郭春平

（國網(wǎng)電力科學研究院/南瑞集團公司，江蘇南京211000）

大型抽水蓄能電機啟動過程的勵磁控制策略

郭春平

（國網(wǎng)電力科學研究院/南瑞集團公司，江蘇南京211000）

對大型抽水蓄能電機啟動過程中勵磁系統(tǒng)的控制進行了深入的理論研究，并將研究成果應用在國內(nèi)某單機容量300MW的抽水蓄能電機上進行了試驗驗證，試驗結(jié)果達到了預期目標，表明研究成果的正確性，具有推廣應用價值。

大型抽水蓄能電機；啟動過程；勵磁系統(tǒng)；控制策略；工程應用

1 引言

自2003年以來，國家電網(wǎng)公司積極采取措施推進抽水蓄能電站設備自主化進程，在“十一五”科技發(fā)展規(guī)劃中，就抽水蓄能電站控制和運行技術(shù)，明確提出“重點開展抽水蓄能電站機組控制系統(tǒng)設備的自主化研究與開發(fā)”。

抽水蓄能機組勵磁系統(tǒng)是為機組提供勵磁電流、維持發(fā)電機組/電動機組機端電壓穩(wěn)定的核心實時自動控制系統(tǒng)，其功能和性能直接關(guān)系到機組可靠穩(wěn)定運行；同時還是抑制電力系統(tǒng)低頻振蕩最有效、最經(jīng)濟的手段；它還是發(fā)電機組/電動機組內(nèi)部故障時重要的保護裝置。與常規(guī)水電站電機相比，抽水蓄能電站電機具有發(fā)電機和電動機兩種運行方式［1］，所以抽水蓄能機組勵磁系統(tǒng)控制策略不同于常規(guī)水電機組。本文基于這一情況針對大型抽水蓄能電站中300MW典型電機在啟動過程中勵磁系統(tǒng)的控制策略進行理論研究，并結(jié)合工程實際應用，進行了試驗驗證。

2 機組啟動過程分析及控制

2.1 靜止變頻啟動過程分析及控制

抽水蓄能機組兼有發(fā)電和電動兩種運行工況，這兩種運行工況下，勵磁系統(tǒng)控制策略有所區(qū)別。在發(fā)電工況下，勵磁系統(tǒng)以常規(guī)控制策略運行，在水泵電動啟動及運行工況下，應采用不同的控制策略，以實現(xiàn)啟動的快速性和平穩(wěn)性，避免產(chǎn)生較大的啟動電流，對電網(wǎng)穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。如圖1所示，為解決此問題在國際上首次提出了機組低于10%額定轉(zhuǎn)速階段勵磁系統(tǒng)采用變增益控制策略，以實現(xiàn)機組SFC啟動方式低轉(zhuǎn)速階段勵磁系統(tǒng)具有高起始特性，保證機組低速啟動的快速性和平穩(wěn)性，提高機組啟動成功率。

圖1 機組SFC啟動方式機組低于10%額定轉(zhuǎn)速勵磁系統(tǒng)變增益控制

該控制策略的具體實施，可采用如下操作。勵磁系統(tǒng)在SFC啟動初始階段，勵磁電流閉環(huán)控制采用專用的PID參數(shù)，使機端電壓平穩(wěn)上升，待轉(zhuǎn)速上升至10%額定轉(zhuǎn)速時，SFC進入自然換相階段，此時勵磁系統(tǒng)勵磁電流閉環(huán)控制PID參數(shù)切換至正常值，機組加速運行，到同期并網(wǎng)控制階段，直至機組并網(wǎng)，控制流程如圖2所示。

圖2 機組SFC啟動方式勵磁控制策略流程

2.2 背靠背啟動過程分析及控制

如圖3所示，抽水蓄能機組背靠背啟動的啟動過程可分為兩個階段［4、5］，即啟動同步階段和同步加速階段。

圖3 背靠背啟動示意圖

在磁路飽和影響的情況下，對機組背靠背啟動工況下發(fā)電機和電動機基本電磁關(guān)系進行綜合分析研究，得到了如圖4所示的發(fā)電機、電動機之間電壓、電流和機械方程之間的相互關(guān)系，建立背靠背啟動發(fā)電機和電動機聯(lián)立狀態(tài)方程組，方程如式（1）所示。

圖4 發(fā)電機、電動機之間電壓、電流和機械方程的相互關(guān)系

式（1）中：

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

應用Matlab軟件進行仿真，對兩機組勵磁電流取值大小對電動機啟動的影響進行研究，研究結(jié)果如表1所示。

3 工程應用

在國內(nèi)某裝機容量為4×300MW的抽水蓄能電站，分別進行了靜止變頻啟動和背靠背啟動試驗驗證。

3.1 靜止變頻啟動試驗

試驗波形如圖5所示。

圖5 機組SFC啟動方式低速階段（10%額定轉(zhuǎn)速以下）電氣量波形

表1 勵磁電流取值對機組啟動的影響

從圖5可以得出，機組SFC啟動方式低轉(zhuǎn)速階段勵磁電流閉環(huán)控制采用專用PID參數(shù)，保證了機組低速啟動的快速性，提高了電動方向的啟動成功率，證明了機組SFC啟動方式低速階段變增益控制思想的正確性。

3.2 背靠背啟動試驗

機組背靠背啟動進行了現(xiàn)場試驗驗證，試驗從開始至并網(wǎng)，各階段波形如圖6-圖11所示。

圖6 背靠背啟動開始時電動機側(cè)波形

圖7 背靠背啟動期間電動機側(cè)波形

圖8 背靠背啟動電動機側(cè)并網(wǎng)波形

圖9 背靠背啟動開始時發(fā)電機側(cè)波形

圖10 背靠背啟動期間發(fā)電機側(cè)波形

圖11 背靠背啟動電動機并網(wǎng)發(fā)電機側(cè)波形

4 結(jié)束語

針對抽水蓄能機組勵磁系統(tǒng)不同與常規(guī)水電

機組的特點，對抽水蓄能機組SFC啟動變增益控制和背靠背啟動過程進行研究，并將研究成果在國內(nèi)某300MW抽水蓄能機組上進行了試驗驗證，試驗結(jié)果達到預期目標，表明研究成果的正確性，具有推廣應用價值。

［1］郭春平，許其品.抽水蓄能電站勵磁和SFC設備國產(chǎn)化發(fā)展概述［J］.水電廠自動化，2013，34（3），60-61.

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［3］田立軍，陸于平等.抽水蓄能電動發(fā)電機啟動過程數(shù)字仿真［J］.電力系統(tǒng)自動化，1997，21（7）：38-41.

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［5］王自濤，戈寶軍等.蓄能電機背靠背啟動過程的計算機仿真［C］.抽水哈爾濱理工大學學報，1999，4（3）：41-45.

［6］高金玲，文 俊.抽水蓄能電站背靠背啟動過程的數(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，主要研究方向為交流電機暫態(tài)分析及控制。

2016-02-29