水泵的启动方式及实现方法

3.10.5.1 水泵工况启动方式

抽水蓄能机组有发电、发电方向调相、水泵、水泵方向调相、停机5种基本工作状态，其中作为水泵方式工作时，如何可靠启动并实现工况转换，是抽水蓄能机组运行控制的关键技术问题。目前抽水蓄能机组水泵工况一般采用同步启动方式，采用变频启动装置或“背靠背”拖动方式，使被启动机组在同步转矩作用下同步旋转，随着输入功率逐渐增加，同步转速逐步上升，直至同期并网。

呼蓄电站机组水泵工况启动方式也是采用同步启动方式，以静止变频器（SFC）启动为主，“背靠背”启动为辅。全厂4台机组配有1套SFC变频启动装置，正常情况下优先选用SFC启动方式，当SFC故障或者SFC多次启动失败时，采用“背靠背”拖动方式启动。SFC变频启动装置能够连续启动全厂4台机组抽水，并留有2次启动失败再启动裕度，即一个工作周期具备连续启动6台次的能力。变频启动装置通过启动母线与机组出口主回路连接，全厂设置一组启动母线，启动母线既可以供SFC使用，又可以供“背靠背” 拖动启动使用，启动母线通过拖动刀（G）和被拖动刀（M）接至发电机断路器（GCB）两侧，并在被拖动刀与主接线连接处实现换相，以确保电动机相位正确，启动母线设置分段隔离开关，可以实现两台机组同时启动，2台同时“背靠背”启动或者1台背靠背启动+1台SFC启动，具体启动回路接线图如图3.10.10所示。

图3.10.10　呼蓄电站启动回路接线图

3.10.5.2 SFC变频启动

（1）SFC变频启动装置组成及原理。SFC变频启动采用整流器将交流电整流成直流电，再经逆变器将直流电逆变为频率可调的交流电，利用频率可调的交流电源拖动被启动机组，实现水泵电动机组从静止到同期并网，SFC变频启动原理接线图如图3.10.11所示。

图3.10.11　SFC原理接线图

SFC的功率单元包括输入变压器、直流耦合电路、整流器、逆变器、输出变压器等设备。输入变压器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电网的影响，降低电网谐波含量。整流器和逆变器采用三相全控桥式电路，整流器将交流电整流成直流电，逆变器再将直流电逆变为频率可调的交流电。整流器晶体管采用电源的交流电压换相，120°导通型逆变器晶体管采用同步电动机的定子反电动势换相。变频器每个桥臂由12个双极型晶体管BJT串联而成，冗余配置，单个晶体管的故障不影响变频器工作。直流平波电抗器，用以抑制直流回路纹波，改善逆变器晶体管的工作条件，使变频器主回路的直流电流波形平直、脉动小，具有电流源特性。

根据电磁转矩公式：Te=Cm F r F s sinθ（Fr为转子磁势的幅值，Fs为定子磁势的幅值，θ为定子磁势和转子磁势在空间的夹角，以电角度计），只要两磁动势之间的夹角0°＜θ＜180°，电机就能产生电磁转矩T e，拖动负载旋转。当同步电机转子励磁电流一定时，转子磁场所产生的主磁通数值不变，但这时电机转子所受到的电磁力矩不仅与定子电流的大小有关，而且与定子电流的相位（即与转子磁场的相对位置）也有关。只有检测出转子实际空间位置后，才能决定变频器的通电方式、控制模式以及输出电流的频率和相位，从而保证变频器的输出频率和电机转速始终保持同步，即定子频率自动地跟踪转子的旋转速度，而不产生失步和振荡。

获得转子位置信号的最常用方法是在电机上安装机械位置传感器，如光电、电磁、霍尔元件或接近开关等传感器。但是，机械位置传感器增加了系统的复杂程度和安装、调试及维护的工作量，降低了系统的可靠性，在工作环境条件较恶劣时尤其如此，所以取消机械位置传感器，采取无传感器电磁感性位置检测方法是实际系统的优选方案，呼蓄电站就是采用后者，即根据电磁感应原理，若给定一阶跃变化的励磁电压uf，励磁电流i f跟随给定u f变化，对应产生的变化的磁场会在机组定子三相绕组上感应出电压，而且三相感应电压的相位、幅值与转子的初始位置有关。因此，可以根据机组励磁电流建立过程中检测到的三相定子电压，计算出转子的初始位置，并从中判定出电动机启动时刻控制其产生最大正向加速力矩的定子绕组。

变频启动从启动指令发出到启动完毕同步并网，大致经历启动加速、整步微调和同步并网三个阶段，其中启动加速阶段分为断相换流、自然换流两个阶段，在启动初始，电机转速较低，反电势较小，这是逆变回路采取断相换流，电动机加速到额定转速的5%～10%时，转入反电势自然换流。整部微调阶段，主要利用压差、频差信号进行微调，使机端电压与电网平衡，频率与电网相等，当Δf＜0.25Hz、ΔU＜5%Ue、ΔSY（相位差）≈0时即进入同期并网阶段，在同期并网阶段，封锁整流器和逆变器的同步脉冲，与此同时，GCB合闸，跳开SFC两侧开关，SFC装置退出，即完成变频启动过程。

（2）SFC变频装置容量的选择。SFC变频装置容量受机组转动惯量、启动阻力、额定转速、启动时间等因数的影响。机组转动惯量越大，启动过程中各种阻力越大，损耗越大，要求SFC容量越大；额定转速越高，SFC的容量越大；启动的时间要求越短，加速越快，SFC的容量越大。呼蓄电站SFC要求能够在转轮室压水条件下连续启动全厂4台机组抽水，并预留2次启动失败再启动裕度，即一个工作周期具备连续启动6台·次的能力，要求机组从静止至额定转速的加速时间不大于4min，并要求具备105%倍的额定转速，即525r/min。

式中：T D为SFC输出产生的拖动力矩；T L为启动过程中必须克服的机械负载产生的阻力力矩；J为机组转动惯量，为9×106 kg·m2；t为加速时间，要求不大于240s。

经过计算机模拟计算，17060kW的输出功率能够在235s内将机组拖动至500r/min，考虑SFC启动回路输入、输出变压器损耗240kW（实际小于240kW），SFC变频器容量选为17300kW。呼蓄电站水泵工况SFC变频启动过程特性曲线如图3.10.12所示。(www.xing528.com)

图3.10.12　SFC变频启动过程特性曲线

（3）SFC系统优化改进：

1）bypass切换失败问题处理。调试初期，bypass切换经常失败，造成拖动失败，检查发现，因转速变化超过10%，SFC系统判断无法实现平稳切换，从而报警跳机，先后采取调整输出功率，提高切换转速，调整切换允许偏差定值等手段均未能彻底解决问题，最后分析录波，发现测量数据存采用较多突变，判断应为采集数据处理问题，未进行滤波所致，呼蓄电站SFC系统为ABB新推出系统，软件程序存在BUG，通过对采集计算程序添加滤波算法，从而最终解决问题。

2）解决抽水启动时SFC和励磁系统配合问题。在机组调试和试运行期间，多次发生抽水启动过程中发电机失磁保护动作，造成启机失败。通过对励磁系统、SFC和同期装置工作原理、控制方式的深入研究，对保护动作跳机过程的故障录波和相关信息的分析，终于找出问题原因是SFC装置完成拖动后将励磁调节控制权交还励磁系统，励磁系统控制模式切换不及时，造成励磁给定失去，引起机组保护动作。前期各厂家进行了软件优化完善，提高了可靠性，但跳机故障仍时有发生，成了各方难以解决的疑难杂症。后续公司技术人员进一步深入研究，提出了最终解决方案，通过提前切换励磁控制模式，在同期装置启动时，就将励磁系统切回电压控制模式，由同期装置进行调节，以后此类故障再未发生。

3）SFC冷却水电导率高导致抽水启动失败的改进。SFC水冷却系统在运行了半年后，出现去离子水电导率在SFC停机时正常，启动过程中突然升高至跳闸定值，造成启动失败。分析原因为去离子水电导率测量在未循环时仅限于一点，不能真实地反映整体去离子水的情况，鉴于此种情况，经过研究后将SFC水冷系统的一级报警跳闸延时值由原来的3min修改为5min，避开SFC拖动一台机组启动所需的4min时间。同时降低SFC去离子系统自启值，由0.7μs/cm降低至0.23μs/cm，实现停机水流静止情况下，电导率能够达到定值启动去离子系统进行过滤，当电导率降低到0.18μs/cm后系统停止，有效地解决了SFC停机时，去离子装置不启动运行，SFC运行时，去离子水电导率过高造成的跳机问题。

3.10.5.3 “背靠背”拖动启动

根据同步电机转速公式n=60f/p（r/min），机组的极对数不变，同步电机的转速与电源频率保持严格的同步关系，改变同步电动机的转速n，可通过改变电源频率f的方法实现。SFC变频启动、“背靠背”启动都是利用变频的方法，实现机组水泵工况运行时转速自零均匀上升至额定转速。

“背靠背”启动就是利用一台抽水蓄能机组工作在发电机状态，另一台被启动机组工作在电动机状态，两台机组建立电气轴联系，发电机从静止状态逐步加速并零起升压，电动机加励磁，在发电机端电压的作用下，同步启动、加速至电动机同期并网，而后断开两机端电气连接，发电机停机，从而完成水泵工况下电机启动。以呼蓄电站1号机组背靠背启动2号机组为例（见图3.10.10启动回路接线图），1号机组工作在发电状态作为启动电源，启动前将1号机组的换向开关1PRD断开、启动刀1G、发电机出口断路器1GCB合闸，2号机组的2PRD工作在电动工况、被启动刀2M合闸、2GCB断开，这样1号、2号机组机端就通过1GCB、1G、启动母线、2M连接在一起且和电网分开，两台机组的励磁调节器均选择在励磁电流模式运行，被拖动动机组选择空载励磁电流，拖动机组励磁电流较空载电流略大，启动时，1号机组工作在发电机状态，开启1号机组的导叶，其定子绕组端感应的低频电压经启动母线施加于2号机组，并产生启动转矩，使2号机组随1号机组同步旋转。随着1号机组导叶开度逐渐增大，转速的逐步上升、1号机组机端电压逐渐升高，使2号机组的电磁转矩逐步增大，转速随着上升。为了确保开机伊始，被拖动机能够获得较大启动转矩，拖动机组在启动开始，直接开到3%左右的导叶开度，启动初期，被拖动机组转速可能不能跟上拖动机组转速，一般当拖动机转速到达15%左右时，拖动机组停止开启或回关导叶，直至被拖动机组转速上升至两台机组转速偏差小于3%时，拖动机组即可执行线性开机，呼蓄电站拖动执行150s开至额定转速，被拖动机组也将被拖动至额定转速，启动同期并网流程，2号机组通过2GCB同期并网，在2号机组并网的同时，1号机组跳开1GCB，停机，并分开1G、2M启动刀闸，至此“背靠背”拖动启动完成。

“背靠背”启动整个过程不从系统受电，对系统运行无任何影响。但需设置启动母线及开关设备，电气接线和布置较复杂，操作及控制回路复杂。“背靠背”启动需要一台机组作发电机启动其余机组，故当其他机组全部启动后，最后一台机组只能采用SFC方式启动。

3.10.5.4 小结

抽水蓄能机组水泵工况可靠启动是保证抽水蓄能电站正常运行的重要环节之一，必须努力提高水泵工况的机组启动成功率。

SFC变频启动具有明显的优点，是一种比较成熟、可靠的启动方式，已经成为现代国内外大型抽水蓄能电站首选的启动方式；“背靠背”同步启动也是常用的启动方式，能有效的利用电站机组间拖动启动，但不能解决抽水蓄能电站最后一台机组的启动问题，且“背靠背”启动时要消耗水库水量。因此呼蓄电站选用SFC变频启动方式作为机组水泵工况主用启动方式，“背靠背”同步启动方式作为电站备用启动方式，当SFC故障或者SFC多次启动不成功时采用“背靠背”启动方式。

呼蓄电站选用17300kW容量SFC能够在4min内完成机组变频启动到额定转速，且具有一定的容量裕度，满足变频启动性能要求。