子午水電站變頻發(fā)電變頻抽水運(yùn)行工況研究

李小波，何 文

(陜西省引漢濟(jì)渭工程建設(shè)有限公司，陜西 西安 710011)

1 引漢濟(jì)渭子午水電站概況及運(yùn)行方式

1.1 概況

子午水電站地處佛坪縣與寧陜縣交界的子午河中游狹谷段，壩址位于佛坪縣大河壩鎮(zhèn)三河口村下游2km處。壩高141.5m，庫(kù)區(qū)總庫(kù)容7.1億m3，調(diào)節(jié)庫(kù)容6.5億m3，是引漢濟(jì)渭工程的2個(gè)水源地(黃金峽和三河口)之一。其主要任務(wù)是調(diào)蓄子午河來(lái)水與漢江干流不能直供受水區(qū)的水量[1]，并結(jié)合發(fā)電。

子午水電站三河口水庫(kù)最大流量為72.71m3/s，其中供水最大流量70m3/s，下游生態(tài)放水流量2.71m3/s。庫(kù)區(qū)向關(guān)中供水時(shí)通過(guò)供水流量及泄放流量發(fā)電。因庫(kù)區(qū)水位變化范圍較大(最低發(fā)電水位593m，正常蓄水位643m)，額定轉(zhuǎn)速下常規(guī)機(jī)組的運(yùn)行以及可逆式機(jī)組的工頻運(yùn)行均難以滿(mǎn)足工程需求，為保證工程經(jīng)濟(jì)效益[2- 3]，設(shè)計(jì)變頻發(fā)電以及變頻抽水工況。

1.2 運(yùn)行方式

子午水電站運(yùn)行時(shí)分抽水、供水、發(fā)電等3個(gè)運(yùn)行工況。安裝2臺(tái)可逆式混流機(jī)組、2臺(tái)常規(guī)混流機(jī)組，其中常規(guī)機(jī)組單機(jī)容量20MW，額定功率因數(shù)0.85，額定轉(zhuǎn)速375r/min；可逆機(jī)組單機(jī)容量10MW，額定轉(zhuǎn)速500r/min，電動(dòng)工況額定功率因數(shù)0.95，發(fā)電工況額定功率因數(shù)0.85。發(fā)電總裝機(jī)60MW，抽水總裝機(jī)24MW。處于供水期時(shí)，全部機(jī)組作發(fā)電工況運(yùn)行，即2臺(tái)常規(guī)水輪發(fā)電機(jī)組和2臺(tái)可逆機(jī)組均發(fā)電；當(dāng)黃金峽泵站的抽水流量大于關(guān)中需水量時(shí)，多出的水由可逆式水泵水輪機(jī)組抽回子午水電站三河口庫(kù)區(qū)，此間可逆式機(jī)組作泵工況運(yùn)行。

2 變頻器系統(tǒng)

2.1 變頻器簡(jiǎn)介

子午水電站采用西門(mén)子GH180四象限完美無(wú)諧波高壓變頻器，主要由輸入/輸出部分、變壓器部分、功率單元部分、控制部分、冷卻部分組成。

在抽水工況時(shí)變頻器將工頻交流電源通過(guò)整流器轉(zhuǎn)換成直流電源，然后再把直流電源轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可控制的交流電源供給可逆式機(jī)組[4]。

在發(fā)電工況時(shí)變頻器將發(fā)電機(jī)端低頻、低壓的電通過(guò)整流逆變成工頻的交流電輸送到電網(wǎng)。

四象限變頻調(diào)速裝置能量在直流母線(xiàn)和電網(wǎng)間雙方向流動(dòng)，采用IGBT有源整流，既可以改變水泵的揚(yáng)程、流量、調(diào)整電機(jī)輸入的功率[5- 7]，也可以將低水頭下發(fā)電機(jī)發(fā)出的能量送到電網(wǎng)，可實(shí)現(xiàn)機(jī)組在發(fā)電工況下穩(wěn)定連續(xù)工作[8]。

2.2 完美無(wú)諧波高壓變頻器基本原理

完美無(wú)諧波高壓變頻采用若干個(gè)低壓PWM變頻功率單元級(jí)聯(lián)的方式[9]，實(shí)現(xiàn)直接高壓輸出。變頻器具有電網(wǎng)諧波污染極小，輸入功率因數(shù)高，輸出波形質(zhì)量好，不存在諧波引起的電機(jī)附加發(fā)熱、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、噪音、dv/dt及共模電壓等問(wèn)題的特性。

10kV電網(wǎng)電壓經(jīng)過(guò)副邊多重化的隔離變壓器降壓后給功率單元供電，功率單元為三相輸入、單相輸出的交直交PWM電壓源型逆變器結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)變壓變頻的高壓直接輸出，供給高壓電動(dòng)機(jī)[10]。

以10kV輸出電壓等級(jí)為例，每相均由8個(gè)額定電壓為750V的功率單元串聯(lián)而成，輸出相電壓達(dá)6000V，線(xiàn)電壓達(dá)10500V，每個(gè)功率單元分別由輸入變壓器的一組副邊供電，功率單元之間及變壓器二次繞組之間相互絕緣。

2.3 變頻器布局

子午水電站共裝設(shè)2臺(tái)變頻器，其中1號(hào)變頻器分別拖動(dòng)1、2、4號(hào)機(jī)組，2號(hào)變頻器分別拖動(dòng)1、2、3號(hào)機(jī)組，變頻器投入時(shí)，1號(hào)2號(hào)可逆式機(jī)組有變頻抽水、變頻發(fā)電工況，3號(hào)4號(hào)常規(guī)機(jī)組有變頻發(fā)電工況。其中1、2號(hào)變頻器可分別拖動(dòng)1號(hào)2號(hào)可逆式機(jī)組變頻運(yùn)行，于1、2號(hào)可逆式機(jī)組而言，1、2號(hào)變頻器互為備用。子午水電站1、2號(hào)機(jī)單元電氣主接線(xiàn)如圖1所示。

圖1 子午水電站1、2號(hào)可逆機(jī)組電氣主接線(xiàn)

2.4 變頻器功能

(1)可實(shí)現(xiàn)2臺(tái)可逆式水泵水輪機(jī)組電動(dòng)工況下的軟啟動(dòng)、運(yùn)行和調(diào)速，變頻運(yùn)行切換到工頻運(yùn)行時(shí)具備自動(dòng)同期功能，可檢測(cè)并網(wǎng)點(diǎn)兩側(cè)的電網(wǎng)頻率、電壓幅值、電壓相位是否到達(dá)條件，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)并網(wǎng)。

(2)可實(shí)現(xiàn)2臺(tái)可逆式水泵水輪機(jī)組電動(dòng)工況下的變頻運(yùn)行(30～50Hz)，裝置的最大輸出功率滿(mǎn)足不同轉(zhuǎn)速下機(jī)組的最大輸入功率要求，見(jiàn)表1。

表1 變頻器輸出功率與機(jī)組輸入功率

(3)可實(shí)現(xiàn)2臺(tái)常規(guī)機(jī)組和2臺(tái)可逆式水泵水輪機(jī)組低水頭下的變頻發(fā)電(30～50Hz)功能。但同一時(shí)間一臺(tái)變頻器只允許拖動(dòng)一臺(tái)機(jī)組變頻運(yùn)行。

3 機(jī)組運(yùn)行工況分析

3.1 工頻發(fā)電

當(dāng)子午水電站三河口水庫(kù)處于供水期，且水頭在65～99m時(shí)，可逆式水泵水輪機(jī)組工頻運(yùn)行。水頭在55～99.3m時(shí)，常規(guī)機(jī)組工頻運(yùn)行。

可逆機(jī)組工頻發(fā)電工況時(shí)，152發(fā)電換相斷路器在合，并網(wǎng)時(shí)合121A出口斷路器(以1號(hào)機(jī)為例)。

工頻啟動(dòng)過(guò)程:

上位機(jī)發(fā)工頻發(fā)電令至調(diào)速器，調(diào)速器控制機(jī)組升轉(zhuǎn)速至額定，然后勵(lì)磁系統(tǒng)升勵(lì)磁電流使發(fā)電機(jī)端電壓升至額定空載電壓后同期合閘并網(wǎng)。

工頻運(yùn)行工況下變頻器不投入運(yùn)行，機(jī)組開(kāi)停機(jī)流程與常規(guī)水力發(fā)電機(jī)組流程一致，在此便不做贅述。

3.2 變頻發(fā)電

當(dāng)子午水電站三河口水庫(kù)處于供水期，且水頭滿(mǎn)足下述要求時(shí)，機(jī)組變頻發(fā)電。

在24～65m水頭之間，可逆機(jī)變頻發(fā)電，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速為300～500r/min，對(duì)應(yīng)頻率為30～50Hz。

在30～55m水頭之間，常規(guī)機(jī)變頻發(fā)電，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速為225～375r/min，對(duì)應(yīng)頻率為30～50Hz。

變頻發(fā)電時(shí)發(fā)電機(jī)發(fā)出低頻、低壓的電通過(guò)變頻調(diào)速裝置調(diào)控為頻率為50Hz和額定電壓10.5kV的交流電輸送至電網(wǎng)。發(fā)電機(jī)端送出的功率大小根據(jù)供水流量做出相應(yīng)調(diào)整。

3.2.1變頻發(fā)電流程分析

上位機(jī)發(fā)變頻開(kāi)機(jī)令，先由調(diào)速器控制，使機(jī)組轉(zhuǎn)速升至5Hz對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速值，在機(jī)組轉(zhuǎn)速到達(dá)對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速后，變頻器開(kāi)始接受開(kāi)機(jī)令，合153變頻器母線(xiàn)側(cè)斷路器以及121B變頻器拖動(dòng)斷路器。

在變頻發(fā)電啟動(dòng)過(guò)程中機(jī)組出口斷路器121A以及發(fā)電換相斷路器151均在分閘狀態(tài)，變頻器啟動(dòng)前會(huì)判別發(fā)電換相斷路器是否在分閘位，若不是則開(kāi)機(jī)流程終止。

同期并網(wǎng)前，調(diào)速器控制機(jī)組頻率在5～25Hz區(qū)間緩慢升速，變頻器在機(jī)組低轉(zhuǎn)速模式下，捕捉發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)，捕捉成功后，變頻器內(nèi)部IGBT導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電(以1號(hào)機(jī)為例)。

影響變頻器同期的因素有頻率的高低以及頻率變化速度，在機(jī)組低頻緩慢升速時(shí)，降低了頻率變化速度對(duì)變頻器同期的影響。變頻器捕捉難度降低，更容易同期并網(wǎng)。在調(diào)速器控制機(jī)組轉(zhuǎn)速升速期間，變頻器同時(shí)也會(huì)給調(diào)速器反饋一個(gè)稍低于目前轉(zhuǎn)速值的功率值，進(jìn)一步減緩機(jī)組升速的時(shí)間。

6)第一次空中三角測(cè)量預(yù)測(cè)了導(dǎo)入的控制點(diǎn)在影像上的大概位置，由此減輕了人工尋找控制點(diǎn)點(diǎn)位的負(fù)擔(dān)。這種方法還可以用來(lái)發(fā)現(xiàn)和排查野外像控點(diǎn)錯(cuò)誤。

待變頻器完全介入后，即變頻器啟動(dòng)成功，則會(huì)反饋?zhàn)冾l器介入成功的信號(hào)給上位機(jī)，上位機(jī)收到反饋后開(kāi)始給定變頻器目標(biāo)功率，然后變頻器會(huì)拖動(dòng)機(jī)組到設(shè)定的功率值。

變頻發(fā)電時(shí)，變頻器會(huì)自動(dòng)判別當(dāng)前水頭下的最優(yōu)工況運(yùn)行，若調(diào)度需要增減負(fù)荷，上位機(jī)直接發(fā)令，變頻器會(huì)和上位機(jī)同步增減負(fù)荷。且變頻發(fā)電時(shí)只發(fā)有功功率，不發(fā)無(wú)功功率，變頻發(fā)電時(shí)沒(méi)有無(wú)功調(diào)節(jié)功能。

變頻發(fā)電工況下，變頻器上下側(cè)斷路器由變頻器本體控制，上位機(jī)只發(fā)令給變頻器，不參與上下側(cè)斷路器153和121B的分合閘(以1號(hào)機(jī)為例)。

3.2.2變頻發(fā)電停機(jī)流程分析

上位機(jī)發(fā)變頻發(fā)電停機(jī)令后，變頻器和調(diào)速器同時(shí)并行執(zhí)行停機(jī)令。變頻發(fā)電停機(jī)時(shí)由變頻器發(fā)令至勵(lì)磁系統(tǒng)控制勵(lì)磁系統(tǒng)進(jìn)行滅磁，而后變頻器控制其上下側(cè)斷路器153和121B分閘。

變頻發(fā)電停機(jī)過(guò)程中，變頻器的作用相當(dāng)于電制動(dòng)，會(huì)加速停機(jī)流程的執(zhí)行。

3.3 變頻發(fā)電存在的不足及解決方法

3.3.1機(jī)組低頻空轉(zhuǎn)

變頻發(fā)電時(shí)，要求調(diào)速器控制機(jī)組頻率在達(dá)到5～25Hz之前保持約3min，變頻器才能捕捉到機(jī)組轉(zhuǎn)速信號(hào)，而后進(jìn)行同期并網(wǎng)。超低速空轉(zhuǎn)對(duì)水輪機(jī)軸承以及油膜損傷較大，會(huì)縮短機(jī)組使用壽命。

3.3.2并網(wǎng)失敗率高

當(dāng)機(jī)組頻率約30Hz時(shí)，變頻發(fā)電啟動(dòng)機(jī)組平均每100次同期中有3次會(huì)同期失敗。當(dāng)機(jī)組頻率在5～25Hz時(shí)同樣會(huì)有一定概率同期失敗，同期失敗后，變頻發(fā)電開(kāi)機(jī)流程終止。上位機(jī)發(fā)變頻發(fā)電令后有可能會(huì)啟機(jī)失敗，投產(chǎn)后運(yùn)行不便，相較工頻發(fā)電運(yùn)行難度系數(shù)較大。且變頻啟機(jī)失敗后對(duì)機(jī)組的損傷不亞于惰性停機(jī)，設(shè)備維護(hù)成本高。

3.3.3解決方法

引漢濟(jì)渭子午水電站采用寬水頭變幅機(jī)組，可使機(jī)組在最高水頭與最低水頭相差較大的情況下的振動(dòng)、氣蝕均在合理范圍內(nèi)。針對(duì)并網(wǎng)失敗率高的現(xiàn)狀，目前規(guī)避機(jī)組并網(wǎng)前長(zhǎng)時(shí)間超低轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)的解決方式是與調(diào)度聯(lián)系減少機(jī)組在變頻工況下的日平均啟停次數(shù)。由于機(jī)組出力較小，變頻工況下出力更是遠(yuǎn)小于額定出力，對(duì)電網(wǎng)整體影響較小。

3.4 抽水工況

當(dāng)子午水電站處于補(bǔ)水期，在40～96.44m揚(yáng)程范圍之間，可逆式水泵水輪機(jī)組抽水運(yùn)行。

3.4.1工頻抽水流程分析

在85～96.44m揚(yáng)程范圍內(nèi)，可逆式水泵水輪機(jī)組工頻抽水運(yùn)行。

工頻抽水啟動(dòng)時(shí)，變頻器上下側(cè)斷路器153和121B一直在合位，然后合151抽蓄換相斷路器以及121A出口斷路器(以1號(hào)機(jī)為例)。啟動(dòng)時(shí)變頻器與151抽蓄換相斷路器同時(shí)拖動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，然后變頻器帶載逐步降低，正常線(xiàn)路帶載逐步升高，待電機(jī)轉(zhuǎn)速至額定后，變頻器內(nèi)部IGBT通道斷，此時(shí)工頻抽水啟動(dòng)完成。工頻抽水時(shí)變頻器的作用相當(dāng)于軟啟動(dòng)器。

若直接高壓?jiǎn)?dòng)水泵水輪機(jī)，啟動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的啟動(dòng)電流，對(duì)電網(wǎng)造成沖擊并減少機(jī)組使用壽命[11]。

工頻抽水停機(jī)時(shí)，上位機(jī)直接發(fā)停機(jī)令，切121A出口斷路器以及151抽蓄換相斷路器即可(以1號(hào)機(jī)為例)。

3.4.2變頻抽水流程分析

在40～85m揚(yáng)程范圍內(nèi)，可逆式水泵水輪機(jī)組變頻抽水。

變頻抽水工況時(shí)，變頻器將工頻電流(50Hz)變換成30～50Hz的交流電流，來(lái)實(shí)現(xiàn)可逆機(jī)組抽水工況時(shí)的變速運(yùn)行。

變頻抽水時(shí)，上位機(jī)發(fā)變頻抽水令后，由變頻器控制153變頻器母線(xiàn)側(cè)斷路器和121B變頻器拖動(dòng)斷路器合閘，直接由變頻器拖動(dòng)至設(shè)定抽蓄揚(yáng)程所需的轉(zhuǎn)速值(以1號(hào)機(jī)為例)。

3.4.3抽水工況優(yōu)劣分析

子午水電站機(jī)組進(jìn)水口前為電動(dòng)蝶閥，庫(kù)區(qū)正常蓄水位640m，尾水位532m，水頭較高，來(lái)水壓力大。在抽水工況時(shí)，需要首先開(kāi)啟蝶閥旁通閥，壓力鋼管的水通過(guò)蝶閥旁通閥進(jìn)入蝸殼，待蝸殼充滿(mǎn)水使蝶閥上下游平壓后，開(kāi)啟機(jī)組進(jìn)水口蝶閥，啟動(dòng)可逆機(jī)泵工況運(yùn)轉(zhuǎn)。

當(dāng)變頻啟動(dòng)信號(hào)和頻率設(shè)定信號(hào)輸入變頻器時(shí)，變頻器將輸出啟動(dòng)頻率，此時(shí)電機(jī)產(chǎn)生啟動(dòng)扭矩。因上游來(lái)水壓力大，可逆機(jī)組啟動(dòng)負(fù)載較大，需可逆機(jī)組啟動(dòng)扭矩大于負(fù)載啟動(dòng)扭矩即壓力鋼管來(lái)水壓力時(shí)，可逆機(jī)以泵工況開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)抽水。

抽水工況變頻啟動(dòng)時(shí)需要的啟動(dòng)電流較大。

變頻器作為啟動(dòng)變頻器時(shí)，可同步下切和上切。即電機(jī)在工頻運(yùn)行狀態(tài)，將變頻器輸出與電網(wǎng)同步，然后將電機(jī)無(wú)擾動(dòng)切換到變頻運(yùn)行，也可無(wú)擾動(dòng)啟動(dòng)后依據(jù)揚(yáng)程變化，由變頻運(yùn)行無(wú)擾動(dòng)切換至工頻抽水，提升了水泵水輪機(jī)的利用效率。

4 結(jié)語(yǔ)

變頻抽水雖然在一些揚(yáng)程較大的泵站應(yīng)用較為廣泛，但也只是單純的可調(diào)速拖動(dòng)電機(jī)，引漢濟(jì)渭子午水電站是國(guó)內(nèi)首次同時(shí)將變頻發(fā)電與變頻抽水應(yīng)用到實(shí)際中的水電工程，變頻技術(shù)的應(yīng)用使機(jī)組能夠在不同水頭條件下均匹配與之對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速，顯著提高了供水率與發(fā)電小時(shí)，環(huán)保節(jié)能，增加了工程的經(jīng)濟(jì)效益。該應(yīng)用實(shí)例對(duì)水頭變幅較大的小水電有很大的借鑒作用。