抽水蓄能机组启动与停机的励磁控制策略研究

余 振，葛东平，黄 志

（国电南瑞科技股份有限公司，江苏省南京市 211106）

0 引言

抽水蓄能电站机组既能在电网负荷高峰时作为发电机发电，也能在负荷低谷时作为电动机抽水蓄能，具备调峰、填谷、调频、调相、事故备用等多种用途，具有启动快、反应灵敏、负荷跟踪迅速的特点，同时对励磁系统的控制能力和可靠性提出了更高的要求[1]。目前抽水蓄能电站中应用最多的是可逆式电动发电机，区别于一般的水电机组，抽水蓄能机组除了正常的启动模式之外，工作在电动抽水工况时需要专门的启动措施，由发电工况向抽水工况转换时有换相要求，停机时需要电制动[2]。

机组在进入电动机工况时可以采用多种启动模式：同轴电动机启动、全电压异步启动、半电压异步启动、背靠背启动（同步启动）、半同步启动和变频启动。考虑到抽水蓄能机组启动对电网运行稳定性的影响、前期投资成本、后期维护成本等诸多因素，目前国内外运行的机组一般以SFC变频器启动作为主要启动模式，以背靠背启动作为备用方式[3，4]。

1 SFC变频器启动

变频启动是利用晶闸管变频器产生频率可变的交流电源对电动发电机进行启动，是抽水蓄能电机启动的一种新方法，在国内外抽水蓄能机组得到了广泛的应用。静止变频器（SFC）包括两组三相桥式晶闸管，其中一组用于整流，另一组用于逆变。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，以此来进行转速和整流控制。变频启动方式的优点是设备静止、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[5]。

SFC变频器的一次接线如图1所示。变频启动时同期断路器断开，SFC断路器1、SFC断路器2闭合。抽水蓄能机组在变频器的作用下加速旋转，当转速接近额定值时投入同期断路器。通过控制变频器同期装置满足并网条件后，同期断路器闭合的同时闭锁SFC变频器（SFC整流桥和逆变桥同时闭锁脉冲），SFC断路器1、SFC断路器2断开，机组并网进入电动状态。

图1 抽水蓄能机组静止变频器启动一次接线图

励磁系统收到“静止变频器启动模式令”之后，控制方式切换为电流闭环，励磁电流的给定值是由静止变频器外部控制的，静止变频器通过输出一个电流信号给励磁调节器来作为电流给定值，来控制励磁电流的大小，使机端电压平稳上升，励磁设备输出转子电压、转子电流信号反馈给变频设备。并网运行后，自动切换为电压闭环控制模式，也可以根据需要选择其他闭环控制方式。

对于励磁设备来说，只是开环接受变频器的一个控制信号，因此在控制流程上没有特殊的要求，然而在SFC启动初始阶段，感应磁通的大小是励磁电流的变化率决定的，因此要求励磁设备对励磁电流的响应速度要快，否则可能造成变频启动无法实现的情况。为此，静止变频器工况启动需设计独立的变增益PID控制模型，如图2所示，该PID参数只在机组变频器启动时起作用，有利于静止变频器检测电动机转子位置，当发电机并网之后，励磁系统控制模型自动切换到电压闭环控制模式，也可以根据需要选择其他闭环控制方式。这样既保证机组静止变频器一次启动成功的可靠性，又不影响机组在其他工况下运行的稳定性。此外，SFC拖动将要到达额定转速时，由于给定励磁电流有提前量，当转速达到额定时，SFC才对励磁电流给定进行调整，所以为防止机端电压过高引起发电机过压或变压器过激磁，励磁系统需要对SFC给定电流最大值进行限制，一般设置为空载额定励磁电流值的1.1～1.2倍。

图2 抽水蓄能机组静止变频器启动控制方框图

在抽水蓄能机组上进行SFC变频器启动试验，励磁调节器进入电流闭环模式，常规自并励励磁系统正常运行时，为防止励磁调节超调量过大和振荡次数过多，电流闭环PID参数通常相对较小。但是在SFC启动时，比例和积分值偏小会导致励磁电流阶跃时，上升速度太慢，SFC采样发电机感应磁通较弱，影响转子角度的测量，因此需要加大比例和积分值，实际经过多组参数测试后确定比例、积分和微分值放大为电流闭环PID参数的2倍以上，在此参数下由于发电机励磁电压已经达到了顶值电压，再放大PID参数对发电机励磁电流响应速度已经不再产生实际作用，因此使用该组参数作为SFC启动PID控制参数值。使用该组励磁模型及参数后，现场SFC启动成功率达到100%。

如图3所示，整个拖动过程发电机机端电压平稳上升，经过约1min后，机端电压顺利达到90%以上，由同期装置经过增减磁控制后发电机转入并网运行。

图3 SFC启动波形

2 背靠背发电、电动启动工况控制

背靠背启动是用一台蓄能机组做发电机运行来同步启动其他蓄能机组进入电动机工况的启动模式。这种启动方式的优点是对电网没有什么冲击，但启动过程的调整和操作比较复杂，需要设置专用的启动母线，而且电站最后一台机组不能用此方法启动，还需配置其他方式的启动设备。因此，目前大型抽水蓄能电站通常采用此方式作为变频启动的备用，当SFC无法正常启动时采用该种工况[6]。

背靠背启动时，启动机组运行在背靠背发电工况，被启动机组运行在背靠背电动工况。两种工况均采用恒励磁电流调节模式。当机组还处于停止状态时，预先给抽水蓄能机组投入励磁。其中背靠背发电工况的机组励磁电流给定值配置为发电工况空载额定值；背靠背电动工况的机组励磁电流给定值需进行现场试验整定。当两种机组加速到额定转速时，通过调节背靠背发电工况的机组同期设备来控制背靠背电动工况的机组同期并网。并网之后，运行于背靠背发电工况的机组励磁设备退出运行[7]。

背靠背启动模式的一次接线如图4所示。两台机组的定子通过拖动机组的负荷断路器及拖动隔离开关用电缆短接起来（两台机组定子的机端相序要保证不一致，以确保发电机和电动机转子的旋转方向不一致），并分别投入各自的励磁系统。逐渐开启水轮机的导叶，让发电机的转速逐步升高，转动起来的发电机将产生的低频电源加到电动机的定子上，并产生启动转矩，电动机在同步转矩作用下跟随发电机逐步升速。当电动机的转速到达额定值后，断开发电机的负荷断路器，闭合电动机的负荷断路器。励磁系统从监控系统得知机组所处的状态后闭锁发电机的励磁系统，抽水蓄能机组进入电动机工作状态，之后自动转换为机端电压或者其他需求的励磁控制方式。

背靠背拖动作为SFC拖动的备用方式，由于背靠背拖动有一定失败可能，如果两台机组转子的初始位置不太理想，容易造成在拖动开始时，拖动机无法拖动被拖动机，导致定子电流过大，保护低频过流动作，拖动失败。因此，拖动机组（发电机）和被拖动机组（电动机）励磁电流选择十分重要，励磁电流给定一般设定为空载励磁电流，实际试验中是将拖动机组和被拖动机组励磁电流给定设定为1和0.9，即拖动机励磁电流给定为空载额定励磁电流，被拖动机组励磁电流为0.9倍空载励磁电流。按这样设定后，拖动成功率有所提高。

图4 背靠背启动拓扑图

如图5和图6所示，整个拖动过程机端电压保持稳定的速度上升，并且与电压目标值相比无超调，对发电机冲击较小，大约1min后被拖动机组和拖动机组电压达到95%额定电压以上，由同期装置经过增减磁控制后发电机顺利转入并网运行。

图5 拖动机组拖动开始波形

图6 被拖动机组被拖动完成转并网波形

3 电制动工况控制

抽水蓄能机组在电网中承担着调频、调峰、事故备用的作用，开停机非常频繁，由于机组单机容量越来越大，发电机的转动惯量也很大，使用传统的机械制动单一制动方式就远不能满足现代运行控制方式的需要，因此大型抽水蓄能机组在与电网解列后的停机过程中均需要进行电制动，其最大的优点是制动转矩大，可以有效地缩短机组减速的时间，满足工况迅速转换的要求。

图7 抽水蓄能机组电制动一次接线图

抽水蓄能机组一次接线如图7所示，具有两种接线方式。左图中，励磁变压器连接在主变压器低压侧，机组停机时变压器依旧带电。当需要投电制动时，只需要合上短路断路器的同时投入励磁设备，利用励磁晶闸管整流元件提供制动所需要的励磁电流。当一次接线按照右图连接时，由于励磁变压器连接在机端侧，机组停机后励磁变压器没有电源无法供电，所以需要增加单独的制动设备，包括制动变压器和晶闸管整流元件，制动所用励磁电源取自厂用电。

当前，抽水蓄能励磁系统设计，一般为励磁变压器接在电网侧，即机组停机时，励磁变压器同样带电，所以在电制动时，可以直接使用励磁变压器的电源进行电制动，不需另外提供制动电源，简化了电气线路。

在发电机组解列后，执行停机操作过程中，先合上短路断路器将定子绕组三相短路，并向励磁绕组中输入恒定的电流，以使定子绕组中产生短路电流，该电流在定子绕组中产生制动转矩，使机组减速制动到停机。在电制动时，为保证短路定子电流恒定，励磁调节采用恒励磁电流调节方式，不随机组转速下降而变化。由于ME=PE/w=3I2R/2πf，而f=nP/60，因此电磁转矩与定子短路电流的平方成正比，与机组转速成反比。由此可见，增大定子短路电流对缩短停机时间十分有效，停机过程中的关键在于低转速区中机组转速下降陡度，只要电制动电流等于甚至大于定子的额定电流，电制动在低速区就能够获得满意的转速下降率，实现机组快速停机[8]。

电制动的控制流程为：当监控系统发出机组停机指令后，检测到发电机转速低于50%额定转速，且导叶处于关闭位置，向励磁系统发出电制动启动令，励磁系统收到监控系统电制动启动令后，检测是否有励磁系统停机令，机端电压低于5%额定电压，如条件满足则励磁系统合上电制动短路断路器、交流侧断路器以及灭磁断路器，励磁调节器进入电制动模式。

电制动时，定子电流一般控制在1～1.2倍额定定子电流，电制动励磁电流一般为发电机短路试验时的额定定子电流的励磁电流。由于电制动时机端处于短路状态，在投入励磁电流时要使机端短路电流尽量缓慢上升，避免对发电机造成冲击，所以电制动励磁电流采用电流闭环方式。为使电流缓慢上升，要通过试验调整PID参数，使励磁电流投入时能够缓慢上升。

现场进行电制动试验，机组停机过程中当电制动启动时如图8所示，整个过程转子电流上升平滑，充分体现了柔性制动的特点。

如图9所示，当转速降到1%额定转速，励磁调节器逆变，待定子电流和转子电流降为零后，分断灭磁断路器、短路断路器及交流侧断路器，电制动程序结束。使用电制动停机后，有效地缩短了机组减速的时间，满足了机组运行工况迅速切换的要求。

图8 电制动启动时波形

图9 电制动停机时波形

需要注意的是：当电制动启动时，由于发电机组电气量的变化可能造成机组保护误动，因此在电制动投入时需要闭锁相关的保护，如负序电流保护、低频过电流保护等，电制动退出后再解除闭锁。此外，对电制动过程要考虑系统的安全可靠性，要设计相应的软硬件闭锁、冗余和容错，例如电制动程序执行应该有一定的时间，超时则励磁系统也要发出超时跳闸的信号并自动退出电制动程序。

4 结束语

本文根据抽水蓄能机组区别于常规发电机组启动和停机的不同方式，设计了励磁系统在SFC启动、背靠背启动、电制动停机工况下相应的控制模型和参数，并在现场进行了多次试验，机组启动和停机的成功率达到了100%。通过现场机组的成功试验和应用，证明了该励磁模型和参数的有效性，能够提高抽水蓄能机组启动和停机的成功率，为抽水蓄能电站提供有力的支撑。

[1] 郭春平，许其品. 抽水蓄能电站励磁和SFC设备国产化发展概述[J].水电厂自动化，2013（3）:60-61.

[2] 李基成.现代同步发电机励磁系统设计及应用（第二版）[M].北京：中国电力出版社，2009.

[3] 赫卫国，华光辉，李臻，周峰. 大型抽水蓄能机组励磁系统设计[J]. 水电自动化与大坝监测. 2011（03）:25-29.

[4] 黄晖，陆继明. 抽水蓄能机组微机励磁控制器的研制[J].大电机技术.2004（5）:65-67.

[5] 吴贤忠，万静英，静止变频装置在大型抽水蓄能机组中的应用[J]. 水电厂自动化与大坝监测.2012（6）:23-26.

[6] 王干军，赵兵.抽水蓄能机组背靠背启动过程中机组励磁配合[J].电力系统及其自动化学报.2013（2）：143-147.

[7] 吕宏水，冯勇，朱晓东，曾继伦，邵宜祥.抽水蓄能机组背靠背启动的研究[J]. 水电厂自动化. 2006（04）:182-189.

[8] 陈遗志，刘国华，仲旻，吕宏水.水电机组电气制动的设计及应用[J]. 水电厂自动化.2007（11）：167-170.