广州抽水蓄能电厂的静止变频器及其运行维护

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广州抽水蓄能电厂的静止变频器及其运行维护

作者：佚名文章来源：不详点击数：更新时间：2008-9-24 8:50:44

随着现代化大电网的不断发展，大型抽水蓄能电厂以其快速、有效、经济、可靠的特点，在电网的调峰填谷中扮演着重要的角色。广州抽水蓄能电厂是目前已投产的亚洲最大的抽水蓄能电厂，抽水蓄能机组是这类电厂的核心，其所特有的可逆式同步电动机-发电机的启动则是运行的关键技术之一。静止变频器(SFC，Static Frequency Convertor)正是用于实现这一关键技术的常用设备。作为电气传动技术在大型抽水蓄能电厂中的实际应用，本文试以工程实例的方式介绍广州抽水蓄能电厂(一期)的SFC系统。
　　1　广蓄SFC介绍

　　广州抽水蓄能电厂一期装机容量4×300　MW,其可逆式同步电动发电机参数如下：

　　Sn＝333.33MVA; fn＝50Hz; Nn＝500r/min; Un＝18kV; cosφ＝0.9;

　　MD2＝4000Tm2。

　　广州抽水蓄能电厂SFC系统属于交-直-交自控式电流型变频调速系统，其结构如图1所示，主要由输入输出变压器、直流平波电抗器、交流输出电抗器、整流逆变桥及监控系统等组成。整流逆变桥的每个桥臂由4个晶闸管串联而成，光触发。晶闸管阀片直径100mm，额定电压4800V，电流4.5kA，不设保险丝。设计时利用瞬态热阻法仔细计算了各种浪涌电流下晶闸管的损耗和结温。桥臂的接线如图2所示。

图1　广州抽水蓄能水电厂SFC结构图

Fig.1　The construction of SFC in GPSPS

图2　晶闸管桥臂控制接线图

Fig.2　Thyristor bridge control connection

　　2　广州抽水蓄能水电厂SFC的运行

　　广州抽水蓄能电厂属于纯抽水蓄能型电厂。电厂水头较高且稳定，发电工况无需经由SFC变速运行，SFC基本上仅作为电动工况的水泵启动之用。

　　2.1　转子初始位置的检测

　　转子的初始位置必须在SFC启动前的瞬间测定，以使控制系统(PNC)计算确定最先被触发导通的一对晶闸管，令转子获得最大的电磁启动转矩。测量过程是：在启动之前，首先投入励磁，从定子出口PT取3相的暂态感应电势进行计算便可得知转子的初始位置。此结果将送至PNC中的转子位置计算模块。配合脉冲发生器的零脉冲检测结果，便可在电动机的整个运行过程中得知转子的动态位置。转子初始位置的检测波形如图3所示。

图3　初始位置测量波形

Fig.3　Initial position measured vave

　　2.2　脉冲运行阶段

　　逆变器的换流方式有若干种，最简单、经济可行的方法要属于负载换向方式，广州抽水蓄能水电厂的SFC系统正是属于此类型。但当电机的转速较低(0～5Hz)时，机端反电动势较低，不能可靠地关闭晶闸管进行换向，需强制换流。换向时，原整流桥(NB)运行于全逆变状态，使MB回路的电流迅速降为零，从而使导通的晶闸管关闭，然后重新复原NB，而MB则按既定的触发顺序触发导通下一对晶闸管，实现换向。此过程又称脉冲运行阶段(图4a)。

　　(a)脉冲运行初期(b)自然换向中期(c)自然换向后期(d)整步微调e)NB、MB交流侧B相(f)直流回路、MB交流侧B相

图4　启动过程中各阶段NB、MB的电流波形

Fig.4　Current waves of NB,MB at each stage during the starting

　　2.3　自然换向运行阶段

　　当电机转速较高(>5Hz)时，机端反电动势已足够高，此时SFC靠电机的端电压进行换流，称自然换流运行状态(图4b、4c)。

　　2.4　整步并网阶段

　　电机转速达95％时，PLC便启动同期装置进行整步微调(图4d)，当同步条件满足时，合上机组出口开关。此前一刻原整流桥(NB)运行于全逆变状态，MB回路的电流迅速降为零，晶闸管关闭，NB和MB闭锁，SFC装置退出，完成整个拖动过程。

　　2.5　SFC启动过程的有关理论曲线如图5所示。

图5　SFC启动过程中的有的有关理论曲线

Fig.5　Theoretical curves during SFC starting

　　3　广州抽水蓄能水电厂SFC主要技术参数

　　3.1　NB、MB设计参数

　　整流(逆变)相数：3

　　换流桥脉动数：　　　　6

　　交流侧额定电压：4.2 kV±10%

　　额定交流电流：3 430 A

　　额定输出容量：20 MVA

　　最大输出容量：27 MVA

　　直流额定电流：4 200 A

　　空载直流电压：5.7 kV

　　频率：NB:50 Hz±10%

　　MB:0～55 Hz

　　最大工作循环：ON 60 min；

　　OFF 60 min

　　导致系统正弦电压总畸变值：<1.3%

　　通过节点注入500kV系统的各次谐波电流(有效值)不高于表1。

　　表1　各次谐波电流比例

各次谐波
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
%
4.9
3.9
3.0
4.0
2.0
2.8
1.2
1.1
1.0
2.7
1.0
3.0
1.4

　　3.2　水泵启动过程的设计指标

　　净启动时间：　　240s

　　最大启动功率：27MW

　　励磁电流：　0～5Hz：　1.1Icc(＝300A)

　　5～50Hz：　1.1Io(＝1057A)

　　同期控制指标：ΔU＝±5%

　　Δφ＝10

　　Δf＝0.75%

　　同期过程：t≤60s

　　同期判定：双通道

　　4　广州抽水蓄能水电厂SFC的评价

　　(1)广州抽水蓄能水电厂机组的水泵启动以SFC启动为主，背靠背启动为备用方式。因此SFC的可靠性是决定电厂运行指标的关键因素之一。SFC投产4年多来，共启动过4200多次(至1997年止)，平均每天启动3次多。其中1997年启动1412次，因SFC本身故障导致启动不成功的仅有9次，SFC的故障率还不到0.1%;在情况较差的1996年，SFC的可用率也达99.1%。由此可见，其可靠性很高。

　　(2)SFC的工作周期，设计为满负荷工作1h，间歇1h。试验时，SFC连续运行2h，测得Tr1、Tr2的油温在40℃，晶闸管桥的稳定温度小于30℃。多年的运行统计可知，SFC启动由0至额定转速需时300s左右，接近理论计算值240s。由此可见，该系统性能良好，特别是其主回路设计十分成功。

　　(3)广州抽水蓄能水电厂SFC系统的设计技术环境处于80年代末期，是GEC

　　ALSTHOM的成熟产品。原可实现四象限运行，但因电站的实际情况而只开发了其电动启动的功能，因此容量可以较小。PNC、PLC分别对内和对外进行控制，相对独立，优化了控制结构，避免相互间的影响。但为用户检修试验而设计的控制平台相对较繁复，为试验及故障查询增加了难度。NB、MB工作电压的降低，减少了晶闸管的串联数目，却增加了升压、降压变压器，设备空间占用量大，也增加了运行检修的维护工作量。晶闸管的触发是间接光触发，抗干扰及电隔离效果均比直接光触发式的差。

　　5　SFC拖动失败的主要原因

　　(1)转子初始位置检测失败，导致调节出错。这一问题经加长测位窗(calculation

　　window)，及调整励磁接触器位置辅助接点与PNC(1)的时间配合参数后得以解决。

　　(2)用于监控脉冲发生器的继电器质量不可靠，接点有时出现抖动，导致转子动态位置检测故障。更换高质量、接点容量大的继电器后，此故障可消除。

　　(3)冷却水系统减压阀损坏及水平管道严重锈蚀和污泥淤积，导致流量较少甚至检测不到，致使保护动作停SFC。通过化学清洗管道系统，可解决之。

　　(4)di/dt故障。此故障的出现，有时在启动初始，有时在机组并网成功后，并不同于常见情形，曾作过相关的程序修改及参数调整，取得一定的效果，但故障仍未根除，还偶有发生。

　　6　结束语

　　同步电动机启动是抽水蓄能电厂运行的关键技术之一。目前，SFC已成为大型抽水蓄能电厂必不可少的关键启动设备。SFC的应用有诸多优点：

　　(1)效率高，控制性能好；

　　(2)能实现无级调速，启动平稳，不存在失步问题，对电网无冲击；

　　(3)可多台机组共用一套SFC，设备省，单机投资价格比低；

　　(4)对于多机组电厂，采用SFC启动为主，背靠背启动备用的混合启动方式将获得较高的可靠性和经济性。

　　随着科技的发展，SFC的性能将更理想，可靠性更高，而造价逐渐降低。可以预见，SFC在该领域的应用将更加广泛。

　　参考文献

　　1　陆佑楣，潘家铮.抽水蓄能电站.北京：水利电力出版社，1992

　　2　李志民，张遇杰.同步电动机调速系统.北京：机械工业出版社，1996

　　3　SIEMENS AG.The worldof variable-speed drivers.1996

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