李小波，李佳寧

(陜西省引漢濟渭工程建設有限公司，陜西 西安 710011)

1 工程概況

子午水電站是引漢濟渭調水工程的兩個水源地之一，壩高141.5 m，總庫容7.1億m3。安裝2臺可逆式混流機組，2臺常規(guī)混流機組，其中常規(guī)機組單機容量20 MW，額定轉速375 r/min，可逆機組單機容量10 MW，額定轉速500 r/min；發(fā)電總裝機容量60 MW，抽水總裝機容量24 MW。

電站庫區(qū)正常蓄水位643 m，最低發(fā)電水位593 m，庫區(qū)水頭波動范圍較大，為擴大水頭利用范圍，設計有變頻發(fā)電以及變頻抽水工況。

水庫供水期間，4臺機組做發(fā)電工況運行，發(fā)電供水設計流量72.71 m3/s。水庫補水期間，可逆機組抽水工況運行，設計抽水流量18 m3/s，設計年均抽水量1.078億m3，設計年均發(fā)電量1.214億kW·h。

2 完美無諧波高壓變頻器系統(tǒng)

子午水電站設計裝設西門子GH180四象限完美無諧波高壓變頻器，其組成部分包括輸入/輸出部分、功率單元部分、變壓器部分、控制部分、冷卻部分。

四象限變頻調速裝置采用IGBT有源整流，其能量在電網(wǎng)和直流母線之間雙向流動，既可以根據(jù)水泵的揚程、流量調整電機的輸入功率，也可以將機組在低水頭下發(fā)出的電能輸送到電網(wǎng)；同時實現(xiàn)了機組在電機工況下的穩(wěn)定工作和機組在發(fā)電工況下的連續(xù)工作。不但電網(wǎng)諧波污染小，而且輸入功率因數(shù)高，輸出波形質量好。通過若干低壓PWM變頻功率單元級聯(lián)的方法以達到高壓直接輸出的目的，避免了諧波引起的電機附加發(fā)熱、轉矩脈動、噪音、dv/dt及共模電壓等問題的特性[1]。

功率單元為三相輸入、單相輸出的交直交PWM電壓源型逆變器結構，10 kV電網(wǎng)電壓經過副邊多重化的隔離變壓器降壓后給功率單元供電，可實現(xiàn)變壓變頻的高壓直接輸出，供給高壓電動機[2]。

3 可逆機調速器系統(tǒng)

3.1 調速器

子午水電站采用東方電機HGS—E412型調速器，由調速器電氣柜、機械液壓隨動系統(tǒng)組成。電氣控制系統(tǒng)采用工業(yè)控制器PCC為硬件核心，組成冗余雙通道控制結構，可以實現(xiàn)機組的開機、停機、并網(wǎng)、發(fā)電、調相等功能，并可與電站監(jiān)控系統(tǒng)通訊，接受監(jiān)控系統(tǒng)的控制。

3.2 控制系統(tǒng)技術特點

(1)調速器內嵌性能測試系統(tǒng)，可以進行調速器接力器開/關機時間測試、調速器隨動系統(tǒng)調整與測試、調速器系統(tǒng)靜態(tài)特性和各種動態(tài)特性測試等，可以大大簡化系統(tǒng)現(xiàn)場調試及維護工作，易于調速器的使用與維護[3]。

(2)采用交叉冗余技術。調速器擁有兩套控制通道，其每一控制通道都將獲得冗余的信號輸入且控制冗余的模塊；當主用控制通道故障時，將自動切換至備用通道工作。

(3)通訊方式可通過軟件配置完成，具備自我診斷功能，對于模塊自身故障可實時診斷并送出信號；對于外圍傳感器信號，可通過I/O模塊內部硬件檢查回路直接獲得，不必經過軟件處理，冗余切換快速準確。

3.3 系統(tǒng)控制策略

HGS—E412型調速器所采納的變參數(shù)、變結構的適應性并聯(lián)PID控制策略，可以確保子午水電站可逆式機組在抽水工況和發(fā)電工況下機組均處于最優(yōu)狀態(tài)。轉速、開度、功率三種模式控制自動切換，可以使機組在不同工況下自動匹配與之合適的方式，提高了機組的穩(wěn)定性。同時，采取了非最小相位補償和積分鉗位等措施，增加了系統(tǒng)小波動控制的穩(wěn)定性，提高了調速系統(tǒng)在孤網(wǎng)工況下運行的穩(wěn)定性[4]。子午水電站可逆機組調速器控制策略框圖如下所示(見圖1)。

圖1 子午水電站可逆機組調速器控制策略框圖

4 可逆機運行水位條件

4.1 工頻發(fā)電運行水位條件

可逆機運行最低尾水位為535.00 m，最小發(fā)電水頭75 m，額定水頭90 m，最大發(fā)電水頭108 m。單機發(fā)電流量范圍5.92～12.58 m3/s。在75～108 m水頭之間，可逆機工頻運行。

4.2 變頻發(fā)電運行水位條件

最低尾水位為535.00 m，變頻發(fā)電水頭范圍90～32 m，機組轉速范圍500～300 r/min，單機發(fā)電流量范圍5.00～12.58 m3/s。

4.3 工頻抽水揚程范圍

在庫區(qū)需要補水且揚程在85～96.44 m范圍內，可逆式水泵水輪機組工頻抽水運行。

4.4 變頻抽水揚程范圍

在庫區(qū)需要補水且揚程在40～85 m范圍內，可逆式水泵水輪機組變頻抽水運行。

5 可逆機組工況分析

在變頻發(fā)電工況時，變頻器將機端低頻、低壓的電首先整流，然后逆變成工頻的交流電輸送到電網(wǎng)。

在抽水工況時，變頻器將工頻的交流電通過整流器變成直流電，然后再將直流電源轉換成頻率、電壓均可控制的交流電源供給可逆式機組[5]。

機組自動開機前，調速器“自動”燈亮，調速器無故障報警輸出，A、B通道正常指示燈亮，電柜處于停機備用狀態(tài)。

5.1 水輪機工況

工頻開機命令，目標轉速為50 Hz；變頻開機命令，目標轉速由調速器根據(jù)當前水頭自動計算得到最優(yōu)轉速。

從機組監(jiān)控系統(tǒng)向調速器發(fā)出工頻/變頻發(fā)電開機令，調速器將確認調速器處于水輪機工況；如果不是，調速器將自動切換水輪機/水泵工況切換電磁閥；切換完成后，由壓力開關反饋至調速器，調速器將執(zhí)行水輪機開機命令。如果切換失敗，調速器將不會執(zhí)行水輪機開機命令，開機令終止。

5.1.1 工頻發(fā)電

工頻發(fā)電工況下，調速器為功率閉環(huán)調節(jié)模式，監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)水頭、流量信息計算發(fā)電功率，將計算結果通過模擬量輸出下發(fā)至調速器。

上位機下發(fā)工頻發(fā)電開機令，調速器接收到脈沖信號后以最快的速度把機組調節(jié)至額定轉速。

工頻發(fā)電工況下變頻器不參與控制，與常規(guī)水電機組開機流程一致，在此不做贅述。

5.1.2 變頻發(fā)電

變頻發(fā)電工況下調速器為轉速閉環(huán)、流量開環(huán)調節(jié)模式，監(jiān)控系統(tǒng)下發(fā)水頭及流量信號給調速器，變頻器為功率閉環(huán)調節(jié)模式。監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)發(fā)電工況下水頭、流量、功率特性曲線表，跟蹤導葉開度或轉速變化，將實時功率數(shù)據(jù)發(fā)送給變頻器。

上位機下發(fā)變頻發(fā)電開機令，調速器在接到變頻發(fā)電開機令后，控制機組頻率在5～25 Hz區(qū)間緩慢升速，變頻器在機組低轉速模式下，捕捉發(fā)電機轉速信號；捕捉成功后，變頻器內部IGBT導通，實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電。機組并網(wǎng)后，調速器調節(jié)機組使其保持在當前水頭最優(yōu)轉速。

變頻發(fā)電開機框架流程為：調速、勵磁變頻發(fā)電模式→變頻器就緒令→變頻器準備就緒→調速器開機令→轉速大于5 Hz→變頻器開機令(功率給定)→機組轉速達到目標轉速。

5.2 水泵工況

從機組監(jiān)控系統(tǒng)向調速器發(fā)出工頻/變頻抽水開機令，調速器將確認調速器處于水泵工況；如果不是，調速器將自動切換水輪機/水泵工況切換電磁閥；切換完成后，由壓力開關反饋至調速器，調速器將執(zhí)行抽水開機命令。如果切換失敗，調速器將不會執(zhí)行抽水開機命令。

5.2.1 工頻抽水

工頻抽水工況下調速器根據(jù)水頭調節(jié)導葉，監(jiān)控系統(tǒng)下發(fā)水頭信號給調速器。

工頻抽水啟動框架流程為：勵磁變頻抽水模式→變頻器就緒令→變頻器準備就緒→調速器工頻抽水模式→調速器開機令→變頻器開機令(轉速給定)→機組轉速達到50 Hz→變頻器同步上切準備令→同步上切準備就緒→機組出口斷路器合閘→變頻器同步上切完成→變頻器發(fā)準備停機令給勵磁→勵磁自行切至工頻抽水模式→變頻器停機令→變頻器運行中復歸→壓力達到給定值→開啟蝶閥。

工頻抽水工況下變頻器的作用相當于軟啟動器。

5.2.2 變頻抽水

變頻抽水工況下變頻器為轉速閉環(huán)調節(jié)，監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)水泵工況下水頭、轉速、流量關系表確定運行轉速后下發(fā)給變頻器；調速器為流量開環(huán)調節(jié)模式，監(jiān)控系統(tǒng)下發(fā)水頭、流量給定值至調速器。

變頻抽水啟動框架流程為：勵磁變頻抽水模式→變頻器就緒令→變頻器準備就緒→調速器變頻抽水模式→調速器開機令→變頻器開機令(轉速給定)→轉速達到目標轉速→壓力達到給定值→開啟蝶閥。

6 結 語

變頻抽水雖然在一些揚程較大的泵站應用較為廣泛，但也只是單純的可調速拖動電機。子午水電站是國內首次將變頻發(fā)電以及變頻抽水同時應用到實際中的項目，可以為水頭變幅較大的同類型小水電工程提供借鑒。