可变速抽蓄机组黑启动交流励磁设备及其控制研究

2021-01-14石祥建施一峰刘为群钟高跃

水力发电 2020年10期

闫伟，石祥建，施一峰，吴龙，谢欢，刘为群，钟高跃

(1.南京南瑞继保电气有限公司，江苏南京 211102；2.国网冀北电力有限公司电力科学研究院，北京 100045)

0 引言

交流励磁可变速抽水蓄能机组，转子励磁绕组为三相对称绕组，采用交流励磁方式，励磁电压的频率、幅值、相位及相序均为可调，机械转速与电网频率柔性连接[1-2]。交流励磁可变速抽水蓄能机组，通过变机械转速运行，在发电和抽水两种工况下都能获得较高的效率，提高机组对水头变化的适应能力，同时避开机组运行的不稳定区；交流励磁可变速抽蓄机组有功和无功解耦控制、深度进相能力及功角与转子位置解耦的特性，使其具有良好的电力系统稳定支撑能力；水泵工况下通过改变可变速机组转速可快速调节吸收的有功功率，从而突破抽蓄机组水泵工况下只能“开机-满负荷-停机”的运行束缚，提高电网对系统频率的控制能力参与电网的调频[3-7]。

我国在运行的抽水蓄能电站机组都为定速机组，定速机组的黑启动励磁设备及其控制技术已成熟。交流励磁可变速机组在国内尚无应用，对其黑启动交流励磁设备及其控制技术研究较少。一般黑启动要完成2个任务[8-11]：对内要恢复提供厂用电的发电机母线电压，对外要配合调度恢复电网运行。本文主要讨论的范围限于发电机母线电压。

1 变速机组黑启动交流励磁装置

可变速机组的交流励磁设备采用过交-直-交、交-交拓扑结构，交-交结构的交流励磁设备因其谐波含量高、无功消耗大、输出频率受限等因素，在日本早期的变速机组中有使用，后来建设的变速机组都采用电压源型交-直-交拓扑[12-13]。本文介绍的黑启动交流励磁设备属于电压源型交-直-交拓扑。对于交流励磁变速机组，不考虑黑启动功能时，其交流励磁装置主要由交流励磁控制器、网侧变流器、机侧变流器、直流回路及其预充电环节组成。考虑黑启动功能时，需要在原有设备基础上增加黑启动辅助功率部分，同时交流励磁控制器在原有功能的基础上要具备黑启动交流励磁控制功能。

抽水蓄能电站电气主接线多采用单元接线，在发电电动机与主变压器之间设置发电机断路器，励磁变压器接在主变低压侧，正常情况下励磁电源通过主变压器从电网获得，黑启动时需要独立的黑启动电源将机组启动，由其为电网提供启动电源。由于变速机组的励磁电源是三相交流电，而两个交流电源无法直接并接及切换，所以可变速机组黑启动辅助励磁电源与电压源型交-直-交励磁系统的电源并接及切换点应在交流励磁系统的直流环节。本文提出的变速机组黑启动交流励磁装置组成见图1。

图1 可变速机组黑启动交流励磁装置结构示意

黑启动交流励磁装置由黑启动交流励磁控制器、主励磁功率部分、黑启动辅助功率部分组成。黑启动交流励磁控制器由控制计算单元、传感器单元及输出控制单元组成，用于对黑启动辅助功率部分、主励磁功率部分的控制，以实现机组正常工况控制及黑启动控制。主励磁功率部分由网侧变流器、直流环节、机侧变流器组成，在黑启动辅助功率模块退出后，为机组提供机端电压继续上升所需励磁功率。黑启动辅助功率部分由辅助交流电源、变压器、整流单元1及预充电模块组成，为可变速机组提供建立初始机端电压所需的励磁功率，当初始机端电压建立后，通过整流单元1中的输出开关分闸，将黑启动辅助功率部分退出；其中的预充电模块由整流单元2和直流侧限流电阻(限流电阻也可以在整流单元2的交流侧)组成，用于给主励磁功率部分的直流环节中的电容充电，充电到设定值后，通过限流单元中的输出开关分闸，将预充电模块退出。之所以没有使用主励磁功率部分原来的预充电模块，是因为黑启动时辅助功率部分交流侧电压大小、直流环节的充电电压水平与正常机组启动时的值不同，所以包括整流单元、限流电阻等在内的充电回路参数设计要求不同。也可以采用整流单元1中串联限流电阻的方式进行预充电，充电完成后由短路开关将限流电阻短路。

2 黑启动主要设备参数计算

黑启动交流励磁装置中主励磁功率部分及励磁变压器的设备参数，一般按照发电电动机参数及机组的运行范围参数进行了选择计算，对于黑启动设备而言是已经确定的，在此不做讨论。主要对黑启动辅助功率设备部分主要设备参数计算进行研究。

2.1 辅助交流电源参数计算

辅助交流电源可选用柴油发电机，需要确定其输出额定电压及容量。设UGN为变速机组定子额定电压，k为建压系数，即黑启动辅助功率部分在机端电压升至kUGN时可以退出，0

Irc=kIroN

(1)

式中，IroN为变速电机额定空载转子电流。

此时，转子电压Ur表达式为

(2)

考虑1.1倍裕量，据此可选择辅助功率部分中辅助交流电源的容量SBS

(3)

式中，Sr为最大转子励磁容量。辅助交流电源的额定电压UBSN可按照可选电源的常见额定值进行选择，如0.4 kV。

由式(3)可以看到，当变速机组确定之后，SBS的大小取决于建压系数k和进行黑启动励磁时可变速机组所处的稳定转速值nS，nS一般在(90%～110%)nN范围内。k的取值直接影响辅助交流电源的电压大小和电源容量。k的取值应使黑启动辅助功率部分退出时，机端电压经励磁变降压后，其大小应能使主励磁功率部分在控制器的控制下，稳定可靠地将机端电压继续升至额定值；太小，不利于控制稳定，太大，造成辅助交流电源容量及电压的浪费，可取0.2～0.3。

2.2 变压器参数计算

黑启动辅助功率部分中变压器容量可按照SBS选择，原边电压UT1=UBSN。这里对变压器副边电压UT2的计算方法进行研究。当励磁电压为Ur时，根据PWM逆变器工作原理可得，直流回路直流电压UDC满足

(4)

式中，M1为主励磁功率模块中机侧变流器的调制比，黑启动时，取值可为0.9～1.15。

则整流单元1交流侧电压，即黑启动辅助功率部分中变压器副边电压UT2按照式(5)选取。

(5)

2.3 对建压系数k的探讨

在黑启动辅助电源的设计阶段，主要考虑2.1中提到的对建压系数的限制条件。黑启动的实际控制过程中，机端电压设定值UGset，不一定是额定值UGN，当机端电压达到kUGset时，如果励磁变低压侧电压值比黑启动辅助功率部分的变压器副边电压UT2大很多，发电机断路器合闸后，励磁断路器合闸时，因网侧变流器IGBT反并联二极管形成的整流桥的存在，将产生冲击电压、电流，对设备安全不利。所以，在合开关前应通过机侧变流器控制使机端电压UG达到UGset1值，UGset1应满足

(6)

β∈[105，12]

式中，j为励磁变低压侧到高压侧的电压变比；β定义为主励磁电源投入安全系数。UG=UGset1时，进行励磁变投入，则产生的冲击较小，不会对设备造成不利影响。

3 变速抽蓄机组黑启动交流励磁控制

可变速机组的励磁系统是电压源型交-直-交的变流器系统，有网侧变流器控制和机侧变流器控制，黑启动时涉及黑启动辅助电源部分的控制、辅助电源到主励磁电源的平稳切换以及持续平稳的将机端电压升至设定值UGset，主要控制过程如图2所示。

图2 可变速机组黑启动交流励磁控制流程

首先机组转速应已达到设定值nS，而nS应在黑启动辅助电源设计时所对应的转速范围内；接收到黑启动命令后，启动辅助交流电源，其输出交流电压正常后启动预充电模块，对主励磁直流回路电容进行充电，充电达到UDCS时，退出预充模块，黑启动辅助部分与主励磁直流回路连接，维持直流电压为UDCS；网侧变流器处于闭锁状态，解锁机侧变流器使其按照控制要求输出响应PWM控制脉冲，对变速电机组转子进行励磁，建立机端电压UG；当UG=UGset1时，先后合并网开断路器、励磁断路器，则励磁变低压侧带电；解锁网侧变流器脉冲输出，控制直流侧电压达到UNDC1，显然UNDCS1应满足

UNDC1≥UDCS

(7)

实际控制中可选UNDCS1比UDCS稍大一些，比如可选UNDCS1=1.05UDCS。此时控制整流单元1中的输出断路器分闸，则黑启动辅助功率部分安全退出。

通过控制网侧变流器来控制直流电压达到UNDCS2，使得在该直流电压下，机侧变流器输出的交流电压能够将机端电压升至额定值，并且机侧变流器调制比适中，UNDCS2按照式(8)计算。

(8)

式中，M2为机侧变流器由主励磁电源供电时的调制比，考虑黑启动时机组处于空载状态，取0.5～0.6。

4 300 MW变速机组黑启动RTDS仿真

利用交流励磁控制器装置及RTDS仿真平台，搭建300 MW变速机组黑启动仿真系统。在RTDS中搭建如图1所示的300 MW可变速机组、主励磁功率部分、黑启动辅助功率部分及一次交流系统模型，主励磁功率部分采用主流的I型三电平电压源型交-直-交变流器形式。交流励磁控制器实物装置中集成黑启动控制软件，接收RTDS输出的系统二次电压电流信号、开出信号，向RTDS发出断路器分合闸信号、两个变流桥的PWM控制脉冲信号。

300 MW变速电机参数为：额定容量Sn=336 MV·A，同步转速nN=500 r/min，定子额定电压UGN=15.75 kV，定子电阻Rs=0.002(p.u.)，定子漏抗LSδ=0.14(p.u.)，转子电阻Rr=0.003 (p.u.)，转子漏抗Lrδ=0.18(p.u.) ；定转子互感Lm=2.7(p.u.)，空载转子电流为1 780 A。

设定nS=490 r/min，由电机参数及2.1、2.2中给出的算法，选择黑启动辅助功率部分辅助交流电源容量为263 kV·A，电压为0.4 kV，变压器容量和辅助交流容量相同，变压器原边电压0.4 kV，副边电压按照式(5)计算为0.54 kV，建压系数k=0.2。

仿真波形如图3所示。在波形显示的零时刻，已完成预充电模块对主励磁直流环节电压充至0.83 kV。网侧变流器闭锁，控制器控制机侧变流器使机端电压UG按照给定值UGref曲线，以1 kV/s的速度上升至UG=UGset1=3.1 kV。此时合发电机断路器、励磁断路器，选择合适的UGset1后，励磁断路器合闸时，直流电压无突升现象，则无冲击电流出现。网侧变流器解锁，将直流电压抬升至比0.83 kV高，见图3中约4 s处，则安全退出辅助功率部分。之后，网侧变流器继续将直流电压UNDC抬升，在图3中约4.8 s处开始控制机侧变流器，使UG继续按照给定UGref曲线，以1 kV/s的速度升到设定值UGset，并维持，在此期间直流电压UNDC逐渐升高到正常工作值。整个黑启动过程持续约16.5 s。图3中给出了转子电流有效值Ir及1 Hz瞬时转子电流ir波形，可见整个启动过程电流变化平稳。机端电压上升速度在主励磁功率部分投入后，可以进一步加快，从而缩短整个定子升压时间。