潘政剛 潘家忠

（1.哈爾濱電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，哈爾濱 150090；2.哈爾濱帕特爾科技有限公司，哈爾濱 150090）

1 引言

改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)電力行業(yè)有了很大的發(fā)展，全國(guó)已形成幾大骨干電網(wǎng)并實(shí)現(xiàn)北電南送，西電東送，有效地緩解了供電緊張的局面。大機(jī)組大電網(wǎng)供電時(shí)，其調(diào)頻調(diào)壓、調(diào)峰填谷任務(wù)非常重要，它對(duì)提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性，保證供電質(zhì)量有著非常重大的意義。

抽水蓄能電站既能調(diào)峰、又能填谷，在系統(tǒng)中科學(xué)的調(diào)度好抽水蓄能機(jī)組的運(yùn)行方式，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)大火電機(jī)組的高效運(yùn)行，以達(dá)到降低燃料消耗、減少排放的目的。近年來(lái)，我國(guó)的抽水蓄能電站發(fā)展很快。據(jù)權(quán)威資料報(bào)導(dǎo)，到2020年，我國(guó)抽水蓄能電站裝機(jī)將超過(guò)3000萬(wàn)kW。

由于抽水蓄能機(jī)組調(diào)峰填谷的工作特點(diǎn)，頻繁起動(dòng)是其主要特征之一，良好的起動(dòng)方式和起動(dòng)裝置的優(yōu)越性能是保證抽水蓄能機(jī)組良性運(yùn)行的關(guān)鍵因素之一。抽水蓄能機(jī)組的起動(dòng)實(shí)質(zhì)上就是大型同步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)。過(guò)去一般有3種方式：①間接方式，即用起動(dòng)電機(jī)起動(dòng)；②低周同步起動(dòng)，即用單獨(dú)的發(fā)電機(jī)組供電起動(dòng)；③異步起動(dòng)，即電抗器降壓異步起動(dòng)和自耦變壓器分壓異步起動(dòng)。目前我國(guó)的抽水蓄能電站大多采用國(guó)外的成套設(shè)備，軟起動(dòng)設(shè)備基本上是采用進(jìn)口變頻設(shè)備，從理論上講，變頻同步起動(dòng)具有很多的優(yōu)越性。但是當(dāng)前的變頻制造技術(shù)尚不是很完善，損耗比較大、可靠性還較低、諧波大、起動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)、電源切換時(shí)有電流沖擊、冷卻系統(tǒng)復(fù)雜等，可以這樣說(shuō)，在當(dāng)前變頻同步起動(dòng)還存在許多無(wú)法克服的缺點(diǎn)。針對(duì)這些問(wèn)題，我們開(kāi)展了“開(kāi)關(guān)變壓器模塊”用于抽水蓄能電站發(fā)電電動(dòng)機(jī)組軟起動(dòng)的應(yīng)用研究。

2 開(kāi)關(guān)變壓器模塊應(yīng)用于高壓電機(jī)軟起動(dòng)

開(kāi)關(guān)變壓器模塊用于高壓電機(jī)的軟起動(dòng)的設(shè)備我們稱(chēng)之為開(kāi)關(guān)變壓器式高壓電機(jī)軟起動(dòng)裝置。目前已有200多臺(tái)套用于鋼鐵、石化等行業(yè)，實(shí)踐證明該裝置性能先進(jìn)、可靠性高、諧波小、價(jià)格低，完全可以替代進(jìn)口變頻設(shè)備應(yīng)用于抽水蓄能電站的軟起動(dòng)。

開(kāi)關(guān)變壓器式高壓電機(jī)軟起動(dòng)裝置可以說(shuō)是對(duì)可控硅串聯(lián)式軟起動(dòng)裝置的改進(jìn)，它將變壓器的開(kāi)路特性、短路特性與晶閘管（或其他電力電子器件）的導(dǎo)通與關(guān)斷特性相結(jié)合。即用變壓器的初級(jí)繞組來(lái)替代晶閘管串而與電機(jī)串聯(lián)，把晶閘管放在變壓器次級(jí)，通過(guò)控制晶閘管的開(kāi)斷與導(dǎo)通來(lái)實(shí)現(xiàn)變壓器的開(kāi)路與短路運(yùn)行，在變壓器原端的輸出特性完全與相控調(diào)壓相同，且由于其執(zhí)行器件是變壓器，故可靠性高是不容置疑的。主電路如圖1所示。K1為運(yùn)行柜，它與電動(dòng)機(jī)D構(gòu)成正常工作時(shí)的運(yùn)行系統(tǒng)；K 2為起動(dòng)柜，它與開(kāi)關(guān)變壓器TK構(gòu)成起動(dòng)回路。當(dāng)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，合上 K2，給可控硅 SCR加上觸發(fā)信號(hào)即可實(shí)現(xiàn)相控調(diào)壓軟起動(dòng)；起動(dòng)結(jié)束后，合上K1、斷開(kāi)K2，電動(dòng)機(jī)即轉(zhuǎn)入運(yùn)行狀態(tài)。

起動(dòng)回路的控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖1 主電路圖

圖2 控制系統(tǒng)框圖

軟起動(dòng)不同時(shí)段的電流由程序給定，主電路中的電流由采樣單元采集，PLC比較電流反饋值和給定值，根據(jù)差值調(diào)節(jié)觸發(fā)單元的輸入電壓，改變SCR的導(dǎo)通角，從而使主電路中的電流與給定值相等。

修改程序中起動(dòng)各時(shí)段電流的大小和保持時(shí)間，即可得到各種不同的起動(dòng)電流曲線(xiàn)。由控制系統(tǒng)框圖可見(jiàn)，如果從虛線(xiàn)處隔開(kāi)，右側(cè)為功率主回路，左側(cè)為控制環(huán)節(jié)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)功率不同時(shí)，只要更改TK、CT及SCR即可，其控制環(huán)節(jié)不用改變。

其特點(diǎn)主要如下：①無(wú)級(jí)調(diào)壓、可輸出任意波形；②高次諧波少，母線(xiàn)電壓總諧波畸變率在國(guó)標(biāo)以?xún)?nèi)；③空載起動(dòng)時(shí)，起動(dòng)電流小于1.5I e；④利用特殊的可控硅并用技術(shù)，可以起動(dòng)任意容量的電動(dòng)機(jī)；⑤因晶閘管短時(shí)過(guò)流能力很高，其并用技術(shù)的風(fēng)險(xiǎn)性大大低于串聯(lián)技術(shù)，故該裝置可靠性很高；⑥原理簡(jiǎn)明，一般技術(shù)工人都能掌握，模塊式結(jié)構(gòu)，檢修方便。

3 開(kāi)關(guān)變壓器模塊軟起動(dòng)與變頻起動(dòng)之比較

抽水蓄能電站的發(fā)電電動(dòng)機(jī)在作為抽水電動(dòng)應(yīng)用時(shí)，其起動(dòng)方法是一個(gè)值得探討的問(wèn)題，過(guò)去使用的方法有同軸小電機(jī)起動(dòng)、異步起動(dòng)和同步起動(dòng)，當(dāng)前很多都采用變頻起動(dòng)。從理論上講，變頻起動(dòng)的優(yōu)越性很多，但是當(dāng)前變頻器制造技術(shù)尚不完善，仍有一些不足之處：如高次諧波問(wèn)題、并網(wǎng)時(shí)的電流沖擊問(wèn)題、可靠性問(wèn)題、維護(hù)修理問(wèn)題等，隨著工業(yè)的發(fā)展，大電機(jī)的應(yīng)用越來(lái)越多，新的起動(dòng)方法也不斷出現(xiàn)，其中開(kāi)關(guān)變壓器式高壓電機(jī)軟起動(dòng)裝置異軍突起，特別適合于超大型電動(dòng)機(jī)的軟起動(dòng)。

下面就二者在抽水蓄能電站電動(dòng)發(fā)電機(jī)的起動(dòng)上作一比較。

（1）諧波問(wèn)題。據(jù)有關(guān)文章介紹，結(jié)合我國(guó)蓄能電站的具體情況，變頻裝置在連接點(diǎn)處產(chǎn)生的總諧波畸變率大約在 6%～19%，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的4%要求，有些電站就這么用了，似乎也沒(méi)有什么問(wèn)題。其實(shí)這是個(gè)危險(xiǎn)的隱患，比如對(duì)絕緣的傷害，它有個(gè)累積的過(guò)程，并非一下子就能表現(xiàn)出來(lái)的，設(shè)備壽命的縮短是必然的。

開(kāi)關(guān)變壓器式軟起動(dòng)裝置在連接點(diǎn)處的總諧波畸變率在國(guó)標(biāo)范圍內(nèi)，對(duì)其他設(shè)備的傷害很小。

（2）向電網(wǎng)切換時(shí)的電流沖擊問(wèn)題。當(dāng)采用變頻起動(dòng)時(shí)，由于變頻裝置一般不允許與電網(wǎng)并聯(lián)，故要先斷開(kāi)變頻電源再把電機(jī)接入電網(wǎng)，這時(shí)在電機(jī)定子繞組中會(huì)產(chǎn)生大電流沖擊，由于抽水電動(dòng)機(jī)工作一天要起動(dòng)多次，故對(duì)電機(jī)繞組絕緣的傷害及端部變形都會(huì)產(chǎn)生積累效應(yīng)，長(zhǎng)此以往，定會(huì)降低電機(jī)的使用壽命。人們?cè)趯?duì)待自同期并列時(shí)的大電流沖擊相當(dāng)慎重，一般情況下不用自同期并列，只在事故狀況下才不得不用自同期并列。

開(kāi)關(guān)變壓器式軟起動(dòng)裝置可以在電機(jī)接入電網(wǎng)后斷開(kāi)，完全沒(méi)有大電流沖擊，這對(duì)延長(zhǎng)電動(dòng)發(fā)電機(jī)的使用壽命是非常有利的。

（3）可靠性問(wèn)題。變頻裝置中的開(kāi)關(guān)器件，當(dāng)前尚未實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，開(kāi)關(guān)損耗還比較大，因此自身?yè)p耗大、壽命短。高壓變頻裝置中開(kāi)關(guān)器件數(shù)量很多，出現(xiàn)故障的可能性很大，據(jù)我們有限的了解，近幾年國(guó)內(nèi)用于起動(dòng)的變頻裝置就多次出現(xiàn)問(wèn)題。抽水蓄能電站的發(fā)電電動(dòng)機(jī)更大，變頻裝置的容量也更大，出現(xiàn)故障的可能性也要大得多。

開(kāi)關(guān)變壓器式軟起動(dòng)裝置完全避開(kāi)了開(kāi)關(guān)器件運(yùn)行中的風(fēng)險(xiǎn)性，可靠性非常高。

（4）起動(dòng)時(shí)間問(wèn)題。抽水蓄能電站的重要作用是調(diào)峰填谷，調(diào)頻調(diào)壓。為了提高電網(wǎng)的供電質(zhì)量，要求機(jī)組的起動(dòng)時(shí)間越短越好。但是當(dāng)前的

大容量變頻器制造技術(shù)尚存在一定困難，故只有靠增加起動(dòng)時(shí)間來(lái)減少變頻器的容量，對(duì)于300MW機(jī)組，進(jìn)口變頻設(shè)備一般要求起動(dòng)時(shí)間延長(zhǎng)到5m in左右。

開(kāi)關(guān)變壓器式軟起動(dòng)裝置可在 1m in甚至更短的時(shí)間內(nèi)完成電機(jī)的起動(dòng)，這對(duì)保持電網(wǎng)的穩(wěn)定、提高供電質(zhì)量無(wú)疑是非常有利的。

（5）冷卻系統(tǒng)的復(fù)雜性問(wèn)題。高壓變頻裝置均采用水冷方式，水質(zhì)要求高、管路質(zhì)量要求高，給維護(hù)帶來(lái)很大的麻煩。

開(kāi)關(guān)變壓器式軟起動(dòng)裝置采用風(fēng)扇通風(fēng)冷卻，簡(jiǎn)單方便。

（6）關(guān)于起動(dòng)成功率。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，由于變頻器原因而造成起動(dòng)失敗的次數(shù)大約占每年起動(dòng)次數(shù)的1%左右。

開(kāi)關(guān)變壓器式軟起動(dòng)裝置使用近十年來(lái)，從未發(fā)生過(guò)因它致使起動(dòng)失敗的情況。

（7）占地面積問(wèn)題。軟起動(dòng)裝置位于地下機(jī)房，每單位面積的開(kāi)挖費(fèi)用是相當(dāng)可觀的，減小裝置的占地面積對(duì)降低電站投資有著重要的作用。

據(jù)了解，某電站的300MW機(jī)組變頻軟起裝置占地約 400m2。如果用開(kāi)關(guān)變壓器式軟起動(dòng)裝置，則裝置本身占地只80m2，加上附屬面積有200m2足夠了。

（8）冗余設(shè)計(jì)。開(kāi)關(guān)變壓器式軟起動(dòng)裝置采用模塊化冗余設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提高可靠性。大型機(jī)組（12MW以上）的開(kāi)關(guān)變壓器式軟起動(dòng)裝置均采用模塊化設(shè)計(jì)，每個(gè)模塊12MW，結(jié)構(gòu)緊湊、方便維修、更換。另外，模塊數(shù)量上采用冗余設(shè)計(jì)，即使各別模塊發(fā)生故障也不影響機(jī)組的起動(dòng)。

（9）維護(hù)修理問(wèn)題。大型變頻裝置國(guó)內(nèi)目前尚不能制造，完全依賴(lài)進(jìn)口，技術(shù)復(fù)雜、資料不全給維護(hù)修理造成了非常大的困難，一旦出現(xiàn)故障只有請(qǐng)外國(guó)專(zhuān)家前來(lái)修理，費(fèi)用高、時(shí)間長(zhǎng)、后續(xù)的維修費(fèi)用是相當(dāng)高的。

開(kāi)關(guān)變壓器式軟起動(dòng)裝置中的電力電子元件為可控硅，這種器件在我國(guó)的應(yīng)用已有幾十年的歷史，維修技術(shù)簡(jiǎn)單得多，一般技術(shù)工人都能掌握。由于在設(shè)計(jì)時(shí)即考慮到可靠性問(wèn)題，維護(hù)工作量非常小。

（10）一機(jī)二用。大家都知道，自同期并列在許多方面優(yōu)于準(zhǔn)同期并列，但是由于自同期并列時(shí)有大電流沖擊而限制了它的應(yīng)用，使自同期并列只用于電網(wǎng)事故情況下的備用機(jī)組起動(dòng)并網(wǎng)（準(zhǔn)同期并列對(duì)此無(wú)能為力）。開(kāi)關(guān)變壓器式軟起動(dòng)裝置還可用于自同期并列時(shí)限制大電流沖擊，作到一機(jī)二用，充分發(fā)揮設(shè)備的使用率。

開(kāi)關(guān)變壓器技術(shù)可以用來(lái)限制并網(wǎng)時(shí)的大電流沖擊，使自同期并列的優(yōu)點(diǎn)更加突出。這樣，使自同期并列可以擴(kuò)大應(yīng)用范圍，在正常情況下也可以用自同期并列。完全避免了非同期并列的危險(xiǎn)情況。另外使大型水輪發(fā)電機(jī)也可以在電網(wǎng)事故情況下起動(dòng)并網(wǎng)，這無(wú)疑對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有非常重要的意義。

4 抽水蓄能電站軟起動(dòng)的設(shè)計(jì)方案

開(kāi)關(guān)變壓器模塊在應(yīng)用于高壓電機(jī)軟起動(dòng)方面的優(yōu)異性能已經(jīng)得到了廣泛的認(rèn)同，由于它面世時(shí)間較短，目前已經(jīng)做到20MW，對(duì)于抽水蓄能機(jī)組的大容量電機(jī)，只要采用晶閘管并用與模塊并用相配合的設(shè)計(jì)方案,實(shí)現(xiàn)幾萬(wàn)千瓦甚至幾十萬(wàn)千瓦高壓電機(jī)軟起動(dòng)是完全有把握的。

（1）可控硅并用技術(shù)方案

如果要控制的設(shè)備容量很大而使得可控硅額定電流受限時(shí)，專(zhuān)門(mén)發(fā)明了“多副繞組開(kāi)關(guān)變壓器模塊（已申報(bào)專(zhuān)利）” 來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。多副繞組開(kāi)關(guān)變壓器的技術(shù)實(shí)質(zhì)是采用了可控硅并用技術(shù)（如圖3所示），這里的開(kāi)關(guān)變壓器次級(jí)繞組采用多股并繞（匝數(shù)一致、參數(shù)一致），可控硅分別連接、同步觸發(fā)，開(kāi)關(guān)變壓器次級(jí)電流被多副繞組分流，以保證每只可控硅中流過(guò)的電流不大于其額定電流。

圖3 多副繞組開(kāi)關(guān)變壓器模塊

這里的可控硅并用與常規(guī)的可控硅并聯(lián)有本質(zhì)的區(qū)別，常規(guī)的并聯(lián)技術(shù)是指被并聯(lián)器件首與首相接且尾與尾相接后再接到電路中，而我們提出的并用器件（SCR）是分別接在各自的繞組中,與可控硅并聯(lián)有本質(zhì)的區(qū)別。

（2）開(kāi)關(guān)變壓器模塊并用技術(shù)方案

如果要控制的設(shè)備容量再大而使得開(kāi)關(guān)變壓器（體積、重量所限）額定電流受限時(shí)，專(zhuān)門(mén)發(fā)明了“多副繞組開(kāi)關(guān)變壓器模塊并用技術(shù)（也已申報(bào)專(zhuān)利）”來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題（見(jiàn)圖4）。開(kāi)關(guān)變壓器并用完全不同于教科書(shū)上所說(shuō)的電力變壓器并聯(lián)運(yùn)行。電力變壓器并聯(lián)運(yùn)行是指幾臺(tái)變壓器不僅初級(jí)接在相同相位的電源上，而且次級(jí)并聯(lián)向負(fù)荷供電。如果變壓器的特性參數(shù)不一致，則會(huì)產(chǎn)生環(huán)流，損耗加大甚至損壞變壓器。

圖4 開(kāi)關(guān)變壓器并用等效圖

開(kāi)關(guān)變壓器并用只是把初級(jí)并聯(lián)起來(lái)，次級(jí)仍然各自獨(dú)立，它就好象許多電力變壓器都接在同一電網(wǎng)上一樣，完全沒(méi)有環(huán)流之說(shuō)。

開(kāi)關(guān)變壓器并用可以等效為圖4右側(cè)的晶閘管并聯(lián)電路。其中x1是開(kāi)關(guān)變壓器TK 1的漏抗；x2是開(kāi)關(guān)變壓器TK2的漏抗。由于變壓器的漏抗遠(yuǎn)大于晶閘管的內(nèi)阻，故均流效果相當(dāng)好，兩組晶閘管不必配對(duì)選擇，兩路電流完全一致。

晶閘管直接并聯(lián)時(shí)，如果開(kāi)通時(shí)間有微小差異，當(dāng)首先有一只晶閘管開(kāi)通時(shí)，晶閘管端電壓立即下降為晶閘管的管壓降（僅2V左右）。此時(shí)，未開(kāi)通的晶閘管雖然有觸發(fā)電壓，但由于端電壓太小很容易不開(kāi)通，造成先開(kāi)通的晶閘管過(guò)流。

開(kāi)關(guān)變壓器并用時(shí)，如果有一臺(tái)開(kāi)關(guān)變壓器先開(kāi)通，則在其初級(jí)繞組兩端仍至少有 5%的短路壓降。對(duì)于10kV的情況至少有500V的電壓（變壓器次級(jí)電壓100V左右），這對(duì)于其他支路的開(kāi)通是完全有保障的。

5 結(jié)論

在冶金、石化企業(yè)高壓電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)市場(chǎng)已經(jīng)證明，開(kāi)關(guān)變壓器式軟起動(dòng)裝置作為調(diào)壓軟起動(dòng)設(shè)備具有獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)。該技術(shù)控制功率的提升原理簡(jiǎn)潔，實(shí)用易行，完全可以應(yīng)用于抽水蓄能機(jī)組的起動(dòng)。此外，該技術(shù)在水輪發(fā)電機(jī)自同期并網(wǎng)方面的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，完全可以設(shè)計(jì)制造出軟起動(dòng)與自同期并網(wǎng)功能并舉的專(zhuān)用設(shè)備，為我國(guó)抽水蓄能電站建設(shè)提供性能優(yōu)越的大型裝備。

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