開關變壓器模組在抽水蓄能電站軟起動方面的應用

本文在討論了開關變壓器式高壓電動機軟起動裝置的技術原理及其特點的基礎上，針對目前市場應用較多的變頻軟啟動技術進行了客觀的比較和論證。根據抽水蓄能發電電動機容量更大，啟動頻次更多的工作特點提出了電力電子器件並用以及開關變壓器模組並用的技術方案，成功地解決了功率放大的問題。

抽水蓄能電站既能調峰、又能填谷，在系統中科學的排程好抽水蓄能機組的執行方式，可以實現系統內大火電機組的高效執行，以達到降低燃料消耗、減少排放的目的。由於抽水蓄能機組調峰填谷的工作特點，頻繁啟動是其主要特徵之一，良好的啟動方式和啟動裝置的優越效能是保證抽水蓄能機組良性執行的關鍵因素之一。抽水蓄能機組的起動實質上就是大型同步電動機的起動。

過去一般有三種方式：①間接方式：即用起動電機起動；②低周同步起動：即用單獨的發電機組供電起動；③非同步起動：即電抗器降壓非同步起動和自耦變壓器分壓非同步起動。

目前我國的抽水蓄能電站大多采用國外的成套裝置，軟起動裝置基本上是採用進口變頻裝置，從理論上講，變頻同步起動具有很多的優越性。但是當前的變頻製造技術尚不是很完善，損耗比較大、可靠性還較低、諧波大、起動時間長、電源切換時有電流衝擊、冷卻系統複雜等等，可以這樣說，在當前變頻同步起動還存在許多無法克服的缺點。針對這些問題，我們開展了“開關變壓器模組”用於抽水蓄能電站發電電動機組軟起動的應用研究。

開關變壓器模組應用於高壓電機軟起動

開關變壓器模組用於高壓電機的軟起動的裝置我們稱之為開關變壓器式高壓電機軟起動裝置。目前已有200多臺套用於鋼鐵、石化等行業，實踐證明該裝置效能先進、可靠性高、諧波小、價格低，完全可以替代進口變頻裝置應用於抽水蓄能電站的軟起動。

開關變壓器式高壓電機軟起動裝置可以說是對可控矽串聯式軟起動裝置的改進，它將變壓器的開路特性、短路特性與可控矽（或其它電力電子器件）的導通與關斷特性相結合。即用變壓器的初級繞組來替代可控矽串而與電機串聯，把可控矽放在變壓器次級，透過控制可控矽的開斷與導通來實現變壓器的開路與短路執行，在變壓器原端的輸出特性完全與相控調壓相同，且由於其執行器件是變壓器，故可靠性高是不容置疑的。

主電路如圖1所示：K1為執行櫃，它與電動機D構成正常工作時的執行系統；K2為起動櫃，它與開關變壓器TK構成起動迴路。當電動機起動時，合上K2，給可控矽SCR加上觸發訊號即可實現相控調壓軟起動；起動結束後，合上K1、斷開K2，電動機即轉入執行狀態。

圖1 主電路圖

起動迴路的控制系統框圖如圖2所示。

圖2 控制系統框圖

軟起動不同時段的電流由程式給定，主電路中的電流由取樣單元採集，PLC比較電流反饋值和給定值，根據差值調節觸發單元的輸入電壓，改變SCR的導通角，從而使主電路中的電流與給定值相等。

修改程式中起動各時段電流的大小和保持時間，即可得到各種不同的起動電流曲線。由控制系統框圖可見，如果從虛線處隔開，右側為功率主迴路，左側為控制環節。當電動機功率不同時，只要更改TK、CT及SCR即可，其控制環節不用改變。

其特點主要如下：①無級調壓、可輸出任意波形；②高次諧波少，母線電壓總諧波畸變率在國標以內；③空載起動時，起動電流小於1。5Ie；④利用特殊的可控矽並用技術，可以起動任意容量的電動機；⑤因可控矽短時過流能力很高，其並用技術的風險性大大低於串聯技術，故該裝置可靠性很高；⑥原理簡明，一般技術工人都能掌握，模組式結構，檢修方便。

開關變壓器模組軟起動與變頻起動的比較

抽水蓄能電站的發電電動機在作為抽水電動應用時，其起動方法是一個值得探討的問題，過去使用的方法有同軸小電機起動、非同步起動和同步起動，當前很多都採用變頻起動。從理論上講，變頻起動的優越性很多，但是當前變頻器製造技術尚不是很完善，尚有一些不足之處：如高次諧波問題、併網時的電流衝擊問題、可靠性問題、維護修理問題等等。隨著工業的發展，大電機的應用越來越多，新的起動方法也不斷出現，其中開關變壓器式高壓電機軟起動裝置異軍突起，特別適合於超大型電動機的軟起動。

下面就二者在抽水蓄能電站電動發電機的起動上作一比較：

（1）諧波問題 據有關文章介紹，結合我國蓄能電站的具體情況，變頻裝置在連線點處產生的總諧波畸變率大約在6%-19%，這遠遠高於國家標準的4%要求，有些電站就這麼用了，似乎也沒有什麼問題。其實這是個危險的隱患，比如對絕緣的傷害，它有個累積的過程，並非一下子就能表現出來的，裝置壽命的縮短是必然的。

開關變壓器式軟起動裝置在連線點處的總諧波畸變率在國標範圍內，對其它裝置的傷害很小。

（2）向電網切換時的電流衝擊問題 當採用變頻起動時，由於變頻裝置一般不允許與電網並聯，故要先斷開變頻電源再把電機接入電網，這時在電機定子繞組中會產生大電流衝擊，由於抽水電動機工作一天要起動多次，故對電機繞組絕緣的傷害及端部變形都會產生積累效應，長此以往，定會降低電機的使用壽命。人們在對待自同期並列時的大電流衝擊相當慎重，一般情況下不用自同期並列，只在事故狀況下才不得不用自同期並列。

開關變壓器式軟起動裝置可以在電機接入電網後斷開，完全沒有大電流衝擊，這對延長電動發電機的使用壽命是非常有利的。

（3）可靠性問題 變頻裝置中的開關器件，當前尚未實現軟開關技術，開關損耗還比較大，因此自身損耗大、壽命短。高壓變頻裝置中開關器件數量很多，出現故障的可能性很大，據我們有限的瞭解，近幾年國內用於起動的變頻裝置就多次出現問題。抽水蓄能電站的發電電動機更大，變頻裝置的容量也更大，出現故障的可能性也要大得多。

開關變壓器式軟起動裝置完全避開了開關器件執行中的風險性，可靠性非常高。

（4）起動時間問題 抽水蓄能電站的重要作用是調峰填谷，調頻調壓。為了提高電網的供電質量，要求機組的起動時間越短越好。但是當前的大容量變頻器製造技術尚存在一定困難，故只有靠增加起動時間來減少變頻器的容量，對於300MW機組，進口變頻裝置一般要求起動時間延長到5分鐘左右。

開關變壓器式軟起動裝置可在1分鐘甚至更短的時間內完成電機的起動，這對保持電網的穩定、提高供電質量無疑是非常有利的。

（5）冷卻系統的複雜性問題 高壓變頻裝置均採用水冷方式，水質要求高、管路質量要求高，給維護帶來很大的麻煩。

開關變壓器式軟起動裝置採用風扇通風冷卻，簡單方便。

（6）關於起動成功率 據有關資料統計，由於變頻器原因而造成起動失敗的次數大約佔每年起動次數的1%左右。

開關變壓器式軟起動裝置使用近十年來，從未發生過因它致使起動失敗的情況。

（7）佔地面積問題 軟起動裝置位於地下機房，每單位面積的開挖費用是相當可觀的，減小裝置的佔地面積對降低電站投資有著重要的作用。

據瞭解，某電站的300MW機組變頻軟起裝置佔地約400M2。如果用開關變壓器式軟起動裝置，則裝置本身佔地只80M2，加上附屬面積有200 M2足夠了。

（8）冗餘設計 開關變壓器式軟起動裝置採用模組化冗餘設計，進一步提高可靠性。大型機組（12MW以上）的開關變壓器式軟起動裝置均採用模組化設計，每個模組12MW，結構緊湊、方便維修、更換。另外，模組數量上採用冗餘設計，即使各別模組發生故障也不影響機組的起動。

（9）維護修理問題 大型變頻裝置國內目前尚不能製造，完全依賴進口，技術複雜、資料不全給維護修理造成了非常大的困難，一旦出現故障只有請外國專家前來修理，費用高、時間長、後續的維修費用是相當高的。

開關變壓器式軟起動裝置中的電力電子元件為可控矽，這種器件在我國的應用已有幾十年的歷史，維修技術簡單得多，一般技術工人都能掌握。由於在設計時即考慮到可靠性問題，維護工作量非常小。

（10）一機二用 大家都知道，自同期並列在許多方面優於準同期並列，但是由於自同期並列時有大電流衝擊而限制了它的應用，使自同期並列只用於電網事故情況下的備用機組起動併網（準同期並列對此無能為力）。開關變壓器式軟起動裝置還可用於自同期並列時限制大電流衝擊，作到一機二用，充分發揮裝置的使用率。

開關變壓器技術可以用來限制併網時的大電流衝擊，使自同期並列的優點更加突出。這樣，使自同期並列可以擴大應用範圍，在正常情況下也可以用自同期並列。完全避免了非同期並列的危險情況。另外使大型水輪發電機也可以在電網事故情況下起動併網，這無疑對電網的安全穩定執行具有非常重要的意義。

抽水蓄能電站軟起動的設計方案

開關變壓器模組在應用於高壓電機軟起動方面的優異效能已經得到了廣泛的認同，由於它面世時間較短，目前已經做到20MW，對於抽水蓄能機組的大容量電機，只要採用可控矽並用與模組並用相配合的設計方案，實現幾萬千瓦甚至幾十萬千瓦高壓電機軟起動是完全有把握的。

圖3 多副繞組開關變壓器模組

（1）可控矽並用技術方案

如果要控制的裝置容量很大而使得可控矽額定電流受限時，專門發明了“多副繞組開關變壓器模組（已申報專利）” 來解決這個問題。多副繞組開關變壓器的技術實質是採用了可控矽並用技術（如圖3所示），這裡的開關變壓器次級繞組採用多股並繞（匝數一致、引數一致），可控矽分別連線、同步觸發，開關變壓器次級電流被多副繞組分流，以保證每隻可控矽中流過的電流不大於其額定電流。

這裡的可控矽並用與常規的可控矽並聯有本質的區別，常規的並聯技術是指被並聯器件首與首相接且尾與尾相接後再接到電路中，而我們提出的並用器件（SCR）是分別接在各自的繞組中，與可控矽並聯有本質的區別。

（2）開關變壓器模組並用技術方案

如果要控制的裝置容量再大而使得開關變壓器（體積、重量所限）額定電流受限時，專門發明了“多副繞組開關變壓器模組並用技術（也已申報專利）”來解決這個問題（見圖4）。

開關變壓器並用完全不同於教科書上所說的電力變壓器並聯執行。電力變壓器並聯執行是指幾臺變壓器不僅初級接在相同相位的電源上，而且次級並聯向負荷供電。如果變壓器的特性引數不一致，則會產生環流，損耗加大甚至損壞變壓器。

圖4 開關變壓器並用等效圖

開關變壓器並用只是把初級並聯起來，次級仍然各自獨立，它就好象許多電力變壓器都接在同一電網上一樣，完全沒有環流之說。

開關變壓器並用可以等效為圖4右側的閘流體並聯電路。其中x1是開關變壓器TK1的漏抗；x2是開關變壓器TK2的漏抗。由於變壓器的漏抗遠大於閘流體的內阻，故均流效果相當好，兩組閘流體不必配對選擇，兩路電流完全一致。

閘流體直接並聯時，如果開通時間有微小差異，當首先有一隻閘流體開通時，閘流體端電壓立即下降為閘流體的管壓降（僅2伏左右）。此時，未開通的閘流體雖然有觸發電壓，但由於端電壓太小很容易不開通，造成先開通的閘流體過流。

開關變壓器並用時，如果有一臺開關變壓器先開通，則在其初級繞組兩端仍至少有5%的短路壓降。對於10kV的情況至少有500V的電壓（變壓器次級電壓100V左右），這對於其它支路的開通是完全有保障的。

結束語

在冶金、石化企業高壓電動機軟起動市場已經證明，開關變壓器式軟起動裝置作為調壓軟起動裝置具有獨到的優勢。該技術控制功率的提升原理簡潔，實用易行，完全可以應用於抽水蓄能機組的起動。此外，該技術在水輪發電機自同期併網方面的技術優勢，完全可以設計製造出軟起動與自同期併網功能並舉的專用裝置，為我國抽水蓄能電站建設提供效能優越的大型裝備。

（編自《電氣技術》，作者為潘政剛、潘家忠。）