姜树德
（北京勘测设计研究院）
【摘 要】 叙述张河湾抽水蓄能电站可逆式机组采用的以变频启动装置启动为主、“背靠背”启动为辅的启
c型卡环动方式。
【关键词】 变频启动 “背靠背”启动 抽水工况 张河湾抽水蓄能电站
1 可逆式机组启动方式概述
在抽水蓄能技术发展的过程中，曾经和正在采用的可逆式机组启动方式主要有以下几种：
（1） 全压启动；
（2） 降压启动；
（3） 同轴小电动机启动；
（4） 变频启动装置启动；
（5） “背靠背”启动。
其中前两种为异步启动方式适用于中小容量机组，如果机组容量大，则并网时对电网和机组自身的冲击都较大。
同轴小电动机启动方式增加了机组总高度，影响轴系稳定，并有可能成为确定厂房高度的关键因素。正常运行时小电机随机组空转，降低机组的效率。此外，小电动机启动用的液态变阻器，增加了厂房布置的难度。这种方式过去在国外采用较多，但新建的蓄能电站已经较少采用，国内则从未用过。
事实上，现在国内外最常用的启动方式只有静态变频启动装置(以下简称SFC)启动和“背靠背”启动。张河湾抽水蓄能电站采用的就是以SFC启动为主，“背靠背”启动为辅的方案。
2 变频启动
电子表单系统
2.1 张河湾电站SFC的构成
抽水蓄能电站的SFC是一种短时工作制的设备，它只在水
三角形算法
泵工况启动的过程中运行，机组并网后它即退出。它的容量是
按照招标时要求的工作和间歇时间来设计的。
SFC的功能是将工频50 Hz的输入电压，转化为频率在QDFILM
0~50Hz范围可调的输出电压。SFC的容量，一般为被启动电机
容量的6%～10%。机组转速、飞轮矩、额定容量和用户要求的
启动时间及机组各部分损耗均会影响到SFC装置的容量选择。
一般要求SFC装置的容量应满足在4.0～5.0 min内将机组从静
止状态加速到同步状态所需的最大功率要求，张河湾电站的合
同要求从静止状态加速到同步状态所需的时间不大于5.0 min；
SFC应能连续启动4台机组，并留有两次启动失败后再启动的
裕度。
张河湾电站SFC装置主要由输入变压器、晶闸管整流器、
平波电抗器、晶闸管逆变器、输出变压器等组成，见图1。该
图为当前采用较多的高－低－高接线方案。
（1）输入变压器。由于采用高－低－高接线方案，输入变
压器为降压变压器。这台变压器是整流变压器，在初级与次级
之间要设屏蔽层并接地，以减少整流器的谐波对电站和电力系 统的干扰。输入变压器可以限制短路电流。降压变压器使来自
系统的电压与整流器的工作电压相适配，减少各桥臂串联的晶
自控温伴热电缆闸管元件的数量。输入变压器接线组别采用Dd0/yn1，可以大幅图1 SFC 的构成
度削弱整流器产生的3次及阶次为3的整数倍的谐波，并减弱其它阶次谐波对电站和电力系统的干扰。工程实践还证明，设置输入变压器，对于抑制可能出现的谐波谐振有明显效果。
网桥采用12脉冲方案，以配合12个桥臂的导通脉冲在360o电空间的均匀分布。
考虑到整流变压器的容量较大，如果采用干式变压器，在制造和运行方面尚缺乏经验，所以采用油浸式变压器。主要参数如下：1）容量17 MV A；2）额定电压15.75kV/2.1kV/2.1kV；3) 接线组别Dd0/yn1； 4) 阻抗电压13%；5) 绝缘等级F级。
（2）晶闸管整流器。SFC的晶闸管整流器也称为网桥，为两个三相全控整流桥，每个桥含6个桥臂，用于将来自电网的交流电流转换为直流电流。由于采用大功率晶闸管，不需要并联。根据网桥的工作电压和晶闸管的反向电压承受能力，每臂由3个晶闸管串联构成。采用两个三相全控整流桥器串联的方式，可以进一步减少注入到电网的谐波含量。这种方案共有12个桥臂，相应的触发脉冲有12个，所以也称为12脉冲方案。
每个晶闸管有其相关的门极触发单元，用电脉冲触发，信号来自SFC的控制器。控制器将电信号转化为光信号用光纤传输到各晶闸管，再经光电转换装置还原为电脉冲去触发晶闸管。这种方式保证了高电压功率元件与控制元件之间的隔离。
晶闸管采用水/水冷却方式，晶闸管的热量由强迫循环的去离子水（二次水）带走，去离子水由绝缘性能良好的塑料管路引至冷却器即水/水热交换器，热量随电站冷却水（一次水）排走。
（3）平流电抗器。作为电流源型的SFC，电抗器是必不可少的，它是电流储能型设备，保证了SFC向负载提供稳定的电流。平流电抗器采用自然风冷空气芯式，与整流器、逆变器等分开布置，电感量
为1mH。
（4）晶闸管逆变器。SFC的晶闸管逆变器也称为机桥，为三相全控逆变器，每个桥含6个桥臂，每臂由4个晶闸管串联构成，用于将直流电流转换为频率可调的交流电流。构成、触发方式、冷却方式与整流器相似。
（5）输出变压器。输出变压器使逆变桥的工作电压与机组电压相适配，减少各桥臂串联的晶闸管元件的数量。SFC是一个靠负载电压换相的电流源，确切地讲，输出变压器的功能不是把逆变器的输出电压升高到机组电压，而是把机组电压降为与逆变器适配的工作电压，以保证逆变器的换相。输出变压器从5Hz开始它就要投入运行，所以它必须具备低频条件下准确传变的性能。输出变压器也采用油浸式，主要参数如下：1）容量：17 MV A；2）额定电压：15.75kV/4.2kV；3) 接线组别：Dyn11；4) 阻抗电压： 12%；5) 冷却方式：ONAN。
（6）旁路开关
当被拖动机组转速低于额定转速的10%时，由于电压和频率都很低，为了避免输出变压器运行在过低频率下，也为使机组得到较大的启动电流，通过旁路开关S2直接与发电电动机绕组相连，当机组转速大于额定转速的10%后，旁路开关S2断开，S1合上，输出变压器接入。
（7）控制器
SFC控制系统的核心是其控制器。由处理单元、存贮器单元和各种输入/输出插板构成。
SFC内有一个综合监测系统，用于保护内部元件和相连的外部设备。检测器和传感器不间断地监视着系统内的电流、电压以及冷却系统。检测到事故状态时，它将作出反应，包括立即或延时关断网桥和机桥，立即或延时跳闸和/或发出报警信号。各种事故通常是经由串行通信传送到全厂的计算机监控系统，但作为后备，还有以开关量方式输出的硬接线综合信号。
软件的功能包括SFC的调节，即根据从CT、VT和许多外部输入，直接获得或经过计算获得机组的信息，包括当前转速和转子位置等。根据这些信息计算出应当采用的控制角的大小，以及应当导通的桥臂，从而控制机组的转速和转矩。控制命令最终转化为经由光缆向每个晶闸管输出的触发信号。
软件的功能还包括操作各元件（例如旁路开关的投切）并监视各外部设备（例如发电机断路器GCB）的状态，与各外部输入/输出（例如启停命令）接口，维修和查事故、处理报警时显示特定的变量，并经硬接线和串行通信发送和接收信号与指令。
SFC的继电保护功能也用软件集成在控制器中，保护范围含输入/输出变压器。
2.2 SFC启动过程简述
SFC的控制方式可以是：由计算机监控系统（CSCS）远方自动控制，或通过SFC控制器上的
按键手动控制。两种方式的选择由SFC控制器上的现地/远方选择按键实现。
只有SFC处于可用状态时，才能投入运行。SFC可用的条件是：所有的柜门关闭锁好，所有的控制和动力电源可用并已投入，无报警、无事故。
以下以远方自动控制方式为例，介绍SFC的启动过程。
（1）启动SFC辅助设备
1）CSCS的机组LCU合上被启动机组的被拖动隔离开关，做好主回路启动准备。
2）CSCS的启动用LCU（或公用LCU或开关站）向SFC发出“SFC辅助设备启动”的命令，SFC将自动启动辅助设备，如冷却风机（风/水冷却）、冷却单元去离子水泵（水/水冷却）、整流器和逆变器风机或冷却水阀门。
3）辅助设备启动后，SFC检测到输入/输出变压器风机正常、去离子水流和导电率正常（水/水冷却）、整流器和逆变器的空气温度正常（风/水冷却）后，将发出“SFC辅助设备已启动”的信号传送至启动用LCU。
（2）SFC进入准备状态
1）在“SFC辅助设备已启动”后，SFC向启动用LCU发出“投入一次冷却水”的命令，启动用LCU打开SFC外部的一次冷却水阀门，确保SFC有外部冷却水流。
2）SFC自动合上输入断路器。
3）当SFC输入断路器合闸后，SFC发出“输入断路器已合上”、“SFC 已准备好”和“SFC 等待投入令”的信号给启动用LCU。此时，SFC进入“备用”状态。
4）如果此时启动用LCU未发出任何命令给SFC，SFC就会保持在“备用”状态。如果启动用LCU发出“SFC 投入”的命令给SFC，那么SFC自动合上输出断路器。
5）当输出断路器合后，SFC发出“输出断路器已合”信号给启动用LCU。
6）启动用LCU向SFC发出“选择机组（1 到n）”的信号，SFC根据此信号来选定相应机组。
（3）SFC的启动
1）选定机组后，SFC将向相应的机组直接发出“启动励磁”的命令。
2）机组的励磁系统向转子绕组施加励磁，电气轴开始建立。
3）机组LCU向SFC发出“励磁已准备好”的反馈信号。
4）启动用LCU根据实际转速给SFC发"f > 5 Hz" 或"f < 5Hz"的信号。
5）根据f < 5 Hz 或f> 5 Hz，SFC将合上隔离开关 S2（将输出变旁路）或合上隔离开关S1（将输出变接入）。由于实际上启动从零转速开始，"f < 5 Hz"必然首先出现，因此隔离开关S2将闭合。
６）转速设定为额定转速，SFC开始调节，电流建立起来，机组开始旋转。SFC以脉冲耦合即强制换相方式控制逆变器晶闸管。
７）“SFC已投入”的信号送到启动用LCU。此信号在SFC输出电流的全过程中始终在发送。
８）频率达到5 Hz时，晶闸管桥被暂时闭锁，电流消失。隔离开关S2断开，隔离开关S1闭合。
９）转速将继续上升，f> 5 Hz， SFC解除脉冲闭锁，重新建立电流回路，SFC以自然换相方式控制逆变器晶闸管，电机转速继续上升。
10）励磁系统以恒励磁电流方式调节（大致等于额定空载励磁电流），定子电压与机组转速比例上升。
11)当转速达到90%额定值时，励磁切换为自动电压调节。
12)当机组转速升到95%额定转速时，SFC将向启动用LCU发出“SFC 等待并网”的信号。
如果频率跟踪选择器在“退出”位置， SFC将根据同期装置发出的“增速”和“减速”令来调节机组的转速。
如果频率跟踪选择器在“投入”位置， SFC将其测得的电网频率作为频率基准值，并根据频率基准值来调节机组的转速。
13)机组一旦满足同期条件，同期装置将会立即合上机组断路器，并发出“GCB 已合”信号至SFC。
14）SFC接收到此信号后，立即将晶闸管桥闭锁，以防止在电网、电机和SFC之间形成环路。
15）当SFC的电流为零时，SFC立即自动断开输出断路器，解除电气轴。
16）输出断路器断开以后，SFC将向启动用LCU发出“输出断路器已断开”和“SFC 调节已
停止”信号。
17）SFC自动重新回到备用状态，准备启动另外一台机组。如果没有机组可启动，SFC将进入停止状态。
2.3 SFC的谐波问题及对策
SFC作为电网的非线性负荷，必然产生高次谐波，对厂用电造成一定的污染，对电力系统也有一些影响。但是，蓄能电站的SFC是一种短时工作的设备，它对系统的污染和对厂用电的影响是短时的，不应该按照对连续运行的谐波源的限制条件来对它提出要求。近几年来，在招标工作中，未能区分抽水蓄能电站与公共电网谐波分布的不同特点以及二者谐波限制标准的差异，对电能质量国家标准的理解不够全面，国内的蓄能电站在确定SFC的技术条件时，往往提出过于苛刻的要求，造成大部分国内蓄能电站的SFC均设置5、7、11、13、15、17次等高次谐波滤波器，不仅增加了成本，而且增加了地下洞室的开挖量。张河湾电站采用12脉冲方案，进一步降低了谐波的影响，但略微增加了成本。
合理的谐波限制指标应当只对针对SFC与电站厂用电的连接处提出，而且只提出该点的电压总畸变率THD。这是因为，不论是理论分析还是工程实践都证明，SFC对超高压公共系统（220kV及更高电压的系统）的污染从来就不会超标。唯一应当考察的是400V厂用电的谐波，但由于运行方式的多样性，400V厂用电的谐波很难准确计算。但有一点是清楚的：400V厂用电的谐波电压总畸变率肯定低于15.75kV 处的谐波电压畸变率，这是因为在从谐波源向其他电压等级的网络传送时，谐波电压畸变率总是渐次降低的。如果15.75kV处的谐波电压畸变率不超标，那么400V厂用电的谐波电压畸变率肯定不会超标。国家标准对400V公用电网谐波电压限值见表3。
事实上，可以将上述指标作为对SFC与高压厂用变压器的连接处（15.75kV）的谐波电压畸变率限制指标。考虑到SFC谐波的短暂性，根据IEEE Std. 519 1992关于短时谐波可以将指标放宽50%的规定。
为了简化要求，张河湾电站的合同中将上述奇偶次谐波指标统一为3%，见表4。
表3 公用电网谐波电压限值（国家标准规定值）
电网电压 (kV) 电压总谐波畸变率
%
各次谐波电压含有率 %
奇次 偶次
0.4 5.0 4.0 2.0 500 2.0 1.6 0.8
表4 谐波电压限值(合同规定值)
电网电压 (kV) 电压总谐波畸变率
%
各次谐波电压含有率 %
奇次 偶次
15.75 5.0 3.0 3.0
500 2.0 1.6 0.8
3 “背靠背”启动
3.1 “背靠背”启动方式
蛇油精“背靠背”启动方式也称为同步启动方式，是用一台机组作为发电机，提供频率逐渐升高的电流，另一台待启动机组作为电动机，利用前者输出的变频电流同步地逐渐加速到额定转速。
张河湾电站采用低压“背靠背”方式，启动母线设置在发电机电压侧。“背靠背”启动的主要步骤如下：
1）打开发电机组的中性点隔离开关，以避免定子接地保护误动作。
2）将发电机组机端的拖动隔离开关合上，被拖动隔离开关打开。
3）将电动机组机端的被拖动隔离开关合上，拖动隔离开关打开。
4）合上发电机组的断路器，将两台机组连接起来。
5）给两台机组同时分别施加励磁，建立电气轴，并维持恒励磁电流。
6）逐渐打开发电机组的同轴水轮机的导叶，机组由水轮机驱动零起升速，另一台则作为同步电动机被发电机驱动零起升速。
7）同期装置根据电动机组与电网的频率差调节发电机组的导叶，使电动机组满足同期条件，并发出同期令使电动机组并网，然后立即断开跳开发电机的断路器，断开发电机与电动机的连接，解
除电气轴。
如果恰好在电动机组并网后、发电机断路器跳闸前的瞬间发生短路，短路电流将会很大。所以有的工程先将考虑到电动机组拖动到转速高于同步转速，然后断开发电机断路器，失去电源的电动机组转速将会下降，同期装置在此过程中捕捉同期时刻，发令并网。
为了减少启动过程中的阻力转矩，张河湾电站采用转轮室充气压水的方式。在转轮室压水的条件下，“背靠背”启动的功率仅为被启动机组额定功率的6%～10%或略高（与规定的启动加速时间有关）。“背靠背”启动不需电网供给电源就可启动机组，对系统无扰动。
3.2 背靠背启动过程中的事故停机问题
背靠背启动过程中，如果两台机组内部或连接母线上发生了电气或机械事故，两台机组都应当灭磁、停机、跳闸。由于此时回路中只有启动机组的GCB闭合，跳闸也就专指跳启动机组的GCB。
ＧＣＢ是按照额定频率50Hｚ设计的，其开断能力与50Hｚ相对应。背靠背启动过程中，回路电流的频率低于50Hｚ，此时开断ＧＣＢ有可能造成ＧＣＢ的损毁。为了解决这个问题，应当首先将两台机组灭磁，然后立即开断ＧＣＢ。灭磁后的两台电机变为极弱励磁（由转子铁心的残磁励磁）的同步电机，甚至可以视之为异步电机，二机虽然仍连接在一起，但电流极小，开断ＧＣＢ就没有危险了。
实现以上的过程的困难之处在于，如果事故发生在一台机组内，本机的继电保护或机械保护检测到了，可以按顺序先停机、灭磁，后跳闸；而另外一台机组的保护可能没检测到这个事故（尤其是机组机械事故，不易被其他机组检测到），也就无法按顺序先停机、灭磁、跳闸。此时，发生事故的机组应当将信息发到与其连接的另一台机组，使其按正确顺序完成事故停机。
现有的继电保护装置不能承担此项任务，因为每台机组的继电保护只负责本机保护，不能指挥其他机组的事故停机过程。此外，继电保护也不能检测机组的机械事故。
为了解决这个问题，专司启动的 LCU5应当设一个软件模块实现相应的功能。如果背靠背启动过程中任意一台机组发生需要停机的电气或机械事故，本机的LCU应按顺序停机、灭磁，并将信息发给ＬＣＵ5，ＬＣＵ5事先知道哪两台机组正处在背靠背启动过程中，所以可将信息传送给与其连接的另一台
机组的LCU，使之也顺序先停机、灭磁。在确认两台机组都已灭磁后，启动机组的LCU 发令跳开ＧＣＢ。由此可见，背靠背启动过程中的事故停机过程有别于正常运行时的停机，所以应当设专门的程序模块执行。
如果启动过程中没有事故，启动过程完毕后，上述软件模块退出运行。
为了确保ＧＣＢ的安全，宜在ＧＣＢ的跳闸回路中串联一个硬接点，该接点在频率为48-51 H ｚ时闭合。频率超出此范围则断开，闭锁跳闸回路。
上述功能要求已提出，但张河湾机组的供货商方面未给予足够重视，目前正在完善过程中。
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