国内单机容量最大抽水蓄能机组SFC设计方案分析及改进

朱 溪

（浙江仙居抽水蓄能有限公司，浙江 台州 317300）

0 引言

浙江仙居抽水蓄能电站是国内在建及运行的单机容量最大的抽水蓄能电站。该电站安装4台单机容量为375 MW的混流可逆式水轮发电机组，水轮机额定水头为447 m。该机组发电电动机在发电工况下额定功率为375 MW，在水泵工况下额定功率为413 MW。机组电动工况起动以变频起动为主，背靠背同步起动作为备用。静止变频器（以下简称SFC）作为其电动工况下起动的关键装置，选用了西门子的产品。

1 变频起动过程及要求

抽水蓄能机组的变频起动过程主要包括以下几个阶段：电气连接建立阶段、转子初始位置检测阶段、强迫换相阶段、自然换相阶段、同期并网阶段、拖动退出阶段。从控制对象上看，主要通过转速、电流双闭环结构（图1）将机组转速由0拖动至额定值。

图1 SFC控制图

在SFC设计前电站对SFC的设计提出了基本要求，要求机组起动过程加速时间不大于4 min，即应在4 min内将机组从静止状态加速到额定转速，并网时间不大于1 min。同时，应满足抽水蓄能机组频繁起停的要求，能连续逐一起动电站4台机组，留有2次起动失败再起动的裕度，即1个工作周期内能连续起动6次。连续工作时间应不小于6×（4＋1）＝30 min，并具备间隔30 min后再次运行1个工作周期的能力。

2 初步方案

西门子的初步方案如图2所示。SFC部分主要包括输入开关、降压变、整流逆变桥、升压变、输出开关。SFC输入、输出侧分别有电抗器、闸刀与单元主变低压侧及机组相连。图中右侧开关示意机组出口开关。

功率单元由12脉冲可控硅整流器和12脉冲可控硅逆变器构成。输入变压器采用Dy11／Dd0接线组别，2个并联的6脉整流桥之间相位相差30°，组成1个12脉的整流桥。

在起动过程的初始阶段，西门子认为整个起动过程从0 Hz开始到50 Hz并网结束，是连续不间断的起动过程，在低频段，升压变压器无需旁路也能准确传输能量，整个起动过程中对电机和整个轴系无任何冲击，因此其未设置旁路开关。

在机组同期阶段，该方案采用跳跃式同期方式。在同期前，SFC将机组转速拖动至速度目标设定值，断开SFC输出开关，等待转速自然下降至额定转速起动同期。若同期未成功，需要重新建立电气轴，将SFC输出开关重新合上继续拖动机组转速上升，重复上述同期过程。

3 初步方案的问题及改进措施

3.1 起动过程

在初步方案中，转子初始位置检测存在问题。转子位置的检测，是通过加励磁电流测量电机在静止（零转速）时输出的感应电压，进而计算转子位置。精确的转子位置取决于从相位上的3个终端电压。如果有1个升压变压器放置在整流器出口与电机之间，而升压变压器的磁性特征是虚假的，因为它先前已经被连接或处于饱和状态，那么便会在转子位置上造成虚假的测量信号，也有可能是信号不能移动。这会导致错误的转子位置。因此在初步方案中，西门子为升压变增加了1套去磁装置。

由于增加了去磁装置，起动过程另增加了4 min的升压变去磁。连续起动机组时，该方案增加了近1倍的起动时间。为减少起动时间，西门子提出了取消配置去磁装置，增加旁路开关的方式。

现方案在升压变增设一旁路（图3），在27%转速（该转速设置将根据起动母线的过流能力作出调整）以下时，输出开关S1、S3分闸，旁路开关S2合闸。此时，逆变桥未通过升压变而直接与定子相连，避免了转子初始位置检测不准的问题，同时减少了4 min的去磁环节。根据计算，现方案起动时间大约为200 s，起动曲线如图4所示。

3.2 同期过程

初步方案的同期过程逻辑较为复杂。在同期过程中可能存在SFC输出开关的多次分合，增加了故障源，降低了SFC系统的可靠性。同时其存在自然降速过程，增加了同期装置捕捉同期点的难度，拉长了同期时间。

根据目前抽水蓄能电站较为成熟的同期方案，考虑将初步方案的同期过程加以调整。其同期过程改为逼近式同期，取消初步方案中的自然降速过程。在SFC拖动至同期点附近时，由同期装置向SFC发出命令对机组频率作出微调。在同期调节过程中，SFC系统参与频率调节，直至同期令发出后退出运行。

图3 SFC电气接线图（改进方案）

图4 改进方案的机组起动曲线

4 结语

西门子SFC系统在抽水蓄能行业的使用，自1994年的广州抽水蓄能电站后，在国内抽水蓄能行业鲜有业绩。因此其产品设计思路与国内抽水蓄能电站的实际环境有所偏差。在产品的设计过程中，我们始终揣摩国内抽水蓄能电站SFC系统的运行理念，并与西门子独特的技术特点相结合，以期其在浙江仙居抽水蓄能电站项目中能够满足我们的要求。