閆 偉，石祥建，施一峰，吳 龍，謝 歡，劉為群，鐘高躍

(1.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102；2.國網(wǎng)冀北電力有限公司電力科學(xué)研究院，北京 100045)

0 引 言

交流勵(lì)磁可變速抽水蓄能機(jī)組，轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組為三相對稱繞組，采用交流勵(lì)磁方式，勵(lì)磁電壓的頻率、幅值、相位及相序均為可調(diào)，機(jī)械轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)頻率柔性連接[1-2]。交流勵(lì)磁可變速抽水蓄能機(jī)組，通過變機(jī)械轉(zhuǎn)速運(yùn)行，在發(fā)電和抽水兩種工況下都能獲得較高的效率，提高機(jī)組對水頭變化的適應(yīng)能力，同時(shí)避開機(jī)組運(yùn)行的不穩(wěn)定區(qū)；交流勵(lì)磁可變速抽蓄機(jī)組有功和無功解耦控制、深度進(jìn)相能力及功角與轉(zhuǎn)子位置解耦的特性，使其具有良好的電力系統(tǒng)穩(wěn)定支撐能力；水泵工況下通過改變可變速機(jī)組轉(zhuǎn)速可快速調(diào)節(jié)吸收的有功功率，從而突破抽蓄機(jī)組水泵工況下只能“開機(jī)-滿負(fù)荷-停機(jī)”的運(yùn)行束縛，提高電網(wǎng)對系統(tǒng)頻率的控制能力參與電網(wǎng)的調(diào)頻[3-7]。

我國在運(yùn)行的抽水蓄能電站機(jī)組都為定速機(jī)組，定速機(jī)組的黑啟動(dòng)勵(lì)磁設(shè)備及其控制技術(shù)已成熟。交流勵(lì)磁可變速機(jī)組在國內(nèi)尚無應(yīng)用，對其黑啟動(dòng)交流勵(lì)磁設(shè)備及其控制技術(shù)研究較少。一般黑啟動(dòng)要完成2個(gè)任務(wù)[8-11]：對內(nèi)要恢復(fù)提供廠用電的發(fā)電機(jī)母線電壓，對外要配合調(diào)度恢復(fù)電網(wǎng)運(yùn)行。本文主要討論的范圍限于發(fā)電機(jī)母線電壓。

1 變速機(jī)組黑啟動(dòng)交流勵(lì)磁裝置

可變速機(jī)組的交流勵(lì)磁設(shè)備采用過交-直-交、交-交拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，交-交結(jié)構(gòu)的交流勵(lì)磁設(shè)備因其諧波含量高、無功消耗大、輸出頻率受限等因素，在日本早期的變速機(jī)組中有使用，后來建設(shè)的變速機(jī)組都采用電壓源型交-直-交拓?fù)鋄12-13]。本文介紹的黑啟動(dòng)交流勵(lì)磁設(shè)備屬于電壓源型交-直-交拓?fù)洹τ诮涣鲃?lì)磁變速機(jī)組，不考慮黑啟動(dòng)功能時(shí)，其交流勵(lì)磁裝置主要由交流勵(lì)磁控制器、網(wǎng)側(cè)變流器、機(jī)側(cè)變流器、直流回路及其預(yù)充電環(huán)節(jié)組成。考慮黑啟動(dòng)功能時(shí)，需要在原有設(shè)備基礎(chǔ)上增加黑啟動(dòng)輔助功率部分，同時(shí)交流勵(lì)磁控制器在原有功能的基礎(chǔ)上要具備黑啟動(dòng)交流勵(lì)磁控制功能。

抽水蓄能電站電氣主接線多采用單元接線，在發(fā)電電動(dòng)機(jī)與主變壓器之間設(shè)置發(fā)電機(jī)斷路器，勵(lì)磁變壓器接在主變低壓側(cè)，正常情況下勵(lì)磁電源通過主變壓器從電網(wǎng)獲得，黑啟動(dòng)時(shí)需要獨(dú)立的黑啟動(dòng)電源將機(jī)組啟動(dòng)，由其為電網(wǎng)提供啟動(dòng)電源。由于變速機(jī)組的勵(lì)磁電源是三相交流電，而兩個(gè)交流電源無法直接并接及切換，所以可變速機(jī)組黑啟動(dòng)輔助勵(lì)磁電源與電壓源型交-直-交勵(lì)磁系統(tǒng)的電源并接及切換點(diǎn)應(yīng)在交流勵(lì)磁系統(tǒng)的直流環(huán)節(jié)。本文提出的變速機(jī)組黑啟動(dòng)交流勵(lì)磁裝置組成見圖1。

圖1 可變速機(jī)組黑啟動(dòng)交流勵(lì)磁裝置結(jié)構(gòu)示意

黑啟動(dòng)交流勵(lì)磁裝置由黑啟動(dòng)交流勵(lì)磁控制器、主勵(lì)磁功率部分、黑啟動(dòng)輔助功率部分組成。黑啟動(dòng)交流勵(lì)磁控制器由控制計(jì)算單元、傳感器單元及輸出控制單元組成，用于對黑啟動(dòng)輔助功率部分、主勵(lì)磁功率部分的控制，以實(shí)現(xiàn)機(jī)組正常工況控制及黑啟動(dòng)控制。主勵(lì)磁功率部分由網(wǎng)側(cè)變流器、直流環(huán)節(jié)、機(jī)側(cè)變流器組成，在黑啟動(dòng)輔助功率模塊退出后，為機(jī)組提供機(jī)端電壓繼續(xù)上升所需勵(lì)磁功率。黑啟動(dòng)輔助功率部分由輔助交流電源、變壓器、整流單元1及預(yù)充電模塊組成，為可變速機(jī)組提供建立初始機(jī)端電壓所需的勵(lì)磁功率，當(dāng)初始機(jī)端電壓建立后，通過整流單元1中的輸出開關(guān)分閘，將黑啟動(dòng)輔助功率部分退出；其中的預(yù)充電模塊由整流單元2和直流側(cè)限流電阻(限流電阻也可以在整流單元2的交流側(cè))組成，用于給主勵(lì)磁功率部分的直流環(huán)節(jié)中的電容充電，充電到設(shè)定值后，通過限流單元中的輸出開關(guān)分閘，將預(yù)充電模塊退出。之所以沒有使用主勵(lì)磁功率部分原來的預(yù)充電模塊，是因?yàn)楹趩?dòng)時(shí)輔助功率部分交流側(cè)電壓大小、直流環(huán)節(jié)的充電電壓水平與正常機(jī)組啟動(dòng)時(shí)的值不同，所以包括整流單元、限流電阻等在內(nèi)的充電回路參數(shù)設(shè)計(jì)要求不同。也可以采用整流單元1中串聯(lián)限流電阻的方式進(jìn)行預(yù)充電，充電完成后由短路開關(guān)將限流電阻短路。

2 黑啟動(dòng)主要設(shè)備參數(shù)計(jì)算

黑啟動(dòng)交流勵(lì)磁裝置中主勵(lì)磁功率部分及勵(lì)磁變壓器的設(shè)備參數(shù)，一般按照發(fā)電電動(dòng)機(jī)參數(shù)及機(jī)組的運(yùn)行范圍參數(shù)進(jìn)行了選擇計(jì)算，對于黑啟動(dòng)設(shè)備而言是已經(jīng)確定的，在此不做討論。主要對黑啟動(dòng)輔助功率設(shè)備部分主要設(shè)備參數(shù)計(jì)算進(jìn)行研究。

2.1 輔助交流電源參數(shù)計(jì)算

輔助交流電源可選用柴油發(fā)電機(jī)，需要確定其輸出額定電壓及容量。設(shè)UGN為變速機(jī)組定子額定電壓，k為建壓系數(shù)，即黑啟動(dòng)輔助功率部分在機(jī)端電壓升至kUGN時(shí)可以退出，0

Irc=kIroN

(1)

式中，IroN為變速電機(jī)額定空載轉(zhuǎn)子電流。

此時(shí)，轉(zhuǎn)子電壓Ur表達(dá)式為

(2)

考慮1.1倍裕量，據(jù)此可選擇輔助功率部分中輔助交流電源的容量SBS

(3)

式中，Sr為最大轉(zhuǎn)子勵(lì)磁容量。輔助交流電源的額定電壓UBSN可按照可選電源的常見額定值進(jìn)行選擇，如0.4 kV。

由式(3)可以看到，當(dāng)變速機(jī)組確定之后，SBS的大小取決于建壓系數(shù)k和進(jìn)行黑啟動(dòng)勵(lì)磁時(shí)可變速機(jī)組所處的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速值nS，nS一般在(90%～110%)nN范圍內(nèi)。k的取值直接影響輔助交流電源的電壓大小和電源容量。k的取值應(yīng)使黑啟動(dòng)輔助功率部分退出時(shí)，機(jī)端電壓經(jīng)勵(lì)磁變降壓后，其大小應(yīng)能使主勵(lì)磁功率部分在控制器的控制下，穩(wěn)定可靠地將機(jī)端電壓繼續(xù)升至額定值；太小，不利于控制穩(wěn)定，太大，造成輔助交流電源容量及電壓的浪費(fèi)，可取0.2～0.3。

2.2 變壓器參數(shù)計(jì)算

黑啟動(dòng)輔助功率部分中變壓器容量可按照SBS選擇，原邊電壓UT1=UBSN。這里對變壓器副邊電壓UT2的計(jì)算方法進(jìn)行研究。當(dāng)勵(lì)磁電壓為Ur時(shí)，根據(jù)PWM逆變器工作原理可得，直流回路直流電壓UDC滿足

(4)

式中，M1為主勵(lì)磁功率模塊中機(jī)側(cè)變流器的調(diào)制比，黑啟動(dòng)時(shí)，取值可為0.9～1.15。

則整流單元1交流側(cè)電壓，即黑啟動(dòng)輔助功率部分中變壓器副邊電壓UT2按照式(5)選取。

(5)

2.3 對建壓系數(shù)k的探討

在黑啟動(dòng)輔助電源的設(shè)計(jì)階段，主要考慮2.1中提到的對建壓系數(shù)的限制條件。黑啟動(dòng)的實(shí)際控制過程中，機(jī)端電壓設(shè)定值UGset，不一定是額定值UGN，當(dāng)機(jī)端電壓達(dá)到kUGset時(shí)，如果勵(lì)磁變低壓側(cè)電壓值比黑啟動(dòng)輔助功率部分的變壓器副邊電壓UT2大很多，發(fā)電機(jī)斷路器合閘后，勵(lì)磁斷路器合閘時(shí)，因網(wǎng)側(cè)變流器IGBT反并聯(lián)二極管形成的整流橋的存在，將產(chǎn)生沖擊電壓、電流，對設(shè)備安全不利。所以，在合開關(guān)前應(yīng)通過機(jī)側(cè)變流器控制使機(jī)端電壓UG達(dá)到UGset1值，UGset1應(yīng)滿足

(6)

β∈[105，12]

式中，j為勵(lì)磁變低壓側(cè)到高壓側(cè)的電壓變比；β定義為主勵(lì)磁電源投入安全系數(shù)。UG=UGset1時(shí)，進(jìn)行勵(lì)磁變投入，則產(chǎn)生的沖擊較小，不會(huì)對設(shè)備造成不利影響。

3 變速抽蓄機(jī)組黑啟動(dòng)交流勵(lì)磁控制

可變速機(jī)組的勵(lì)磁系統(tǒng)是電壓源型交-直-交的變流器系統(tǒng)，有網(wǎng)側(cè)變流器控制和機(jī)側(cè)變流器控制，黑啟動(dòng)時(shí)涉及黑啟動(dòng)輔助電源部分的控制、輔助電源到主勵(lì)磁電源的平穩(wěn)切換以及持續(xù)平穩(wěn)的將機(jī)端電壓升至設(shè)定值UGset，主要控制過程如圖2所示。

圖2 可變速機(jī)組黑啟動(dòng)交流勵(lì)磁控制流程

首先機(jī)組轉(zhuǎn)速應(yīng)已達(dá)到設(shè)定值nS，而nS應(yīng)在黑啟動(dòng)輔助電源設(shè)計(jì)時(shí)所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)；接收到黑啟動(dòng)命令后，啟動(dòng)輔助交流電源，其輸出交流電壓正常后啟動(dòng)預(yù)充電模塊，對主勵(lì)磁直流回路電容進(jìn)行充電，充電達(dá)到UDCS時(shí)，退出預(yù)充模塊，黑啟動(dòng)輔助部分與主勵(lì)磁直流回路連接，維持直流電壓為UDCS；網(wǎng)側(cè)變流器處于閉鎖狀態(tài)，解鎖機(jī)側(cè)變流器使其按照控制要求輸出響應(yīng)PWM控制脈沖，對變速電機(jī)組轉(zhuǎn)子進(jìn)行勵(lì)磁，建立機(jī)端電壓UG；當(dāng)UG=UGset1時(shí)，先后合并網(wǎng)開斷路器、勵(lì)磁斷路器，則勵(lì)磁變低壓側(cè)帶電；解鎖網(wǎng)側(cè)變流器脈沖輸出，控制直流側(cè)電壓達(dá)到UNDC1，顯然UNDCS1應(yīng)滿足

UNDC1≥UDCS

(7)

實(shí)際控制中可選UNDCS1比UDCS稍大一些，比如可選UNDCS1=1.05UDCS。此時(shí)控制整流單元1中的輸出斷路器分閘，則黑啟動(dòng)輔助功率部分安全退出。

通過控制網(wǎng)側(cè)變流器來控制直流電壓達(dá)到UNDCS2，使得在該直流電壓下，機(jī)側(cè)變流器輸出的交流電壓能夠?qū)C(jī)端電壓升至額定值，并且機(jī)側(cè)變流器調(diào)制比適中，UNDCS2按照式(8)計(jì)算。

(8)

式中，M2為機(jī)側(cè)變流器由主勵(lì)磁電源供電時(shí)的調(diào)制比，考慮黑啟動(dòng)時(shí)機(jī)組處于空載狀態(tài)，取0.5～0.6。

4 300 MW變速機(jī)組黑啟動(dòng)RTDS仿真

利用交流勵(lì)磁控制器裝置及RTDS仿真平臺，搭建300 MW變速機(jī)組黑啟動(dòng)仿真系統(tǒng)。在RTDS中搭建如圖1所示的300 MW可變速機(jī)組、主勵(lì)磁功率部分、黑啟動(dòng)輔助功率部分及一次交流系統(tǒng)模型，主勵(lì)磁功率部分采用主流的I型三電平電壓源型交-直-交變流器形式。交流勵(lì)磁控制器實(shí)物裝置中集成黑啟動(dòng)控制軟件，接收RTDS輸出的系統(tǒng)二次電壓電流信號、開出信號，向RTDS發(fā)出斷路器分合閘信號、兩個(gè)變流橋的PWM控制脈沖信號。

300 MW變速電機(jī)參數(shù)為：額定容量Sn=336 MV·A，同步轉(zhuǎn)速nN=500 r/min，定子額定電壓UGN=15.75 kV，定子電阻Rs=0.002(p.u.)，定子漏抗LSδ=0.14(p.u.)，轉(zhuǎn)子電阻Rr=0.003 (p.u.)，轉(zhuǎn)子漏抗Lrδ=0.18(p.u.) ；定轉(zhuǎn)子互感Lm=2.7(p.u.)，空載轉(zhuǎn)子電流為1 780 A。

設(shè)定nS=490 r/min，由電機(jī)參數(shù)及2.1、2.2中給出的算法，選擇黑啟動(dòng)輔助功率部分輔助交流電源容量為263 kV·A，電壓為0.4 kV，變壓器容量和輔助交流容量相同，變壓器原邊電壓0.4 kV，副邊電壓按照式(5)計(jì)算為0.54 kV，建壓系數(shù)k=0.2。

仿真波形如圖3所示。在波形顯示的零時(shí)刻，已完成預(yù)充電模塊對主勵(lì)磁直流環(huán)節(jié)電壓充至0.83 kV。網(wǎng)側(cè)變流器閉鎖，控制器控制機(jī)側(cè)變流器使機(jī)端電壓UG按照給定值UGref曲線，以1 kV/s的速度上升至UG=UGset1=3.1 kV。此時(shí)合發(fā)電機(jī)斷路器、勵(lì)磁斷路器，選擇合適的UGset1后，勵(lì)磁斷路器合閘時(shí)，直流電壓無突升現(xiàn)象，則無沖擊電流出現(xiàn)。網(wǎng)側(cè)變流器解鎖，將直流電壓抬升至比0.83 kV高，見圖3中約4 s處，則安全退出輔助功率部分。之后，網(wǎng)側(cè)變流器繼續(xù)將直流電壓UNDC抬升，在圖3中約4.8 s處開始控制機(jī)側(cè)變流器，使UG繼續(xù)按照給定UGref曲線，以1 kV/s的速度升到設(shè)定值UGset，并維持，在此期間直流電壓UNDC逐漸升高到正常工作值。整個(gè)黑啟動(dòng)過程持續(xù)約16.5 s。圖3中給出了轉(zhuǎn)子電流有效值Ir及1 Hz瞬時(shí)轉(zhuǎn)子電流ir波形，可見整個(gè)啟動(dòng)過程電流變化平穩(wěn)。機(jī)端電壓上升速度在主勵(lì)磁功率部分投入后，可以進(jìn)一步加快，從而縮短整個(gè)定子升壓時(shí)間。

圖3 黑啟動(dòng)過程仿真

5 結(jié) 論

針對抽水蓄能電站交流勵(lì)磁可變速機(jī)組黑啟動(dòng)，提出了一種黑啟動(dòng)交流勵(lì)磁裝置，對其結(jié)構(gòu)及各部分功能及主要設(shè)備參數(shù)計(jì)算方法進(jìn)行了分析討論，提出了與之適應(yīng)的黑啟動(dòng)控制方法，可得以下結(jié)論：

(1)由于變速機(jī)組的勵(lì)磁電源是三相交流電，而兩個(gè)交流電源無法直接并接及切換，所以可變速機(jī)組黑啟動(dòng)輔助勵(lì)磁電源與電壓源型交-直-交勵(lì)磁系統(tǒng)的電源并接及切換點(diǎn)應(yīng)在交流勵(lì)磁系統(tǒng)的直流環(huán)節(jié)。

(2)建壓系數(shù)k的取值應(yīng)合適，太小，不利于控制穩(wěn)定，太大，造成輔助交流電源容量及電壓的浪費(fèi)；實(shí)際控制階段，應(yīng)按照式(6)對k進(jìn)行校核，避免因k值過大，導(dǎo)致勵(lì)磁開關(guān)合閘時(shí)產(chǎn)生較大的電壓、電流沖擊。

(3)交流勵(lì)磁控制裝置加RTDS的仿真試驗(yàn)表明，本文提出的黑啟動(dòng)交流勵(lì)磁裝置及其控制方法，可實(shí)現(xiàn)變速機(jī)組母線電壓的平穩(wěn)、快速建立，同時(shí)各中間電氣量變化平穩(wěn)，能夠滿足實(shí)際工程對交流勵(lì)磁裝置黑啟動(dòng)的要求。

定速機(jī)組對電網(wǎng)的黑啟動(dòng)中可能出現(xiàn)的自勵(lì)磁問題已有較多研究。對于交流勵(lì)磁變速機(jī)組對電網(wǎng)的黑啟動(dòng)中，可能出現(xiàn)的自勵(lì)磁情況的研究是下一步需要開展的工作。