柔性电制动技术在各类型水轮发电机组停机中的应用

李 郑

（中国水利水电第十四工程局有限公司，云南 昆明 650032）

1 电站概述

厄瓜多尔科卡·科多辛克雷电站位于厄瓜多尔Napo和Sucumbíos两省交界，距首都基多约130 km公路里程。安装8台205 MW的立轴冲击式水轮发电机组及其附属设备，总装机1 640 MW，系目前世界单机容量第三大的六喷六折冲击式机组。

CCS工程属EPC项目，承包商为中国电建集团国际公司。电站布置2条压力钢管，每条压力钢管连接4台机组。工程开发主要满足厄瓜多尔国内持续快速增长的电力需求[1]。

2 CCS电制动技术涉及到的相关设备电气参数

水轮机型式：CJ(X)-L-328/6×26.5，额定水头604.1 m，额定流量34.8 m3/s，额定效率91.56 %，额定转速300 r/min，额定比转速44.19 m·kW，喷嘴数目6，水斗数目21，水斗节圆直径3 280 mm，射流直径265 mm，额定出力188.266 MW，最大出力192.85 MW，飞轮力矩发电机GD2≥ 6 000 t·m2。

发电机额定参数：205 MVA、60 Hz、13.8 kV、 8 576.6 A、额定励磁电流1 951 A、空载励磁电流1 093 A、空载励磁电压81.3 V。

励磁变：容量1 700 kVA，变比13 800/502 V；电制动变：容量800 kVA，变比480/100 V。

电短路开关（额定值）：13.8 kV 6 kA三相。

电制动变全厂共2台，4台机组共用1台电制动变，采用环氧干式户内，F级绝缘，自冷式型式，制动变二次侧分别安装4只电动操作断路器，分别引至4台机组的励磁柜，其额定容量满足4台机组同时停机电气制动最大电流的要求。

CCS冲击式机组,其尾水位与转轮有一定的距离，见图1,尾水为无压流动,转轮在空气之中旋转，与其它机型不同，停机喷针及折向器全关后，转轴旋转的惯性力靠几道轴承的摩擦阻力缓慢减速，若不外加制动阻力，自由停机时间将会长达60 min。因此冲击式机组，在推力瓦轴承下必须配套足够容量而又可靠的高油压顶起装置，在开停机过程中，转速小于95%Ne时，投入高油压顶起装置，确保推力瓦面有油膜，且要减少停机时间，必须采用制动功能，进而防止瓦温过高而损坏。

图1 CCS水轮机基本尺寸及外形简图/mm

冲击式水轮机停机过程与机组设计构造有关，一般是两种停机方式：①电制动加机械制动停机；②反冲加机械制动停机。电气制动的水轮机停机程序是：首先是折向器和喷针同时动作，折向器动作在2～3 s内将喷嘴水流全部偏转离开水斗式转轮，喷嘴的喷针完全关闭一般在30 s左右，当机组转速降低到额定转速的60%以下，电制动投入，当机组转速降至额定转速的20%（推力塑料瓦）、25%或30%（一般的巴氏合金瓦）时，投入机械制动。反冲制动的水轮机与电气制动程序相似，只不过此时投入的不是电气制动，而是开启反冲喷嘴水流冲击水斗式转轮制动。冲击式机组停机时间比混流式及其它机型时间长，若不加电气制动或者反冲制动，停机时间一般会超过30 min。

3 柔性电制动过程

当水轮发电机组解列、灭磁时，待转速下降到额定转速的60%以下投入电制动。将发电机定子在机端出口三相短路，通过PLC程序，励磁调节器转到“电制动模式”运行，提供制动电源给发电机转子绕组提供励磁电流。转动的机组，定子在转子磁场的作用下，产生感应短路电流，此时产生的电磁力矩正好与转子的惯性转向相反，起到电制动的作用。由软件及PLC控制实现的电制动功能，称为柔性电制动。柔性电制动功能，仅适用于水轮发电机机组。

柔性电制动参数的选择：

电制动力矩ME[2]的产生，其与转速的关系：

式中：ME——电制动力矩；Id——定子短路电流；R——定子绕组每相电阻；n——机组转速。

根据式（1）可知： ①ME与Id2成正比；②ME与n成反比。停机中早些电气制动，对缩短停机时间帮助不大。在柔性电制动过程中，因为Id基本不变，所以随着n的下降,ME反而加大，这就是电制动的特性,制动力矩的最大值出现在机组将停止转动前的瞬间。为了获得最大的电制动力矩ME，根据发电机定子容量，使Id约等于额定定子电流。要获得额定定子电流，根据发电机短路特性，励磁电流应达到发电机空载额定励磁电流值。

由监控系统与励磁装置配合，励磁装置配置的PLC来完成具体的电制动流程控制。当机组正常停机过程中，励磁调节器处于“电制动模式”方式即与“手动方式”一致（除电流给定为电制动电流给定值，控制励磁装置向转子绕组输出恒定的励磁电流，电制动时的电流给定值通过调试软件设定）。若一味追求缩短停机时间，会产生安全风险，以额定定子电流为标准为佳，若要追求缩短停机时间则是以1.1～1.3倍额定定子电流为宜。

4 柔性电制动主回路接线形式

CCS电站采用自并励接线方式，励磁变直接取自于发电机机端，较为普遍的接线方式见图2。电制动期间，励磁系统向发电机转子绕组提供的励磁电流一般不超过空载额定励磁电流值，所以，制动变的容量可以选得较小。在发电工况和电制动工况下，整流电源需经由操作回路控制整流桥交流侧断路器QL1和QL2切换。

图2 柔性电制动主回路接线图

5 柔性电制动的工作流程[3]

柔性电制动过程的流程控制是通过励磁系统的电气制动专用PLC来实现的。

柔性电制动的工作流程：

（1）检测电制动投入的条件：

机组正常停机令→减有功、减无功至基荷→跳开机组出口断路器→全关折向器、喷嘴→机组无事故→机端电压小于10%Ue→机组转速60%额定值及以下。

（2）当装置PLC检测到电制动投入命令并判断条件满足后，依次闭锁发电机继电保护、跳开QL1,合RES、合QL2 。

（3）装置转入“电制动”模式，使得励磁系统向转子绕组输出设定的励磁电流值，形成制动力矩而实现柔性电制动。

（4）在电制动过程中，任何一步不满足电制动条件，PLC都将发信号并转监控流程转速30%时投机械制动，并向计算机监控系统发送报警信号，电制动退出；同时进入（7）步。

（5）当机组的转速小于5%时，电制动完成，PLC向励磁调节器发出逆变灭磁信号，灭磁成功后进入（7）步。

（6）逆变灭磁失败，PLC将跳灭磁开关，然后进入第（7）步。

（7）当完成（3）、（5）、（6）步后，PLC同时发信号分QL2、RES，合QL1,解除发电机继电保护，使励磁装置恢复到正常开机前的状态。

在电制动期间，当遇到以下异常情况：①QL1不能分断，或RES、QL2开关不能合上；②电制动时间过长（超过12 min），则PLC将向监控系统发出电制动失败报警信号，并退出电制动过程。此时转监控流程，转速至30%时，投入机械制动装置而完成机组的制动停机。

6 柔性电制动工况试验

6.1 励磁系统输出电流大小与停机时间长短的试验

考虑到各水电站发电机的运行条件不同，在电制动过程中，装置软件里有设置参数 “电制动给定值”可以修改，根据现场机组情况整定电制动电流的大小，以改善停机时间。

现分别把CCS机组不同励磁电流的混合制动1（电制动50%Ile）、混合制动2（电制动40%Ile）、纯机械制动3种模式在不同转速区间段状态下停机时间列表1比对如下。

表1 3种制动模式对比表

从图3中可查出电制动投入期间的励磁电流约1 008.0 A，接近空载额定励磁电流值（1 093 A），励磁电压为87.0 V，定子电流接近定子额定电流。

图3 停机前及停机期间电制动投入的励磁电流、励磁电压及机组转速关系曲线

图4 停机过程转速下降（30%Ne投纯机械制动）曲线 （历时32 min 46 s）

6.2 混流式、冲击式、抽水蓄能3种机型电制动过程停机时间结果比对

现将混流式、冲击式、抽水蓄能机组的电制动过程停机时间统计如表2。

表2 3种机型电制动停机时间对比表

从表2可知：①3种类型在正常停机时的停机时间趋势为：冲击式最长，正常停机（电60%Ne，50%Ile，机5%Ne）为20 min 46 s；混流式次之，正常停机（电60%Ne，50%Ile，机：5%Ne）为8 min 7 s；抽蓄最短，正常停机（电50%Ne，50%Ile，机：5%Ne）为4 min 45 s；②冲击式混合制动投入的明显程度：正常停机（电60%Ne，50%Ile，机5%Ne）较明显，比（电50%Ne，50%Ile，机5%Ne）节省7 min 39 s；③冲击式机组停机时间比混流式机组时间长很多，如果不加电气制动或者反冲制动，仅在30%Ne以下时投入机械制动，停机时间长达30 min多；④冲击式机组停机时间最短（电制动效果较佳）的工况为正常停机（电60%Ne，50%Ile，机5%Ne）的工况（用时20 min 46 s）。

7 结论

柔性电制动可靠、适用、方便，对冲击式机组,制动效果较好，是一种理想的清洁环保自动控制技术，无噪声、无碳化、无污染，满足冲击式水电站机组停机制动的时间要求。清洁环保无污染的电制动方式在世界水电工程中已广泛应用。