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江西洪屏抽水蓄能電站勵磁系統(tǒng)的研究及應用

文檔作者：史玉華１散齊國２周霖軒２王靜１文檔來源：１．國電南瑞科技股份有限公司２．江西洪屏抽水蓄能有限公司		點擊數(shù)：	更新時間： 2025年12月30日
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２０１８ 年第１ 期
２０１８ Ｎｕｍｂｅｒ １
水電與新能源
ＨＹＤＲＯＰＯＷＥＲ ＡＮＤ ＮＥＷ ＥＮＥＲＧＹ
第３２ 卷
Ｖｏｌ．３２
ＤＯＩ： １０．１３６２２ ／ｊ．ｃｎｋｉ．ｃｎ４２ －１８００／ｔｖ．１６７１ －３３５４．２０１８．０１．０１７
收稿日期：２０１７ －１２ －１７ 作者簡介：史玉華，男，工程師，主要從事同步發(fā)電機勵磁控制及設計方面的研究。
江西洪屏抽水蓄能電站勵磁系統(tǒng)的研究及應用
史玉華１，散齊國２，周霖軒２，王 靜１
（１．國電南瑞科技股份有限公司，江蘇南京 ２１０００３；２．江西洪屏抽水蓄能有限公司，江西靖安 ３３０６０３）
摘要：針對江西洪屏抽水蓄能電站３００ ＭＷ 機組勵磁系統(tǒng)控制功能和各主要組成裝置的設計原則，江西洪屏抽水蓄能
電站勵磁系統(tǒng)機電設備通過安裝、調試、試驗，各性能指標均達到并優(yōu)于國家標準，符合設備合同要求和相關技術條款的
規(guī)定，滿足了運行要求。洪屏抽水蓄能電站首臺機組投入運行， 實現(xiàn)了江西電網抽水蓄能零的突破，在區(qū)域電網中開始
發(fā)揮“穩(wěn)壓器”“蓄電池”“調節(jié)器”的作用。
關鍵詞：抽水蓄能；勵磁系統(tǒng)；設計原則
中圖分類號：ＴＶ７３４．２ 文獻標志碼：Ａ 文章編號：１６７１ －３３５４（２０１８）０１ －００６１ －０７
Design and Application of the Excitation System in
Jiangxi Hongping Pumped Storage Power Station
ＳＨＩ Ｙｕｈｕａ１ ， ＳＡＮ Ｑｉｇｕｏ２ ， ＺＨＯＵ Ｌｉｎｘｕａｎ２ ， ＷＡＮＧ Ｊｉｎｇ１
（１．ＮＡＲＩ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏ．， Ｌｔｄ．， Ｎａｎｊｉｎｇ ２１０００３， Ｃｈｉｎａ；
２．Ｊｉａｎｇｘｉ Ｈｏｎｇｐｉｎｇ Ｐｕｍｐｅｄ Ｓｔｏｒａｇｅ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏ ．， Ｌｔｄ．， Ｊｉｎｇ＇ａｎ ３３０６０３， Ｃｈｉｎａ）
Abstract： Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｔｈｅ ３００ ＭＷ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｕｎｉｔｓ ｉｎ Ｊｉａｎｇｘｉ Ｈｏｎｇｐｉｎｇ
Ｐｕｍｐｅｄ Ｓｔｏｒａｇｅ Ｐｏｗｅｒ Ｓｔａｔｉｏｎ ａｒｅ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｓｐｅｃｉｆｉｃａｌｌｙ， ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｍａｉｎ ｃｏｍ －
ｐｏｎｅｎｔｓ ａｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ａｆｔｅｒ ｔｈｅ ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ， ｃｏｍｍｉｓｓｉｏｎｉｎｇ ａｎｄ ｔｅｓｔｉｎｇ， ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｏ－ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ
ｄｅｖｉｃｅｓ ｉｎ ｔｈｅ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ａｒｅ ａｌｌ ｓｕｐｅｒｉｏｒ ｔｏ ｔｈｅ ｎａｔｉｏｎａｌ ｓｔａｎｄａｒｄ ， ｃｏｎｔｒａｃｔ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ａｎｄ ｒｅｌｅｖａｎｔ
ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｐｒｏｖｉｓｉｏｎｓ．Ｔｈｕｓ， ｔｈｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ａｒｅ ｓａｔｉｓｆｉｅｄ ．Ｔｈｅ ｓｕｃｃｅｓｓ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｆｉｒｓｔ ｕｎｉｔ
ｉｎ Ｈｏｎｇｐｉｎｇ Ｐｕｍｐｅｄ Ｓｔｏｒａｇｅ Ｐｏｗｅｒ Ｓｔａｔｉｏｎ ｉｓ ａ ｍｅｍｏｒａｂｌｅ ｂｒｅａｋｔｈｒｏｕｇｈ ｏｆ ｐｕｍｐｅｄ ｓｔｏｒａｇｅ ｉｎ ｔｈｅ Ｊｉａｎｇｘｉ ｐｏｗｅｒ ｇｒｉｄ ．
Ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｓｔａｔｉｏｎ ｂｅｇｉｎｓ ｔｏ ｐｌａｙ ｉｔｓ ｒｏｌｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔａｂｉｌｉｚｅｒ ， ｂａｔｔｅｒｙ ａｎｄ ｒｅｇｕｌａｔｏｒ ｉｎ ｔｈｅ ｒｅｇｉｏｎａｌ ｐｏｗｅｒ ｇｒｉｄ． Key words： ｐｕｍｐｅｄ ｓｔｏｒａｇｅ； ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ； ｄｅｓｉｇｎ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ
洪屏抽水蓄能電站位于江西省靖安縣三爪侖鄉(xiāng)境
內，距南昌、九江、武漢的直線距離分別為６５ ｋｍ、
１００ ｋｍ 和１９０ ｋｍ。本電站安裝４ 臺單機容量３００ ＭＷ
的立軸單級可逆混流式水泵水輪機組，總裝機容量
１ ２００ ＭＷ，平均年發(fā)電量１７．４３ 億ｋＷ· ｈ，平均年抽
水耗電量２２．９３ 億ｋＷ· ｈ。電站以５００ ｋＶ 電壓等級
出線接入華中電網，在系統(tǒng)中擔任調峰、填谷，調頻、調
相作用和事故備用等任務。
抽水蓄能機組的本質：發(fā)電時將水的重力勢能轉
化成電能；抽水時把電能轉化為水的重力勢能。
１ 洪屏抽水蓄能電站勵磁系統(tǒng)組成
洪屏勵磁系統(tǒng)采用自并勵勵磁方式，勵磁系統(tǒng)原
理圖如圖１ 所示。
洪屏勵磁系統(tǒng)采用晶閘管全控橋整流的自并勵靜
止勵磁方式，勵磁系統(tǒng)由１ 臺三相勵磁變壓器、１ 臺
ＮＥＳ６１００ 勵磁調節(jié)器、３ 臺功率柜、１ 臺交流開關柜、１
臺滅磁開關柜、１ 臺滅磁電阻柜組成。
２ 洪屏抽水蓄能電站勵磁系統(tǒng)主要部
件的設計特點［１］
洪屏抽水蓄能電站發(fā)電機主要參數(shù)見表１。
2．1 勵磁變壓器設計
２．１．１ 勵磁變壓器二次電壓的確定
勵磁變二次的電壓U２ 和額定勵磁電壓Ufn 的關
６１
萬方數(shù)據(jù)
水電與新能源２０１８ 年第１ 期
圖1 洪屏勵磁系統(tǒng)原理圖
表1 洪屏抽水蓄能電站發(fā)電機主要參數(shù)
額定功率
／ｋＶＡ
額定功率因數(shù)
（滯后）
額定電壓
／ｋＶ
額定電流
／Ａ
額定勵磁電壓
／Ｖ
額定勵磁電流
／Ａ
勵磁繞組電阻
（２５℃）／Ω
３３３ ３３３ ０．９ １８ １０ ６９１．７ １９０ ２ ３４６ ０．０５７ ４ 系為 ３π２ ×U２ ×０．８ ×ｃｏｓαｍｉｎ ＝
Ufn ＋３π
Ifc Xr ＋ΔUscr ＝
２Ufn ＋３π
Ifc Xr ＋ΔUscr
式中：αｍｉｎ為強勵角度，取值１０°；Ufc 為強勵電壓，取值
２ 倍最大勵磁電壓２Ufn ＝１９０ ×２ ＝３８０ Ｖ；３π
Ifc Xr 為勵
磁變壓器壓降、整流元件壓降和線路壓降，其中Ifc 為
強勵電流，Xr 為勵磁變壓器阻抗和線路阻抗總和，此
式中３π
Ifc Xr 取值為強勵電壓Ufc 的１０％，即３πIfc Xr ＝
Ufc ×１０％ ＝３８ Ｖ；ΔUscr 為可控硅管壓降，單個可控硅
管壓降低于２ Ｖ，因此取值ΔUscr ＝４ Ｖ。
經過計算得出：U２ ＝３９６．８ Ｖ。
根據(jù)勵磁變型譜實際選取U２ ＝４００ Ｖ。
２．１．２ 勵磁變壓器二次側線電流的確定
根據(jù)技術要求：勵磁系統(tǒng)應保證當發(fā)電電動機勵
磁電流和電壓為發(fā)電電動機額定負載下勵磁電流和電
壓的１．１ 倍時，能長期連續(xù)運行。所以勵磁變壓器二
次側額定電流I２ 為
I２ ＝ ２３
×Ki Ifn ＝
０．８１６ ×１．１ ×２ ３４６ ＝２ １０５．８ Ａ
式中：Ki 為勵磁系統(tǒng)長期運行電流倍數(shù)，為１．１；Ifn 為
發(fā)電機在最大工況下的勵磁電流。
２．１．３ 勵磁變壓器容量的確定
當機組在最大工況下連續(xù)運行時，勵磁系統(tǒng)應能
保證長期連續(xù)運行，所以對應的勵磁變壓器容量為：
S ＝３U２ I２ ＝
１．７３２ ×４００ ×２ １０５．８ ＝１ ４５８ ８９８．２４ ＶＡ
2．2 發(fā)電機勵磁調節(jié)器的設計［2］
ＮＥＳ６１００ 發(fā)電機抽水蓄能勵磁系統(tǒng)標準配置由２
臺ＮＥＳ６１００ 發(fā)電機勵磁調節(jié)裝置組成，每臺裝置為標
準１９ 英寸寬４Ｕ 高機箱，具體安裝尺寸見技術參數(shù)。
裝置前面板配有一塊３２０ ×２４０ 點陣的液晶顯示器，一
個８ 鍵的鍵盤及４ 個功能鍵，７ 個信號指示燈，一個用
于和ＰＣ 機通信用的百兆以太網接口。裝置前面板插
件配有獨立的微處理器來完成顯示、通信和人機接口
等功能。ＮＥＳ６１００ 發(fā)電機勵磁調節(jié)裝置通過了歐盟
ＴＵＶ 和ＣＥ 認證；板件內部的重要元器件均獲得了歐
盟認可的ＵＬ 和ＶＤＥ 認證。
調節(jié)器裝置采用多核結構，嵌入式操作系統(tǒng)由中
央處理器ＣＰＵ 加數(shù)字信號處理器ＤＳＰ 及ＦＰＧＡ 模塊
化分工，配備獨立的勵磁控制運算插件、智能采樣插件
和智能輸入輸出插件。運算控制周期僅１．６７ ｍｓ，采
用高精準浮點運算。雙套抽水蓄能勵磁系統(tǒng)冗余配
置，互為熱備用，確保機組穩(wěn)定可靠運行。
６２
萬方數(shù)據(jù)
史玉華，等：江西洪屏抽水蓄能電站勵磁系統(tǒng)的研究及應用２０１８ 年１ 月
2．3 晶閘管整流柜設計
２．３．１ 晶閘管的選擇
晶閘管整流柜設計中，不僅考慮了晶閘管的額定
電流和額定電壓，更重要的是要根據(jù)晶閘管的容許結
溫以及晶閘管各個散熱環(huán)節(jié)熱阻的大小，考慮晶閘管
整流橋的出力及晶閘管陽極電壓的大小。
１）反向重復峰值電壓URRM 。晶閘管反向重復峰
值電壓URRM 計算方法較多（主要體現(xiàn)在系數(shù)取值和考
慮的因素２ 個方面），比較典型的計算公式為
URRM≥Kb Ku ２U２N
式中：Kb 為過電壓倍數(shù)，可?。玻?～２．７；Ku 為電壓升
高系數(shù)，考慮了發(fā)電電動機機端電壓的升高情況，可取
１．０５ ～１．１，也可根據(jù)發(fā)電電動機實際運行情況取值； U２N為勵磁變壓器二次額定電壓。
２）晶閘管通態(tài)平均電流IT（AV） 。應按下式進行計
算，即
IT（AV） ≥０．３６８Ki IFLZ
式中：IFLZ 為一支路整流橋額定輸出電流，一般按不低
于２ 倍考慮；Ki 為過電流倍數(shù)，一般按不低于２ 倍
考慮。
２．３．２ 功率柜內部空氣流場分布計算
對于自然冷卻和強迫風冷的功率柜，通過計算機
仿真，得出功率柜內部的空氣流場分布，檢查氣流分布
是否合理，有無氣流短路現(xiàn)象。計算機仿真結果能夠
清楚顯示風道各處的風速及風壓大小。
從發(fā)熱可控硅到散熱器，再到冷卻介質及周圍環(huán)
境這一熱傳遞路徑的暫態(tài)熱過程。通過流場與熱傳遞
耦合仿真，得出功率柜內部的溫度場分布，從而檢驗散
熱設計是否合理（圖２）。
圖2 功率柜內部熱傳遞過程仿真圖
２．３．３ 阻容吸收回路設計
通過可控硅精確化模型，進行可控硅過電壓仿真，
確保過壓保護參數(shù)設計更加準確。
可控硅５ＳＴＰ２８Ｌ４２００，３ １７０ Ａ／４ ２００ Ｖ；
仿真條件：U２ ＝４００ Ｖ，Rs ＝５０ Ω，Cs ＝１ ｕＦ，控制
角７７°。
負載額定工況的仿真結果：換相過電壓U２ｍａｘ ＝
９７３．０４９ ６ Ｖ，過電壓倍數(shù)為１．７２０ ４；吸收電阻損耗功
率＝５０．７９ Ｗ（圖３）。
圖3 負載額定工況的阻容吸收效果仿真
2．4 滅磁設計
滅磁容量的計算依照發(fā)電機的參數(shù)，根據(jù)發(fā)電機
的精確模型（凸極機采用５ 階模型），對發(fā)電機負載額
定下機端三相短路、發(fā)電機空載誤強勵和發(fā)電機負載
誤強勵３ 種工況進行仿真計算，最終精確確定所需要
的滅磁電阻的容量。避免采用經驗公式計算滅磁電阻
的容量可能因為不能準確知道發(fā)電機轉子的飽和程度
而存在較大的估算偏差的問題，防止滅磁電阻容量選
擇過大造成浪費；同時又提供了適量的裕度。
３ 抽水蓄能機組啟動方式介紹
由于抽水蓄能機組運行在抽水狀態(tài)下必須借助外
力的作用使得機組達到額定轉速，因此必須采用特殊
的啟動方式，目前最常見的啟動方式有以下兩種。
3．1 ＳＦＣ 變頻啟動
變頻啟動是利用可控硅變頻器產生頻率可變的交
流電源對抽水蓄能機組進行啟動，ＳＦＣ 變頻器的一次
接線如圖４ 所示。
圖4 SFC 變頻器的一次接線
變頻啟動時同期斷路器斷開，ＳＦＣ 斷路器１、ＳＦＣ
斷路器２ 閉合。抽水蓄能機組在變頻器的作用下加速
６３
萬方數(shù)據(jù)
水電與新能源２０１８ 年第１ 期
旋轉，當轉速接近額定值時投入同期。同期裝置通過
控制變頻器滿足條件后，同期斷路器閉合的同時閉鎖
ＳＦＣ 變頻器（ＳＦＣ 整流橋和逆變橋同時封脈沖），ＳＦＣ
斷路器１、ＳＦＣ 斷路器２ 斷開，機組并網進入抽水
狀態(tài)。
3．2 背靠背啟動
背靠背啟動即１ 臺常規(guī)發(fā)電機或者抽水蓄能機組
做發(fā)電機運行來啟動另外１ 臺抽水蓄能機組進入抽水
態(tài)。背靠背啟動一次回路如圖５ 所示。
４ 抽水蓄能機組運行工況
相比常規(guī)水電機組，抽水蓄能機組運行工況更復
雜，分為以下５ 類：①發(fā)電空載、負載工況；②電動機負
載工況（抽水工況）；③發(fā)電、電動調相工況；④背靠背
發(fā)電機、電動機啟動工況；⑤ＳＦＣ 啟動工況。
５ 現(xiàn)場實驗驗證
由于篇幅原因，現(xiàn)場實驗驗證只闡述幾種特殊工
圖5 背靠背啟動一次回路
況實驗：ＳＦＣ 啟動實驗、電動機抽水工況過勵試驗、電
動機抽水工況欠勵試驗、背靠背（ＢＴＢ）拖動試驗。
5．1 ＳＦＣ 啟動實驗
ＳＦＣ 啟動過程為電流閉環(huán)，電流給定由ＳＦＣ 控
制，轉子位置檢測過程錄波如圖６。
ＳＦＣ 啟動過程為電流閉環(huán)，電流給定由ＳＦＣ 控
制，ＳＦＣ 啟動發(fā)電機機端電壓升壓波形如圖７。
圖6 轉子位置檢測過程錄波
圖7 SFC 啟動發(fā)電機機端電壓升壓波形
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萬方數(shù)據(jù)
史玉華，等：江西洪屏抽水蓄能電站勵磁系統(tǒng)的研究及應用２０１８ 年１ 月
5．2 電動機抽水工況過勵試驗
機組在電動機抽水工況下，通過增磁按鈕增加無
功至臨時設定過勵值，此時增磁按鈕無效，５ ｓ 后，調節(jié)
器過勵限制動作。通過減磁按鈕減少無功，過勵限制
返回，增磁按鈕功能恢復。電動機抽水工況過勵試驗
相關數(shù)據(jù)及波形如表２ 及圖８。表2 電動機抽水工況過勵試驗相關數(shù)據(jù)
原定參數(shù)修改參數(shù)
無功
／ＭＶａｒ
有功
／ＭＷ
無功
／ＭＶａｒ
有功
／ＭＷ
第１ 點 １４３．１９ ０ 第１ 點 ３６ ０ 第２ 點 ７３．２６ －３３３ 第２ 點 ３６ －３３３ 當前P 當前Q 錄波文件名
－３０３．５６ ３７．９１ ＧＵＯＬＩ 5．3 電動機抽水工況欠勵試驗
機組在電動機抽水工況下，通過減磁按鈕減少無
功至臨時設定欠勵值，調節(jié)器欠勵限制動作，此時減磁
按鈕無效。通過增磁按鈕增加無功至欠勵限制返回，
減磁按鈕功能恢復。
試驗過程相關數(shù)據(jù)及波形如表３ 及圖９。表3 試驗過程相關數(shù)據(jù)
原定參數(shù)修改參數(shù)
無功
／ＭＶａｒ
有功
／ＭＷ
無功
／ＭＶａｒ
有功
／ＭＷ
第１ 點 －１００ ０ 第１ 點 ２０ ０ 第２ 點 －３３．３ －３３３ 第２ 點 ２０ －３３３ 當前P 當前Q 錄波文件名
－３０２．９４ ２０．９８ ＱＩＡＮＬＩ 圖8 電動機抽水工況過勵試驗波形
圖9 電動機抽水工況欠勵試驗波形
６５
萬方數(shù)據(jù)
水電與新能源２０１８ 年第１ 期
６ 背靠背（ＢＴＢ）拖動試驗（２ 號機拖動
１ 號機）
２ 號機組處于發(fā)電工況，１ 號機組處于抽水（電動
機）工況，由２ 號機拖動１ 號機。
２ 號機勵磁調節(jié)器收到背靠背發(fā)電機模式以及勵
磁開機令后，調節(jié)器處于電流閉環(huán)控制方式，以空載額
定電流作為電流閉環(huán)的給定值（可根據(jù)現(xiàn)場情況
整定）。
１ 號機勵磁調節(jié)器收到背靠背電動機模式以及勵
磁開機令后，調節(jié)器處于電流閉環(huán)控制方式，以空載額
定電流作為電流閉環(huán)的給定值（可根據(jù)現(xiàn)場情況
整定）。
隨著２ 號機組由零轉速升至額定轉速，將１ 號機
組電動機逐漸拖動到額定轉速。其拖動過程相關波形
見圖１０ ～圖１４。
圖10 拖動開始波形
圖11 拖動前期波形
７ 結 論
勵磁系統(tǒng)機電設備通過安裝后的現(xiàn)場調試、試驗，
各性能指標均達到并優(yōu)于國家標準，符合設備合同要
求和相關技術條款的規(guī)定，滿足江西洪屏抽水蓄能電
站的運行要求。２０１６ －０７ －２５ 日，江西洪屏抽水蓄能
電站首臺（１ 號）機組投入商業(yè)運行， 此次首臺機組投
產，實現(xiàn)了江西電網抽水蓄能零的突破，電站在區(qū)域電
網中開始發(fā)揮“穩(wěn)壓器”“蓄電池”“調節(jié)器”的作用。
６６
萬方數(shù)據(jù)
史玉華，等：江西洪屏抽水蓄能電站勵磁系統(tǒng)的研究及應用２０１８ 年１ 月
圖12 拖動中期波形
圖13 拖動后期波形
圖14 拖動完成波形
參考文獻：
［１］ＤＬ／Ｔ ５２０８ －２００５， 抽水蓄能電站設計導則［Ｊ］
［２］赫衛(wèi)國， 華光輝， 李臻， 等．大型抽水蓄能機組勵磁系統(tǒng)
設計［Ｊ］．水電自動化與大壩監(jiān)測， ２０１１， ３５（３）： ２５ －２９
６７

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