抽水蓄能電站既能調峰、又能填谷，在系統中科學的調度好抽水蓄能機組的運行方式，可以實現系統內大火電機組的高效運行，以達到降低燃料消耗、減少排放的目的。由于抽水蓄能機組調峰填谷的工作特點，頻繁啟動是其主要特征之一，良好的啟動方式和啟動裝置的優越性能是保證抽水蓄能機組良性運行的關鍵因素之一。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異步起動：即電抗器降壓異步起動和自耦變壓器分壓異步起動。

目前我國的抽水蓄能電站大多采用國外的成套設備，軟起動設備基本上是采用進口變頻設備，從理論上講，變頻同步起動具有很多的優越性。但是當前的變頻制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、電源切換時有電流沖擊、冷卻系統復雜等等，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“開關變壓器模塊”用于抽水蓄能電站發電電動機組軟起動的應用研究。

開關變壓器模塊應用于高壓電機軟起動

開關變壓器模塊用于高壓電機的軟起動的設備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多臺套用于鋼鐵、石化等行業，實踐證明該裝置性能先進、可靠性高、諧波小、價格低，完全可以替代進口變頻設備應用于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硅串聯式軟起動裝置的改進，它將變壓器的開路特性、短路特性與可控硅（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硅串而與電機串聯，把可控硅放在變壓器次級，通過控制可控硅的開斷與導通來實現變壓器的開路與短路運行，在變壓器原端的輸出特性完全與相控調壓相同，且由于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為運行柜，它與電動機D構成正常工作時的運行系統；K2為起動柜，它與開關變壓器TK構成起動回路。當電動機起動時，合上K2，給可控硅SCR加上觸發信號即可實現相控調壓軟起動；起動結束后，合上K1、斷開K2，電動機即轉入運行狀態。

圖1 主電路圖

起動回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序給定，主電路中的電流由采樣單元采集，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。

修改程序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，右側為功率主回路，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，起動電流小于1.5Ie；④利用特殊的可控硅并用技術，可以起動任意容量的電動機；⑤因可控硅短時過流能力很高，其并用技術的風險性大大低于串聯技術，故該裝置可靠性很高；⑥原理簡明，一般技術工人都能掌握，模塊式結構，檢修方便。

開關變壓器模塊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、異步起動和同步起動，當前很多都采用變頻起動。從理論上講，變頻起動的優越性很多，但是當前變頻器制造技術尚不是很完善，尚有一些不足之處：如高次諧波問題、并網時的電流沖擊問題、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，特別適合于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，變頻裝置在連接點處產生的總諧波畸變率大約在6%-19%，這遠遠高于國家標準的4%要求，有些電站就這么用了，似乎也沒有什么問題。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，并非一下子就能表現出來的，設備壽命的縮短是必然的。

開關變壓器式軟起動裝置在連接點處的總諧波畸變率在國標范圍內，對其它設備的傷害很小。

（2）向電網切換時的電流沖擊問題 當采用變頻起動時，由于變頻裝置一般不允許與電網并聯，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沖擊，由于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。人們在對待自同期并列時的大電流沖擊相當慎重，一般情況下不用自同期并列，只在事故狀況下才不得不用自同期并列。

開關變壓器式軟起動裝置可以在電機接入電網后斷開，完全沒有大電流沖擊，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，據我們有限的了解，近幾年國內用于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運行中的風險性，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制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，對于300MW機組，進口變頻設備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）冷卻系統的復雜性問題 高壓變頻裝置均采用水冷方式，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采用風扇通風冷卻，簡單方便。

（6）關于起動成功率 據有關資料統計，由于變頻器原因而造成起動失敗的次數大約占每年起動次數的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）占地面積問題 軟起動裝置位于地下機房，每單位面積的開挖費用是相當可觀的，減小裝置的占地面積對降低電站投資有著重要的作用。

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

（8）冗余設計 開關變壓器式軟起動裝置采用模塊化冗余設計，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采用模塊化設計，每個模塊12MW，結構緊湊、方便維修、更換。另外，模塊數量上采用冗余設計，即使各別模塊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制造，完全依賴進口，技術復雜、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、后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硅，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。由于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，自同期并列在許多方面優于準同期并列，但是由于自同期并列時有大電流沖擊而限制了它的應用，使自同期并列只用于電網事故情況下的備用機組起動并網（準同期并列對此無能為力）。開關變壓器式軟起動裝置還可用于自同期并列時限制大電流沖擊，作到一機二用，充分發揮設備的使用率。

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

抽水蓄能電站軟起動的設計方案

開關變壓器模塊在應用于高壓電機軟起動方面的優異性能已經得到了廣泛的認同，由于它面世時間較短，目前已經做到20MW，對于抽水蓄能機組的大容量電機，只要采用可控硅并用與模塊并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塊

（1）可控硅并用技術方案

如果要控制的設備容量很大而使得可控硅額定電流受限時，專門發明了“多副繞組開關變壓器模塊（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采用了可控硅并用技術（如圖3所示），這里的開關變壓器次級繞組采用多股并繞（匝數一致、參數一致），可控硅分別連接、同步觸發，開關變壓器次級電流被多副繞組分流，以保證每只可控硅中流過的電流不大于其額定電流。

這里的可控硅并用與常規的可控硅并聯有本質的區別，常規的并聯技術是指被并聯器件首與首相接且尾與尾相接后再接到電路中，而我們提出的并用器件（SCR）是分別接在各自的繞組中,與可控硅并聯有本質的區別。

（2）開關變壓器模塊并用技術方案

如果要控制的設備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塊并用技術（也已申報專利）”來解決這個問題（見圖4）。

開關變壓器并用完全不同于教科書上所說的電力變壓器并聯運行。電力變壓器并聯運行是指幾臺變壓器不僅初級接在相同相位的電源上，而且次級并聯向負荷供電。如果變壓器的特性參數不一致，則會產生環流，損耗加大甚至損壞變壓器。

圖4 開關變壓器并用等效圖

開關變壓器并用只是把初級并聯起來，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。

開關變壓器并用可以等效為圖4右側的晶閘管并聯電路。其中x1是開關變壓器TK1的漏抗；x2是開關變壓器TK2的漏抗。由于變壓器的漏抗遠大于晶閘管的內阻，故均流效果相當好，兩組晶閘管不必配對選擇，兩路電流完全一致。

晶閘管直接并聯時，如果開通時間有微小差異，當首先有一只晶閘管開通時，晶閘管端電壓立即下降為晶閘管的管壓降（僅2伏左右）。此時，未開通的晶閘管雖然有觸發電壓，但由于端電壓太小很容易不開通，造成先開通的晶閘管過流。

開關變壓器并用時，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。對于10kV的情況至少有500V的電壓（變壓器次級電壓100V左右），這對于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設備具有獨到的優勢。該技術控制功率的提升原理簡潔，實用易行，完全可以應用于抽水蓄能機組的起動。此外，該技術在水輪發電機自同期并網方面的技術優勢，完全可以設計制造出軟起動與自同期并網功能并舉的專用設備，為我國抽水蓄能電站建設提供性能優越的大型裝備。

（編自《電氣技術》，原文標題為“開關變壓器模塊在抽水蓄能電站軟起動方面的應用研究”，作者為潘政剛、潘家忠。）