水力发电
文章编号:0559-9342(2007)05-0051-04
抽水蓄能电站静止变频起动装置
应用情况总结与探索
胡雪琴
(中国水利水电第十四工程局机电安装总公司,云南昆明650032)
关键词:SFC;全控桥;转子初始位置;起动原理;抽水蓄能电站摘
要:通过对广东抽水蓄能电站一期、二期和浙江天荒坪抽水蓄能电站SFC系统特点的分析总结,以及在安装和调试中遇到的问题和解决办法的介绍,可为今后大力发展我国抽水蓄能电站工程建设提供参考。
SummaryandProbeofStaticFrequencyConvertorofPumpedStoragePowerStation
HuXueqin
(TheGeneralelectromechanicalinstallationcompanyofChinaHydropowerConstructionBureauNo.14,
KunmingYunnan650032)
KeyWords:SFC(StaticFrequencyConvertor);fullycontrollablebridge;initialpositionofrunner;startingprinciple;pumpedstoragepowerplant
Abstract:BasedonthestudiesmadeonthecharacteristicsoftheSFCsystemofthe1stand2ndstageworksoftheGuang-dongpumpedstoragepowerstationsandthatoftheTianhuangpingpumpedstoragepowerstation,aswellasonthede-scriptionofexperiencesinproblem-tacklingintheerectionandtestingoftheseprojects,thepaperprovidesreferencesforfuturepumpedstorageprojectsinChina
中图分类号:TV734.4;TV743
文献标识码:B
平波电抗器、交流电抗器或输出变压器、暂态过电压吸收器、冷却系统、控制保护和监测信号系统,转子位置传感器等组成,其中的关键部件是可逆全控桥(网桥和机桥)。全控桥自动换向必须有一个合适的交流电压,当交流电压太低时,全控桥不能进行自动换向。在实际应用中,电机转子中所加的励磁电流为恒定值。被拖动机组的端电压与其转速成正比(U/F=常数),在刚开始时,机组处于静止状态,其端电压为零。因此,SFC拖动不得不分两个阶段。0概述
广东抽水蓄能电站Ⅰ、广蓄二Ⅱ期(以下简称广蓄一期、期)机组均为4×300MW可逆式水轮发电机组,各设置了一套静止变频起动装置;天荒坪抽水蓄能电站为6×300MW可逆式水轮发电机组,设置了2套静止变频起动装置。在上述蓄能电站中,静止变频起动是机组水泵起动的主要方式,背靠背起动是其备用起动方式。静止变频起动装置(SFC)是大型抽水蓄能电站的关键电气设备,变频起动是抽水蓄能电站的关键技术之一。SFC带动可逆式机组作为同步电动机运行起动平稳、迅速可靠,不维护量存在失步问题,具有优异的调速性能,且成功率高、小、自诊断能力强。对于多机组电站,多台机组可共用1套背靠背起动备SFC。大型抽水蓄能电站采用SFC起动为主、用的混合起动方式能获得较高的可靠性和经济性,该方式具有广阔的应用前景和较高的研究价值,值得推广。1.1低速运行阶段
该阶段采用脉冲耦合工作方式,在此阶段有两个比较关键的因素:转子的位置和力矩的方向,力矩的方向可由闭环控制装置控制。为获取一个足够起动的电动力矩,把转子位置信号与定子空载时电压的相位调为一致。在非换向周期,全控桥(MB)只有两个桥臂处于导通状态,它们将按1-2、2-3、3-4、4-5、5-6、6-1……的顺序依次循环导通,每组导通相隔60电角度,每360°为一个循环周期,控制每个周期的时间收稿日期:2006-10-12
作者简介:胡雪琴(1967—),男,湖南永州人,高级工程师,主要从事水电站机电设备安装及电气调试工作.
1静止变频起动装置(SFC)
每套静止变频起动装置(SFC)由输入变压器、电流互感器、电压互感器、可控硅整流器(网桥)和逆变器(机桥)、直流WaterPowerVol.33.No.5
51水力发电2007年5月
(即控制每组可控硅导通时间),就可以控制机桥(MB)的输出频率,从一个导通组(如1-2)瞬时换到另一个导通组(如始位置,才能测量出转子的绝对位置,而且需要在转子的两个旋转方向各安装1个大轴编码器。(3)测量机端电压的方法。根据机端电压与励磁的关系(不考虑定子电流的影响)算出转子的位置,这只有在转速很低时,定子电流对电枢反应影响很小时适用,通常与大轴编码器结合起来使用更有效。广蓄Ⅱ期SFC采用电气测角和测速方法,即利用电枢绕组的感应电动势(电压)间接检测转子位置。在起动前投入励磁,在转子磁场迅速建立过程中,定子绕组感应出三相电动势eA、eB、eC,转子的空间位置不同,三相感应电动势的大小、方向也不同。精确计算时间配合,保证励磁与SFC检测程序之间严密同步,这是整个起动过程中最为关键的一步。起动期间,可编程控制系统控制保持电机磁通恒定,实现恒转矩调速。由于是恒磁通控制,通过对定子电压测量,即可计算出转子位置角。2-3)的过程称为换向。因在此阶段电机端电压太低无法确保机桥工作在自换向方式,其实现过程将采用下列方式:首先由可编程数字控制器将网桥NB设置在全逆变方式来截断直流回路的电流Id,当Id等于0时,所有机桥MB的可控硅被可靠地截止。一旦可编程数字控制器检测到回路的电流为零,控制器将把脉冲送到根据转子位置信号计算出的下一组欲触发的可控硅(如2-3),同时取消网桥NB的全逆变功能,恢复回路的电流,使新的一组可控硅导通,这种工作方式我们又称为强制换向运行。在低速运行阶段,强制切断直流电流的时间最小需要4ms,随着电动机频率的增加,可用于取消和恢复回路电流的时间,将越来越短,最终无法继续强制换向运行。因此,脉冲耦合方式必然存在一个上限工作频率。2SFC系统的结构布局
广蓄一期、二期和浙江天荒坪抽水蓄能电站SFC系统见1.2高速运行阶段
此阶段属于同步运行方式,这时如果欲从组1-2换向至图1~图3。组2-3,可以直接向臂3的控制极发脉冲,由于电动机电压的自然交替,臂1的电流会自动截止,而臂3则续流,由于此时可控硅可以自动换向,因而这一阶段将不需要转子位置信号,可编程数字控制器根据力矩设定值和频率基准值,并通过测量机桥和网桥侧电压、电流来控制机桥和网桥的触发脉冲,以调节SFC输出的起动电流,从而将机组拖动到约95%额定转速(频率基准值)。此时,起动机组同期装置进入自动整步微调阶段。同期装置根据频率差Δf,产生一个附加转速微调信号,自动调整SFC输出电流,对转速进行微调。同期装置同时发出命令给励磁系统调节励磁电流,使机端电压与电全逆变状网电压平衡。并网后整流器的可控硅即运行于120°态,其输出电流迅速降为零,关闭全控桥,然后闭锁整流器和逆变器的全部触发脉冲,SFC装置退出,完成整个起动过程。为了使SFC在整个频率范围内正常工作,要求脉冲耦合方式的工作频率上限应高于同步工作方式的工作频率下限,两种工作方式的切换就构成了SFC工作的两个阶段,这个切换频率就是SFC两个工作阶段的转折频率,该频率应在5Hz左右,一般不大于机组额定转速的10%。1.3转子位置检测和初始定位
(1)传感器测量。天荒坪抽水蓄能电站采用转子位置传感器,在大轴末端安装1个6齿齿盘,在支架上配置3个位置传感器探头,布置A相位置传感器与定子中心线重合,A、供给直B、C相传感器位置依次差20°±360°/2P(P为极对数)。三相流稳压电源,在机组静止时也能发出相差互为120°电角度宽的方波脉冲信号,该信号与电动机电压具有相180°同频率,通过这3个方波脉冲信号可随时叠加计算出转子的位置。它测量的是转子的绝对位置。(2)大轴编码器测量。大轴编码器也是一种脉冲发送分流系统,每个脉冲相隔2°电角度,每组可控硅导通60°电角度需要30个电脉冲。这是一种相对位置测量,只有知道了初图1
广州抽水蓄能电站一期SFC系统
2.1输入、输出限流电抗器
输入限流电抗器稳定和限制SFC的输入电流,对SFC元件起保护作用。输出侧电抗器的作用是防止逆变器换流时电流增长过快而损坏可控硅元件,同时也限制短路电流。2.2输入、输出变压器
输入、输出变压器使供电网电压与电机电压相匹配,减少可控硅串联的数目。输入变压器还利用其二次侧三角形绕组隔离滤波,减少整流器产生的谐波电压对供电网的影响,52WaterPowerVol.33.No.5
第33卷第5期胡雪琴:抽水蓄能电站静止变频起动装置应用情况总结与探索
图2广东抽水蓄能电站二期SFC系统
图3浙江天荒坪抽水蓄能电站SFC系统
并通过变压器漏抗起到限制可控硅短路时的短路电流的作变频器工作时,在输入和输出端会出用,短路阻抗一般较高。现较高的直流电压差和3倍工频的交流电压差,它们会经过变频器的电网侧和电机侧中性点接地的变压器、电压互感器以及电机自身的中性点接地点形成交/直流环流。设置输入变压器,可以隔断直流通路,起到隔离的作用。此外,为了防止3倍工频的交流电构成回路,从输入变压器到整流器的输入端,均不应有接地元件。广蓄一期SFC在0~5Hz低频阶段,为防止变压器饱和需投入变压器旁路开关;大于5Hz后再断开,输出变压器投入。2.3直流回路平波电抗器
直流耦合电路一般装设2个平波电抗器Ld1和Ld2(通常Ld1和Ld2的电抗值相同),用以抑制直流回路中电压和电流的谐波分量及直流电流上升速度,改善逆变器可控硅的工作WaterPowerVol.33.No.5
53水力发电2007年5月
条件;同时起到降低故障电流的起始增长率的作用。据通讯和信息交换。整流器采用速度和电流双闭环控制,逆变器采用矢量控制技术。SFC输出测量采用霍尔效应变换器型电压互感器,综合补偿计算后产生同步电动机电压模型MV的磁通矢量,实现对电压模型的矢量控制,使逆变器每次都选择在定子与时进行换相。速度闭环控制功能包转子磁场矢量互成90°2.4整流桥NB、逆变桥MB
广蓄一期每个桥臂由4个可控硅串联而成,光触发。可控硅阀片直径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可控硅的损耗和结温。广蓄二期变频器每个桥臂由12个双极型可控硅串联而成,桥臂中每臂有1只冗余可控硅,当冗余可控硅故障时,可控硅的电压裕度不低于正常工作电压的2倍。单个可控硅的故障不影响变频器工作。正常工作及各种故障情况下,可控硅元件不会因过电压或过电流而损坏。天荒坪抽水蓄能电站变频器每个桥臂有18只可控硅。可控硅的触发及检测信号采用光电耦合技术,即采用光纤及光电转换器件进行传输。可控硅水冷,分外冷却和内冷却。内冷却回路用去离子水循环直接冷却可控硅,去离子水有再生装置,用碳化硅作吸附材料。NRG实现对整流器速度环的闭环控制及监视;电流闭环控制功能包MN1实现对整流器电流的闭环控制及触发单元的监视;矢量控制功能包SMS实现对逆变器负载换相的矢量控制及监视,低速运行时断续换相触发脉冲的控制及监视;过程诊断功能包DIA实现对SFC相关过程控制量及信号的实时诊断显示,即将各过程控制量及实时信号存储在DIA的跟踪存储器中,通过D/A转换器随时输出,供故障诊断分析用。2.7冷却系统
可控硅的冷却由特殊设置的装置来实现,对内冷却水的2.5谐波滤波器
谐波滤波器由电阻、电容、电感串/并联构成,用来吸收在电阻率要求很高,选用去离子水为直接冷却介质,对电阻率进行监测并每隔120min自动进行20min去离子处理,以保证SFC处于随时可用状态。外冷却系统则负责将去离子水的热量带走。另设有空调系统对柜盘内的其他设备进行冷却。整流和逆变过程中所产生的多次谐波,防止SFC运行产生的谐波电压和电流影响发电机保护、励磁、调速器、自动准同期装置、中性点设备及其他设备的正常运行,或反送到电网中造成谐波污染。3
3.1
SFC系统总结与探索
SFC系统的安装调试
SFC安装调试遇到的问题及解决办法
(1)大型抽水蓄能电站的SFC系统功率柜通常整体运输,2.6监控系统
广蓄一期和天荒坪抽水蓄能电站SFC系统都是AL-3.1.1
STHOM公司的产品。其可编程数字控制器、PLC分别对内和对外进行控制,相对独立,优化了控制结构,避免了相互间的影响。图3为天荒坪SFC可编程逻辑控制器(PLC),用于SFC和监控系统的输入、输出联络和故障管理。天荒坪SFC可编程数字控制器(PNC),用于SFC闭环调节和控制及可控硅元件的保护,具体作用如下:①获得电压和电流测量值;②功率电子元件的安全性;③速度和力矩控制,通过改变可控硅触发角、电流、cos!,从而控制力矩,最终改变转速;④PNC包括一些处理单元(PU),每个可控硅桥(整流桥、逆变桥)由独立的PU驱动和监视;⑤可控硅触发系统,考虑到正向阳极-阳极电压,对每1组桥、PNC,通过光纤发出6个触发信号(每1个桥臂1个)到触发卡,然后经触发卡分配给每个可控硅;⑥监视卡通过1个串联链路给PLC传送不同可控硅状态的信息,当可控硅有故障时,给PNC1个群故障信号,从而监视设备安全运行。广蓄二期SFC系统采用西门子公司可自由配置模板式硬件、图形化软件编程的全数字多微处理器控制系统(Sima-通讯板、通讯缓冲板、触发器dyn-D)。硬件主要有处理器板、板、诊断板、光电输入输出板、操作面板OP1等。所有I/O板、硬件均以插拔卡的形式安装在标准机架上,共有6个处理器板,每个处理器板处理不同任务,使控制系统具有强大的运算功能。6个处理器之间及与外设控制板之间通过局部总线和通讯总线进行内部高速数据通讯,而Simadyn-D与监控系统之间通过I/O板和通讯板等硬件模板实现内/外部高速数其功率元件具有容量大、电压等级高、水内冷、内部管路多、布置紧凑等特点,要求在运输、起吊和安装过程中特别小心;在通电试验前要仔细检查盘柜的外观和内部元器件的状况,尤其是绝缘情况。SFC控制柜内部电缆众多,要避免柜内加热器烫伤电缆。(2)广蓄一期SFC转子初始位置检测失败,导致调节出错、起动失败。此问题经过加长测位窗及调整励磁接触器位置辅助接点与可编程数字控制器的时间配合参数后获得解决。天荒坪抽水蓄能电站由于调试期间多次检修机组上导轴承导致SFC转子初始位置传感器探头偏差,也出现了上述同样的问题。广蓄二期SFC采用电气测角和测速,从根本上消除了转子振荡和失步的隐患,由电压模型计算出转子位置和转速,取消测量转子转速用的脉冲信号发生器,减少了硬件设备,相应减少了故障概率。(3)外冷却水系统部分管道存在严重锈蚀和污泥淤积,导致流量较少甚至检测不到信号,致使保护动作停SFC,此问题通过化学清洗管道系统得以解决。3.1.2SFC系统安装调试对首台机投运的影响
一般情况下,抽水蓄能电站上、下水库径流及天然来水总量可以满足电站初期运行各阶段总蓄水量的要求,但在首台机组起动调试、试运行时,个别抽水蓄能电站的上水库天然蓄水达不到要求,需考虑补水措施。为了减少上水库补水方案中包括泵站布置、水泵选型、管路布置等设计以及土建工程施工、设备及管路采购、安装、调试、运(下转第85页)54WaterPowerVol.33.No.5
第33卷第5期陈红刚,等:漫湾水电站二期工程监理管理模式的运用与思考
托,代表业主对施工合同进行协调和管理。就两种认识而言,前一种产生于较早时期,后一种则是在国内经济社会进一步发展、建设市场进一步规范、人员法规意识和综合素质国家相关法规及范本进一步提高后,逐渐被更多人认可的。文件中都对监理工程师的职责进行了叙述,概括起来其职设责是“代表建设单位,依照法律法规以及相关技术标准、计文件和承包合同,对承包单位在施工质量、建设工期和建设资金使用等方面进行监督,维护双方的合法利益”。可见,在严格遵守国家法律法规、相关技术标准以及承包合同的前提下,监理工程师是向业主提供智力咨询服务的社会化专业人士,是“业主代表”、“业主助手”。漫湾二期工程采用的监理管理模式考虑了工程项目自身特点和目前的社会环境等诸多因素,是对监理管理模式的一个有益尝试,具有积极意义。(3)漫湾二期工程监理模式是通过业主有限的但关键性的介入来达到使建设监理满足工程建设需要的目的,除了建设方需求等主观因素外,笔者认为,这种监理模式其实有着自己深刻的国内外社会经济背景和文化背景,它的存在具有一定的必然性和合理性。究其原因笔者认为主要有3点:①客观上必须承认从中央提出建立社会主义市场经济体制至今,国内的市场经济还处于一个起步的初级阶段,具有相当的不成熟性和不确定性,作为上层建筑的建设管理体制必然会在一定程度上反应这种变化。②电力体制改革中发电端的改革已基本按计划完成,原国家电力公司的绝大部分发电资产已划归几大发电集团,加上国际国内能源战略的调整与考虑,各电源点的开发竞争已达到白热化程度,各开发公司毫无例外地加强了对电源建设速度和力度的控制,而国内行业内监理从业人员的水平和人力资源有限,通过这种模式可以加强监理层的管理,尽快落实建设单位管理意图,同时也加强对高素质监理工程师资源的争夺。③我国建设市场环境还很复杂,监理行业管理还不完善,监理单位的行为还不规范,监理从业人员综合水平也还不高,在一定程度上不具备进行全方位、全过程监理并成为工程建设管理核心的能力。(4)我国工程建设的社会环境、行业特点、管理体制、理论和实践都有特殊的历史条件。一方面,由于种种原因,现阶段我们不得不通过这种模式来维护参建各方的利益;另一方面,我们也还必须同时注意到,在市场经济中,监理单位作为一个市场主体,是独立的企业法人,其经营目的是企业自身的生存和发展,而每一个监理从业人员也是首先关注和追求其自身经济条件和社会地位的提高,因此,建设单位对监理的管理,在充分发挥“业主主导作用”的同时,也应结合实际情况,逐步把重点放在利用合同和相关的法律法规来更好地维护自己的利益上,维护工程的利益,并兼顾到监理人员的待遇水平,特别是对于高素质、重点岗位的监理工程师要给予特别的关注,逐步在思想、制度和措施上形成一个推动建设监理行业健康、有序发展的有利环境,最终使监理工程师成为遵守法律法规、通晓技术规范和标准、合法维护各方利益的业主的工程建设助手。(5)无论采用何种管理模式和体制,只要其在一段时期内、在一定的客观社会环境条件下,能起到积极作用,能真正有效地促进工程建设,就应该对此持积极的态度,肯定其积极作用,并主动去结合工程实际充分发挥这种作用。当我国社会主义市场经济发展、社会法律法规进一步健全,工程建设各方的素质普遍提高后,监理行业必将得到进一步完善和趋于成熟。参考文献:
[1]
胡颖.FIDIC独立性条款与我国监理的独立性[J].基建优化,
2003,(1):22-24.
(上接第54页)行和维护等巨大的工作量,研究机组首次3.2.3触发方式
起动采用SFC起动方式具有重要的意义。由于抽水蓄能电站首台机调试试运行工作量大、工期长,天荒坪抽水蓄能电站利用新安江电站反送电进行零起升流和升压试验,首次充水试验仅补充压力钢管内的少量水,机组优先进行水泵方向SFC起动试验,节约了投资和首台机投运的宝贵时间。可控硅元件的触发方式,优先采用光触发元件,如采用电触发可控硅元件时,触发脉冲也要采用光缆传输。广蓄一期SFC可控硅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差。3.3SFC谐波抑制的探讨
广蓄二期SFC原设计采用L-C滤波装置,实际调试过3.23.2.1
SFC系统主回路总结与探索SFC系统不采用输出变压器
广蓄一期SFC系统增加了升压、降压变压器,虽然降低程中曾多次因同步信号故障而导致SFC起动失败,L-C滤波测试装置与其他相关电气设备的参数不匹配;经反复试验、和研究,增设隔离变压器取代L-C滤波装置,改造后抽水工况运行比较理想。天荒坪抽水蓄能电站同样采用了谐波滤波器,不但滤波器设备占用了大量空间,还造成了比较严重的噪声和电磁污染。通过仿真试验以及在建的浙江桐柏和广东惠州抽水蓄能电站的实践,天荒坪抽水蓄能电站利用三绕组输入隔离变压器、网桥、机桥可控硅脉数由6脉增加到12脉,有效抑制了了NB、MB工作电压,减少了可控硅的串联数目;却增大了设备空间占用量,也增加了运行检修的维护工作量。3.2.2电压互感器和电流互感器的选择
布置在逆变桥交流侧的电压互感器和电流互感器应有良好的频率特性,频率在0 ̄52.5Hz范围内变化时,精度应满足保护和测量的要求。波形畸变应不影响电压互感器和电流互感器正常工作。5、7次谐波和总的电流电压畸变。WaterPowerVol.33.No.5
85
因篇幅问题不能全部显示,请点此查看更多更全内容