大型抽水蓄能电机启动过程的励磁控制策略

郭春平

（国网电力科学研究院/南瑞集团公司，江苏南京211000）

大型抽水蓄能电机启动过程的励磁控制策略

郭春平

（国网电力科学研究院/南瑞集团公司，江苏南京211000）

对大型抽水蓄能电机启动过程中励磁系统的控制进行了深入的理论研究，并将研究成果应用在国内某单机容量300MW的抽水蓄能电机上进行了试验验证，试验结果达到了预期目标，表明研究成果的正确性，具有推广应用价值。

大型抽水蓄能电机；启动过程；励磁系统；控制策略；工程应用

1 引言

自2003年以来，国家电网公司积极采取措施推进抽水蓄能电站设备自主化进程，在“十一五”科技发展规划中，就抽水蓄能电站控制和运行技术，明确提出“重点开展抽水蓄能电站机组控制系统设备的自主化研究与开发”。

抽水蓄能机组励磁系统是为机组提供励磁电流、维持发电机组/电动机组机端电压稳定的核心实时自动控制系统，其功能和性能直接关系到机组可靠稳定运行；同时还是抑制电力系统低频振荡最有效、最经济的手段；它还是发电机组/电动机组内部故障时重要的保护装置。与常规水电站电机相比，抽水蓄能电站电机具有发电机和电动机两种运行方式［1］，所以抽水蓄能机组励磁系统控制策略不同于常规水电机组。本文基于这一情况针对大型抽水蓄能电站中300MW典型电机在启动过程中励磁系统的控制策略进行理论研究，并结合工程实际应用，进行了试验验证。

2 机组启动过程分析及控制

2.1 静止变频启动过程分析及控制

抽水蓄能机组兼有发电和电动两种运行工况，这两种运行工况下，励磁系统控制策略有所区别。在发电工况下，励磁系统以常规控制策略运行，在水泵电动启动及运行工况下，应采用不同的控制策略，以实现启动的快速性和平稳性，避免产生较大的启动电流，对电网稳定性产生不利影响。如图1所示，为解决此问题在国际上首次提出了机组低于10%额定转速阶段励磁系统采用变增益控制策略，以实现机组SFC启动方式低转速阶段励磁系统具有高起始特性，保证机组低速启动的快速性和平稳性，提高机组启动成功率。

图1 机组SFC启动方式机组低于10%额定转速励磁系统变增益控制

该控制策略的具体实施，可采用如下操作。励磁系统在SFC启动初始阶段，励磁电流闭环控制采用专用的PID参数，使机端电压平稳上升，待转速上升至10%额定转速时，SFC进入自然换相阶段，此时励磁系统励磁电流闭环控制PID参数切换至正常值，机组加速运行，到同期并网控制阶段，直至机组并网，控制流程如图2所示。

图2 机组SFC启动方式励磁控制策略流程

2.2 背靠背启动过程分析及控制

如图3所示，抽水蓄能机组背靠背启动的启动过程可分为两个阶段［4、5］，即启动同步阶段和同步加速阶段。

图3 背靠背启动示意图

在磁路饱和影响的情况下，对机组背靠背启动工况下发电机和电动机基本电磁关系进行综合分析研究，得到了如图4所示的发电机、电动机之间电压、电流和机械方程之间的相互关系，建立背靠背启动发电机和电动机联立状态方程组，方程如式（1）所示。

图4 发电机、电动机之间电压、电流和机械方程的相互关系

式（1）中：

i表示电流，ω表示机组旋转角速度，δ表示机组功角，T表示时间常数，H表示机组转动惯量；变量右上角：g表示发电机，m表示电动机；变量右下角：d表示定义d绕组，q表示定子q绕组，fd和f表示励磁绕组，1d表示阻尼绕组D，1q表示阻尼绕组Q。

应用Matlab软件进行仿真，对两机组励磁电流取值大小对电动机启动的影响进行研究，研究结果如表1所示。

3 工程应用

在国内某装机容量为4×300MW的抽水蓄能电站，分别进行了静止变频启动和背靠背启动试验验证。

3.1 静止变频启动试验

试验波形如图5所示。

图5 机组SFC启动方式低速阶段（10%额定转速以下）电气量波形

表1 励磁电流取值对机组启动的影响

从图5可以得出，机组SFC启动方式低转速阶段励磁电流闭环控制采用专用PID参数，保证了机组低速启动的快速性，提高了电动方向的启动成功率，证明了机组SFC启动方式低速阶段变增益控制思想的正确性。

3.2 背靠背启动试验

机组背靠背启动进行了现场试验验证，试验从开始至并网，各阶段波形如图6-图11所示。

图6 背靠背启动开始时电动机侧波形

图7 背靠背启动期间电动机侧波形

图8 背靠背启动电动机侧并网波形

图9 背靠背启动开始时发电机侧波形

图10 背靠背启动期间发电机侧波形

图11 背靠背启动电动机并网发电机侧波形

4 结束语

针对抽水蓄能机组励磁系统不同与常规水电

机组的特点，对抽水蓄能机组SFC启动变增益控制和背靠背启动过程进行研究，并将研究成果在国内某300MW抽水蓄能机组上进行了试验验证，试验结果达到预期目标，表明研究成果的正确性，具有推广应用价值。

［1］郭春平，许其品.抽水蓄能电站励磁和SFC设备国产化发展概述［J］.水电厂自动化，2013，34（3），60-61.

［2］赫卫国，华光辉等.大型抽水蓄能机组励磁系统设计［J］.水电自动化与大坝监测，2011，35（3）：25-29.

［3］田立军，陆于平等.抽水蓄能电动发电机启动过程数字仿真［J］.电力系统自动化，1997，21（7）：38-41.

［4］邵宜祥，吕宏水等.抽水蓄能机组背靠背启动规律的仿真［J］.水电自动化与大坝监测，2008，32（4）：5-9.

［5］王自涛，戈宝军等.蓄能电机背靠背启动过程的计算机仿真［C］.抽水哈尔滨理工大学学报，1999，4（3）：41-45.

［6］高金玲，文 俊.抽水蓄能电站背靠背启动过程的数字仿真［J］.河北电力技术，1998，17（4）：6-9.

Excitation control strategies for the large water-pumping energy-storage motor instart-up process

GUO Chun-ping
（State Grid Electric Power Research Institute/Nanrui Group Corporation，Nanjing211000，China）

The excitation control strategies for the large water-pumping energy-storage motor in the start-up process are presented.The control strategies are tested and verified by applying them on the domestic 300MW water-pumping energy-storage motor.The test results show that the expected aim is achieved and verify the correctness of the control strategies.The control strategies are worthy of promotion in many fields.

large water-pumping energy-storage motor；start-up process；excitation system；control strategies；engineering application

TM331

A

1005—7277（2016）03—0021—03

郭春平（1980-），男，硕士，工程师，主要研究方向为交流电机暂态分析及控制。

2016-02-29