CN103684109A

CN103684109A - 抽水蓄能电站发电电动机多功能控制保护装置

Info

Publication number: CN103684109A
Application number: CN201210353490.4A
Authority: CN
Inventors: 潘政春; 王宇
Original assignee: Hrbpattern Science & Technology Co Ltd
Current assignee: Hrbpattern Science & Technology Co Ltd
Priority date: 2012-09-21
Filing date: 2012-09-21
Publication date: 2014-03-26

Abstract

本发明涉及一种可用于抽水蓄能电站发电电动机多功能控制保护装置，属于电力电子技术领域。它能在发电电动机水泵工况起动时实现无冲击软起动、在发电工况并网时实现无冲击自同期并网、发电机转速过高抑制、停机电气制动时实现电流可控，从而使起动和并网更加快速安全，有利于电网的稳定；同时提高了主开关的使用寿命、节省维修费用。

Description

抽水蓄能电站发电电动机多功能控制保护装置

技术领域

本发明涉及一种可用于抽水蓄能电站发电电动机水泵工况起动、发电工况并网、发电机转速过高制动、停机电气制动以及主开关长寿保护的多功能控制保护装置，它属于电力电子技术领域。

背景技术

抽水蓄能电站发电电动机水泵工况的起动方式有多种，15MW以上的大型发电电动机水泵工况起动当前主要采用大功率变频器起动。变频起动时间长，不利于电网的应急调整；变频起动电机转速达到额定转速需要投入电网时，存在变频电源与电网同步的问题，有时会产生冲击；变频器价格高、可靠性差、维修费用高。

抽水蓄能电站发电电动机发电工况的并网当前主要选择自动准同期并网，自动准同期并网很难实现理想的并网条件，因此电流和电磁力矩冲击总是存在的，过去就发生过因非同期并网而使发电机定子绕组绝缘破坏而短路的严重事故。

发电电动机发电工况带局域电网时，会因大负荷切除而引起发电机转速突升、电压增高的情况，影响安全供电，需要投入制动电阻来稳定发电机转速。过去制动电阻的投切使用机械开关，投切速度慢，电网供电质量不高。

发电电动机停机电气制动当前采用的多是机械开关投切，制动电流对开关触头的伤害很大，开关寿命低。

高压断路器在电路中起接通和断开负荷的重要作用，其工作的可靠性直接影响着供电系统的安全稳定、工厂企业的效益，因此人们对高压断路器的质量和使用寿命十分关注。但是高压断路器作为一种电气器件也是有一定寿命的，电压越高、电流越大其寿命越低。当由于维修不及时或质量缺陷而发生故障时，必定会造成很大的损失。据有关资料介绍，抽水蓄能电站发电电动机的主断路器平均每年要开合1000次以上，平均3～4年就要更换触头大修一次，条件差的情况一年就要大修一次，每次大修要40万元以上。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种由开关变压器模块构成的可用于抽水蓄能电站发电电动机水泵工况起动、发电工况并网、发电机高速抑制、停机电气制动以及主开关长寿保护的多功能控制保护装置，以克服上述各项不足。

开关变压器模块把变压器技术和晶闸管技术相结合，构成了一个可以承受任意高电压、任意大电流的电力电子开关模块组件。开关变压器模块是对晶闸管串联技术的改进（摒弃），同时又具有可以直接并用的优点，因而它极大地提高了由开关变压器模块构成的电力电子装置的容量和可靠性，使该类电力电子装置可以更广泛地应用在各种工业领域。

本发明提供一种由开关变压器模块构成的发电电动机多功能控制保护装置，包括主开关QF1、换相开关K1、K2，其特征在于还包括开关变压器TK、晶闸管SCR、辅助开关QF2、隔离开关K3、K4、K5、K6、制动电阻R6；主电路中各器件的连接顺序为：500KV母线----升压变压器T----换相开关K1、K2----主开关QF1----电流传感器CT----发电电动机FD；所述开关变压器TK原边（初级）绕组的上端经隔离开关K3接主开关QF1的上端，开关变压器TK原边（初级）绕组的下端经隔离开关K4接主开关QF1的下端，开关变压器TK付边（次级）绕组的两端接正反并联的晶闸管SCR，保护电路RC和压敏电阻YM是用于对晶闸管SCR提供保护；隔离开关K5的上端接辅助开关QF2的上端，隔离开关K5的下端三相短接；制动电阻R6经隔离开关K6接开关变压器TK的下端。

开关变压器的原边绕组按被控的交流电压要求绕制，开关变压器付边绕组按单只电力电子器件的耐压要求绕制，由于变压器原边绕组的电压可以任意高，因此被控电压可以做到任意高；这样一只器件就可以替代许多只器件的串联，解决了元器件串联的低可靠性问题。当所需调节电流较大时，可以采取增加付边绕组（多副绕组）的方法来解决；也可以采取模块并用的方法来解决。当电力电子器件采用半控器件（例如SCR）时，可以得到高电压大电流半控模块，其控制方法可以是相位控制。当电力电子器件采用全控器件（例如VMOS、IGCT等）时，可以得到高电压大电流全控模块，其控制方法可以是脉宽调制PWM控制。

主控单元可由计算机系统构成，例如可编程序控制器PLC、工控计算机COM、单片机；触发单元则根据所用电力电子器件选择；传感器单元一般为电压互感器PT和电流互感器CT，它为计算机系统提供电压信号和电流信号，从而构成以电压或电流为控制量的闭环控制系统。

附图说明

结合附图可清楚地了解本发明的特点及其对当前电力系统的意义。

图1是由开关变压器模块构成的发电电动多功能控制保护装置的基本电路。

图2是由适用于大功率控制的多副绕组开关变压器模块并用构成的发电电动机多功能控制保护装置的基本电路。

具体实施方式

下面结合附图详细描述本发明的具体实施方式。

图1是由开关变压器模块构成的发电电动机多功能控制保护装置的基本电路。其中主电路由升压变压器T、换相隔离开关K1、K2、主开关QF1、电流传感器CT、发电电动机FD构成。主开关长寿保护、发电电动机水泵工况起动和发电工况并网电路由辅助开关QF2、隔离开关K3、K4、电压传感器PT1、PT2、电流传感器CT1和开关变压器TK构成。电气制动电路由辅助开关QF2、隔离开关K5、K4和开关变压器TK构成。发电机高转速抑制电路由隔离开关K3、K6、电流传感器CT2、制动电阻R6和开关变压器TK构成。控制系统由可编程序控制器PLC或工控计算机COM和电压传感器、电流传感器构成闭环控制系统。

要执行水泵工况起动时，首先使隔离开关K2、K5、K6断开，隔离开关K1、K3、K4闭合，主开关QF1和辅助开关QF2断开；当控制器PLC接到起动命令时，首先闭合辅助开关QF2，开关变压器TK接入，因晶闸管SCR尚未导通，电机端电压很小，然后开始调节晶闸管SCR的导通角，当晶闸管的导通角由小到大连续变化时，电动机FD的端电压亦由小到大连续变化，电机被不断加速，当起动电流下降到小于额定电流时闭合主开关QF1即实现了电动机的软起动。

由于开关变压器可靠性高、起动功率大，使软起动的成功率高、起动无冲击、起动时间短（1分钟以内），有利于电网稳定。

要执行发电工况并网时，首先使隔离开关K1、K5、K6断开，隔离开关K2、K3、K4闭合，主开关QF1和辅助开关QF2断开；当控制器PLC检测到发电机转速接近额定转速、发电机电压小于并接近额定电压、发电机电压与电网电压的相角差小于设定值时闭合辅助开关QF2，这时因晶闸管SCR未导通，电压差加到开关变压器TK两端，然后开始调节晶闸管SCR的导通角并控制其中电流为设定值，当晶闸管的导通角由小到大连续变化时，电动机FD在电网电压的电动力作用下加速转动（其它转矩依旧），当晶闸管SCR完全导通时发电机电压即与电网电压同期，这时再闭合主开关QF1完成并网操作。

该功能并网无冲击、易于实现自动化、并网时间短，并且大型发电机也可在电网故障情况下并网，使电网尽快恢复，非常有利于电网的稳定。

在上述两项操作中，主开关QF1合闸时两端的电压均为开关变压器TK的短路电压，该电压很小因而弧光小，主开关QF1的触头得到了保护。当在任何一种情况下需要停机时，可先把开关变压器TK投入再断开主开关QF1，此时主开关QF1两端的电压均为开关变压器TK的短路电压，该电压很小因而弧光小，主开关QF1的触头得到了保护，然后再调节晶闸管SCR的导通角直至到零，开关变压器TK接入电路中，这时开断辅助开关QF2因电流很小其触头亦得到了保护。

要执行发电机高转速抑制工况时，首先使隔离开关K1、K5、K4断开，隔离开关K2、K3、K6闭合，主开关QF1闭合，辅助开关QF2断开；当控制器PLC检测到发电机转速过高时闭合辅助开关QF2，制动电阻R6接入，同时调节晶闸管SCR的导通角并控制其中电流为设定值，这时发电机转速降低。当发电机转速降回额定转速附近时断开辅助开关QF2 ，该工况结束。

要执行电气制动时，首先断开隔离开关K1、K2、K3、K6、主开关QF1，闭合隔离开关K4、K5，断开晶闸管SCR的触发脉冲。当控制器PLC检测到符合制动条件时，首先闭合辅助开关QF2，开关变压器TK接入，因晶闸管SCR尚未导通，电机电流很小，然后开始调节晶闸管SCR的导通角同时施加励磁，当晶闸管的导通角由小到大连续变化时，电动机FD的制动电流由小到大连续变化，电机被不断制动减速。

在上述两项功能中，动作的快速性非常有利于电网的稳定，其电流可控更有利于提高设备寿命。另外也可以把制动电阻R6接入则电气制动电路中（通过增加切换开），使制动能量大部份消耗在制动电阻R6中，提高电机寿命。

当电机功率较大、现有的晶闸管的允许电流受限时，可采用图2所示的多副绕组开关变压器模块方式，实现晶闸管并用以解决电流受限问题；也可采用多副绕组开关变压器模块并用以解决开关变压器结构受限问题。

该用于抽水蓄能电站发电电动机水泵工况起动、发电工况并网、发电机高速抑制、停机电气制动以及主开关长寿保护的多功能控制保护装置，当去掉某些开关时可以减少某项功能，以适应不同的需求。

上述描述的只是该发明的几种具体实施方式，各种举例说明不对发明的实质内容构成限制，所属技术领域的普通技术人员在阅读了说明书后对前述的具体实施方式所做的修改或变形，都不背离发明的实质和范围。

Claims

1.一种由开关变压器模块构成的发电电动机多功能控制保护装置，包括主开关QF1、换相开关K1、K2，其特征在于还包括：开关变压器TK和晶闸管SCR、辅助开关QF2、隔离开关K3、K4、K5、K6、制动电阻R；主电路中各器件的连接顺序为：500KV母线----升压变压器T----换相开关K1、K2----主开关QF1----电流传感器CT ----发电电动机FD；所述开关变压器TK原边（初级）绕组的上端经隔离开关K3接主开关QF1的上端，开关变压器TK原边（初级）绕组的下端经隔离开关K4接主开关QF1的下端，开关变压器TK付边（次级）绕组的两端接正反并联的晶闸管SCR，保护电路RC和压敏电阻YM是用于对晶闸管SCR提供保护；隔离开关K5的上端接辅助开关QF2的上端，隔离开关K5的下端三相短接；制动电阻R经隔离开关K6接于开关变压器TK原边（初级）绕组的下端。

2.根据权利要求1的一种由开关变压器模块构成的发电电动机多功能控制保护装置，其特征还包括：主控单元由计算机系统构成，例如可编程序控制器PLC、工控计算机COM、单片机；触发单元则根据所用电力电子器件选择；传感器单元一般为电压互感器PT和电流互感器CT，它为计算机系统提供电压信号和电流信号，从而构成以电压或电流为控制量的闭环控制系统。

3.根据权利要求1的一种由开关变压器模块构成的发电电动机多功能控制保护装置，其特征还包括：当所需调节的电流较大时，可以采取多副绕组开关变压器模块的方法来解决，还可以采取开关变压器模块并用的方法来解决。

4.根据权利要求1的一种由开关变压器模块构成的发电电动机多功能控制保护装置，其特征还包括：当电力电子器件采用全控器件（IGCT）时，可以得到高电压大电流全控调节，其控制方法可以是脉宽调制（PWM）控制；当电力电子器件采用半控器件晶闸管（SCR）时，可以得到高电压大电流半控调节，其控制方法可以是相位控制。

5.根据权利要求1的一种由开关变压器模块构成的发电电动机多功能控制保护装置，其特征还包括：当去掉某些开关时可以减少某项功能，以适应不同的需求。