田 博，劉 錦，王虎軍，王旭光，張海峰，馬慶宇

(西安航天自動化股份有限公司，陜西 西安 710065)

0 引言

抽水蓄能電站作為發(fā)電系統(tǒng)中的重要輔助設施，具有調峰填谷的優(yōu)良特性，對保證電網的安全、穩(wěn)定運行起到重要的作用。目前，國內抽水蓄能電站大多采用靜止變頻(static frequency converter,SFC)啟動為主、背靠背(back-to-back,BTB)啟動為輔的方式。其中，BTB啟動作為一種必不可少的輔助啟動方式，對電網穩(wěn)定運行起到了重要的保障作用。在BTB啟動過程中，拖動機組和被拖動機組的中性點刀閘安全、正確地分合動作對啟動過程至關重要。因此，本文針對國內某抽水蓄能電站在運行過程中傳統(tǒng)中性點刀閘機構的不足，設計了一套功能可靠的中性點刀閘操作系統(tǒng)，并成功參與發(fā)電機組運行，已穩(wěn)定運行一年以上[1]。

1 BTB啟動原理

BTB啟動也稱同步啟動，即利用本電站內一臺發(fā)電機組(作為拖動機組)來啟動另一臺電動機組(作為被拖動機組)的方式。作為機組抽水工況下重要的啟動方式，BTB啟動過程需要兩臺機組進行密切的協(xié)調配合。該啟動方式涉及拖動機組的選擇、拖動機組與被拖動機組的流程控制、中性點接地刀閘的分合控制、調速器控制、勵磁控制以及繼電器保護配合等,是一個復雜的聯(lián)合控制過程。

BTB啟動過程如圖1所示。圖1中，兩臺機組定子之間通過電氣連接。啟動前，在兩臺機組的轉子中注入勵磁電流，方向如圖1中虛線所示；然后開啟拖動機組導葉，向被拖動機組提供定子電流，驅動被拖動機組運行。

圖1 BTB啟動過程示意圖

圖1中：T為中性點接地變壓器；D為中性點刀閘(隔離開關)；R為二次側電阻器；CT為電流互感器；L為銅質母線；GND為地。

BTB啟動機組抽水流程如下。

①操作系統(tǒng)選擇拖動機組和被拖動機組。將選擇的兩臺機組通過啟動母線連接在一起，并確定拖動機組是否具備啟動條件。

②拖動機組滿足BTB啟動條件以后，打開拖動機組中性點刀閘和換相刀閘，閉合拖動機組的拖動刀閘。

③被拖動機組滿足BTB啟動條件以后，被拖動機組將換相刀閘投向抽水方向，閉合被拖動機組的拖動刀閘。

④閉合拖動機組出口斷路器，使兩臺機組之間建立電氣連接。然后，拖動機組開啟輔機和球閥，被拖動機組開啟輔機壓水。

⑤被拖動機組和拖動機組被投入恒定的勵磁電流，使兩臺機組之間建立起同步電磁力矩。拖動機組啟動調速器開啟導葉，被拖動機組在同步電磁力矩的作用下與拖動機組一同加速。

⑥被拖動機組同期裝置啟動，調節(jié)拖動機組調速器和勵磁裝置，直至滿足同期并網條件后，閉合被拖動機組出口斷路器，打開拖動機組出口斷路器，解除電氣連接。

⑦打開拖動機組拖動刀閘，關閉調速器和球閥，閉合中性點刀閘，拖動機組進入停機穩(wěn)態(tài)；與此同時，被拖動機組收到拖動機組分拖動刀閘信號后，打開啟動刀閘，并根據設定進入抽水調相工況運行[2-4]。

2 中性點接地刀閘在BTB啟動中的作用

在機組實際操作過程中，對變壓器中性點接地刀閘的切換控制是保證電網安全運行的一項重要措施。在發(fā)電機組正常運行或處于待機狀態(tài)時，機組的中性點接地刀閘為閉合狀態(tài)。裝設有多臺發(fā)電機組的電站中，若其中有幾臺處于檢修狀態(tài)，那么正常運行的設備中性點就存在位移電壓。這樣運行設備存在的位移電壓就有可能通過中性點接地系統(tǒng)傳導給檢修的設備，形成危險電壓。因此，當機組處于停電檢修狀態(tài)時，為了防止系統(tǒng)發(fā)生接地等事故，應打開檢修機組的中性點接地刀閘。

上文分析了中性點接地刀閘在系統(tǒng)控制中的基本用途。除此之外，中性點刀閘的正確分合對BTB的正常啟動至關重要。在BTB啟動過程中，拖動機組啟動被拖動機組時，機組現(xiàn)場控制單元(local control unit,LCU)發(fā)出打開拖動機組中性點接地刀閘的指令，中性點刀閘動作處于分開狀態(tài)。此時，被拖動機組的中性點接地刀閘處于閉合狀態(tài)。當拖動完成后，拖動機組中性點接地刀閘由LCU發(fā)令恢復至合閘狀態(tài)。

①在啟動時，若不打開拖動機組中性點刀閘，將使拖動機組及被拖動機組的100%接地保護同時作用。在低頻運行時，流過定子的少量低頻不平衡電流會造成定子100%接地保護誤動。

②在拖動機進入停機過程時，為確保機組安全，中性點接地刀閘的合閘時序十分重要。如果在勵磁退出前閉合中性點刀閘，閉合過程中可能因機組發(fā)生故障而損壞刀閘。如果在勵磁退出后立即恢復中性點，可能在中性點刀閘還沒有完全閉合的情況下投入電氣制動，而此時機組帶勵磁，則中性點刀閘有可能被損壞。因此，在停機過程中，拖動機組轉速下降后不投入電氣制動，而投入機械制動。當轉速降為零時，閉合中性點接地刀閘。這樣可以避免損毀設備，保證機組的安全。

3 中性點機構的設計

在抽水蓄能電站中，中性點機構由2個部分組成。中性點設備柜和中性點刀閘操作機構控制箱。

3.1 中性點設備柜

中性點設備柜由銅質母線、中性點刀閘、二次側電阻器、中性點接地變壓器及電流互感器等裝置組成。中性點設備連接模型如圖2所示。

圖2 中性點設備連接模型

為滿足設計要求，柜體選型為ZXD-20。根據機組額定電壓和發(fā)電機組電壓回路對地電容等參數，對T、R和CT進行配置，使之滿足相互匹配的原則。經計算，中性點設備型號和參數如表1所示。

表1 中性點設備型號和參數

3.2 中性點刀閘操作機構控制箱

中性點刀閘操作機構控制箱作為中性點設備柜的配套裝置，主要用于控制設備柜內中性點刀閘的分合。上文已詳細討論了中性點刀閘的正確分合對機組正常運行的影響，特別是在BTB啟動過程中的重要作用。因此，設計一套安全可靠、易于操作的中性點刀閘控制機構有著重要的實際意義[5]。

根據中性點設備柜內中性點刀閘的型號和參數指標，結合實際刀閘的機械連接方式，利用Solidworks軟件仿真出操作機構控制箱與中性點刀閘的連接。中性點刀閘操作機構連接如圖3所示。圖3中，中性點刀閘與操作機構控制箱通過外部的連桿機構進行連接。

圖3 中性點刀閘操作機構連接示意圖

依據Solidworks軟件仿真的結果，設計了系統(tǒng)控制箱的平面圖?？刂葡浒–PU、減速機、轉換開關SA、分合閘按鈕SB、斷相與相序保護繼電器GDH、溫濕度顯示器EHD等元器件。本著箱內方便布線的原則，合理設計了各元器件的位置。

控制箱內的輸出軸作為轉矩的輸出裝置，直接影響著連桿機構的操作是否順暢，最終關系到中性點刀閘能否可靠地分合到位。據此，確定輸出軸、電機和減速機三者之間的位置關系。根據連桿機構的特性，經過計算，確定了控制箱輸出軸的實際安裝位置。輸出軸采用側面安裝,具有噪音小的特點。

4 中性點刀閘控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

4.1 中性點刀閘控制系統(tǒng)原理圖的設計

為配合中性點刀閘操作機構實現(xiàn)其刀閘控制功能，設計了中性點刀閘控制系統(tǒng)。中性點刀閘控制系統(tǒng)原理如圖4所示。圖4中主要包括3個回路：電機回路、控制回路和溫濕度控制回路，所需電源分別為AC 380 V(50 Hz)、DC 220 V和AC 220 V?？刂苹芈钒ìF(xiàn)地自動和遠方自動2種工作方式。為保障在電源掉線后依然可以操作機構，設計了通過轉動機械手柄進行分合閘的現(xiàn)地手動模式，保證了緊急情況下機構的正常操作。

圖4 中性點刀閘控制系統(tǒng)原理圖

圖4中，M為永磁同步電機。電機各項參數如下：額定電壓為AC 380 V；額定功率為37 W；額定電流為1.7 A；額定轉速為1 400 r/min；啟動電流為≤10 A。

GDH是電機綜合保護器。該保護器是根據隔離開關電動機構的運行特點設計的,采用電流檢測技術,無需外電源，對電動機運行中的對稱性故障(如過載、堵轉等)及非對稱性故障(如斷相、電流不平衡等)有可靠的保護功能。其輸出接口采用無源觸點的固態(tài)式電子開關，故檢驗開關的通斷時不能簡單地用萬用表來測量，在檢測其他線路時可將接點GDH-1/GDH-2短接。EHD是溫濕度自動控制器，可自動控制調節(jié)潮濕環(huán)境下箱體的溫濕度，使元器件持續(xù)正常運行。

4.2 中性點刀閘控制策略

水輪機的調節(jié)系統(tǒng)可分為調節(jié)系統(tǒng)模型、制動器模型和導流渦輪模型3種，通過試驗得到靜特性、恒轉差、頻率死區(qū)、繼電器響應時間等參數[6]。

根據水輪機的調節(jié)系統(tǒng)原理和中性點接地刀閘的機械特性，運用MATLAB建模平臺，利用改進的遺傳算法(genetic algorithm,GA)對實測數據進行模型識別，所建模型符合標準要求。

刀閘的輸出力矩方程為：

(1)

刀閘控制電機作用力模型為：

(2)

式中:I為激勵電流;h為電機結構參數;x0為目標位置;x為當前位置。

(3)

對式(3)作拉普拉斯變換：

k1I(s)=ms2X(s)+ksX(s)-k2X(s)

(4)

激勵電流對電機控制電壓的傳遞函數為：

(5)

式中:L為轉動電機線圈電感;R為電機線圈的電阻值。

通過以上推導，最終可得到控制時間與角度之間的傳遞函數：

(6)

系統(tǒng)特征方程為:

mLs3+(Lk+mR)s2+(Rk-Lk2)s-Rk2=0

(7)

二階閉環(huán)特性方程為:

s2-(0.003 8-52.202 5Kd)s-0.041 7+

52.202 5Kp=0

(8)

對于二階控制系統(tǒng)，可以根據系統(tǒng)的性能進行極點配置。根據系統(tǒng)性能要求，假設系統(tǒng)的理想超調量為1%、調節(jié)時間為0.1 s，則理想的特征方程為:

s2+80s+3 358=0

(9)

利用MATLAB仿真模塊得到傳遞函數階躍的響應仿真曲線。中性點開關時間和角度仿真曲線如圖5所示。

圖5 中性點開關時間和角度仿真曲線

試驗結果表明，改進后的控制方法不僅有效地增強了操縱區(qū)域，而且實現(xiàn)了角度控制。因此，所提出的復合控制方法以及設計的控制器是可行的。

4.3 中性點刀閘操作系統(tǒng)的實現(xiàn)

該中性點刀閘操作系統(tǒng)采用電動機驅動渦輪蝸桿減速裝置,帶動輸出軸工作，輸出軸驅動連桿機構分合刀閘，具備掉電保護、缺相保護、電機過流保護、過力矩保護、位置越限保護等功能[7]。控制系統(tǒng)的工作方式分為以下三種。

(1)現(xiàn)地手動方式。

現(xiàn)地手搖操作電動機構時，轉換開關(QC)合在“切除”位置。將手柄插入電動機構蝸桿，順時針或者逆時針搖動，即可進行相應的分、合閘操作。操作時，需注意觀察刀閘到位情況，以免損壞限位開關。

(2)現(xiàn)地自動方式。

現(xiàn)地電動操作電動機構時，轉換開關(QC)合在“就地”位置。

①電動分閘：按下分閘按鈕(SB3)，分閘接觸器(KM2)線圈接通：接觸器常開觸點閉合并自鎖，使電動機啟動。電動機驅動渦輪蝸桿減速裝置，主軸逆時針方向運動，帶動與主軸相連的隔離開關分閘。當主軸接近分閘終點位置時，裝在主軸上的定位件使終點限位開關分開，切斷分閘接觸器的控制線圈電源,接觸器主觸點打開，切斷電動機電源，機械限位裝置使機構限制在分閘位置。

②電動合閘：按下合閘按鈕(SB1)，合閘接觸器(KM1)線圈接通，接觸器主觸點閉合并自鎖,使電動機啟動，電動機驅動渦輪蝸桿減速裝置，主軸順時針方向運動，帶動與主軸相連的隔離開關合閘。當主軸接近合閘終點位置時，裝在主軸上的定位件使終點限位開關分開，切斷合閘接觸器的控制線圈電源,接觸器主觸點打開,切斷電動機電源，機械限位裝置使機構限制在合閘位置。

③電動停止：在分、合閘過程中，需要中途停止時，可按下停止按鈕(SB2),切斷控制電源。

(3)遠程自動方式。

在遠程工作模式下，機組監(jiān)控系統(tǒng)能夠通過可編程邏輯控制器(programmable logic controller,PLC)操作中性點閘刀的分合，并通過PLC將閘刀的位置狀態(tài)上送至監(jiān)控系統(tǒng)。遠程操作電動機構時，轉換開關(QC)合在“遠程”位置，電動機構根據接收到的由機組發(fā)送的“合閘”或者“分閘”信號進行相應的動作，到位之后自動停止。

PLC主要輸入輸出信號如表2所示。

表2 PLC主要輸入輸出信號

在實際調試過程中，總結了中性點分合閘狀態(tài)位與輸出軸的關系。操作機構在自動運行過程中，當輸出軸在上下限位時，刀閘能夠分合到位，滿足設計要求[8]。

傳統(tǒng)中性點接地刀閘操作機構為開環(huán)控制系統(tǒng)，不能及時地反饋合分閘是否到位，只是以上下限機械位作為單一的開關量判斷。由于抽水蓄能電站在抽水和發(fā)電的工況下，設備會出現(xiàn)劇烈的振動，機組長時間運行會導致轉動軸的位置偏移，經常出現(xiàn)已收到合分閘到位信號但是閘刀尚未到位的情況，導致故障報警，影響機組的安全運行。在出現(xiàn)故障時，用旋轉角度測量儀測量了刀閘實際位置與合分閘到位位置之間的夾角(設定合閘到位位置為0°，分閘到位位置為150°)。分、合閘過程發(fā)生6次故障時，刀閘位置與到位位置之間的夾角和所需時間如表3所示。

表3 刀閘位置與到位位置之間的夾角和所需時間

本文設計的操作機構解決了刀閘分合不到位的問題，在輸出軸上加裝了角度傳感器，能夠準確測量輸出軸的偏移量。輸入偏移量到控制器中，控制器程序自動校正輸出軸的轉動角度。轉動角度模擬信號與上下限位開關信號共同用于判斷刀閘是否分合到位，形成了閉環(huán)控制系統(tǒng)。如果操作機構出現(xiàn)不到位的情況，系統(tǒng)會發(fā)出故障報警，有效地提高了運行的安全性。此外，該設計優(yōu)化了轉動軸與連桿機構的連接位置，除用螺栓固定外，還加裝了U形卡，有效防止了機組運行振動帶來的影響，縮短了分合閘到位所需的時間，提高了機構的運行效率和穩(wěn)定性[9]。

在實際的運行過程中，設計的中性點接地刀閘操作機構能夠精確地實現(xiàn)刀閘的分合到位。改進后中性點機構分合閘到位位置與輸出軸的關系如表4所示。

表4 改進后中性點機構分合閘到位位置與輸出軸的關系

傳統(tǒng)中性點接地刀閘操作機構在正常運行下，傳統(tǒng)中性點機構分合閘到位位置與輸出軸的關系如表5所示。

表5 傳統(tǒng)中性點機構分合閘到位位置與輸出軸的關系

由以上分析可知，與傳統(tǒng)中性點接地刀閘操作機構相比，本文設計的操作機構具有分合閘速度快、分合閘位置精度高、穩(wěn)定性強的特點。

5 結論

中性點接地刀閘操作機構對控制刀閘的正確分合和分合到位起到了至關重要的作用，直接影響著發(fā)電機組的安全運行[10]。

本文從機組BTB啟動的基本原理及中性點接地刀閘在其中的用途入手，分析了其分合閘的正確時機及工作原理。針對傳統(tǒng)中性點操作機構存在的問題，對其機械結構、工作原理、控制策略進行了優(yōu)化，并通過Solidworks及MATLAB建模進行了仿真驗證。這套中性點接地刀閘操作機構具有控制方式靈活、保護功能齊全、控制策略優(yōu)良等特點。與傳統(tǒng)中性點接地刀閘操作機構相比，優(yōu)勢明顯：工作性能良好，連桿機構動作平順，滿足實際工況要求；大大降低了發(fā)電機組的故障率及事故率；溫濕度加熱器降低了潮濕環(huán)境對電氣元件的影響，進一步提高了設備整體運行的可靠性和穩(wěn)定性，達到了預期效果，節(jié)省了設備維護成本。經實際工業(yè)現(xiàn)場驗證，該操作系統(tǒng)具有一定的實用價值。