抽水蓄能电站静止变频器(SFC)容量设计研究

0引言

大容量抽水蓄能机组水泵工况起动时,需要采用辅助的起动设备将机组从静止拖动到同步转速,采用交—直—交电流源型静止变频器(SFC)设备是目前大容量抽水蓄能的主流泵工况起动方式。容量设计是开展SFC系统设计的关键和先决条件,SFC的容量和配置直接影响SFC设备的体积及造价,应合理选择SFC系统容量。本文结合工程实际,对SFC容量设计方法进行了研究。

1 基本原理

大型抽水蓄能机组泵工况起动时,通过充气压水系统使转轮与水脱离接触,大幅减小起动所需的力矩,降低对SFC设计容量的需求。SFC容量与机组容量成正比,一般为发电电动机额定容量的6%~8%^[1]。

在起动机组过程中,SFC输出动力矩、抽蓄机组阻力矩及机组转速之间的关系为^[2]:

式中:T_M为静止变频器的拖动转矩;T_R为机组的阻力矩;J为机组转动部分的转动惯量;w为机组的机械角速度。

w与每分钟转速N的关系如下:

   (2)

求解上述微分方程得到:

    (3)

式中:P_SFC为静止变频器的功率;P_R为机组起动过程中的阻力损耗功率。

由公式(3)可见,静止变频器(SFC)容量设计与起动时间要求、机组旋转等效功率损耗(包含风摩损耗、摩擦损耗、电气损耗)以及机组的转动惯量等参数密切相关。在一定范围内提升SFC容量能够对缩短起动时间起较好的作用,当容量增加到一定程度时,起动时间不再明显缩短。SFC设备的造价与容量成正比,从经济性角度考虑,应选择合适的SFC容量以匹配机组起动需求^[3]。克服抽蓄机组旋转产生的等效阻力损耗功率是SFC容量设计最低要求,在此基础上考虑加速功率(起动时间),即构成了SFC容量设计及选择的依据。

2典型抽水蓄能机组SFC一次系统图

典型抽蓄机组SFC系统一次主接线如图1所示。SFC系统采用"12—6脉动”“高—低—高”拓扑结构,将两台主变低压接入系统作为输入电源,经输入断路器(ICB1、ICB2)、输入隔离变压器(TLS)至SFC整流侧,经整流桥(NB1、NB2)、直流平波电抗器(Ld)、逆变桥(MB)逆变后输出变频电源,输出侧经起动母线、被拖动开关等设备分配至不同机组。一套SFC系统具备轮流起动多台机组的能力。

SFC容量设计是SFC系统设计的关键,SFC系统中的电抗器、断路器、变压器及一次连接的设计参数、结构等均以SFC容量设计为前提。

3机组损耗

某300 MW级抽水蓄能机组相关参数如表1所示。

对于机组的阻力损耗参数,输入值一般为额定工况下的损耗值,这与SFC拖动机组升速过程中的实际损耗并不一致。为了进行全转速过程的计算,对额定工况下的各分项损耗进行分析,以机组参数额定值为基值转换成标幺值后,用额定工况下的损耗值与标幺值的关系,拟合成损耗曲线。设n*为转速标幺值,I*为定子电流标幺值,U*为定子电压标幺值。

风摩损耗P₁按与转速的3次方成正比进行工程计算^[4]:

P₁=(PGE+PRU)·n^*3  (4)

式中:P_GE为发电电动机风摩损耗;P_RU为转轮在空气中旋转时的损耗。

推力轴承摩擦损耗P₂按与转速的1.5次方成正比 进行工程计算:

P₂=P_TH·n^*1.5   (5)

式中:P_TH为推力轴承摩擦损耗。

轴系导轴承摩擦损耗P₃按与转速2次方成正比进行工程计算:

P₃=P_GU·n^*2  (6)

式中:P_GU为导轴承摩擦损耗。

发电电动机的定子铁耗由磁滞铁芯损耗、涡流铁芯损耗和杂散铁芯损耗构成,均与频率和磁通密度相关。考虑到抽水蓄能机组泵工况SFC起动过程中采用恒磁通模式,一般控制机组励磁电流大小保持在机组空载额定励磁电流附近,整个过程基本稳定,只进行微调,定子电压与转速成正比^[5]。工程计算中,可将定子铁耗按如下公式进行工程计算^[6—7]:

P₄=U_*2·P_Fe·n*  (7)

式中:P_Fe为定子铁耗。

电机铜损P₅与定子电流2次方成正比:

P₅=P_CU·I^*2 (8)

式中:P_CU为定子铜损。

由上述分析可得抽蓄机组泵工况SFC起动过程 总等效功率损耗P_Σ:

P_Σ=P₁+P₂+P₃+P₄+P₅   (9)

分析表1的损耗参数,在额定工况下总损耗值为 12185 KW,其中风摩损耗8 600 KW。可以看出,风摩 损耗占比远高于其他损耗,因此其对SFC容量设计的影响也相对最大。

根据上述过程可计算出机组在各个转速下的损 耗,其曲线如图2所示,该曲线即为SFC在机组起动过程中需克服的阻力曲线。

4 SFC最小容量计算

设计SFC容量前,需设定SFC工作电压及电流。 SFC工作电压设计主要与晶闸管参数、器件串联级数以及电压裕量要求有关,原则如下:

式中:U₂为SFC工作电压(交流侧);n为每个桥臂晶闸管串联个数;V_DRM为晶闸管断态重复峰值电压;K为电压裕度系数,一般为2~2.2。

SFC工作电流值主要与晶闸管电流参数、系统散热设计相关,也与工作电压设计相关。对同一容量下的SFC系统,不同的设计结构,其工作电压及电流设计也不相同。SFC工作电压的限值受限于晶闸管的耐压值,一般不会变化。所以,比较好的设计方法是对应晶闸管串联个数及耐压参数,充分利用电压裕度,将SFC工作电压设计序列化。在SFC容量设计时,选择工作电压档位后,调整工作电流值以满足设计需求。

对于大型抽水蓄能电站,SFC拖动机组升速时间通常要求不超过240S,以最大升速时间要求对SFC 的容量进行工程计算,即为SFC的最小设计容量。如前文所述,根据式(1)(2)(3)以及图2的机组阻力损耗功率曲线进行迭代计算,如图3~6所示。

根据上述计算结果:SFC工作输出电压0~8 100V; SFC工作电流脉冲换相阶段设定在DC1 200 A, 自然换相阶段设定在DC2100A,该台机组所需配置的 SFC最小容量为19.2 MW。

5 SFC容量的选择及起动时间校核

抽水蓄能机组前期设计阶段,机组参数存在一定的偏差。在选择SFC容量时,除起动时间、最小容量以外,应叠加一定的裕量,以兼顾机组转动惯量、轴

系损耗等参数的适当变化。考虑上述因素后,选择SFC容量为21.0 MW。对该SFC容量下的机组起动时间进行计算校核,如图7~10所示。

根据上述计算结果,配置21MW的SFC,SFC工作输出电压0~8100 V;SFC工作电流脉冲换相阶段设定在DC1 200 A, 自然换相阶段设定在DC2 300 A,起动机组至额定转速所需时间约212s,满足最大起动时间不超过240 s的要求,并保留一定的裕度以适配机组参数的适当变化。

6 结束语

对于抽水蓄能机组的SFC容量设计,可根据机组额定点损耗数据拟合损耗与转速的曲线。按起动时间要求,计算最小容量要求。在此基础上保留一定裕度,合理设计SFC的容量,减少工程投资及设备占地。此外,不同应用场合的SFC容量设计的影响因素不同,本文仅对抽水蓄能机组SFC进行分析研究,可作为大型抽水蓄能机组SFC的容量设计参考。

[参考文献]

[1]抽水蓄能电站设计规范:NB/T 10072—2018[S].

[2] 国网新源控股有限公司.抽水蓄能机组及其辅助设备技术:静止变频器[M].北京:中国电力出版社,2019.

[3]严伟,石祥建,潘仁秋,等.抽水蓄能机组静止变频器(SFC)关键技术研究[C]//抽水蓄能电站工程建设文集2019:179—185.

[4]郑辉,赖喜德,廖姣,等.水电机组推力轴承搅拌损耗计算方法[J].热能动力工程,2018,33(8):74—79.

[5]李基成.现代同步发电机励磁系统设计及应用[M].3版.北京:中国电力出版社,2017.

[6]唐任远.现代永磁电机理论与设计[M].3版.北京:机械工业出版社,2016.

[7]张冬冬,赵海森,王义龙,等.用于电机损耗精细化分析的分段变系数铁耗计算模型[J].电工技术学报,2016,31(15):16—24.

2025年第3期第13篇