ｌ２ 华东电力 ２００１年第４期 抽水蓄能电站水泵电动机的启动方式 徐银娣 （无荒坪抽水蓄能电站工程建设公司．浙江 安吉 ３１３３００） 关键词：抽术蓄能电站；静止变频器；启动方式 摘要：介绍天荒坪抽水蓄能电站水泵电动机组的启动方式及调试情况。分析认为 利用ＳＦＣ启动大型水泵电 动机是一种比较成熟、可靠的启动方式，天荒坪电站选用谚方式作为水泵电动机启动的主用方式。而背靠背同 步启动加速时问短，但不能解决纯蓄能电站最后一台水泵电动机组的启动问题，且因背靠背启动时需消耗水库 水量，因此．无荒坪电站将背靠背启动方式作为电站备用启动方式 中国丹类号：ＴＭ９２１．５ｌ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１００１—９５２９（２００１）０４—００１２—０３ 天荒坪抽水蓄能电站装有６台３００ Ｍｗ立 式、同轴、单速、可逆式水泵水轮机一发电电动机 组，承担调峰、填谷、事故备用、调相、调频等功能。 谈站属日调节的纯抽水蓄能电站，机组水泵工况 的可靠启动是保证电站正常运行的重要环节之 接设计要求，每台机组每天需启停ｌ０个循 环．为满足６台水泵电动机组的频繁、快速、可靠 地启动，采用静止变频器（ＳＦＣ）同步启动为主及 背靠背同步启动为备用的两种方式，电站设置两 启动母线分段开关 组容量为２２ ＭＷ的ＳＦＣ，每组均可连续逐一启 一一］ ｆＬ ｝节 卜’』一 ＿＿ 、Ｌ国 幽１ 天荒坪电站机组段主接筑 ＝ 动６台机组，井留有２次失败再启动的能力｛每台 额定输出功率２２ Ｍｗ；电阿侧输入电源额定电压 机尚可借助背靠背方式启动其他任何５台机。 １８ ｋＶ±１０ ，额定频率５０ Ｈｚ，额定电流ｌ １２０ 图ｌ为天荒坪电站主接线图，全厂设置一组 Ａ；变颓器输出电压０～１９．８ ｋＶ，输出频率Ｏ～ 启动母线，供ＳＦＣ启动与背靠背启动合用．启动 ５２．５ Ｈｚ，输出额定电流为ｌ １２０ Ａ。设计启动加速 母线设有分段开关。两组ＳＦＣ的启动电源接自１、 时问为２１０ Ｓ，允许连续启动机组８次（吉２敬备 ５号主变的低压侧，并分别接到两段启动母线上， 用启动），由此确定变频器短时工作制为额定电流 允许在两段启动母线上同时进行ＳＦＣ启动或背 连续运行３２ ｍｉＬ ｎ，间歇２８ ｍｉ一 ｎ。 靠背启动。启动母线通过拖动、被拖动闸刀接至发 变频装置采用水／水冷却；为抑制谐渡对系统 电机开关的两侧，井在被拖动闸刀与主母线连接 的影响，在装置输入端接有谐波滤渡器和隔离变 处实现换向， 确保电动机相位的正确。 压器。 １．２ ＳＦＣ装置窖量的选择 １ ＳＦＣ启动方式 利用ＳＦＣ装置启动水泵电动机，在加速过程 ＳＦＣ为法国ＣＥＧＥＩ ＥＣ公司产品，为交一直 中产生的拖动转矩（Ｔ ）必须克服机组的机械负 交单桥型装置，即将固定频率的电阿电压通过 载产生的阻力转矩（ ）以及和角速度（ ）成正比 ６脉动整流逆变桥装置转换为可变的频率和电 的附加阻力转矩，即：Ｔ 一Ｔ ＝，ｌ（ｄ￣ｏ／ｄｔ） 压，借此逐步将水泵电动机拖动到同步转速，待并 （１）被启动水泵电动机转动系统的惯量 阿后切除变频器回路 飞轮转动惯量：发电电动机３ ８６０×１０ａ １．１ ＳＦＣ主要技术参数 ｋｇ·ｍ ；水泵水轮机１８０×１０ｓｋｇ·ｍ 额定电压为１８ ｋＶ，最大输人容量３３ ＭＶＡ， 机组转动惯量：１ ０１０×１０。ｋｇ·ｍ ２００１年第４期 华东电力 １．３．１转子位置传感器的设置和谒整 １３ 机转启动阻力矩：１ ９ ５００ Ｎ·ｍ（５ ｒ／ｍｉｎ以 下） ＳＦＣ启动水泵电动机是基于电动机转子磁 （２）机组加速过程中的阻力矩（表１） 表１加速过程中的阻力矩 场和ＳＦＣ在定子中建立的电枢旋转磁场的相互 作用，为实现顺利启动，必须选择电枢磁场与转子 撮隽分娄 轴承损失 风阻 辆定转速时的能量揭戋 阻力矩变化规律 ４ ０２２ Ⅱ 磁场的晟佳配合关系，以求得最大的启动力矩。为 此，在大轴末端装设了转子位置传感器，模拟转子 磁极的转盘与大轴同步旋转，模拟定子三相绕组 位置的３只电磁传感器按电气角ｌ２Ｏ。间隔布置。 ｌ ５ ５０ １０．８Ⅲ 铁撮（ｕ 时） 水泵压水旋转 水泵水中旋转 ６ ６８５＋１２７ ７ ２ ９１ ８ ２ ９１８ ＋４８７ ７ 由于机组有６对磁极，因此三相传感器几何位置 的机械角相差为８０。。由于电站有两组ＳＦＣ，因此 相传感器分别定位在发电机±ｙ轴线上。ｕ、 、 三相的磁轴线与传感器产生的方渡中心线重 根据天荒坪电站水泵水轮机组的特点，决定 启动程序为：机组先在水中启动，当转速达到 １ 额定转速时，进行压水，以后，机组将在空气 中加速。根据这一过程，计算水泵电动机启动过程 中的阻力矩示于图２。 合，转子每转过一个磁极，位置传感器接受一个脉 宽为１８０。的方渡，这些方渡与转子磁场相位一 致，方波经过中央处理单元处理构成闯隔６Ｏ。、脉 宽１２０。的６组触发脉冲，分别控制逆变桥的６个 臂，产生送往定子的三相电流。调试时，要多次调 整传感器的位置及其与转盘的闻距，并在转子低 星 × 速稳定转动下进行检验，使之产生的脉冲宽度和 幅值符合逆变器可控硅触发要求。 １．３．２强迫换相与自然换相 在机组启动初期，由于机端电压太低无法引 嵯 －Ｒ 导逆变器可控硅的可靠换相，因此，在低转速下逆 变器必须采取强迫换相，当机端电压达判一定数 水中启动 转速／ｒ．ｍ１ｎ 值后，逆变桥才能进人自然换相。所谓逆变桥的强 迫换向是利用整流桥的直流输出电压的反向作 用，去快速抵消直流连接电路的直流，即将整流桥 设定到垒逆变状态来消除直流电流厶，当Ｉ 一０ 囝２术泵电动机启动时阻力与转速的美系 （３）ＳＦＣ产生的拖动转矩 ０～５０ ｒ／ｍｉｎ为脉冲耦台阶段，即强迫换相 阶段。５０～５００ ｒ／ｍｉｎ为自然换相阶段。 根据所要求的启动加速时间及ＳＦＣ输出功 率变化规律．推算出转速示于图３。 时，逆变桥的所有可控硅均被关断。在核实定子电 流确已被中断，触发脉冲即被传送到逆变桥新的 要被触发的可控硅。同时取消整流桥全逆变功能 的设定，这样环路又产生直流电流和定子电流，被 加速时间的变化规律 称为脉冲耦台方式。它有一个上限频率，因为当逆 变桥的结构一定，取消及重建直流Ｊ 所需的时 间，实际上是恒定的。而当电动机频率增加时，可 ２００ ２５０ ３００ ３５０ —ｏ ５５ ｌＯＯ Ｉ５０ 用于进行逆变桥强迫换相的时间越来越短，理论 上允许强迫换向的极限频率上限为９．２５ Ｈｚ。天 荒坪电站调试前设定频率上限为５ Ｈｚ，讽试中经 常出现ＳＦＣ拖动不成功，后整定到３．７５ Ｈｚ，ＳＦＣ 启动才进人正常状况。 ｌ刳３帆组佶动加速过程图 机组阻力矩随转速的增加而加大，在额定转 速附近，为克服机组的阻力矩和转动惯量，要求 ＳＦＣ装置的拖动转矩为４２５．６５ ｋＮ·ｍ，由此可 以近似算出所需的ＳＦＣ最大容量为２２ Ｍｗ。 ｌ－３－３ ＳＦＣ启动程序与调试 ＳＦＣ装置连接在主变的低压侧，正常情况下 输人断路器处在合闸状态，滤渡器在投人位置。当 １．３ ＳＦＣ启动的实施 华东电力 ２００１年第４期 ｌ４ 机组需要ＳＦＣ装置拖动从静止状态进入水泵工 况运行时，需经历以下主要步骤： （１）电站监控系统进＾启动ＳＦＣ拖动水泵 程序，机组具备启动条件，高油压顶起装置投人； 换相隔离刀闸合于水泵方向，被拖动刀闸合闸； ＳＦｃ辅助设备启动。 （２）ＳＦＣ输出开关合闸，转子位置传感器投 入，转子励磁电流升至９００ Ａ（约５１ 额定励磁电 流），ＳＦＣ调节器解锁并建立定子电流。首先进入 脉冲耦合阶段，当频率大于等于３．７５ Ｈｚ时，逆变 桥工作进人自然切换楣阶段 （３）当水泵电动机转速大于１ ５ 额定转速， 打开水环排水旁通阁，对水泵转轮室充气压水，约 ２０ ｓ，尾水管水位降到整定低位，停止充气压水。 随着尾水管水位的变化，系统需对转轮室补气。当 机组到９Ｏ 额定转速时，退出高油压顶起装置。 （４）当转速上升到频率大于等于４９．５ Ｈｚ 时，ＳＦＣ发出同期准备命令。这时随着ＳＦＣ频率 跟踪开关选择位置的不同，如选择ＯＦＦ，则ＳＦＣ 执行同期装置发出的“升”或“降”命令｛若选择 ＯＮ，则ＳＦＣ进行频率检测和调节。在ＳＦＣ拖动 过程中，转速从Ｏ～４９５ ｒ／ｒａｉｎ，转子励磁电流基本 保持调试确定值，不予改变。当转速大于４ ９５ ｒ／ ｍｉｎ时，励磁电流作跟踪调整，当电压和频率满足 井网要求时，指令台上发电机回路开关ＧＣＢ。 （５）接到“ＧＣＢ合闸”信号后，ＳＦＣ调节器马 上棱目锁，电流衰减并打开ＳＦＣ输出断路器、输 出闸刀和拖动闸刀；转轮室开始排气并从主进水 阀的旁通阀充水，当压力钢管与蜗壳压力相等时， 关闭转轮迷宫冷却水和排水旁通阀，打开主进水 阁开始泵水。实际上，ＳＦＣ启动水泵电动机的实 际加速时间只有１８７ ｓ。 ２背靠背同步启动方式 背靠背同步启动是借助一台发电机作为拖动 机启动一台水泵电动机，两台机组定子进行电气 连接，启动前两台机的转子都加上一定的励磁电 流，然后逐渐打开拖动机导叶，作为发电机运行， 向水泵电动机提供定子电流，使水泵电动机拉入 同步 启动执行程序和调试情况如下： （１）通过电站监控系统选择拖动与被拖动机 组，确定拖动机完成拖动任务后的运行状态。 （２）进人背靠背启动程序 ａ．拖动机组具备启动条件，打开换相隔离闸 刀、机组中心点隔离闸刀，合拖动闸刀。 ｂ．被拖动机具备启动条件，投入商油压顶起 装置；换相隔离闸刀合于水泵，合上被拖动闸刀 ｃ．台上拖动机出１：２１断路器ＧＣＢ，使两台机组 电气上连接。拖动机加上励磁电流９２０ Ａ后开机； 同时被拖动机加励磁电流至８９０ Ａ。 ｄ．当被拖动机转速至ｌ５ 额定转速，对水泵 转轮室进行充气压水，约２０ ｓ，尾水管的水位降到 整定低位，停止充气压水。随着尾水管水位的变 化，该系统需对转轮室补气。当任一台帆组加速到 ９０ 额定转速时，退出高油压顶起装置。 ｅ．当被拖动机速度大于９０ 额定转速，发出 被拖动机准备同期命令，利用机组控制系统调节 机端电压和被拖动机转速，符合同期条件时合上 被拖动机组断路器，打开拖动机组断路器；再打开 拖动和被拖动闸刀，将两台机组分开，并使拖动机 转至事先已选择好的稳定状态（停机或发电）。 ｆ．被拖动机并网后进入水泵抽水运行。 背靠背同步启动的加速时间约８０ ｓ，但由于 上水库水位变化较大，而拖动机导叶开启规律和 励磁电流值保持不变，在背靠背启动过程中，因水 位不同产生的定子电流和启动速度变化很大。当 上水库水位高时，定子电流变大和启动速度加快； 当上水库水位低时，定子电流相对较小启动速度 变慢。这个问题有待于水力和调速系统的改进，使 背靠背启动过程有一个稳定的定子电流和启动速 度。虽然背靠背启动的加速时间比ＳＦＣ启动快， 但要消耗水库水量，为减少损失，通常背靠背启动 方式大多作为水泵电动机启动的备用方式。 ３结语 （１）水泵电动机的可靠启动是保证抽水蓄能 电站正常运行的重要环节之一，必须努力提高水 泵电动机组的启动成功率。 （２）利用ＳＦＣ启动大型水泵电动机是一种 比较成熟、可靠的启动方式，天荒坪电站选用该方 式作为水泵电动机启动的主用方式。 （３）背靠背同步启动加速时间短，但不能解 决纯蓄能电站最后一台水泵电动机组的启动问 题，且背靠背启动时要消耗水库水量，故天荒坪电 站将该方式作为电站备用启动方式。 收 日囊 ２００１．０ Ｏ８