大中型抽水蓄能電站勵磁系統設計

郭春平， 許其品

(國網電力科學研究院/南京南瑞集團公司， 江蘇 南京 211000)

大中型抽水蓄能電站勵磁系統設計

郭春平， 許其品

(國網電力科學研究院/南京南瑞集團公司， 江蘇 南京 211000)

本文對大中型抽水蓄能電站典型配置的勵磁系統設計進行了詳細地說明，包括在設計選型時應考慮的主要技術條件和一般計算方法。

大中型抽水蓄能電站；勵磁系統設計；技術條件；計算

0 前 言

自2003年以來，國家電網公司積極采取措施推進抽水蓄能電站設備自主化進程，在“十一五”科技發展規劃中，就抽水蓄能電站控制和運行技術，明確提出“重點開展抽水蓄能電站機組控制系統設備的自主化研究與開發”。

與常規水電站僅有發電運行工況相比，抽水蓄能電站勵磁系統具有發電和電動兩種運行工況，所以抽水蓄能電站的勵磁系統設計具有一定的特殊性。本文對大中型抽水蓄能電站勵磁系統設計選型過程中應考慮的主要技術條件和一般計算方法，進行詳細地說明。

1 系統設計及選型計算

大中型抽水蓄能電站勵磁系統主接線多采用的連接方式如圖1所示，該方式優點是接線簡單、設備少、啟停和工況轉換過程中不需切換勵磁電源。

圖1 勵磁系統主接線

大中型抽水蓄能電站勵磁系統一般由勵磁調節控制單元、整流單元、轉子滅磁及過電壓保護單元、黑啟動單元和整流變壓器等組成。其典型配置一般包括勵磁調節器屏、可控硅整流柜(3面)、滅磁及過電壓保護柜、滅磁開關柜和交流進線柜等7面屏柜和1臺三相整流變壓器。

1.1 勵磁調節器屏

應采用具有嵌入式操作系統平臺的勵磁調節器，并應具有以下特點。

(1)調節性能一般要求，應滿足DL/T 583和DL/T 295等相關規定。

(2)電力系統穩定器模型應符合IEEE 421.5規定，同時滿足發電電動機的發電和抽水運行要求，且在0.2～2.0 Hz頻率范圍之內，均能夠有效地抑制系統的低頻振蕩。

(3)能夠接受計算機監控系統機組現地控制單元(LCU)命令，并滿足DL/T 860.81通信協議要求，實現發電電動機的啟停、工況選擇以及無功功率調節等功能，并可實現勵磁系統關鍵運行狀態和電氣量的實時上送。

(4)人機操作界面應具有設置多級用戶權限功能，便于管理。

(5)具有與電站計算機監控系統的機組現地控制單元(LCU)、轉速檢測裝置、SFC設備等直接連接的硬接線接口，協調完成發電電動機的啟動、工況轉換控制以及單臺或成組電機的無功功率調節。

(6)具有GPS對時功能，支持IRIG-B、NTP或PPS等多種方式，誤差最大值不高于1 ms。

(7)勵磁系統狀態記錄、事件記錄以及故障時自動錄波，波形格式宜符合IEEE Std C37.111推薦的標準格式。

(8)支持IEC61850通信規約，符合DL/T860.81相關規定要求。

(9)工況選擇，可參照圖2設計。勵磁系統投入前，計算機監控系統首先給勵磁系統發送運行模式控制指令，勵磁系統收到該指令后，切換至需要的運行工況，進行相應的調節控制[1～2]。

圖2 勵磁系統工況選擇范例

1.2 勵磁變壓器

1.2.1 技術條件(至少應考慮以下幾點)

(1)二次側額定電壓；

(2)二次額定電流；

(3)額定容量；

(4)短路阻抗；

(5)聯接組別；

(6)電流互感器；

(7)溫升；

(8)絕緣等級。

其他技術要求應滿足相關規范[7-10]要求。

1.2.2 選型計算

(1)二次側額定電流I2N：可按式(1)計算。

I2N=0.816kiILN

(1)

式中ILN——發電電動機發電工況額定勵磁電流，A；

ki——發電電動機長期連續運行額定勵磁電流倍數，可取1.1。

(2)二次側額定電壓U2N：可按式(2)計算。

(2)

式中k1——勵磁頂值電壓倍數，可取2；

k2——強勵時正序電壓百分值，可取80%；

k3——晶閘管換相系數，可取0.95；

αmin——強勵觸發角度，可取10°；

ULN——發電電動機發電工況額定勵磁電壓，V。

(3)勵磁變壓器容量SN：關于勵磁變壓器容量計算有多種方法，一般可按式(3)計算。

(3)

式中k——考慮諧波等附加損耗的系數，可暫取1.2。

(4)勵磁變壓器短路阻抗、繞組聯接組別等參數確定，應滿足標準DL/T 583相關規定。

(5)勵磁CT的選型要考慮發電電動機2倍額定勵磁電流運行工況和CT的線性度。

1.3 可控硅整流柜

1.3.1 技術參數(至少應考慮以下幾點)

(1)交流側過電壓保護；

(2)可控硅換相阻容過電壓抑制；

(3)可控硅(包括額定電壓和通態平均電流)；

(4)快速熔斷器(包括額定電壓和額定電流)；

(5)冷卻系統。

1.3.2 選型計算

(1)交流側過電壓保護(浪涌吸收)：交流側過電壓保護有多種保護元器件類型(如RC、非線性電阻等)及接線方式。若過電壓保護采用非線性電阻方式，則非線性電阻過電壓保護整定值應低于整流器內晶閘管的額定電壓。

(2) 可控硅換相阻容過電壓抑制(緩沖吸收)電路參數計算：可控硅換相阻容過電壓抑制電路，可采用分立式結構，也可采用集中阻斷式結構。對于分立式阻容過電壓抑制電路中電阻和電容參數定額，可采用計算機仿真方法獲得“阻容緩沖器系數優化曲線”，再依據該優化曲線和所選型的可控硅來確定電阻值和電容值。

(3)可控硅元件。

(a)額定電壓UN一般不高于按式(4)計算所得值：

(4)

式中Um——發電電動機出廠耐壓試驗電壓(幅值)，V；

U2N——含義同式(2)；

ku——裕量系數，可取2.75。

(b)通態平均電流IT(AV)可按式(5)計算。

(5)

式中I——單個整流柜額定輸出直流電流，A；

ki——裕量系數，可取1.2～1.35；

(4) 快速熔斷器

(a)額定電壓Uf可按式(6)計算。

Uf=kuU2N

(6)

式中U2N——含義同式(2)；

ku——裕量系數，可取1.2～1.3。

(b)額定電流If可按式(7)計算。

If=kiI

(7)

式中I——含義同式(5)；

ki——裕量系數，可取1.2～1.54。

(5) 整流柜冷卻系統設計原則

(a) 風冷式散熱器：風冷式散熱器選型計算(包括熱阻和散熱能力)應滿足所選型晶閘管最大允許結溫和耗散功率要求。

(b) 冷卻風機：冷卻風機通風量應不低于整流柜所選型晶閘管額定運行工況耗散功率要求。

1. 4 交流進線柜

1.4.1 交流斷路器(至少應考慮以下技術參數)

(1)額定電壓；

(2)額定電流；

(3)額定短路開斷電流。

其他技術要求應滿足相關規范[11]要求。

1.4.2 選項計算

(1)額定電壓UN可按式(8)計算。

(8)

式中U2N——含義同式(2)。

(2)額定電流IN可按式(9)計算。

IN=I2N

(9)

式中I2N——含義同式(1)。

(3)額定短路分斷電流Is可按式(10)計算。

(10)

式中I2N——含義同式(1)；

Uk%——勵磁變壓器短路阻抗壓降百分數。

1. 5 滅磁開關柜

1.5.1 直流磁場斷路器(至少應考慮以下技術參數)

(1)額定電壓；

(2)額定電流；

(3)最大分斷電壓；

(4)最大短路分斷電流。

其他技術要求應滿足相關規范[12-13]要求。

1.5.2 選項計算

(1)額定電壓UN可按式(11)計算。

(11)

式中ULN——含義同式(2)。

(2)主觸頭額定電流IN可按式(12)計算。

IN=kiI2N

(12)

式中I2N——含義同式(1)；

ki——裕量系數，可取1.1。

(3)最大分斷電壓(即最大弧壓)Ukmax：若滅磁系統采用非線性電阻方式，則可按式(13)計算。

Ukmaxgt;URmax+UZmax

(13)

式中URmax——非線性電阻兩端最大電壓，V，取非線性電阻滅磁動作電壓；

UZmax——功率整流柜最大輸出電壓，V，可取勵磁變壓器二次側1.4倍額定電壓(幅值)。

(4)最大短路分斷電流Ismax：應能可靠分斷發電電動機額定運行工況下勵磁直流回路短路時引起的短路電流，可依據交流斷路器額定短路分斷電流Is來定額，即Ismax=Is。

1. 6 滅磁及轉子過電壓保護柜

1.6.1 滅磁及過壓保護設計(至少應考慮以下技術參數)

(1)非線性電阻滅磁電壓；

(2)滅磁電阻容量；

(3)轉子過電壓保護。

其他技術要求應滿足相關規范[14]要求。

1.6.2 選型計算

(1)非線性電阻滅磁電壓URN，按式(14)計算。發電電動機額定勵磁電壓不高于500 V時，在式(14a)范圍內取值。

(14a)

發電電動機額定勵磁電壓高于500 V時，在式(14b)范圍內取值。

URN=(0.3～0.5)(2ULN+4 000)

(14b)

式中ULN——含義同式(2)。

(2)滅磁電阻容量ERN，應不低于發電電動機滅磁開始時轉子剩余能量，即公式(15)。

(15)

式中ILN——含義同式(1)；

Kdc——電流倍數，可取3；

Rf——發電電動機轉子繞組熱態電阻值，Ω，取Rf=75℃；

k1——滅磁裕量系數，可取0.8；

k2——選擇系數，可取0.67。

(3) 轉子過電壓保護整定值UBOD，可按式(16)計算。

發電電動機額定勵磁電壓不高于500 V時，在式(16a)范圍內取值。

(16a)

發電電動機額定勵磁電壓高于500 V時，在式(16b)范圍內取值。

UBOD=(0.5～0.7)(2ULN+4 000)

(16b)

式中ULN——含義同式(2)。

2 結 語

本文對大中型抽水蓄能電站勵磁系統典型配置方案設計進行了詳細地說明，包括設計選型時應考慮的主要技術條件和一般計算方法。對小型抽水蓄能電站及其他類型電站勵磁系統設計、電站勵磁裝置招標等都具有一定的參考性和指導意義。

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智能抽水蓄能電站技術體系和狀態檢修技術研究(SGKJ[2012]515號)

2016- 10- 25

郭春平(1980-)，男，河南鶴壁人，碩士，高級工程師，從事同步發電機勵磁系統相關工作。

TV734.2

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1003-9805(2017)04-0032-04