变速抽水蓄能机组水泵方向启动过程的监控流程研究

赵 博，秦 俊，高 翔

(1. 国网新源控股有限公司技术中心，北京 100161；2. 国家电网公司抽水蓄能技术实验室，北京 100161)

0 引 言

随着智能电网中风力发电、光伏发电等间歇性可再生能源发电系统的大规模接入，电网对系统的稳定性运行，尤其是昼夜频率控制提出了更高的要求。抽水蓄能电站在电网中调峰调频的作用日益增大[1,2]。然而，目前国内主要使用的定转速抽水蓄能机组在水泵工况运行时，输入功率不可调节，无法配合电网快速有效地进行频率调节。相较于定转速抽蓄机组，转子侧采用交流励磁形式的变速抽蓄机组，在水泵工况下亦可通过调节机组的转速，在一定范围内调节机组的输入功率，参与电网频率的自动控制[3,4]。

可变速机组可分为定子变频机组、转子交流励磁式变速机组以及转子变极机组等多种形式，本文所提及的变速机组专指转子交流励磁式可变速机组。目前，日本及欧洲等国已有可变速机组投入商业运行。我国丰宁二期等在建抽水蓄能电站将成为国内首批安装转子励磁式可变速机组的电站。合理的监控流程可以增加机组的启动成功率，而监控流程中的错误将直接导致机组事故停机，启动失败。由于国内尚未有可变速机组并网运营，国内关于可变速机组调试及启动流程的文章尚处空白。

变速机组转子侧采用与定子绕组相似的三相交流分布绕组结构，转子绕组通过变频器与电网相连，可以实现能量从电网的吸收与回馈。通过控制转子电流的频率，可以在一定范围内改变机组的转速。由于机组结构与传统定速机组有着较大的区别，变速机组的启动方式，尤其是水泵工况下的启动方式与定速机组存在差异。因此，需要针对变速机组设计相应的水泵方向启动监控流程，以使机组能够安全可靠的启动。

变速机组可以采用静止变频器(static frequency converter，缩写SFC)启动或背靠背启动的传统水泵方向启动方式，也可采用自启动这一特有的启动方式。SFC和背靠背启动的监控流程与传统定速机组基本一致，只是由于可变速机组将同期检测并网的功能附加到了转子励磁控制系统中，同期并网环节的监控流程需进行修改。而可变速机组在水泵工况下自启动的监控流程与定速机组启动存在较大差异，需要根据自启动的方式对监控流程进行重新设计。

1 水泵方向同期并网过程分析

1.1 定速机组同期并网过程分析

定速机组SFC启动过程中，当转速达到预设的同期装置启动转速后，同期装置启动，其根据机组端电压与电网侧电压的差值，同时给SFC和励磁发送信号，调节机组转速及端电压。同期并网时，机组端电压与电网侧电压的频率、幅值和相角必须限制在规定的范围内，以减小机组并网时对电网的冲击。机组端部的相电压可由公式(1)求得。

E0=4.44N1kw1fφ0

(1)

式中：N1为一相绕组串联匝数；kw1为绕组系数；f为频率；φ为每极主磁通量。

端电压的幅值与每极磁(调整行间距)通量和转子频率成正比。SFC启动过程中，每极磁通量由励磁系统控制，转子频率由SFC控制。同时，端电压的频率由SFC控制，而相角亦有SFC控制。当机组频率与电网频率完全相同时，相角差将保持不变。当机组的相位落后电网相位时，通过SFC增大拖动力矩使机组频率高于电网频率，从而缩小相位差，待机组电压相位接近电网电压相位时，减小机组频率，使机组频率略高电网频率，以延长两者相角差满足规定要求的时间，增加同期并网成功率。因此，同期过程开始后，同期装置需要同时控制SFC和励磁系统，以使机端电压与电网侧电压的幅值、相位和频率满足同期要求。

背靠背启动过程中，拖动机与被拖动机同步加速到同期装置启动预设值后，同期装置启动。同期装置通过控制拖动机的导叶开度，调节拖动机和被拖动机的转速，进而调节被拖动机机端与电网侧的电压相角差。通过调节被拖动机的励磁电流和转速控制被拖动机机端与电网侧的电压幅值差。因此，背靠背启动同期过程开始后，同期装置需要同时控制被拖动机的励磁系统和拖动机的调速器系统，以满足同期并网要求。

根据以上分析，定速机组必须调节转子的实际转速来满足并网时对电压相角差和频率差的要求。其根本原因在于定速机组转子励磁电流产生的磁场与转子在空间上相对静止，只有改变转子的物理转速，才能改变转子励磁系统产生的磁场相对于定子绕组的切割速度，从而改变感应出的定子端电压。

1.2 变速机组同期并网过程分析

可变速机组在国外抽蓄中广泛应用的结构是转子侧采用分布绕组的结构形式，通过控制转子交流励磁系统的频率，在一定范围内改变机组的转速[3]。可变速机组的系统原理图如图1所示。受到转子散热能力，变频器容量及经济性等条件的制约，这种形式的可变速机组转速变化范围一般在±10%以内[5]。

图1 可变速机组系统原理图

转子交流励磁式变速机组的转子励磁系统可以产生一定频率范围内的交流电流，也可产生直流电流。因此，转子励磁电流产生的空间磁场相对于转子的位置和频率是主动可控可调节的。由于转子磁场波峰波谷的位置以及相对定子的频率都由转子电流瞬时控制，因而，其在定子中感应出的端电压的幅值、频率和相角也可由转子励磁系统实时控制。有了这一优势，在变速机组水泵方向启动过程中，转子转速达到可变速范围内之后，转子励磁系统可以根据此刻电网侧电压的幅值、相角和频率，迅速调节转子三相励磁电流的幅值和频率，使其产生适当的转子磁场，在定子中瞬时感应出满足同期并网条件的端电压。机端与电网侧电压幅值差、频率差和相角差满足同期规定后，机组即可并网。

变速机组同期并网的过程中，无需同期装置对转动惯量较大的转子进行转速调节，大大缩短了同期时间，进而缩短了机组的启动总时间，增强了电网应对突发情况的能力。

2 SFC启动和背靠背启动监控流程的修改

SFC启动和背靠背启动是常规定转速机组水泵工况启动的两种常用方式。可变速机组也可以采用这两种方式进行水泵工况启动。在抽蓄电站有定转速机组以及SFC的情况下，采用SFC和背靠背方式启动可以减小可变速机组转子变频器的容量，从而增加变速机组的经济性。由于变速机组并网时无需转子达到额定转速，只需转子在可变转速范围内，通过调节励磁电流频率，即可满足同期并网条件。因此，通常不另设同期装置，将同期功能整合到转子变频器的控制系统中。变速机组达到同期条件前的监控流程与常规机组基本相同，达到同期条件后，监控流程进行适当的修改。

可变速机组监控系统的原理框图如图2所示。以电站共有4台机组为例，现地控制单元1～4分别控制1～4号机组，而SFC系统由于厂房布置时离机组一般较远，需要单独由现地控制单元5控制。现地控制单元之间通过交换机通信。交流励磁控制系统与调速器控制系统等分系统之间均可通过现地控制单元进行数据交换。一套SFC设备和两台可变速机组的主接线原理图如图3所示。

以1号机SFC启动为例，启动过程需要现地控制单元1和现地控制单元5协同配合。假设可变速机组的调速范围为±10%，SFC启动的监控流程简图如图4所示。在抽水工况刀闸合闸，被拖动刀闸合闸，充气压水完成以及设置保护到抽水调相模式等前期流程完成后，设置励磁系统为SFC启动态直流模式。此时，转子侧励磁系统输出的电流为直流，其形成的转子磁场相对转子静止，这与常规机组SFC启动时类似。监控确认励磁系统投入后，启动SFC，机组开始升速，当机组转速达到额定转速时，监控给SFC输出开关分闸令，停止SFC对机组的拖动，确认SFC输出分闸后，监控给励磁系统励磁模式转换令，励磁系统由直流励磁模式切换到交流励磁模式，同时启动励磁系统的同期功能，励磁系统通过判断机端与网侧的电压幅值、频率和相角差，满足同期条件后，合发电机出口断路器(GCB)并网。

图2 可变速机组监控原理框图

图3 SFC和背靠背启动主接线原理图

图4 可变速机组SFC启动流程简图

背靠背启动的监控流程相对复杂，拖动机与被拖动机有各自执行的流程。以1号机与2号机背靠背启动为例，需要现地控制单元1和现地控制单元2协同配合，完成背靠背启动。其主要的监控流程如图5所示。可变速机组背靠背启动中，拖动机组的励磁系统始终设置为直流励磁模式，被拖动机组的励磁系统与SFC启动时的设置相同。当机组转速达到100%额定转速后，分拖动机GCB，监控给被拖动机励磁系统励磁模式转换令，被拖动机励磁系统由直流励磁模式切换到交流励磁模式，同时启动励磁系统的同期功能，励磁系统通过判断机端与网侧的电压幅值、频率和相角差，满足同期条件后，合被拖动机GCB并网。

图5 可变速机组背靠背启动监控流程简图

常规定转速机组SFC拖动并网过程中，由于转子惯性较大，从同期装置启动同期到机组并网成功，需要经过数秒钟的时间。背靠背拖动过程中，同期装置启动后，需要通过调节导叶开度来控制机组转速，从启动同期到并网成功时间较SFC拖动更长。而可变速机组取消同期装置后，将同期判断的功能整合到励磁控制系统中，在可变转速范围内，机组可以在任意转速并网，电流调节的时间远小于常规机组转速调节的时间。因此，监控流程修改后的可变速机组同期时间较常规定速机组大大缩短。

3 水泵方向自启动模式的监控流程

可变速机组在转子变频器的容量足够大的情况下，可以具备水泵方向自启动的能力。具备自启动能力的机组可以省去SFC装置，也无需背靠背系统。以1号机自启动为例，其监控原理框图仅包括图2中现地控制单元1的部分，无需与其他现地控制单元通信，监控原理较为简单。变速机组自启动的电气原理如图6所示。与SFC拖动和背靠背拖动相比，省略了SFC，启动母线，启动母线刀闸，拖动刀闸，被拖动刀闸等电气一次设备，简化了系统的复杂度及各系统的配合难度，有利于提高机组的启动成功率。

机组启动前，合自启动刀闸S2，机组定子绕组三相对称短路。转子绕组通以低频交流电流，产生出的旋转磁场切割定子绕组，感应出定子电流，从而形成定子磁场产生启动力矩。这一启动方式的原理与传统异步电机启动的原理相同。为增大启动力矩，减少启动电流，可以采用增大转子电流，同时在定子回路中串电阻的方法。

启动过程中，为保证转子磁场始终同方向切割定子绕组，随着转速的增加，转子励磁交流的频率逐渐增大。当转速达到100%额定转速时，监控给励磁下达停交流励磁令，之后下令分励磁输入开关S1，励磁断开后，处在三相短路状态的定子三相绕组的电流减小为零，由于自启动刀闸S2并不具备分断大电流的能力，监控必须确认收到S1分闸的信号后，才可以发出分S2的信号。监控确认收到S2分闸信号后，再次合励磁输入开关S1。励磁调节系统根据当前机组转速以及电网侧电压的幅值、频率和相角，调节励磁电流的幅值和频率，满足同期并网条件后，合GCB并网。自启动过程中，机组转速随时间变化的示意图如图7所示。自启动的第一阶段升速与常规机组SFC启动的升速过程类似，启动时的加速度较大，随着转速上升，加速度逐渐减小。当转速达到100%额定转速后，励磁输入开关S1断开，启动过程进入第二阶段，机组的升速力矩降为零，机组减速。由于自启动过程是在抽蓄机组调相压水过程完成后进行的，水轮机的转轮在空气中旋转，空气阻力相对于机组惯性很小，机组减速过程缓慢。待定子短路刀闸拉开后，励磁输入开关S1合闸，励磁系统快速调节机组端电压，使其满足同期并网条件，机组并网，机组进入启动第三阶段，机组可以根据调度要求在可变速范围内调节机组升降速，机组启动过程完成。

图7 自启动过程机组转速变化示意图

自启动监控流程设计的关键是在转速达到100%额定转速，要先停交流励磁，确定励磁输入开关断开后，再分定子短路刀闸，以免定子短路刀闸带大电流分闸，烧蚀刀闸触头。水泵方向自启动的流程充分考虑了监控、电气以及水机等系统的协同配合问题，有利于增加机组的启动成功率。

4 结 语

本文分析了转子交流励磁式变速机组的三种水泵方向启动方式，分析结果表明：

(1)变速机组水泵方向同期并网过程中，无需调节转子转速，只需调节励磁电流的幅值和频率，缩短了同期时间。

(2)变速机组的SFC启动和背靠背启动需修改同期过程的监控流程，修改后，应可满足机组正常启动过程。

(3)变速机组采用自启动方式时，电气一次系统结构较为简单，有利于提高机组的启动成功率。根据变速机组自启动的原理，提出了一种满足自启动条件的监控流程，以供探讨。

(4)由于国内尚未有变速机组投产，未来变速机组现场调试期间，需根据机组实际情况，对监控流程进行适当修正。

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