國內(nèi)單機(jī)容量最大抽水蓄能機(jī)組SFC設(shè)計方案分析及改進(jìn)

朱 溪

（浙江仙居抽水蓄能有限公司，浙江 臺州 317300）

0 引言

浙江仙居抽水蓄能電站是國內(nèi)在建及運行的單機(jī)容量最大的抽水蓄能電站。該電站安裝4臺單機(jī)容量為375 MW的混流可逆式水輪發(fā)電機(jī)組，水輪機(jī)額定水頭為447 m。該機(jī)組發(fā)電電動機(jī)在發(fā)電工況下額定功率為375 MW，在水泵工況下額定功率為413 MW。機(jī)組電動工況起動以變頻起動為主，背靠背同步起動作為備用。靜止變頻器（以下簡稱SFC）作為其電動工況下起動的關(guān)鍵裝置，選用了西門子的產(chǎn)品。

1 變頻起動過程及要求

抽水蓄能機(jī)組的變頻起動過程主要包括以下幾個階段：電氣連接建立階段、轉(zhuǎn)子初始位置檢測階段、強(qiáng)迫換相階段、自然換相階段、同期并網(wǎng)階段、拖動退出階段。從控制對象上看，主要通過轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)（圖1）將機(jī)組轉(zhuǎn)速由0拖動至額定值。

圖1 SFC控制圖

在SFC設(shè)計前電站對SFC的設(shè)計提出了基本要求，要求機(jī)組起動過程加速時間不大于4 min，即應(yīng)在4 min內(nèi)將機(jī)組從靜止?fàn)顟B(tài)加速到額定轉(zhuǎn)速，并網(wǎng)時間不大于1 min。同時，應(yīng)滿足抽水蓄能機(jī)組頻繁起停的要求，能連續(xù)逐一起動電站4臺機(jī)組，留有2次起動失敗再起動的裕度，即1個工作周期內(nèi)能連續(xù)起動6次。連續(xù)工作時間應(yīng)不小于6×（4＋1）＝30 min，并具備間隔30 min后再次運行1個工作周期的能力。

2 初步方案

西門子的初步方案如圖2所示。SFC部分主要包括輸入開關(guān)、降壓變、整流逆變橋、升壓變、輸出開關(guān)。SFC輸入、輸出側(cè)分別有電抗器、閘刀與單元主變低壓側(cè)及機(jī)組相連。圖中右側(cè)開關(guān)示意機(jī)組出口開關(guān)。

功率單元由12脈沖可控硅整流器和12脈沖可控硅逆變器構(gòu)成。輸入變壓器采用Dy11／Dd0接線組別，2個并聯(lián)的6脈整流橋之間相位相差30°，組成1個12脈的整流橋。

在起動過程的初始階段，西門子認(rèn)為整個起動過程從0 Hz開始到50 Hz并網(wǎng)結(jié)束，是連續(xù)不間斷的起動過程，在低頻段，升壓變壓器無需旁路也能準(zhǔn)確傳輸能量，整個起動過程中對電機(jī)和整個軸系無任何沖擊，因此其未設(shè)置旁路開關(guān)。

在機(jī)組同期階段，該方案采用跳躍式同期方式。在同期前，SFC將機(jī)組轉(zhuǎn)速拖動至速度目標(biāo)設(shè)定值，斷開SFC輸出開關(guān)，等待轉(zhuǎn)速自然下降至額定轉(zhuǎn)速起動同期。若同期未成功，需要重新建立電氣軸，將SFC輸出開關(guān)重新合上繼續(xù)拖動機(jī)組轉(zhuǎn)速上升，重復(fù)上述同期過程。

3 初步方案的問題及改進(jìn)措施

3.1 起動過程

在初步方案中，轉(zhuǎn)子初始位置檢測存在問題。轉(zhuǎn)子位置的檢測，是通過加勵磁電流測量電機(jī)在靜止（零轉(zhuǎn)速）時輸出的感應(yīng)電壓，進(jìn)而計算轉(zhuǎn)子位置。精確的轉(zhuǎn)子位置取決于從相位上的3個終端電壓。如果有1個升壓變壓器放置在整流器出口與電機(jī)之間，而升壓變壓器的磁性特征是虛假的，因為它先前已經(jīng)被連接或處于飽和狀態(tài)，那么便會在轉(zhuǎn)子位置上造成虛假的測量信號，也有可能是信號不能移動。這會導(dǎo)致錯誤的轉(zhuǎn)子位置。因此在初步方案中，西門子為升壓變增加了1套去磁裝置。

由于增加了去磁裝置，起動過程另增加了4 min的升壓變?nèi)ゴ拧＿B續(xù)起動機(jī)組時，該方案增加了近1倍的起動時間。為減少起動時間，西門子提出了取消配置去磁裝置，增加旁路開關(guān)的方式。

現(xiàn)方案在升壓變增設(shè)一旁路（圖3），在27%轉(zhuǎn)速（該轉(zhuǎn)速設(shè)置將根據(jù)起動母線的過流能力作出調(diào)整）以下時，輸出開關(guān)S1、S3分閘，旁路開關(guān)S2合閘。此時，逆變橋未通過升壓變而直接與定子相連，避免了轉(zhuǎn)子初始位置檢測不準(zhǔn)的問題，同時減少了4 min的去磁環(huán)節(jié)。根據(jù)計算，現(xiàn)方案起動時間大約為200 s，起動曲線如圖4所示。

3.2 同期過程

初步方案的同期過程邏輯較為復(fù)雜。在同期過程中可能存在SFC輸出開關(guān)的多次分合，增加了故障源，降低了SFC系統(tǒng)的可靠性。同時其存在自然降速過程，增加了同期裝置捕捉同期點的難度，拉長了同期時間。

根據(jù)目前抽水蓄能電站較為成熟的同期方案，考慮將初步方案的同期過程加以調(diào)整。其同期過程改為逼近式同期，取消初步方案中的自然降速過程。在SFC拖動至同期點附近時，由同期裝置向SFC發(fā)出命令對機(jī)組頻率作出微調(diào)。在同期調(diào)節(jié)過程中，SFC系統(tǒng)參與頻率調(diào)節(jié)，直至同期令發(fā)出后退出運行。

圖3 SFC電氣接線圖（改進(jìn)方案）

圖4 改進(jìn)方案的機(jī)組起動曲線

4 結(jié)語

西門子SFC系統(tǒng)在抽水蓄能行業(yè)的使用，自1994年的廣州抽水蓄能電站后，在國內(nèi)抽水蓄能行業(yè)鮮有業(yè)績。因此其產(chǎn)品設(shè)計思路與國內(nèi)抽水蓄能電站的實際環(huán)境有所偏差。在產(chǎn)品的設(shè)計過程中，我們始終揣摩國內(nèi)抽水蓄能電站SFC系統(tǒng)的運行理念，并與西門子獨特的技術(shù)特點相結(jié)合，以期其在浙江仙居抽水蓄能電站項目中能夠滿足我們的要求。