郭春平， 許其品

(國網(wǎng)電力科學(xué)研究院/南京南瑞集團(tuán)公司， 江蘇 南京 211000)

大中型抽水蓄能電站勵磁系統(tǒng)設(shè)計

郭春平， 許其品

(國網(wǎng)電力科學(xué)研究院/南京南瑞集團(tuán)公司， 江蘇 南京 211000)

本文對大中型抽水蓄能電站典型配置的勵磁系統(tǒng)設(shè)計進(jìn)行了詳細(xì)地說明，包括在設(shè)計選型時應(yīng)考慮的主要技術(shù)條件和一般計算方法。

大中型抽水蓄能電站；勵磁系統(tǒng)設(shè)計；技術(shù)條件；計算

0 前 言

自2003年以來，國家電網(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“重點開展抽水蓄能電站機(jī)組控制系統(tǒng)設(shè)備的自主化研究與開發(fā)”。

與常規(guī)水電站僅有發(fā)電運(yùn)行工況相比，抽水蓄能電站勵磁系統(tǒng)具有發(fā)電和電動兩種運(yùn)行工況，所以抽水蓄能電站的勵磁系統(tǒng)設(shè)計具有一定的特殊性。本文對大中型抽水蓄能電站勵磁系統(tǒng)設(shè)計選型過程中應(yīng)考慮的主要技術(shù)條件和一般計算方法，進(jìn)行詳細(xì)地說明。

1 系統(tǒng)設(shè)計及選型計算

大中型抽水蓄能電站勵磁系統(tǒng)主接線多采用的連接方式如圖1所示，該方式優(yōu)點是接線簡單、設(shè)備少、啟停和工況轉(zhuǎn)換過程中不需切換勵磁電源。

圖1 勵磁系統(tǒng)主接線

大中型抽水蓄能電站勵磁系統(tǒng)一般由勵磁調(diào)節(jié)控制單元、整流單元、轉(zhuǎn)子滅磁及過電壓保護(hù)單元、黑啟動單元和整流變壓器等組成。其典型配置一般包括勵磁調(diào)節(jié)器屏、可控硅整流柜(3面)、滅磁及過電壓保護(hù)柜、滅磁開關(guān)柜和交流進(jìn)線柜等7面屏柜和1臺三相整流變壓器。

1.1 勵磁調(diào)節(jié)器屏

應(yīng)采用具有嵌入式操作系統(tǒng)平臺的勵磁調(diào)節(jié)器，并應(yīng)具有以下特點。

(1)調(diào)節(jié)性能一般要求，應(yīng)滿足DL/T 583和DL/T 295等相關(guān)規(guī)定。

(2)電力系統(tǒng)穩(wěn)定器模型應(yīng)符合IEEE 421.5規(guī)定，同時滿足發(fā)電電動機(jī)的發(fā)電和抽水運(yùn)行要求，且在0.2～2.0 Hz頻率范圍之內(nèi)，均能夠有效地抑制系統(tǒng)的低頻振蕩。

(3)能夠接受計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)機(jī)組現(xiàn)地控制單元(LCU)命令，并滿足DL/T 860.81通信協(xié)議要求，實現(xiàn)發(fā)電電動機(jī)的啟停、工況選擇以及無功功率調(diào)節(jié)等功能，并可實現(xiàn)勵磁系統(tǒng)關(guān)鍵運(yùn)行狀態(tài)和電氣量的實時上送。

(4)人機(jī)操作界面應(yīng)具有設(shè)置多級用戶權(quán)限功能，便于管理。

(5)具有與電站計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的機(jī)組現(xiàn)地控制單元(LCU)、轉(zhuǎn)速檢測裝置、SFC設(shè)備等直接連接的硬接線接口，協(xié)調(diào)完成發(fā)電電動機(jī)的啟動、工況轉(zhuǎn)換控制以及單臺或成組電機(jī)的無功功率調(diào)節(jié)。

(6)具有GPS對時功能，支持IRIG-B、NTP或PPS等多種方式，誤差最大值不高于1 ms。

(7)勵磁系統(tǒng)狀態(tài)記錄、事件記錄以及故障時自動錄波，波形格式宜符合IEEE Std C37.111推薦的標(biāo)準(zhǔn)格式。

(8)支持IEC61850通信規(guī)約，符合DL/T860.81相關(guān)規(guī)定要求。

(9)工況選擇，可參照圖2設(shè)計。勵磁系統(tǒng)投入前，計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)首先給勵磁系統(tǒng)發(fā)送運(yùn)行模式控制指令，勵磁系統(tǒng)收到該指令后，切換至需要的運(yùn)行工況，進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)控制[1～2]。

圖2 勵磁系統(tǒng)工況選擇范例

1.2 勵磁變壓器

1.2.1 技術(shù)條件(至少應(yīng)考慮以下幾點)

(1)二次側(cè)額定電壓；

(2)二次額定電流；

(3)額定容量；

(4)短路阻抗；

(5)聯(lián)接組別；

(6)電流互感器；

(7)溫升；

(8)絕緣等級。

其他技術(shù)要求應(yīng)滿足相關(guān)規(guī)范[7-10]要求。

1.2.2 選型計算

(1)二次側(cè)額定電流I2N：可按式(1)計算。

I2N=0.816kiILN

(1)

式中ILN——發(fā)電電動機(jī)發(fā)電工況額定勵磁電流，A；

ki——發(fā)電電動機(jī)長期連續(xù)運(yùn)行額定勵磁電流倍數(shù)，可取1.1。

(2)二次側(cè)額定電壓U2N：可按式(2)計算。

(2)

式中k1——勵磁頂值電壓倍數(shù)，可取2；

k2——強(qiáng)勵時正序電壓百分值，可取80%；

k3——晶閘管換相系數(shù)，可取0.95；

αmin——強(qiáng)勵觸發(fā)角度，可取10°；

ULN——發(fā)電電動機(jī)發(fā)電工況額定勵磁電壓，V。

(3)勵磁變壓器容量SN：關(guān)于勵磁變壓器容量計算有多種方法，一般可按式(3)計算。

(3)

式中k——考慮諧波等附加損耗的系數(shù)，可暫取1.2。

(4)勵磁變壓器短路阻抗、繞組聯(lián)接組別等參數(shù)確定，應(yīng)滿足標(biāo)準(zhǔn)DL/T 583相關(guān)規(guī)定。

(5)勵磁CT的選型要考慮發(fā)電電動機(jī)2倍額定勵磁電流運(yùn)行工況和CT的線性度。

1.3 可控硅整流柜

1.3.1 技術(shù)參數(shù)(至少應(yīng)考慮以下幾點)

(1)交流側(cè)過電壓保護(hù)；

(2)可控硅換相阻容過電壓抑制；

(3)可控硅(包括額定電壓和通態(tài)平均電流)；

(4)快速熔斷器(包括額定電壓和額定電流)；

(5)冷卻系統(tǒng)。

1.3.2 選型計算

(1)交流側(cè)過電壓保護(hù)(浪涌吸收)：交流側(cè)過電壓保護(hù)有多種保護(hù)元器件類型(如RC、非線性電阻等)及接線方式。若過電壓保護(hù)采用非線性電阻方式，則非線性電阻過電壓保護(hù)整定值應(yīng)低于整流器內(nèi)晶閘管的額定電壓。

(2) 可控硅換相阻容過電壓抑制(緩沖吸收)電路參數(shù)計算：可控硅換相阻容過電壓抑制電路，可采用分立式結(jié)構(gòu)，也可采用集中阻斷式結(jié)構(gòu)。對于分立式阻容過電壓抑制電路中電阻和電容參數(shù)定額，可采用計算機(jī)仿真方法獲得“阻容緩沖器系數(shù)優(yōu)化曲線”，再依據(jù)該優(yōu)化曲線和所選型的可控硅來確定電阻值和電容值。

(3)可控硅元件。

(a)額定電壓UN一般不高于按式(4)計算所得值：

(4)

式中Um——發(fā)電電動機(jī)出廠耐壓試驗電壓(幅值)，V；

U2N——含義同式(2)；

ku——裕量系數(shù)，可取2.75。

(b)通態(tài)平均電流IT(AV)可按式(5)計算。

(5)

式中I——單個整流柜額定輸出直流電流，A；

ki——裕量系數(shù)，可取1.2～1.35；

(4) 快速熔斷器

(a)額定電壓Uf可按式(6)計算。

Uf=kuU2N

(6)

式中U2N——含義同式(2)；

ku——裕量系數(shù)，可取1.2～1.3。

(b)額定電流If可按式(7)計算。

If=kiI

(7)

式中I——含義同式(5)；

ki——裕量系數(shù)，可取1.2～1.54。

(5) 整流柜冷卻系統(tǒng)設(shè)計原則

(a) 風(fēng)冷式散熱器：風(fēng)冷式散熱器選型計算(包括熱阻和散熱能力)應(yīng)滿足所選型晶閘管最大允許結(jié)溫和耗散功率要求。

(b) 冷卻風(fēng)機(jī)：冷卻風(fēng)機(jī)通風(fēng)量應(yīng)不低于整流柜所選型晶閘管額定運(yùn)行工況耗散功率要求。

1. 4 交流進(jìn)線柜

1.4.1 交流斷路器(至少應(yīng)考慮以下技術(shù)參數(shù))

(1)額定電壓；

(2)額定電流；

(3)額定短路開斷電流。

其他技術(shù)要求應(yīng)滿足相關(guān)規(guī)范[11]要求。

1.4.2 選項計算

(1)額定電壓UN可按式(8)計算。

(8)

式中U2N——含義同式(2)。

(2)額定電流IN可按式(9)計算。

IN=I2N

(9)

式中I2N——含義同式(1)。

(3)額定短路分?jǐn)嚯娏鱅s可按式(10)計算。

(10)

式中I2N——含義同式(1)；

Uk%——勵磁變壓器短路阻抗壓降百分?jǐn)?shù)。

1. 5 滅磁開關(guān)柜

1.5.1 直流磁場斷路器(至少應(yīng)考慮以下技術(shù)參數(shù))

(1)額定電壓；

(2)額定電流；

(3)最大分?jǐn)嚯妷海?/p>

(4)最大短路分?jǐn)嚯娏鳌?/p>

其他技術(shù)要求應(yīng)滿足相關(guān)規(guī)范[12-13]要求。

1.5.2 選項計算

(1)額定電壓UN可按式(11)計算。

(11)

式中ULN——含義同式(2)。

(2)主觸頭額定電流IN可按式(12)計算。

IN=kiI2N

(12)

式中I2N——含義同式(1)；

ki——裕量系數(shù)，可取1.1。

(3)最大分?jǐn)嚯妷?即最大弧壓)Ukmax：若滅磁系統(tǒng)采用非線性電阻方式，則可按式(13)計算。

Ukmaxgt;URmax+UZmax

(13)

式中URmax——非線性電阻兩端最大電壓，V，取非線性電阻滅磁動作電壓；

UZmax——功率整流柜最大輸出電壓，V，可取勵磁變壓器二次側(cè)1.4倍額定電壓(幅值)。

(4)最大短路分?jǐn)嚯娏鱅smax：應(yīng)能可靠分?jǐn)喟l(fā)電電動機(jī)額定運(yùn)行工況下勵磁直流回路短路時引起的短路電流，可依據(jù)交流斷路器額定短路分?jǐn)嚯娏鱅s來定額，即Ismax=Is。

1. 6 滅磁及轉(zhuǎn)子過電壓保護(hù)柜

1.6.1 滅磁及過壓保護(hù)設(shè)計(至少應(yīng)考慮以下技術(shù)參數(shù))

(1)非線性電阻滅磁電壓；

(2)滅磁電阻容量；

(3)轉(zhuǎn)子過電壓保護(hù)。

其他技術(shù)要求應(yīng)滿足相關(guān)規(guī)范[14]要求。

1.6.2 選型計算

(1)非線性電阻滅磁電壓URN，按式(14)計算。發(fā)電電動機(jī)額定勵磁電壓不高于500 V時，在式(14a)范圍內(nèi)取值。

(14a)

發(fā)電電動機(jī)額定勵磁電壓高于500 V時，在式(14b)范圍內(nèi)取值。

URN=(0.3～0.5)(2ULN+4 000)

(14b)

式中ULN——含義同式(2)。

(2)滅磁電阻容量ERN，應(yīng)不低于發(fā)電電動機(jī)滅磁開始時轉(zhuǎn)子剩余能量，即公式(15)。

(15)

式中ILN——含義同式(1)；

Kdc——電流倍數(shù)，可取3；

Rf——發(fā)電電動機(jī)轉(zhuǎn)子繞組熱態(tài)電阻值，Ω，取Rf=75℃；

k1——滅磁裕量系數(shù)，可取0.8；

k2——選擇系數(shù)，可取0.67。

(3) 轉(zhuǎn)子過電壓保護(hù)整定值UBOD，可按式(16)計算。

發(fā)電電動機(jī)額定勵磁電壓不高于500 V時，在式(16a)范圍內(nèi)取值。

(16a)

發(fā)電電動機(jī)額定勵磁電壓高于500 V時，在式(16b)范圍內(nèi)取值。

UBOD=(0.5～0.7)(2ULN+4 000)

(16b)

式中ULN——含義同式(2)。

2 結(jié) 語

本文對大中型抽水蓄能電站勵磁系統(tǒng)典型配置方案設(shè)計進(jìn)行了詳細(xì)地說明，包括設(shè)計選型時應(yīng)考慮的主要技術(shù)條件和一般計算方法。對小型抽水蓄能電站及其他類型電站勵磁系統(tǒng)設(shè)計、電站勵磁裝置招標(biāo)等都具有一定的參考性和指導(dǎo)意義。

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智能抽水蓄能電站技術(shù)體系和狀態(tài)檢修技術(shù)研究(SGKJ[2012]515號)

2016- 10- 25

郭春平(1980-)，男，河南鶴壁人，碩士，高級工程師，從事同步發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)相關(guān)工作。

TV734.2

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1003-9805(2017)04-0032-04