李小波，何 文

(陜西省引漢濟渭工程建設(shè)有限公司，陜西 西安 710011)

1 引漢濟渭子午水電站概況及運行方式

1.1 概況

子午水電站地處佛坪縣與寧陜縣交界的子午河中游狹谷段，壩址位于佛坪縣大河壩鎮(zhèn)三河口村下游2km處。壩高141.5m，庫區(qū)總庫容7.1億m3，調(diào)節(jié)庫容6.5億m3，是引漢濟渭工程的2個水源地(黃金峽和三河口)之一。其主要任務(wù)是調(diào)蓄子午河來水與漢江干流不能直供受水區(qū)的水量[1]，并結(jié)合發(fā)電。

子午水電站三河口水庫最大流量為72.71m3/s，其中供水最大流量70m3/s，下游生態(tài)放水流量2.71m3/s。庫區(qū)向關(guān)中供水時通過供水流量及泄放流量發(fā)電。因庫區(qū)水位變化范圍較大(最低發(fā)電水位593m，正常蓄水位643m)，額定轉(zhuǎn)速下常規(guī)機組的運行以及可逆式機組的工頻運行均難以滿足工程需求，為保證工程經(jīng)濟效益[2- 3]，設(shè)計變頻發(fā)電以及變頻抽水工況。

1.2 運行方式

子午水電站運行時分抽水、供水、發(fā)電等3個運行工況。安裝2臺可逆式混流機組、2臺常規(guī)混流機組，其中常規(guī)機組單機容量20MW，額定功率因數(shù)0.85，額定轉(zhuǎn)速375r/min；可逆機組單機容量10MW，額定轉(zhuǎn)速500r/min，電動工況額定功率因數(shù)0.95，發(fā)電工況額定功率因數(shù)0.85。發(fā)電總裝機60MW，抽水總裝機24MW。處于供水期時，全部機組作發(fā)電工況運行，即2臺常規(guī)水輪發(fā)電機組和2臺可逆機組均發(fā)電；當(dāng)黃金峽泵站的抽水流量大于關(guān)中需水量時，多出的水由可逆式水泵水輪機組抽回子午水電站三河口庫區(qū)，此間可逆式機組作泵工況運行。

2 變頻器系統(tǒng)

2.1 變頻器簡介

子午水電站采用西門子GH180四象限完美無諧波高壓變頻器，主要由輸入/輸出部分、變壓器部分、功率單元部分、控制部分、冷卻部分組成。

在抽水工況時變頻器將工頻交流電源通過整流器轉(zhuǎn)換成直流電源，然后再把直流電源轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可控制的交流電源供給可逆式機組[4]。

在發(fā)電工況時變頻器將發(fā)電機端低頻、低壓的電通過整流逆變成工頻的交流電輸送到電網(wǎng)。

四象限變頻調(diào)速裝置能量在直流母線和電網(wǎng)間雙方向流動，采用IGBT有源整流，既可以改變水泵的揚程、流量、調(diào)整電機輸入的功率[5- 7]，也可以將低水頭下發(fā)電機發(fā)出的能量送到電網(wǎng)，可實現(xiàn)機組在發(fā)電工況下穩(wěn)定連續(xù)工作[8]。

2.2 完美無諧波高壓變頻器基本原理

完美無諧波高壓變頻采用若干個低壓PWM變頻功率單元級聯(lián)的方式[9]，實現(xiàn)直接高壓輸出。變頻器具有電網(wǎng)諧波污染極小，輸入功率因數(shù)高，輸出波形質(zhì)量好，不存在諧波引起的電機附加發(fā)熱、轉(zhuǎn)矩脈動、噪音、dv/dt及共模電壓等問題的特性。

10kV電網(wǎng)電壓經(jīng)過副邊多重化的隔離變壓器降壓后給功率單元供電，功率單元為三相輸入、單相輸出的交直交PWM電壓源型逆變器結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)變壓變頻的高壓直接輸出，供給高壓電動機[10]。

以10kV輸出電壓等級為例，每相均由8個額定電壓為750V的功率單元串聯(lián)而成，輸出相電壓達6000V，線電壓達10500V，每個功率單元分別由輸入變壓器的一組副邊供電，功率單元之間及變壓器二次繞組之間相互絕緣。

2.3 變頻器布局

子午水電站共裝設(shè)2臺變頻器，其中1號變頻器分別拖動1、2、4號機組，2號變頻器分別拖動1、2、3號機組，變頻器投入時，1號2號可逆式機組有變頻抽水、變頻發(fā)電工況，3號4號常規(guī)機組有變頻發(fā)電工況。其中1、2號變頻器可分別拖動1號2號可逆式機組變頻運行，于1、2號可逆式機組而言，1、2號變頻器互為備用。子午水電站1、2號機單元電氣主接線如圖1所示。

圖1 子午水電站1、2號可逆機組電氣主接線

2.4 變頻器功能

(1)可實現(xiàn)2臺可逆式水泵水輪機組電動工況下的軟啟動、運行和調(diào)速，變頻運行切換到工頻運行時具備自動同期功能，可檢測并網(wǎng)點兩側(cè)的電網(wǎng)頻率、電壓幅值、電壓相位是否到達條件，以實現(xiàn)自動并網(wǎng)。

(2)可實現(xiàn)2臺可逆式水泵水輪機組電動工況下的變頻運行(30～50Hz)，裝置的最大輸出功率滿足不同轉(zhuǎn)速下機組的最大輸入功率要求，見表1。

表1 變頻器輸出功率與機組輸入功率

(3)可實現(xiàn)2臺常規(guī)機組和2臺可逆式水泵水輪機組低水頭下的變頻發(fā)電(30～50Hz)功能。但同一時間一臺變頻器只允許拖動一臺機組變頻運行。

3 機組運行工況分析

3.1 工頻發(fā)電

當(dāng)子午水電站三河口水庫處于供水期，且水頭在65～99m時，可逆式水泵水輪機組工頻運行。水頭在55～99.3m時，常規(guī)機組工頻運行。

可逆機組工頻發(fā)電工況時，152發(fā)電換相斷路器在合，并網(wǎng)時合121A出口斷路器(以1號機為例)。

工頻啟動過程:

上位機發(fā)工頻發(fā)電令至調(diào)速器，調(diào)速器控制機組升轉(zhuǎn)速至額定，然后勵磁系統(tǒng)升勵磁電流使發(fā)電機端電壓升至額定空載電壓后同期合閘并網(wǎng)。

工頻運行工況下變頻器不投入運行，機組開停機流程與常規(guī)水力發(fā)電機組流程一致，在此便不做贅述。

3.2 變頻發(fā)電

當(dāng)子午水電站三河口水庫處于供水期，且水頭滿足下述要求時，機組變頻發(fā)電。

在24～65m水頭之間，可逆機變頻發(fā)電，對應(yīng)轉(zhuǎn)速為300～500r/min，對應(yīng)頻率為30～50Hz。

在30～55m水頭之間，常規(guī)機變頻發(fā)電，對應(yīng)轉(zhuǎn)速為225～375r/min，對應(yīng)頻率為30～50Hz。

變頻發(fā)電時發(fā)電機發(fā)出低頻、低壓的電通過變頻調(diào)速裝置調(diào)控為頻率為50Hz和額定電壓10.5kV的交流電輸送至電網(wǎng)。發(fā)電機端送出的功率大小根據(jù)供水流量做出相應(yīng)調(diào)整。

3.2.1變頻發(fā)電流程分析

上位機發(fā)變頻開機令，先由調(diào)速器控制，使機組轉(zhuǎn)速升至5Hz對應(yīng)轉(zhuǎn)速值，在機組轉(zhuǎn)速到達對應(yīng)轉(zhuǎn)速后，變頻器開始接受開機令，合153變頻器母線側(cè)斷路器以及121B變頻器拖動斷路器。

在變頻發(fā)電啟動過程中機組出口斷路器121A以及發(fā)電換相斷路器151均在分閘狀態(tài)，變頻器啟動前會判別發(fā)電換相斷路器是否在分閘位，若不是則開機流程終止。

同期并網(wǎng)前，調(diào)速器控制機組頻率在5～25Hz區(qū)間緩慢升速，變頻器在機組低轉(zhuǎn)速模式下，捕捉發(fā)電機轉(zhuǎn)速信號，捕捉成功后，變頻器內(nèi)部IGBT導(dǎo)通，實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電(以1號機為例)。

影響變頻器同期的因素有頻率的高低以及頻率變化速度，在機組低頻緩慢升速時，降低了頻率變化速度對變頻器同期的影響。變頻器捕捉難度降低，更容易同期并網(wǎng)。在調(diào)速器控制機組轉(zhuǎn)速升速期間，變頻器同時也會給調(diào)速器反饋一個稍低于目前轉(zhuǎn)速值的功率值，進一步減緩機組升速的時間。

6)第一次空中三角測量預(yù)測了導(dǎo)入的控制點在影像上的大概位置，由此減輕了人工尋找控制點點位的負擔(dān)。這種方法還可以用來發(fā)現(xiàn)和排查野外像控點錯誤。

待變頻器完全介入后，即變頻器啟動成功，則會反饋變頻器介入成功的信號給上位機，上位機收到反饋后開始給定變頻器目標功率，然后變頻器會拖動機組到設(shè)定的功率值。

變頻發(fā)電時，變頻器會自動判別當(dāng)前水頭下的最優(yōu)工況運行，若調(diào)度需要增減負荷，上位機直接發(fā)令，變頻器會和上位機同步增減負荷。且變頻發(fā)電時只發(fā)有功功率，不發(fā)無功功率，變頻發(fā)電時沒有無功調(diào)節(jié)功能。

變頻發(fā)電工況下，變頻器上下側(cè)斷路器由變頻器本體控制，上位機只發(fā)令給變頻器，不參與上下側(cè)斷路器153和121B的分合閘(以1號機為例)。

3.2.2變頻發(fā)電停機流程分析

上位機發(fā)變頻發(fā)電停機令后，變頻器和調(diào)速器同時并行執(zhí)行停機令。變頻發(fā)電停機時由變頻器發(fā)令至勵磁系統(tǒng)控制勵磁系統(tǒng)進行滅磁，而后變頻器控制其上下側(cè)斷路器153和121B分閘。

變頻發(fā)電停機過程中，變頻器的作用相當(dāng)于電制動，會加速停機流程的執(zhí)行。

3.3 變頻發(fā)電存在的不足及解決方法

3.3.1機組低頻空轉(zhuǎn)

變頻發(fā)電時，要求調(diào)速器控制機組頻率在達到5～25Hz之前保持約3min，變頻器才能捕捉到機組轉(zhuǎn)速信號，而后進行同期并網(wǎng)。超低速空轉(zhuǎn)對水輪機軸承以及油膜損傷較大，會縮短機組使用壽命。

3.3.2并網(wǎng)失敗率高

當(dāng)機組頻率約30Hz時，變頻發(fā)電啟動機組平均每100次同期中有3次會同期失敗。當(dāng)機組頻率在5～25Hz時同樣會有一定概率同期失敗，同期失敗后，變頻發(fā)電開機流程終止。上位機發(fā)變頻發(fā)電令后有可能會啟機失敗，投產(chǎn)后運行不便，相較工頻發(fā)電運行難度系數(shù)較大。且變頻啟機失敗后對機組的損傷不亞于惰性停機，設(shè)備維護成本高。

3.3.3解決方法

引漢濟渭子午水電站采用寬水頭變幅機組，可使機組在最高水頭與最低水頭相差較大的情況下的振動、氣蝕均在合理范圍內(nèi)。針對并網(wǎng)失敗率高的現(xiàn)狀，目前規(guī)避機組并網(wǎng)前長時間超低轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)的解決方式是與調(diào)度聯(lián)系減少機組在變頻工況下的日平均啟停次數(shù)。由于機組出力較小，變頻工況下出力更是遠小于額定出力，對電網(wǎng)整體影響較小。

3.4 抽水工況

當(dāng)子午水電站處于補水期，在40～96.44m揚程范圍之間，可逆式水泵水輪機組抽水運行。

3.4.1工頻抽水流程分析

在85～96.44m揚程范圍內(nèi)，可逆式水泵水輪機組工頻抽水運行。

工頻抽水啟動時，變頻器上下側(cè)斷路器153和121B一直在合位，然后合151抽蓄換相斷路器以及121A出口斷路器(以1號機為例)。啟動時變頻器與151抽蓄換相斷路器同時拖動電機旋轉(zhuǎn)，然后變頻器帶載逐步降低，正常線路帶載逐步升高，待電機轉(zhuǎn)速至額定后，變頻器內(nèi)部IGBT通道斷，此時工頻抽水啟動完成。工頻抽水時變頻器的作用相當(dāng)于軟啟動器。

若直接高壓啟動水泵水輪機，啟動時會產(chǎn)生較大的啟動電流，對電網(wǎng)造成沖擊并減少機組使用壽命[11]。

工頻抽水停機時，上位機直接發(fā)停機令，切121A出口斷路器以及151抽蓄換相斷路器即可(以1號機為例)。

3.4.2變頻抽水流程分析

在40～85m揚程范圍內(nèi)，可逆式水泵水輪機組變頻抽水。

變頻抽水工況時，變頻器將工頻電流(50Hz)變換成30～50Hz的交流電流，來實現(xiàn)可逆機組抽水工況時的變速運行。

變頻抽水時，上位機發(fā)變頻抽水令后，由變頻器控制153變頻器母線側(cè)斷路器和121B變頻器拖動斷路器合閘，直接由變頻器拖動至設(shè)定抽蓄揚程所需的轉(zhuǎn)速值(以1號機為例)。

3.4.3抽水工況優(yōu)劣分析

子午水電站機組進水口前為電動蝶閥，庫區(qū)正常蓄水位640m，尾水位532m，水頭較高，來水壓力大。在抽水工況時，需要首先開啟蝶閥旁通閥，壓力鋼管的水通過蝶閥旁通閥進入蝸殼，待蝸殼充滿水使蝶閥上下游平壓后，開啟機組進水口蝶閥，啟動可逆機泵工況運轉(zhuǎn)。

當(dāng)變頻啟動信號和頻率設(shè)定信號輸入變頻器時，變頻器將輸出啟動頻率，此時電機產(chǎn)生啟動扭矩。因上游來水壓力大，可逆機組啟動負載較大，需可逆機組啟動扭矩大于負載啟動扭矩即壓力鋼管來水壓力時，可逆機以泵工況開始轉(zhuǎn)動抽水。

抽水工況變頻啟動時需要的啟動電流較大。

變頻器作為啟動變頻器時，可同步下切和上切。即電機在工頻運行狀態(tài)，將變頻器輸出與電網(wǎng)同步，然后將電機無擾動切換到變頻運行，也可無擾動啟動后依據(jù)揚程變化，由變頻運行無擾動切換至工頻抽水，提升了水泵水輪機的利用效率。

4 結(jié)語

變頻抽水雖然在一些揚程較大的泵站應(yīng)用較為廣泛，但也只是單純的可調(diào)速拖動電機，引漢濟渭子午水電站是國內(nèi)首次同時將變頻發(fā)電與變頻抽水應(yīng)用到實際中的水電工程，變頻技術(shù)的應(yīng)用使機組能夠在不同水頭條件下均匹配與之對應(yīng)的轉(zhuǎn)速，顯著提高了供水率與發(fā)電小時，環(huán)保節(jié)能，增加了工程的經(jīng)濟效益。該應(yīng)用實例對水頭變幅較大的小水電有很大的借鑒作用。