趙 博，秦 俊，高 翔

(1. 國網(wǎng)新源控股有限公司技術(shù)中心，北京 100161；2. 國家電網(wǎng)公司抽水蓄能技術(shù)實驗室，北京 100161)

0 引 言

隨著智能電網(wǎng)中風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電等間歇性可再生能源發(fā)電系統(tǒng)的大規(guī)模接入，電網(wǎng)對系統(tǒng)的穩(wěn)定性運行，尤其是晝夜頻率控制提出了更高的要求。抽水蓄能電站在電網(wǎng)中調(diào)峰調(diào)頻的作用日益增大[1,2]。然而，目前國內(nèi)主要使用的定轉(zhuǎn)速抽水蓄能機組在水泵工況運行時，輸入功率不可調(diào)節(jié)，無法配合電網(wǎng)快速有效地進行頻率調(diào)節(jié)。相較于定轉(zhuǎn)速抽蓄機組，轉(zhuǎn)子側(cè)采用交流勵磁形式的變速抽蓄機組，在水泵工況下亦可通過調(diào)節(jié)機組的轉(zhuǎn)速，在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)機組的輸入功率，參與電網(wǎng)頻率的自動控制[3,4]。

可變速機組可分為定子變頻機組、轉(zhuǎn)子交流勵磁式變速機組以及轉(zhuǎn)子變極機組等多種形式，本文所提及的變速機組專指轉(zhuǎn)子交流勵磁式可變速機組。目前，日本及歐洲等國已有可變速機組投入商業(yè)運行。我國豐寧二期等在建抽水蓄能電站將成為國內(nèi)首批安裝轉(zhuǎn)子勵磁式可變速機組的電站。合理的監(jiān)控流程可以增加機組的啟動成功率，而監(jiān)控流程中的錯誤將直接導(dǎo)致機組事故停機，啟動失敗。由于國內(nèi)尚未有可變速機組并網(wǎng)運營，國內(nèi)關(guān)于可變速機組調(diào)試及啟動流程的文章尚處空白。

變速機組轉(zhuǎn)子側(cè)采用與定子繞組相似的三相交流分布繞組結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子繞組通過變頻器與電網(wǎng)相連，可以實現(xiàn)能量從電網(wǎng)的吸收與回饋。通過控制轉(zhuǎn)子電流的頻率，可以在一定范圍內(nèi)改變機組的轉(zhuǎn)速。由于機組結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)定速機組有著較大的區(qū)別，變速機組的啟動方式，尤其是水泵工況下的啟動方式與定速機組存在差異。因此，需要針對變速機組設(shè)計相應(yīng)的水泵方向啟動監(jiān)控流程，以使機組能夠安全可靠的啟動。

變速機組可以采用靜止變頻器(static frequency converter，縮寫SFC)啟動或背靠背啟動的傳統(tǒng)水泵方向啟動方式，也可采用自啟動這一特有的啟動方式。SFC和背靠背啟動的監(jiān)控流程與傳統(tǒng)定速機組基本一致，只是由于可變速機組將同期檢測并網(wǎng)的功能附加到了轉(zhuǎn)子勵磁控制系統(tǒng)中，同期并網(wǎng)環(huán)節(jié)的監(jiān)控流程需進行修改。而可變速機組在水泵工況下自啟動的監(jiān)控流程與定速機組啟動存在較大差異，需要根據(jù)自啟動的方式對監(jiān)控流程進行重新設(shè)計。

1 水泵方向同期并網(wǎng)過程分析

1.1 定速機組同期并網(wǎng)過程分析

定速機組SFC啟動過程中，當(dāng)轉(zhuǎn)速達到預(yù)設(shè)的同期裝置啟動轉(zhuǎn)速后，同期裝置啟動，其根據(jù)機組端電壓與電網(wǎng)側(cè)電壓的差值，同時給SFC和勵磁發(fā)送信號，調(diào)節(jié)機組轉(zhuǎn)速及端電壓。同期并網(wǎng)時，機組端電壓與電網(wǎng)側(cè)電壓的頻率、幅值和相角必須限制在規(guī)定的范圍內(nèi)，以減小機組并網(wǎng)時對電網(wǎng)的沖擊。機組端部的相電壓可由公式(1)求得。

E0=4.44N1kw1fφ0

(1)

式中：N1為一相繞組串聯(lián)匝數(shù)；kw1為繞組系數(shù)；f為頻率；φ為每極主磁通量。

端電壓的幅值與每極磁(調(diào)整行間距)通量和轉(zhuǎn)子頻率成正比。SFC啟動過程中，每極磁通量由勵磁系統(tǒng)控制，轉(zhuǎn)子頻率由SFC控制。同時，端電壓的頻率由SFC控制，而相角亦有SFC控制。當(dāng)機組頻率與電網(wǎng)頻率完全相同時，相角差將保持不變。當(dāng)機組的相位落后電網(wǎng)相位時，通過SFC增大拖動力矩使機組頻率高于電網(wǎng)頻率，從而縮小相位差，待機組電壓相位接近電網(wǎng)電壓相位時，減小機組頻率，使機組頻率略高電網(wǎng)頻率，以延長兩者相角差滿足規(guī)定要求的時間，增加同期并網(wǎng)成功率。因此，同期過程開始后，同期裝置需要同時控制SFC和勵磁系統(tǒng)，以使機端電壓與電網(wǎng)側(cè)電壓的幅值、相位和頻率滿足同期要求。

背靠背啟動過程中，拖動機與被拖動機同步加速到同期裝置啟動預(yù)設(shè)值后，同期裝置啟動。同期裝置通過控制拖動機的導(dǎo)葉開度，調(diào)節(jié)拖動機和被拖動機的轉(zhuǎn)速，進而調(diào)節(jié)被拖動機機端與電網(wǎng)側(cè)的電壓相角差。通過調(diào)節(jié)被拖動機的勵磁電流和轉(zhuǎn)速控制被拖動機機端與電網(wǎng)側(cè)的電壓幅值差。因此，背靠背啟動同期過程開始后，同期裝置需要同時控制被拖動機的勵磁系統(tǒng)和拖動機的調(diào)速器系統(tǒng)，以滿足同期并網(wǎng)要求。

根據(jù)以上分析，定速機組必須調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子的實際轉(zhuǎn)速來滿足并網(wǎng)時對電壓相角差和頻率差的要求。其根本原因在于定速機組轉(zhuǎn)子勵磁電流產(chǎn)生的磁場與轉(zhuǎn)子在空間上相對靜止，只有改變轉(zhuǎn)子的物理轉(zhuǎn)速，才能改變轉(zhuǎn)子勵磁系統(tǒng)產(chǎn)生的磁場相對于定子繞組的切割速度，從而改變感應(yīng)出的定子端電壓。

1.2 變速機組同期并網(wǎng)過程分析

可變速機組在國外抽蓄中廣泛應(yīng)用的結(jié)構(gòu)是轉(zhuǎn)子側(cè)采用分布繞組的結(jié)構(gòu)形式，通過控制轉(zhuǎn)子交流勵磁系統(tǒng)的頻率，在一定范圍內(nèi)改變機組的轉(zhuǎn)速[3]。可變速機組的系統(tǒng)原理圖如圖1所示。受到轉(zhuǎn)子散熱能力，變頻器容量及經(jīng)濟性等條件的制約，這種形式的可變速機組轉(zhuǎn)速變化范圍一般在±10%以內(nèi)[5]。

圖1 可變速機組系統(tǒng)原理圖

轉(zhuǎn)子交流勵磁式變速機組的轉(zhuǎn)子勵磁系統(tǒng)可以產(chǎn)生一定頻率范圍內(nèi)的交流電流，也可產(chǎn)生直流電流。因此，轉(zhuǎn)子勵磁電流產(chǎn)生的空間磁場相對于轉(zhuǎn)子的位置和頻率是主動可控可調(diào)節(jié)的。由于轉(zhuǎn)子磁場波峰波谷的位置以及相對定子的頻率都由轉(zhuǎn)子電流瞬時控制，因而，其在定子中感應(yīng)出的端電壓的幅值、頻率和相角也可由轉(zhuǎn)子勵磁系統(tǒng)實時控制。有了這一優(yōu)勢，在變速機組水泵方向啟動過程中，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速達到可變速范圍內(nèi)之后，轉(zhuǎn)子勵磁系統(tǒng)可以根據(jù)此刻電網(wǎng)側(cè)電壓的幅值、相角和頻率，迅速調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子三相勵磁電流的幅值和頻率，使其產(chǎn)生適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)子磁場，在定子中瞬時感應(yīng)出滿足同期并網(wǎng)條件的端電壓。機端與電網(wǎng)側(cè)電壓幅值差、頻率差和相角差滿足同期規(guī)定后，機組即可并網(wǎng)。

變速機組同期并網(wǎng)的過程中，無需同期裝置對轉(zhuǎn)動慣量較大的轉(zhuǎn)子進行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，大大縮短了同期時間，進而縮短了機組的啟動總時間，增強了電網(wǎng)應(yīng)對突發(fā)情況的能力。

2 SFC啟動和背靠背啟動監(jiān)控流程的修改

SFC啟動和背靠背啟動是常規(guī)定轉(zhuǎn)速機組水泵工況啟動的兩種常用方式?？勺兯贆C組也可以采用這兩種方式進行水泵工況啟動。在抽蓄電站有定轉(zhuǎn)速機組以及SFC的情況下，采用SFC和背靠背方式啟動可以減小可變速機組轉(zhuǎn)子變頻器的容量，從而增加變速機組的經(jīng)濟性。由于變速機組并網(wǎng)時無需轉(zhuǎn)子達到額定轉(zhuǎn)速，只需轉(zhuǎn)子在可變轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，通過調(diào)節(jié)勵磁電流頻率，即可滿足同期并網(wǎng)條件。因此，通常不另設(shè)同期裝置，將同期功能整合到轉(zhuǎn)子變頻器的控制系統(tǒng)中。變速機組達到同期條件前的監(jiān)控流程與常規(guī)機組基本相同，達到同期條件后，監(jiān)控流程進行適當(dāng)?shù)男薷摹?/p>

可變速機組監(jiān)控系統(tǒng)的原理框圖如圖2所示。以電站共有4臺機組為例，現(xiàn)地控制單元1～4分別控制1～4號機組，而SFC系統(tǒng)由于廠房布置時離機組一般較遠，需要單獨由現(xiàn)地控制單元5控制。現(xiàn)地控制單元之間通過交換機通信。交流勵磁控制系統(tǒng)與調(diào)速器控制系統(tǒng)等分系統(tǒng)之間均可通過現(xiàn)地控制單元進行數(shù)據(jù)交換。一套SFC設(shè)備和兩臺可變速機組的主接線原理圖如圖3所示。

以1號機SFC啟動為例，啟動過程需要現(xiàn)地控制單元1和現(xiàn)地控制單元5協(xié)同配合。假設(shè)可變速機組的調(diào)速范圍為±10%，SFC啟動的監(jiān)控流程簡圖如圖4所示。在抽水工況刀閘合閘，被拖動刀閘合閘，充氣壓水完成以及設(shè)置保護到抽水調(diào)相模式等前期流程完成后，設(shè)置勵磁系統(tǒng)為SFC啟動態(tài)直流模式。此時，轉(zhuǎn)子側(cè)勵磁系統(tǒng)輸出的電流為直流，其形成的轉(zhuǎn)子磁場相對轉(zhuǎn)子靜止，這與常規(guī)機組SFC啟動時類似。監(jiān)控確認勵磁系統(tǒng)投入后，啟動SFC，機組開始升速，當(dāng)機組轉(zhuǎn)速達到額定轉(zhuǎn)速時，監(jiān)控給SFC輸出開關(guān)分閘令，停止SFC對機組的拖動，確認SFC輸出分閘后，監(jiān)控給勵磁系統(tǒng)勵磁模式轉(zhuǎn)換令，勵磁系統(tǒng)由直流勵磁模式切換到交流勵磁模式，同時啟動勵磁系統(tǒng)的同期功能，勵磁系統(tǒng)通過判斷機端與網(wǎng)側(cè)的電壓幅值、頻率和相角差，滿足同期條件后，合發(fā)電機出口斷路器(GCB)并網(wǎng)。

圖2 可變速機組監(jiān)控原理框圖

圖3 SFC和背靠背啟動主接線原理圖

圖4 可變速機組SFC啟動流程簡圖

背靠背啟動的監(jiān)控流程相對復(fù)雜，拖動機與被拖動機有各自執(zhí)行的流程。以1號機與2號機背靠背啟動為例，需要現(xiàn)地控制單元1和現(xiàn)地控制單元2協(xié)同配合，完成背靠背啟動。其主要的監(jiān)控流程如圖5所示?？勺兯贆C組背靠背啟動中，拖動機組的勵磁系統(tǒng)始終設(shè)置為直流勵磁模式，被拖動機組的勵磁系統(tǒng)與SFC啟動時的設(shè)置相同。當(dāng)機組轉(zhuǎn)速達到100%額定轉(zhuǎn)速后，分拖動機GCB，監(jiān)控給被拖動機勵磁系統(tǒng)勵磁模式轉(zhuǎn)換令，被拖動機勵磁系統(tǒng)由直流勵磁模式切換到交流勵磁模式，同時啟動勵磁系統(tǒng)的同期功能，勵磁系統(tǒng)通過判斷機端與網(wǎng)側(cè)的電壓幅值、頻率和相角差，滿足同期條件后，合被拖動機GCB并網(wǎng)。

圖5 可變速機組背靠背啟動監(jiān)控流程簡圖

常規(guī)定轉(zhuǎn)速機組SFC拖動并網(wǎng)過程中，由于轉(zhuǎn)子慣性較大，從同期裝置啟動同期到機組并網(wǎng)成功，需要經(jīng)過數(shù)秒鐘的時間。背靠背拖動過程中，同期裝置啟動后，需要通過調(diào)節(jié)導(dǎo)葉開度來控制機組轉(zhuǎn)速，從啟動同期到并網(wǎng)成功時間較SFC拖動更長。而可變速機組取消同期裝置后，將同期判斷的功能整合到勵磁控制系統(tǒng)中，在可變轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，機組可以在任意轉(zhuǎn)速并網(wǎng)，電流調(diào)節(jié)的時間遠小于常規(guī)機組轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的時間。因此，監(jiān)控流程修改后的可變速機組同期時間較常規(guī)定速機組大大縮短。

3 水泵方向自啟動模式的監(jiān)控流程

可變速機組在轉(zhuǎn)子變頻器的容量足夠大的情況下，可以具備水泵方向自啟動的能力。具備自啟動能力的機組可以省去SFC裝置，也無需背靠背系統(tǒng)。以1號機自啟動為例，其監(jiān)控原理框圖僅包括圖2中現(xiàn)地控制單元1的部分，無需與其他現(xiàn)地控制單元通信，監(jiān)控原理較為簡單。變速機組自啟動的電氣原理如圖6所示。與SFC拖動和背靠背拖動相比，省略了SFC，啟動母線，啟動母線刀閘，拖動刀閘，被拖動刀閘等電氣一次設(shè)備，簡化了系統(tǒng)的復(fù)雜度及各系統(tǒng)的配合難度，有利于提高機組的啟動成功率。

機組啟動前，合自啟動刀閘S2，機組定子繞組三相對稱短路。轉(zhuǎn)子繞組通以低頻交流電流，產(chǎn)生出的旋轉(zhuǎn)磁場切割定子繞組，感應(yīng)出定子電流，從而形成定子磁場產(chǎn)生啟動力矩。這一啟動方式的原理與傳統(tǒng)異步電機啟動的原理相同。為增大啟動力矩，減少啟動電流，可以采用增大轉(zhuǎn)子電流，同時在定子回路中串電阻的方法。

啟動過程中，為保證轉(zhuǎn)子磁場始終同方向切割定子繞組，隨著轉(zhuǎn)速的增加，轉(zhuǎn)子勵磁交流的頻率逐漸增大。當(dāng)轉(zhuǎn)速達到100%額定轉(zhuǎn)速時，監(jiān)控給勵磁下達停交流勵磁令，之后下令分勵磁輸入開關(guān)S1，勵磁斷開后，處在三相短路狀態(tài)的定子三相繞組的電流減小為零，由于自啟動刀閘S2并不具備分斷大電流的能力，監(jiān)控必須確認收到S1分閘的信號后，才可以發(fā)出分S2的信號。監(jiān)控確認收到S2分閘信號后，再次合勵磁輸入開關(guān)S1。勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前機組轉(zhuǎn)速以及電網(wǎng)側(cè)電壓的幅值、頻率和相角，調(diào)節(jié)勵磁電流的幅值和頻率，滿足同期并網(wǎng)條件后，合GCB并網(wǎng)。自啟動過程中，機組轉(zhuǎn)速隨時間變化的示意圖如圖7所示。自啟動的第一階段升速與常規(guī)機組SFC啟動的升速過程類似，啟動時的加速度較大，隨著轉(zhuǎn)速上升，加速度逐漸減小。當(dāng)轉(zhuǎn)速達到100%額定轉(zhuǎn)速后，勵磁輸入開關(guān)S1斷開，啟動過程進入第二階段，機組的升速力矩降為零，機組減速。由于自啟動過程是在抽蓄機組調(diào)相壓水過程完成后進行的，水輪機的轉(zhuǎn)輪在空氣中旋轉(zhuǎn)，空氣阻力相對于機組慣性很小，機組減速過程緩慢。待定子短路刀閘拉開后，勵磁輸入開關(guān)S1合閘，勵磁系統(tǒng)快速調(diào)節(jié)機組端電壓，使其滿足同期并網(wǎng)條件，機組并網(wǎng)，機組進入啟動第三階段，機組可以根據(jù)調(diào)度要求在可變速范圍內(nèi)調(diào)節(jié)機組升降速，機組啟動過程完成。

圖7 自啟動過程機組轉(zhuǎn)速變化示意圖

自啟動監(jiān)控流程設(shè)計的關(guān)鍵是在轉(zhuǎn)速達到100%額定轉(zhuǎn)速，要先停交流勵磁，確定勵磁輸入開關(guān)斷開后，再分定子短路刀閘，以免定子短路刀閘帶大電流分閘，燒蝕刀閘觸頭。水泵方向自啟動的流程充分考慮了監(jiān)控、電氣以及水機等系統(tǒng)的協(xié)同配合問題，有利于增加機組的啟動成功率。

4 結(jié) 語

本文分析了轉(zhuǎn)子交流勵磁式變速機組的三種水泵方向啟動方式，分析結(jié)果表明：

(1)變速機組水泵方向同期并網(wǎng)過程中，無需調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，只需調(diào)節(jié)勵磁電流的幅值和頻率，縮短了同期時間。

(2)變速機組的SFC啟動和背靠背啟動需修改同期過程的監(jiān)控流程，修改后，應(yīng)可滿足機組正常啟動過程。

(3)變速機組采用自啟動方式時，電氣一次系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為簡單，有利于提高機組的啟動成功率。根據(jù)變速機組自啟動的原理，提出了一種滿足自啟動條件的監(jiān)控流程，以供探討。

(4)由于國內(nèi)尚未有變速機組投產(chǎn)，未來變速機組現(xiàn)場調(diào)試期間，需根據(jù)機組實際情況，對監(jiān)控流程進行適當(dāng)修正。

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