大中型抽水蓄能电站励磁系统设计

郭春平， 许其品

(国网电力科学研究院/南京南瑞集团公司， 江苏 南京 211000)

大中型抽水蓄能电站励磁系统设计

郭春平， 许其品

(国网电力科学研究院/南京南瑞集团公司， 江苏 南京 211000)

本文对大中型抽水蓄能电站典型配置的励磁系统设计进行了详细地说明，包括在设计选型时应考虑的主要技术条件和一般计算方法。

大中型抽水蓄能电站；励磁系统设计；技术条件；计算

0 前 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”。

与常规水电站仅有发电运行工况相比，抽水蓄能电站励磁系统具有发电和电动两种运行工况，所以抽水蓄能电站的励磁系统设计具有一定的特殊性。本文对大中型抽水蓄能电站励磁系统设计选型过程中应考虑的主要技术条件和一般计算方法，进行详细地说明。

1 系统设计及选型计算

大中型抽水蓄能电站励磁系统主接线多采用的连接方式如图1所示，该方式优点是接线简单、设备少、启停和工况转换过程中不需切换励磁电源。

图1 励磁系统主接线

大中型抽水蓄能电站励磁系统一般由励磁调节控制单元、整流单元、转子灭磁及过电压保护单元、黑启动单元和整流变压器等组成。其典型配置一般包括励磁调节器屏、可控硅整流柜(3面)、灭磁及过电压保护柜、灭磁开关柜和交流进线柜等7面屏柜和1台三相整流变压器。

1.1 励磁调节器屏

应采用具有嵌入式操作系统平台的励磁调节器，并应具有以下特点。

(1)调节性能一般要求，应满足DL/T 583和DL/T 295等相关规定。

(2)电力系统稳定器模型应符合IEEE 421.5规定，同时满足发电电动机的发电和抽水运行要求，且在0.2～2.0 Hz频率范围之内，均能够有效地抑制系统的低频振荡。

(3)能够接受计算机监控系统机组现地控制单元(LCU)命令，并满足DL/T 860.81通信协议要求，实现发电电动机的启停、工况选择以及无功功率调节等功能，并可实现励磁系统关键运行状态和电气量的实时上送。

(4)人机操作界面应具有设置多级用户权限功能，便于管理。

(5)具有与电站计算机监控系统的机组现地控制单元(LCU)、转速检测装置、SFC设备等直接连接的硬接线接口，协调完成发电电动机的启动、工况转换控制以及单台或成组电机的无功功率调节。

(6)具有GPS对时功能，支持IRIG-B、NTP或PPS等多种方式，误差最大值不高于1 ms。

(7)励磁系统状态记录、事件记录以及故障时自动录波，波形格式宜符合IEEE Std C37.111推荐的标准格式。

(8)支持IEC61850通信规约，符合DL/T860.81相关规定要求。

(9)工况选择，可参照图2设计。励磁系统投入前，计算机监控系统首先给励磁系统发送运行模式控制指令，励磁系统收到该指令后，切换至需要的运行工况，进行相应的调节控制[1～2]。

图2 励磁系统工况选择范例

1.2 励磁变压器

1.2.1 技术条件(至少应考虑以下几点)

(1)二次侧额定电压；

(2)二次额定电流；

(3)额定容量；

(4)短路阻抗；

(5)联接组别；

(6)电流互感器；

(7)温升；

(8)绝缘等级。

其他技术要求应满足相关规范[7-10]要求。

1.2.2 选型计算

(1)二次侧额定电流I2N：可按式(1)计算。

I2N=0.816kiILN

(1)

式中ILN——发电电动机发电工况额定励磁电流，A；

ki——发电电动机长期连续运行额定励磁电流倍数，可取1.1。

(2)二次侧额定电压U2N：可按式(2)计算。

(2)

式中k1——励磁顶值电压倍数，可取2；

k2——强励时正序电压百分值，可取80%；

k3——晶闸管换相系数，可取0.95；

αmin——强励触发角度，可取10°；

ULN——发电电动机发电工况额定励磁电压，V。

(3)励磁变压器容量SN：关于励磁变压器容量计算有多种方法，一般可按式(3)计算。

(3)

式中k——考虑谐波等附加损耗的系数，可暂取1.2。

(4)励磁变压器短路阻抗、绕组联接组别等参数确定，应满足标准DL/T 583相关规定。

(5)励磁CT的选型要考虑发电电动机2倍额定励磁电流运行工况和CT的线性度。

1.3 可控硅整流柜

1.3.1 技术参数(至少应考虑以下几点)

(1)交流侧过电压保护；

(2)可控硅换相阻容过电压抑制；

(3)可控硅(包括额定电压和通态平均电流)；

(4)快速熔断器(包括额定电压和额定电流)；

(5)冷却系统。

1.3.2 选型计算

(1)交流侧过电压保护(浪涌吸收)：交流侧过电压保护有多种保护元器件类型(如RC、非线性电阻等)及接线方式。若过电压保护采用非线性电阻方式，则非线性电阻过电压保护整定值应低于整流器内晶闸管的额定电压。

(2) 可控硅换相阻容过电压抑制(缓冲吸收)电路参数计算：可控硅换相阻容过电压抑制电路，可采用分立式结构，也可采用集中阻断式结构。对于分立式阻容过电压抑制电路中电阻和电容参数定额，可采用计算机仿真方法获得“阻容缓冲器系数优化曲线”，再依据该优化曲线和所选型的可控硅来确定电阻值和电容值。

(3)可控硅元件。

(a)额定电压UN一般不高于按式(4)计算所得值：

(4)

式中Um——发电电动机出厂耐压试验电压(幅值)，V；

U2N——含义同式(2)；

ku——裕量系数，可取2.75。

(b)通态平均电流IT(AV)可按式(5)计算。

(5)

式中I——单个整流柜额定输出直流电流，A；

ki——裕量系数，可取1.2～1.35；

(4) 快速熔断器

(a)额定电压Uf可按式(6)计算。

Uf=kuU2N

(6)

式中U2N——含义同式(2)；

ku——裕量系数，可取1.2～1.3。

(b)额定电流If可按式(7)计算。

If=kiI

(7)

式中I——含义同式(5)；

ki——裕量系数，可取1.2～1.54。

(5) 整流柜冷却系统设计原则

(a) 风冷式散热器：风冷式散热器选型计算(包括热阻和散热能力)应满足所选型晶闸管最大允许结温和耗散功率要求。

(b) 冷却风机：冷却风机通风量应不低于整流柜所选型晶闸管额定运行工况耗散功率要求。

1. 4 交流进线柜

1.4.1 交流断路器(至少应考虑以下技术参数)

(1)额定电压；

(2)额定电流；

(3)额定短路开断电流。

其他技术要求应满足相关规范[11]要求。

1.4.2 选项计算

(1)额定电压UN可按式(8)计算。

(8)

式中U2N——含义同式(2)。

(2)额定电流IN可按式(9)计算。

IN=I2N

(9)

式中I2N——含义同式(1)。

(3)额定短路分断电流Is可按式(10)计算。

(10)

式中I2N——含义同式(1)；

Uk%——励磁变压器短路阻抗压降百分数。

1. 5 灭磁开关柜

1.5.1 直流磁场断路器(至少应考虑以下技术参数)

(1)额定电压；

(2)额定电流；

(3)最大分断电压；

(4)最大短路分断电流。

其他技术要求应满足相关规范[12-13]要求。

1.5.2 选项计算

(1)额定电压UN可按式(11)计算。

(11)

式中ULN——含义同式(2)。

(2)主触头额定电流IN可按式(12)计算。

IN=kiI2N

(12)

式中I2N——含义同式(1)；

ki——裕量系数，可取1.1。

(3)最大分断电压(即最大弧压)Ukmax：若灭磁系统采用非线性电阻方式，则可按式(13)计算。

Ukmaxgt;URmax+UZmax

(13)

式中URmax——非线性电阻两端最大电压，V，取非线性电阻灭磁动作电压；

UZmax——功率整流柜最大输出电压，V，可取励磁变压器二次侧1.4倍额定电压(幅值)。

(4)最大短路分断电流Ismax：应能可靠分断发电电动机额定运行工况下励磁直流回路短路时引起的短路电流，可依据交流断路器额定短路分断电流Is来定额，即Ismax=Is。

1. 6 灭磁及转子过电压保护柜

1.6.1 灭磁及过压保护设计(至少应考虑以下技术参数)

(1)非线性电阻灭磁电压；

(2)灭磁电阻容量；

(3)转子过电压保护。

其他技术要求应满足相关规范[14]要求。

1.6.2 选型计算

(1)非线性电阻灭磁电压URN，按式(14)计算。发电电动机额定励磁电压不高于500 V时，在式(14a)范围内取值。

(14a)

发电电动机额定励磁电压高于500 V时，在式(14b)范围内取值。

URN=(0.3～0.5)(2ULN+4 000)

(14b)

式中ULN——含义同式(2)。

(2)灭磁电阻容量ERN，应不低于发电电动机灭磁开始时转子剩余能量，即公式(15)。

(15)

式中ILN——含义同式(1)；

Kdc——电流倍数，可取3；

Rf——发电电动机转子绕组热态电阻值，Ω，取Rf=75℃；

k1——灭磁裕量系数，可取0.8；

k2——选择系数，可取0.67。

(3) 转子过电压保护整定值UBOD，可按式(16)计算。

发电电动机额定励磁电压不高于500 V时，在式(16a)范围内取值。

(16a)

发电电动机额定励磁电压高于500 V时，在式(16b)范围内取值。

UBOD=(0.5～0.7)(2ULN+4 000)

(16b)

式中ULN——含义同式(2)。

2 结 语

本文对大中型抽水蓄能电站励磁系统典型配置方案设计进行了详细地说明，包括设计选型时应考虑的主要技术条件和一般计算方法。对小型抽水蓄能电站及其他类型电站励磁系统设计、电站励磁装置招标等都具有一定的参考性和指导意义。

[1] 李基成. 现代同步发电机励磁系统设计及应用(第2版) [M].北京：中国电力出版社，2009.

[2] DL/T 295-2011 抽水蓄能机组自动控制系统技术条件[S]．北京：中国电力出版社,2011．

[3] DL/T 583-2006 大中型水轮发电机静止整流励磁系统及装置技术条件[S]．北京：中国电力出版社,2006．

[4] IEEE Std 421.5-2005 IEEE Recommended Practice for Excitation System Models for Power System Stability Studies[S].New York:IEEE Power Engineering Society,2006.

[5] DL/T 860.81-2006 变电站通信网络和系统 第8-1部分：特定通信服务映射(SCSM)对MMS(ISO 9506-1和ISO 9506-2)及ISO/IEC 8802-3的映射[S]．北京：中国电力出版社,2006．

[6] IEEE Std C37.111-2013 IEEE Standard Common Format for Transient Data Exchange (COMTRADE) for Power Systems[S].New York:IEEE Power Engineering Society,1991.

[7] GB/T 1094.1-2013 电力变压器 第1部分 总则[S]．北京：中国标准出版社,2013.

[8] GB/T 1094.2-2013 电力变压器 第2部分 温升[S]．北京：中国标准出版社,2013.

[9] GB/T 1094.3-2003 电力变压器 第3部分 绝缘.水平和绝缘试验[S]．北京：中国标准出版社,2003.

[10] GB/T 1094.11-2007 电力变压器 第11部分 干式变压器[S]．北京：中国标准出版社,2007.

[11] GB 14048.2-2008 低压开关设备和控制设备 第2部分：断路器[S]．北京：中国电力出版社,2008.

[12] IEEE C37.18-1979 Standard Enclosed Field Discharge Circuit Breakers for Rotating Electric Machinery[S].New York:IEEE Power Engineering Society,2003.

[13] DL/T 294.1-2011 发电机灭磁及转子过电压保护装置技术条件 第1部分：磁场断路器[S]．北京：中国电力出版社,2011.

[14] DL/T 294.2-2011 发电机灭磁及转子过电压保护装置技术条件 第2部分：非线性电阻[S]．北京：中国电力出版社,2011.

智能抽水蓄能电站技术体系和状态检修技术研究(SGKJ[2012]515号)

2016- 10- 25

郭春平(1980-)，男，河南鹤壁人，硕士，高级工程师，从事同步发电机励磁系统相关工作。

TV734.2

B

1003-9805(2017)04-0032-04