柔性電制動技術在各類型水輪發電機組停機中的應用

李 鄭

（中國水利水電第十四工程局有限公司，云南 昆明 650032）

1 電站概述

厄瓜多爾科卡·科多辛克雷電站位于厄瓜多爾Napo和Sucumbíos兩省交界，距首都基多約130 km公路里程。安裝8臺205 MW的立軸沖擊式水輪發電機組及其附屬設備，總裝機1 640 MW，系目前世界單機容量第三大的六噴六折沖擊式機組。

CCS工程屬EPC項目，承包商為中國電建集團國際公司。電站布置2條壓力鋼管，每條壓力鋼管連接4臺機組。工程開發主要滿足厄瓜多爾國內持續快速增長的電力需求[1]。

2 CCS電制動技術涉及到的相關設備電氣參數

水輪機型式：CJ(X)-L-328/6×26.5，額定水頭604.1 m，額定流量34.8 m3/s，額定效率91.56 %，額定轉速300 r/min，額定比轉速44.19 m·kW，噴嘴數目6，水斗數目21，水斗節圓直徑3 280 mm，射流直徑265 mm，額定出力188.266 MW，最大出力192.85 MW，飛輪力矩發電機GD2≥ 6 000 t·m2。

發電機額定參數：205 MVA、60 Hz、13.8 kV、 8 576.6 A、額定勵磁電流1 951 A、空載勵磁電流1 093 A、空載勵磁電壓81.3 V。

勵磁變：容量1 700 kVA，變比13 800/502 V；電制動變：容量800 kVA，變比480/100 V。

電短路開關（額定值）：13.8 kV 6 kA三相。

電制動變全廠共2臺，4臺機組共用1臺電制動變，采用環氧干式戶內，F級絕緣，自冷式型式，制動變二次側分別安裝4只電動操作斷路器，分別引至4臺機組的勵磁柜，其額定容量滿足4臺機組同時停機電氣制動最大電流的要求。

CCS沖擊式機組,其尾水位與轉輪有一定的距離，見圖1,尾水為無壓流動,轉輪在空氣之中旋轉，與其它機型不同，停機噴針及折向器全關后，轉軸旋轉的慣性力靠幾道軸承的摩擦阻力緩慢減速，若不外加制動阻力，自由停機時間將會長達60 min。因此沖擊式機組，在推力瓦軸承下必須配套足夠容量而又可靠的高油壓頂起裝置，在開停機過程中，轉速小于95%Ne時，投入高油壓頂起裝置，確保推力瓦面有油膜，且要減少停機時間，必須采用制動功能，進而防止瓦溫過高而損壞。

圖1 CCS水輪機基本尺寸及外形簡圖/mm

沖擊式水輪機停機過程與機組設計構造有關，一般是兩種停機方式：①電制動加機械制動停機；②反沖加機械制動停機。電氣制動的水輪機停機程序是：首先是折向器和噴針同時動作，折向器動作在2～3 s內將噴嘴水流全部偏轉離開水斗式轉輪，噴嘴的噴針完全關閉一般在30 s左右，當機組轉速降低到額定轉速的60%以下，電制動投入，當機組轉速降至額定轉速的20%（推力塑料瓦）、25%或30%（一般的巴氏合金瓦）時，投入機械制動。反沖制動的水輪機與電氣制動程序相似，只不過此時投入的不是電氣制動，而是開啟反沖噴嘴水流沖擊水斗式轉輪制動。沖擊式機組停機時間比混流式及其它機型時間長，若不加電氣制動或者反沖制動，停機時間一般會超過30 min。

3 柔性電制動過程

當水輪發電機組解列、滅磁時，待轉速下降到額定轉速的60%以下投入電制動。將發電機定子在機端出口三相短路，通過PLC程序，勵磁調節器轉到“電制動模式”運行，提供制動電源給發電機轉子繞組提供勵磁電流。轉動的機組，定子在轉子磁場的作用下，產生感應短路電流，此時產生的電磁力矩正好與轉子的慣性轉向相反，起到電制動的作用。由軟件及PLC控制實現的電制動功能，稱為柔性電制動。柔性電制動功能，僅適用于水輪發電機機組。

柔性電制動參數的選擇：

電制動力矩ME[2]的產生，其與轉速的關系：

式中：ME——電制動力矩；Id——定子短路電流；R——定子繞組每相電阻；n——機組轉速。

根據式（1）可知： ①ME與Id2成正比；②ME與n成反比。停機中早些電氣制動，對縮短停機時間幫助不大。在柔性電制動過程中，因為Id基本不變，所以隨著n的下降,ME反而加大，這就是電制動的特性,制動力矩的最大值出現在機組將停止轉動前的瞬間。為了獲得最大的電制動力矩ME，根據發電機定子容量，使Id約等于額定定子電流。要獲得額定定子電流，根據發電機短路特性，勵磁電流應達到發電機空載額定勵磁電流值。

由監控系統與勵磁裝置配合，勵磁裝置配置的PLC來完成具體的電制動流程控制。當機組正常停機過程中，勵磁調節器處于“電制動模式”方式即與“手動方式”一致（除電流給定為電制動電流給定值，控制勵磁裝置向轉子繞組輸出恒定的勵磁電流，電制動時的電流給定值通過調試軟件設定）。若一味追求縮短停機時間，會產生安全風險，以額定定子電流為標準為佳，若要追求縮短停機時間則是以1.1～1.3倍額定定子電流為宜。

4 柔性電制動主回路接線形式

CCS電站采用自并勵接線方式，勵磁變直接取自于發電機機端，較為普遍的接線方式見圖2。電制動期間，勵磁系統向發電機轉子繞組提供的勵磁電流一般不超過空載額定勵磁電流值，所以，制動變的容量可以選得較小。在發電工況和電制動工況下，整流電源需經由操作回路控制整流橋交流側斷路器QL1和QL2切換。

圖2 柔性電制動主回路接線圖

5 柔性電制動的工作流程[3]

柔性電制動過程的流程控制是通過勵磁系統的電氣制動專用PLC來實現的。

柔性電制動的工作流程：

（1）檢測電制動投入的條件：

機組正常停機令→減有功、減無功至基荷→跳開機組出口斷路器→全關折向器、噴嘴→機組無事故→機端電壓小于10%Ue→機組轉速60%額定值及以下。

（2）當裝置PLC檢測到電制動投入命令并判斷條件滿足后，依次閉鎖發電機繼電保護、跳開QL1,合RES、合QL2 。

（3）裝置轉入“電制動”模式，使得勵磁系統向轉子繞組輸出設定的勵磁電流值，形成制動力矩而實現柔性電制動。

（4）在電制動過程中，任何一步不滿足電制動條件，PLC都將發信號并轉監控流程轉速30%時投機械制動，并向計算機監控系統發送報警信號，電制動退出；同時進入（7）步。

（5）當機組的轉速小于5%時，電制動完成，PLC向勵磁調節器發出逆變滅磁信號，滅磁成功后進入（7）步。

（6）逆變滅磁失敗，PLC將跳滅磁開關，然后進入第（7）步。

（7）當完成（3）、（5）、（6）步后，PLC同時發信號分QL2、RES，合QL1,解除發電機繼電保護，使勵磁裝置恢復到正常開機前的狀態。

在電制動期間，當遇到以下異常情況：①QL1不能分斷，或RES、QL2開關不能合上；②電制動時間過長（超過12 min），則PLC將向監控系統發出電制動失敗報警信號，并退出電制動過程。此時轉監控流程，轉速至30%時，投入機械制動裝置而完成機組的制動停機。

6 柔性電制動工況試驗

6.1 勵磁系統輸出電流大小與停機時間長短的試驗

考慮到各水電站發電機的運行條件不同，在電制動過程中，裝置軟件里有設置參數 “電制動給定值”可以修改，根據現場機組情況整定電制動電流的大小，以改善停機時間。

現分別把CCS機組不同勵磁電流的混合制動1（電制動50%Ile）、混合制動2（電制動40%Ile）、純機械制動3種模式在不同轉速區間段狀態下停機時間列表1比對如下。

表1 3種制動模式對比表

從圖3中可查出電制動投入期間的勵磁電流約1 008.0 A，接近空載額定勵磁電流值（1 093 A），勵磁電壓為87.0 V，定子電流接近定子額定電流。

圖3 停機前及停機期間電制動投入的勵磁電流、勵磁電壓及機組轉速關系曲線

圖4 停機過程轉速下降（30%Ne投純機械制動）曲線 （歷時32 min 46 s）

6.2 混流式、沖擊式、抽水蓄能3種機型電制動過程停機時間結果比對

現將混流式、沖擊式、抽水蓄能機組的電制動過程停機時間統計如表2。

表2 3種機型電制動停機時間對比表

從表2可知：①3種類型在正常停機時的停機時間趨勢為：沖擊式最長，正常停機（電60%Ne，50%Ile，機5%Ne）為20 min 46 s；混流式次之，正常停機（電60%Ne，50%Ile，機：5%Ne）為8 min 7 s；抽蓄最短，正常停機（電50%Ne，50%Ile，機：5%Ne）為4 min 45 s；②沖擊式混合制動投入的明顯程度：正常停機（電60%Ne，50%Ile，機5%Ne）較明顯，比（電50%Ne，50%Ile，機5%Ne）節省7 min 39 s；③沖擊式機組停機時間比混流式機組時間長很多，如果不加電氣制動或者反沖制動，僅在30%Ne以下時投入機械制動，停機時間長達30 min多；④沖擊式機組停機時間最短（電制動效果較佳）的工況為正常停機（電60%Ne，50%Ile，機5%Ne）的工況（用時20 min 46 s）。

7 結論

柔性電制動可靠、適用、方便，對沖擊式機組,制動效果較好，是一種理想的清潔環保自動控制技術，無噪聲、無碳化、無污染，滿足沖擊式水電站機組停機制動的時間要求。清潔環保無污染的電制動方式在世界水電工程中已廣泛應用。