(lì)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(yīng)用最多的是可逆式電動(dòng)發(fā)電機(jī)，區(qū)別于一般的水電機(jī)組，抽水蓄能機(jī)組除了正常的啟動(dòng)模式之外，工作在電動(dòng)抽水工況時(shí)需要專門的啟動(dòng)措施，由發(fā)電工況向抽水工況轉(zhuǎn)換時(shí)有換相要求，停機(jī)時(shí)需要電制動(dòng)[2]。

機(jī)組在進(jìn)入電動(dòng)機(jī)工況時(shí)可以采用多種啟動(dòng)模式：同軸電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、全電壓異步啟動(dòng)、半電壓異步啟動(dòng)、背靠背啟動(dòng)（同步啟動(dòng)）、半同步啟動(dòng)和變頻啟動(dòng)?？紤]到抽水蓄能機(jī)組啟動(dòng)對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性的影響、前期投資成本、后期維護(hù)成本等諸多因素，目前國(guó)內(nèi)外運(yùn)行的機(jī)組一般以SFC變頻器啟動(dòng)作為主要啟動(dòng)模式，以背靠背啟動(dòng)作為備用方式[3，4]。

1 SFC變頻器啟動(dòng)

變頻啟動(dòng)是利用晶閘管變頻器產(chǎn)生頻率可變的交流電源對(duì)電動(dòng)發(fā)電機(jī)進(jìn)行啟動(dòng)，是抽水蓄能電機(jī)啟動(dòng)的一種新方法，在國(guó)內(nèi)外抽水蓄能機(jī)組得到了廣泛的應(yīng)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(zhuǎn)子位置檢測(cè)裝置輸出轉(zhuǎn)速及位置信號(hào)，由變頻器控制調(diào)整晶閘管的導(dǎo)通角，以此來(lái)進(jìn)行轉(zhuǎn)速和整流控制。變頻啟動(dòng)方式的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備靜止、運(yùn)行維護(hù)方便、啟動(dòng)容量大、啟動(dòng)速度快、工作可靠性高，對(duì)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(dòng)時(shí)同期斷路器斷開，SFC斷路器1、SFC斷路器2閉合。抽水蓄能機(jī)組在變頻器的作用下加速旋轉(zhuǎn)，當(dāng)轉(zhuǎn)速接近額定值時(shí)投入同期斷路器。通過控制變頻器同期裝置滿足并網(wǎng)條件后，同期斷路器閉合的同時(shí)閉鎖SFC變頻器（SFC整流橋和逆變橋同時(shí)閉鎖脈沖），SFC斷路器1、SFC斷路器2斷開，機(jī)組并網(wǎng)進(jìn)入電動(dòng)狀態(tài)。

圖1 抽水蓄能機(jī)組靜止變頻器啟動(dòng)一次接線圖

勵(lì)磁系統(tǒng)收到“靜止變頻器啟動(dòng)模式令”之后，控制方式切換為電流閉環(huán)，勵(lì)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(gè)電流信號(hào)給勵(lì)磁調(diào)節(jié)器來(lái)作為電流給定值，來(lái)控制勵(lì)磁電流的大小，使機(jī)端電壓平穩(wěn)上升，勵(lì)磁設(shè)備輸出轉(zhuǎn)子電壓、轉(zhuǎn)子電流信號(hào)反饋給變頻設(shè)備。并網(wǎng)運(yùn)行后，自動(dòng)切換為電壓閉環(huán)控制模式，也可以根據(jù)需要選擇其他閉環(huán)控制方式。

對(duì)于勵(lì)磁設(shè)備來(lái)說，只是開環(huán)接受變頻器的一個(gè)控制信號(hào)，因此在控制流程上沒有特殊的要求，然而在SFC啟動(dòng)初始階段，感應(yīng)磁通的大小是勵(lì)磁電流的變化率決定的，因此要求勵(lì)磁設(shè)備對(duì)勵(lì)磁電流的響應(yīng)速度要快，否則可能造成變頻啟動(dòng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的情況。為此，靜止變頻器工況啟動(dòng)需設(shè)計(jì)獨(dú)立的變?cè)鲆鍼ID控制模型，如圖2所示，該P(yáng)ID參數(shù)只在機(jī)組變頻器啟動(dòng)時(shí)起作用，有利于靜止變頻器檢測(cè)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置，當(dāng)發(fā)電機(jī)并網(wǎng)之后，勵(lì)磁系統(tǒng)控制模型自動(dòng)切換到電壓閉環(huán)控制模式，也可以根據(jù)需要選擇其他閉環(huán)控制方式。這樣既保證機(jī)組靜止變頻器一次啟動(dòng)成功的可靠性，又不影響機(jī)組在其他工況下運(yùn)行的穩(wěn)定性。此外，SFC拖動(dòng)將要到達(dá)額定轉(zhuǎn)速時(shí)，由于給定勵(lì)磁電流有提前量，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到額定時(shí)，SFC才對(duì)勵(lì)磁電流給定進(jìn)行調(diào)整，所以為防止機(jī)端電壓過高引起發(fā)電機(jī)過壓或變壓器過激磁，勵(lì)磁系統(tǒng)需要對(duì)SFC給定電流最大值進(jìn)行限制，一般設(shè)置為空載額定勵(lì)磁電流值的1.1～1.2倍。

圖2 抽水蓄能機(jī)組靜止變頻器啟動(dòng)控制方框圖

在抽水蓄能機(jī)組上進(jìn)行SFC變頻器啟動(dòng)試驗(yàn)，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器進(jìn)入電流閉環(huán)模式，常規(guī)自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，為防止勵(lì)磁調(diào)節(jié)超調(diào)量過大和振蕩次數(shù)過多，電流閉環(huán)PID參數(shù)通常相對(duì)較小。但是在SFC啟動(dòng)時(shí)，比例和積分值偏小會(huì)導(dǎo)致勵(lì)磁電流階躍時(shí)，上升速度太慢，SFC采樣發(fā)電機(jī)感應(yīng)磁通較弱，影響轉(zhuǎn)子角度的測(cè)量，因此需要加大比例和積分值，實(shí)際經(jīng)過多組參數(shù)測(cè)試后確定比例、積分和微分值放大為電流閉環(huán)PID參數(shù)的2倍以上，在此參數(shù)下由于發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電壓已經(jīng)達(dá)到了頂值電壓，再放大PID參數(shù)對(duì)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流響應(yīng)速度已經(jīng)不再產(chǎn)生實(shí)際作用，因此使用該組參數(shù)作為SFC啟動(dòng)PID控制參數(shù)值。使用該組勵(lì)磁模型及參數(shù)后，現(xiàn)場(chǎng)SFC啟動(dòng)成功率達(dá)到100%。

如圖3所示，整個(gè)拖動(dòng)過程發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓平穩(wěn)上升，經(jīng)過約1min后，機(jī)端電壓順利達(dá)到90%以上，由同期裝置經(jīng)過增減磁控制后發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)入并網(wǎng)運(yùn)行。

圖3 SFC啟動(dòng)波形

2 背靠背發(fā)電、電動(dòng)啟動(dòng)工況控制

背靠背啟動(dòng)是用一臺(tái)蓄能機(jī)組做發(fā)電機(jī)運(yùn)行來(lái)同步啟動(dòng)其他蓄能機(jī)組進(jìn)入電動(dòng)機(jī)工況的啟動(dòng)模式。這種啟動(dòng)方式的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)電網(wǎng)沒有什么沖擊，但啟動(dòng)過程的調(diào)整和操作比較復(fù)雜，需要設(shè)置專用的啟動(dòng)母線，而且電站最后一臺(tái)機(jī)組不能用此方法啟動(dòng)，還需配置其他方式的啟動(dòng)設(shè)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(dòng)的備用，當(dāng)SFC無(wú)法正常啟動(dòng)時(shí)采用該種工況[6]。

背靠背啟動(dòng)時(shí)，啟動(dòng)機(jī)組運(yùn)行在背靠背發(fā)電工況，被啟動(dòng)機(jī)組運(yùn)行在背靠背電動(dòng)工況。兩種工況均采用恒勵(lì)磁電流調(diào)節(jié)模式。當(dāng)機(jī)組還處于停止?fàn)顟B(tài)時(shí)，預(yù)先給抽水蓄能機(jī)組投入勵(lì)磁。其中背靠背發(fā)電工況的機(jī)組勵(lì)磁電流給定值配置為發(fā)電工況空載額定值；背靠背電動(dòng)工況的機(jī)組勵(lì)磁電流給定值需進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)整定。當(dāng)兩種機(jī)組加速到額定轉(zhuǎn)速時(shí)，通過調(diào)節(jié)背靠背發(fā)電工況的機(jī)組同期設(shè)備來(lái)控制背靠背電動(dòng)工況的機(jī)組同期并網(wǎng)。并網(wǎng)之后，運(yùn)行于背靠背發(fā)電工況的機(jī)組勵(lì)磁設(shè)備退出運(yùn)行[7]。

背靠背啟動(dòng)模式的一次接線如圖4所示。兩臺(tái)機(jī)組的定子通過拖動(dòng)機(jī)組的負(fù)荷斷路器及拖動(dòng)隔離開關(guān)用電纜短接起來(lái)（兩臺(tái)機(jī)組定子的機(jī)端相序要保證不一致，以確保發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向不一致），并分別投入各自的勵(lì)磁系統(tǒng)。逐漸開啟水輪機(jī)的導(dǎo)葉，讓發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速逐步升高，轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)的發(fā)電機(jī)將產(chǎn)生的低頻電源加到電動(dòng)機(jī)的定子上，并產(chǎn)生啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，電動(dòng)機(jī)在同步轉(zhuǎn)矩作用下跟隨發(fā)電機(jī)逐步升速。當(dāng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速到達(dá)額定值后，斷開發(fā)電機(jī)的負(fù)荷斷路器，閉合電動(dòng)機(jī)的負(fù)荷斷路器。勵(lì)磁系統(tǒng)從監(jiān)控系統(tǒng)得知機(jī)組所處的狀態(tài)后閉鎖發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)，抽水蓄能機(jī)組進(jìn)入電動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)，之后自動(dòng)轉(zhuǎn)換為機(jī)端電壓或者其他需求的勵(lì)磁控制方式。

背靠背拖動(dòng)作為SFC拖動(dòng)的備用方式，由于背靠背拖動(dòng)有一定失敗可能，如果兩臺(tái)機(jī)組轉(zhuǎn)子的初始位置不太理想，容易造成在拖動(dòng)開始時(shí)，拖動(dòng)機(jī)無(wú)法拖動(dòng)被拖動(dòng)機(jī)，導(dǎo)致定子電流過大，保護(hù)低頻過流動(dòng)作，拖動(dòng)失敗。因此，拖動(dòng)機(jī)組（發(fā)電機(jī)）和被拖動(dòng)機(jī)組（電動(dòng)機(jī)）勵(lì)磁電流選擇十分重要，勵(lì)磁電流給定一般設(shè)定為空載勵(lì)磁電流，實(shí)際試驗(yàn)中是將拖動(dòng)機(jī)組和被拖動(dòng)機(jī)組勵(lì)磁電流給定設(shè)定為1和0.9，即拖動(dòng)機(jī)勵(lì)磁電流給定為空載額定勵(lì)磁電流，被拖動(dòng)機(jī)組勵(lì)磁電流為0.9倍空載勵(lì)磁電流。按這樣設(shè)定后，拖動(dòng)成功率有所提高。

圖4 背靠背啟動(dòng)拓?fù)鋱D

如圖5和圖6所示，整個(gè)拖動(dòng)過程機(jī)端電壓保持穩(wěn)定的速度上升，并且與電壓目標(biāo)值相比無(wú)超調(diào)，對(duì)發(fā)電機(jī)沖擊較小，大約1min后被拖動(dòng)機(jī)組和拖動(dòng)機(jī)組電壓達(dá)到95%額定電壓以上，由同期裝置經(jīng)過增減磁控制后發(fā)電機(jī)順利轉(zhuǎn)入并網(wǎng)運(yùn)行。

圖5 拖動(dòng)機(jī)組拖動(dòng)開始波形

圖6 被拖動(dòng)機(jī)組被拖動(dòng)完成轉(zhuǎn)并網(wǎng)波形

3 電制動(dòng)工況控制

抽水蓄能機(jī)組在電網(wǎng)中承擔(dān)著調(diào)頻、調(diào)峰、事故備用的作用，開停機(jī)非常頻繁，由于機(jī)組單機(jī)容量越來(lái)越大，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量也很大，使用傳統(tǒng)的機(jī)械制動(dòng)單一制動(dòng)方式就遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代運(yùn)行控制方式的需要，因此大型抽水蓄能機(jī)組在與電網(wǎng)解列后的停機(jī)過程中均需要進(jìn)行電制動(dòng)，其最大的優(yōu)點(diǎn)是制動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，可以有效地縮短機(jī)組減速的時(shí)間，滿足工況迅速轉(zhuǎn)換的要求。

圖7 抽水蓄能機(jī)組電制動(dòng)一次接線圖

抽水蓄能機(jī)組一次接線如圖7所示，具有兩種接線方式。左圖中，勵(lì)磁變壓器連接在主變壓器低壓側(cè)，機(jī)組停機(jī)時(shí)變壓器依舊帶電。當(dāng)需要投電制動(dòng)時(shí)，只需要合上短路斷路器的同時(shí)投入勵(lì)磁設(shè)備，利用勵(lì)磁晶閘管整流元件提供制動(dòng)所需要的勵(lì)磁電流。當(dāng)一次接線按照右圖連接時(shí)，由于勵(lì)磁變壓器連接在機(jī)端側(cè)，機(jī)組停機(jī)后勵(lì)磁變壓器沒有電源無(wú)法供電，所以需要增加單獨(dú)的制動(dòng)設(shè)備，包括制動(dòng)變壓器和晶閘管整流元件，制動(dòng)所用勵(lì)磁電源取自廠用電。

當(dāng)前，抽水蓄能勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)，一般為勵(lì)磁變壓器接在電網(wǎng)側(cè)，即機(jī)組停機(jī)時(shí)，勵(lì)磁變壓器同樣帶電，所以在電制動(dòng)時(shí)，可以直接使用勵(lì)磁變壓器的電源進(jìn)行電制動(dòng)，不需另外提供制動(dòng)電源，簡(jiǎn)化了電氣線路。

在發(fā)電機(jī)組解列后，執(zhí)行停機(jī)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(lì)磁繞組中輸入恒定的電流，以使定子繞組中產(chǎn)生短路電流，該電流在定子繞組中產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，使機(jī)組減速制動(dòng)到停機(jī)。在電制動(dòng)時(shí)，為保證短路定子電流恒定，勵(lì)磁調(diào)節(jié)采用恒勵(lì)磁電流調(diào)節(jié)方式，不隨機(jī)組轉(zhuǎn)速下降而變化。由于ME=PE/w=3I2R/2πf，而f=nP/60，因此電磁轉(zhuǎn)矩與定子短路電流的平方成正比，與機(jī)組轉(zhuǎn)速成反比。由此可見，增大定子短路電流對(duì)縮短停機(jī)時(shí)間十分有效，停機(jī)過程中的關(guān)鍵在于低轉(zhuǎn)速區(qū)中機(jī)組轉(zhuǎn)速下降陡度，只要電制動(dòng)電流等于甚至大于定子的額定電流，電制動(dòng)在低速區(qū)就能夠獲得滿意的轉(zhuǎn)速下降率，實(shí)現(xiàn)機(jī)組快速停機(jī)[8]。

電制動(dòng)的控制流程為：當(dāng)監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出機(jī)組停機(jī)指令后，檢測(cè)到發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速低于50%額定轉(zhuǎn)速，且導(dǎo)葉處于關(guān)閉位置，向勵(lì)磁系統(tǒng)發(fā)出電制動(dòng)啟動(dòng)令，勵(lì)磁系統(tǒng)收到監(jiān)控系統(tǒng)電制動(dòng)啟動(dòng)令后，檢測(cè)是否有勵(lì)磁系統(tǒng)停機(jī)令，機(jī)端電壓低于5%額定電壓，如條件滿足則勵(lì)磁系統(tǒng)合上電制動(dòng)短路斷路器、交流側(cè)斷路器以及滅磁斷路器，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器進(jìn)入電制動(dòng)模式。

電制動(dòng)時(shí)，定子電流一般控制在1～1.2倍額定定子電流，電制動(dòng)勵(lì)磁電流一般為發(fā)電機(jī)短路試驗(yàn)時(shí)的額定定子電流的勵(lì)磁電流。由于電制動(dòng)時(shí)機(jī)端處于短路狀態(tài)，在投入勵(lì)磁電流時(shí)要使機(jī)端短路電流盡量緩慢上升，避免對(duì)發(fā)電機(jī)造成沖擊，所以電制動(dòng)勵(lì)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(yàn)調(diào)整PID參數(shù)，使勵(lì)磁電流投入時(shí)能夠緩慢上升。

現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行電制動(dòng)試驗(yàn)，機(jī)組停機(jī)過程中當(dāng)電制動(dòng)啟動(dòng)時(shí)如圖8所示，整個(gè)過程轉(zhuǎn)子電流上升平滑，充分體現(xiàn)了柔性制動(dòng)的特點(diǎn)。

如圖9所示，當(dāng)轉(zhuǎn)速降到1%額定轉(zhuǎn)速，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器逆變，待定子電流和轉(zhuǎn)子電流降為零后，分?jǐn)鄿绱艛嗦菲?、短路斷路器及交流?cè)斷路器，電制動(dòng)程序結(jié)束。使用電制動(dòng)停機(jī)后，有效地縮短了機(jī)組減速的時(shí)間，滿足了機(jī)組運(yùn)行工況迅速切換的要求。

圖8 電制動(dòng)啟動(dòng)時(shí)波形

圖9 電制動(dòng)停機(jī)時(shí)波形

需要注意的是：當(dāng)電制動(dòng)啟動(dòng)時(shí)，由于發(fā)電機(jī)組電氣量的變化可能造成機(jī)組保護(hù)誤動(dòng)，因此在電制動(dòng)投入時(shí)需要閉鎖相關(guān)的保護(hù)，如負(fù)序電流保護(hù)、低頻過電流保護(hù)等，電制動(dòng)退出后再解除閉鎖。此外，對(duì)電制動(dòng)過程要考慮系統(tǒng)的安全可靠性，要設(shè)計(jì)相應(yīng)的軟硬件閉鎖、冗余和容錯(cuò)，例如電制動(dòng)程序執(zhí)行應(yīng)該有一定的時(shí)間，超時(shí)則勵(lì)磁系統(tǒng)也要發(fā)出超時(shí)跳閘的信號(hào)并自動(dòng)退出電制動(dòng)程序。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)抽水蓄能機(jī)組區(qū)別于常規(guī)發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)和停機(jī)的不同方式，設(shè)計(jì)了勵(lì)磁系統(tǒng)在SFC啟動(dòng)、背靠背啟動(dòng)、電制動(dòng)停機(jī)工況下相應(yīng)的控制模型和參數(shù)，并在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了多次試驗(yàn)，機(jī)組啟動(dòng)和停機(jī)的成功率達(dá)到了100%。通過現(xiàn)場(chǎng)機(jī)組的成功試驗(yàn)和應(yīng)用，證明了該勵(lì)磁模型和參數(shù)的有效性，能夠提高抽水蓄能機(jī)組啟動(dòng)和停機(jī)的成功率，為抽水蓄能電站提供有力的支撐。

[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（3）:60-61.

[2] 李基成.現(xiàn)代同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用（第二版）[M].北京：中國(guó)電力出版社，2009.

[3] 赫衛(wèi)國(guó)，華光輝，李臻，周峰. 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（03）:25-29.

[4] 黃暉，陸繼明. 抽水蓄能機(jī)組微機(jī)勵(lì)磁控制器的研制[J].大電機(jī)技術(shù).2004（5）:65-67.

[5] 吳賢忠，萬(wàn)靜英，靜止變頻裝置在大型抽水蓄能機(jī)組中的應(yīng)用[J]. 水電廠自動(dòng)化與大壩監(jiān)測(cè).2012（6）:23-26.

[6] 王干軍，趙兵.抽水蓄能機(jī)組背靠背啟動(dòng)過程中機(jī)組勵(lì)磁配合[J].電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào).2013（2）：143-147.

[7] 呂宏水，馮勇，朱曉東，曾繼倫，邵宜祥.抽水蓄能機(jī)組背靠背啟動(dòng)的研究[J]. 水電廠自動(dòng)化. 2006（04）:182-189.

[8] 陳遺志，劉國(guó)華，仲旻，呂宏水.水電機(jī)組電氣制動(dòng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J]. 水電廠自動(dòng)化.2007（11）：167-170.