抽水蓄能机组抽水工况下同期并网参数的整定计算方法

郝国文，李建光，张志明，杨艳平

（1.国网新源控股有限公司，北京市 100053；2.山东大学电气工程学院，山东省济南市 250002；3.山东泰山抽水蓄能电站有限责任公司，山东省泰安市 271000）

抽水蓄能机组抽水工况下同期并网参数的整定计算方法

郝国文1，李建光1，张志明2，杨艳平3

（1.国网新源控股有限公司，北京市 100053；2.山东大学电气工程学院，山东省济南市 250002；3.山东泰山抽水蓄能电站有限责任公司，山东省泰安市 271000）

提出了一种抽水蓄能机组抽水工况下同期并网参数的整定计算方法，该方法基于对抽水蓄能机组抽水工况下并网过程的理论分析，结合了机组并网参数整定的原则，利用数学模型进行推导而得到。针对抽水工况下合闸脉冲导前时间取值的不同，推导了在合闸脉冲导前时间内机组电压和频率的变化情况，进而计算出同期并网时的允许电压差、频率差和相角差等并网参数。本文的并网参数整定计算方法为抽水蓄能机组同期并网定值的设定提供了理论依据，对于减小并网冲击电流、提高同期并网成功率具有重要意义。

抽水蓄能；抽水工况；同期并网；参数整定计算

0 引言

在抽水蓄能机组频繁的工况变化过程中，并网操作是其中的一项极为重要的操作。并网由自动准同期并列装置按照预先整定的同期参数自动完成，因此同期参数是否合理对并网操作的成功率和并网冲击电流的大小有着重要的影响。

目前大多数抽水蓄能机组的并网参数整定还存在一些不足之处，主要表现为以下几个方面：①有些准同期装置只允许设置一组定值，该定值用于所有运行工况下的同期并网操作；②有些装置虽然能够提供多组同期并网定值，但由于缺乏对抽水工况特点的分析，无法得到适合抽水工况的同期并网参数，只能采用发电工况的并网参数；③对于设置多组并网参数的机组，往往根据运行经验确定抽水工况下的同期并网参数整定值，同期参数的整定具有随意性，缺乏标准和依据。

上述问题的存在导致抽水蓄能机组在其他工况下尤其是抽水工况下的并网效果不理想，并网过程冲击电流较大，对机组使用寿命和电网稳定性都造成不利影响，有时甚至出现主变差动保护误动、机组并网失败等现象。

针对抽水蓄能机组抽水工况下同期并网所存在的问题，国内外学者和现场专家开展了大量的研究工作，提出了一系列的解决方案。文献[1]分析了发电工况和抽水工况下合闸导前时间的差异，并根据十三陵蓄能电厂的情况，对相应的同期合闸导前时间重新进行了整定。该方案只分析了合闸导前之间，对于抽水工况并网过程中其他参数的变化情况未作分析，没有形成一套完整的参数整定方法。

文献[2]、[3]分析了在仅调整合闸导前时间的情况下，依然会出现的同期并网失败的情况，原因在于允许频率差没有改变，在较长的合闸导前时间之后，会导致合闸时刻相角差过大，引起合闸失败。文献[2]认为应当提高准同期装置精度，准确测量并网过程频率变化，并通过实验调整参数，以实现更好的并网效果，文献[3]提出减小合闸允许的频率差，并增大允许的相角差来提高并网的成功率。文献[4]指出了并网过程中频率将因电源切换而发生变化，提出采用多次并网实验的方法，试验出合理的并网参数。

以上文献虽然注意到了抽水蓄能机组在抽水运行工况下导前时间较长的问题，也意识到了抽水工况不同的启动过程会给同期并网带来较大影响，也从修改整定值、提高装置性能等方面提出了相应的改进措施，但所提的解决措施多是依靠经验和实验的方法，没有形成完整的同期并网参数整定计算方法。

本文针对抽水蓄能机组抽水工况下同期并网的要求和特点，从机组数学模型本身出发，推导各同期并网参数之间的数学关系，提出满足抽水蓄能机组抽水工况要求的同期并网参数整定方法，对提高机组同期并网的成功率、减小并网冲动电流具有重要意义。

1 抽水蓄能机组抽水工况下启动过程分析

抽水蓄能电机组转换为抽水运行工况时，有几种不同的启动方式[5]：同轴电动机启动、异步启动、同步（背靠背）启动、半同步启动以及静止变频器（Static Frequency Converter，SFC）启动等。目前各抽水蓄能电站一般采用SFC启动作为主启动，以背靠背启动作为备用启动，采用不同的启动方式，并网过程并不相同。因此，启动方式对并网参数的整定具有极大的影响，为了得到抽水工况下并网参数的整定方法，首先必须对上述抽水工况下两种主要启动方式进行详细分析。

1.1 SFC启动过程

SFC启动方式是利用晶闸管变频器产生频率可变的交流电源对蓄能机组进行启动[6]。静止变频器包括两组三相桥式晶闸管，第一组为整流电路，第二组为逆变电路，将输入的三相交流电先整流后逆变，以得到各种所需频率的三相交流电。通过转子位置检测装置输出转速及位置信号，由变频器控制调整晶闸管的导通角，用此来进行转速和整流控制。变频启动方式具有设备静止、运行维护方便、启动容量大、启动速度快、工作可靠性高，对系统冲击小等诸多优势，现已被用作各蓄能电站的主启动方式。

蓄能机组的SFC启动过程的一般过程为：在确定机组开机条件后，投入SFC装置与被启动机组间的选择开关和断路器，使被启动机组于SFC装置连接，机组加上空载额定电压的励磁，然后投入SFC装置电源，静止变频器开始向电动机定子输入频率从零开始，逐步上升的三相交流电，定子三相电流所产生的旋转磁场与已励磁的转子磁场相互作用下产生加速力矩，机组转速随之逐步上升，当水泵电动机转速大于15%额定转速，对水泵转轮室充气压水，在第一次将转轮室水位压到转轮以下，压水气系统通过其控制系统和水位信号反馈，自动调节补气和停止补气，保证在整个启动过程中维持转轮室水位在转轮以下。

当转速上升到频率大于或等于49.5Hz时，开始进入同期并网阶段，自动准同期装置按照预设同期参数，对机组的端电压、频率进行调节，当各项参数满足并网要求时，自动准同期装置发出合闸命令，SFC调节器马上被闭锁，电流衰减并打开SFC输出断路器，随后闭合并网断路器，机组转换为由电网供电，实现并网，机组转入抽水运行，完成启动。

可以看出由SFC启动的准同期并网过程，因为机组在并网前后分别由两种电源供电，即机组需要从由启动发电机变为由电网供电，为避免两电源同时供电现象的出现，在同期系统发出“并网”指令后的一段时间，变频器停止，启动回路断开，使水泵处在无动力状态，仅靠自身惯性继续旋转，即需要在变频器停止工作并且等待SFC启动回路开关分闸后，再完成同期并网合闸操作，机组转由电网供电运行。

1.2 背靠背启动过程分析

同步启动又称背靠背启动或对拖启动。同步启动时用本电站或相邻电站的一台常规发电机组或蓄能机组做发电机运行来启动其他蓄能机组抽水，现作为抽水蓄能电站的备用启动方式被广泛采用。

背靠背启动的一般步骤为：开机前将被启动机组与启动机组在电气上连接，并分别加上励磁。将转动起来的发电机产生的低频电源直接加在电动机定子上，电动机在同步转矩作用下跟随发电机逐步升速。当被拖动机转速至15%额定转速，进行与SFC启动时同样的充气压水操作，并同样保证在整个启动过程中维持转轮室水位在转轮以下。当转速升到80%额定转速时，投入各自的励磁调节器。

当被拖动机速度大于90%额定转速，发出被拖动机准备同期命令，利用机组控制系统调节机端电压和被拖动机转速，符合同期条件时，自动准同期装置发出并网指令，随后首先断开拖动机组断路器，将两台机组分开，闭合被拖动机组并网断路器，并使拖动机转至事先已选择好的稳定状态（停机或发电），被拖动机并网后进入水泵抽水运行，完成并网。

背靠背启动的同期过程与SFC启动的同期过程类似，同样存在机组供电电源的转换问题。同期装置发出“并网”指令后，拖动机组拖动回路断开, 使水泵处在无动力状态，仅靠自身惯性继续旋转，即需要在背靠背启动回路开关断开后，再完成同期合闸操作，水泵转由电网供电运行。

2 抽水蓄能机组抽水工况下并网过程分析

通过上述分析可见，抽水蓄能机组在不同的启动方式下，都要经历一个电源切换的过程，该过程会导致抽水工况下同期并网的合闸导前时间变大，进而影响同期并网期间电气量参数的变化，最终影响同期合闸时的冲击电流大小。

2.1 启动电源切除瞬间端电压变化情况的分析

在两种主要启动方式下，都需要将启动的拖动电源切除，使蓄能机组短时间内处于无动力状态，依靠转子自身惯性维持运行，随后完成与电网的并列，改由电网提供电能。因此，待并网的机组在断开启动电源后，机组将会从当前由启动电源供电，转变为依靠转子惯性转动，相应的其端电压向量会产生突变。

从图1凸极同步电动机向量图[7]中可以看出在同步电动机状态下，端电压超前励磁电动势功率角δM，但在断开启动电源供电后则会导致于是有即端电压向量与励磁电动势向量重合。

图1 凸极同步电动机向量图

式中f为频率，N1为每相绕组总的串联匝数，kw1为电枢绕组系数，Φ0为每极的主磁通。由式（1）可见，由于启动电源切除瞬间励磁电流和转子转速（由于机组较大的机械惯性）基本保持不变，基本保持不变，而将滞后δM，幅值也会发生相应变化，最终与幅值保持一致。

结合图1，忽略电枢电阻Ra可得

将IqM=Icos（ϕM+δM）代入式（2）并化简可得到δM的计算公式：

同时根据

2.2 机组依靠惯性运行过程中相关变化过程的分析

在启动电源完全断开到并网完成的过程中会有一段延迟时间。在这段时间内，机组处于依靠惯性运行的空载运行状态，由于没有原动机提供的驱动转矩T1，机组原有的空载转矩平衡T1=T0被打破，只有空载转矩T0仍存在，发电机将减速运行。该减速运行过程引起的机组频率下降以及合闸相角差的偏差将对并网过程产生重要的影响，因此必须对该过程中频率变化规律f（t）和合闸相角差变化量∆θ进行分析和公式推导。

空载转矩T0的表达式为：

其中pFe为定子铁损，pmec为机械损耗，Ωs为当前系统同步角速度。对于式（6）中各损耗有[8]：

式中，ph为磁滞损耗，pe为涡流损耗。

式（8）、式（9）中，σh、σe均为取决于材料性能的常数，f为系统的同步频率，B为磁通密度振幅，G为铁芯总重量。

式中，p为电机磁极对数，v为转子圆周速度，lt1为定子铁芯总长度。对于v有：

式中r为转子半径。

考虑到Ωs=2πf，同时将式（7）～式（11）代入

式（6），可得

在当前仅有空载转矩情况下，转子旋转的角加速度a与转矩的关系式为：

其中，J为转子的转动惯量。根据角速度ω与角加速度的关系可得：

本文仅考虑从启动电源切除至并网合闸完成期间较短时间内频率的变化，所以公式中的磁通密度振幅▯可视为常量，故将ω=2πf代入公式（12）后，将仅存在一个与时间相关的变量f （t），再将式（12）、式（13）代入，并整理得：

不难看出式（15）中含有大量常系数，为方便后续运算，将这些系数进行简化，令：

对式（16）两端求导可得微分方程：

取f （0）=f0解该微分方程，可以得到频率随时间变化的数学模型，即：

为进一步简化表达形式，现令：

将式（19）、式（20）代入式（18），得：

3 抽水蓄能机组抽水工况下并网参数计算与整定方法

对于各种工况下的同期并网，理想的并网条件有三个[9]：

（1）抽水蓄能机组的机端电压幅值UG与电网的电压幅值UX相等；

（2）抽水蓄能机组的频率fG与电网频率fX（50Hz）相等；

（3）并网开关合闸瞬间，抽水蓄能机组机端电压的相位与电网电压的相位相等（相角差δi等于 0）。

结合抽水工况的运行特点，为实现理想的并网条件，需对以下参数进行计算整定：

（1）合闸脉冲导前时间TDL；

（2）允许合闸电压差的高限dUmax和低限dUmin；

（3）允许合闸频率差的高限dfmax和低限dfmin；

（4）相角差补偿量∆ϕ。

3.1 合闸脉冲导前时间

合闸脉冲导前时间与启动方式有关，以SFC启动和背靠背启动两种方式为例，对应合闸脉冲导前时间为TDL=t1+t2，其组成如表1和表2所示。

表1 SFC启动方式下的合闸脉冲导前时间

表2 背靠背启动方式下的合闸脉冲导前时间

3.2 允许合闸电压差

允许合闸电压差的整定可根据式（5）计算∆U。式中其他各项参数为额定电压和频率运行时，对应的机端电压、电流及功率角数据。∆U可以认为是抽水工况与发电工况两种情况下同期并网的电压差整定值的差异，因此对抽水工况下同期并网电压差上下限值的整定，在发电机工况下的同期并网电压差值上下限的基础上加∆U，即可分别得到新的dUmax、dUmin，以此作为抽水工况下同期并网的电压差上下限值整定值。

3.3 允许频率差

取初始频率f0等于额定频率（50Hz），利用式（21）可计算出f（t2），该值为考虑不同启动过程后的机组实际频率值。令∆f=f（t2）-f0，为实际频率值与额定频率值之间的误差，对抽水工况下允许频率的上下限值整定可以在发电机工况下整定值的基础上加∆f，即可得到新的dfmax、dfmin，则以此作为抽水工况下同期并网的频率差上下限值整定值。

3.4 合闸相角差

由式（21）可得到频率变化表达式，设同期合闸信号开始发出至启动电源切除的延时为t1，从启动电源切除至并网合闸完成的延时为t2，而并网合闸过程的总延时设为t，则t=t1+t2。

系统频率视为定值fs，机组初始频率取f0，合闸过程中相角差的变化量为：

整理得：

上式表明：当同期并网的频率上下限值调整后，同时考虑较长的合闸脉冲导前时间，会给同期并网的相角差带来较大影响。为了克服上述影响，可以通过设置合理的相角差补偿参数∆Φ，抵消相角偏差给同期并网带来的不利影响。

首先求取δM，该电气量在计算允许合闸电压差过程中，通过式（3）就可以同时得到，之后利用式（23），计算出∆θ。考虑到∆Φ是以电网侧电压超前机组侧为正，故有：∆Φ=δM-∆θ。所以如果要考虑机组等待并网过程中频率变化对相角差的影响，可以先根据式（23）估算出相角差的变化，然后设置相应的角差补偿参数∆Φ来补偿相角差的变化。

4 结论

本文在对抽水蓄能机组抽水工况启动方式和运行特点分析的基础上，推导了抽水工况下机端电压、机组频率、系统电压与机组电压相角差等同期并网参数的变化规律，结合各种启动方式下合闸脉冲导前时间的不同，给出了抽水工况下合闸脉冲导前时间、允许电压差上下限值、允许频率差上下限值和允许相角差几个重要同期并网参数的整定计算方法。该方法为抽水蓄能机组抽水工况下整定合理的同期并网参数提供了理论依据，可以改变长期以来凭经验或实验结果设置同期并网参数的现状，对于减小机组抽水工况下同期并网的冲击电流、延长机组使用寿命和提高系统稳定性具有重要意义。

[1] 李红伟.蓄能电厂实现多工况无冲击同期并网问题分析及解决方法[J].水电厂自动化，2008，29（2）：69-71.

[2] 徐庆芳.十三陵蓄能电厂机组并网不成功原因分析和解决方案[J].水电自动化与大坝监测，2007，31（3）：27-31.

[3] 赵涌，彭文才，刘成俊.在抽水蓄能电站中遇到的同期问题[J].水电自动化与大坝监测，2013，37（5）：71-74.

[4] 施美霖.多套参数同期装置在抽水蓄能电厂同期回路中的应用[J].水电厂自动化，2008，29（3）：42-45.

[5] 杨莹，潘雪石，许翔.抽水蓄能机组抽水工况启动方式分析[J].河北电力技术，2011，30（S0）： 9-11.

[6] 黄晖.抽水蓄能机组微机励磁及变频启动问题的研究[D].武汉：华中科技大学，2004.

[7] 王秀和，孙雨萍.电机学.北京：机械工业出版社，2009.

[8] 戴文进，张景明.电机设计.北京：清华大学出版社，2010.

[9] 王葵，孙莹.电力系统自动化.北京：中国电力出版社，2012.

郝国文（1981—），男，本科，工程师，电气，主要研究方向：常规水电厂和抽水蓄能电站电气二次设备管理。

李建光（1978—），男，本科，高级工程师，电气，主要研究方向：常规水电厂和抽水蓄能电站运检技术管理。

张志明（1991—），男，硕士研究生，主要研究方向：电力系统继电保护。

杨艳平（1982—），男，本科，工程师，电气，主要研究方向：抽水蓄能电站运检管理。

Parameters Setting Method for Synchronization of Pumped Storage Power Unites under the Pumping Condition

HAO Guowen1， LI Jianguang1， ZHANG Zhiming2， YANG Yanping3
（1. State Grid Xin Yuan Co.， Ltd.， Beijing 100053，China;2.School Of Electrical Engineering Shan Dong University，Jinan， 250002，China;3. Shan DongTaishan Pumped Storage Power Station Co.， Ltd.， Taian， 270001，China）

This paper presents one kind of parameters setting method for the synchronization of pumped storage power unites under the pumping condition. This method based on the theoretical analysis of the synchronization process of the pumped storage unites.Combined with the synchronization parameters setting principle of generating units， the method is finally obtained through mathematical formula derivation.According to the difference of the closing pulse leading time，the change of voltage and frequency of unites within closing pulse leading time are deduced. Then， the allowable voltage difference， frequency difference and phase-angle difference of synchronization could be figured out. The parameters setting method in this paper provides the theoretical foundation for synchronization parameters setting of pumped storage power unite. This method is significant for decreasing the impact current of synchronization and heightening success ratio of quasi-synchronizing paralleling.

pumped storage; pumping operation mode;quasisynchronizing paralleling; synchronization parameters