抽水蓄能机组静止变频器低频阶段恒频电角度启动控制研究

抽水蓄能机组静止变频器低频阶段恒频电角度启动控制研究
发布时间：2022-11-23T08:42:41.191Z 来源：《中国科技信息》2022年第15期作者：李泽，居蓉蓉，姬联涛,李官军，陶以彬
[导读] 静止启动变频器（Static Frequency Converter）是抽水蓄能机组启动的关键设备，
李泽，居蓉蓉，姬联涛,李官军，陶以彬
(中国电力科学研究院有限公司南京分院, 江苏省南京市 210003)
摘要: 静止启动变频器（Static Frequency Converter）是抽水蓄能机组启动的关键设备，它通过循环判断抽水蓄能机组转子位置并给对应定子绕组通入频率随电机转速同步变化的电流来使电机启动。

转子位置检测是抽水蓄能机组启动的核心关键技术，但是无位置传感器机组在超低频时机端电压很低，受外部环境干扰较大，不利于采样计算转子位置，影响了低频启动成功率。

本文通过分析蓄能机组换相控制原理及特性，提出了一种静止变频器低频阶段恒定频率电角度控制方法，用于解决蓄能机组在超低频阶段难以检测转子位置的问题，并通过MATLAB仿真比较分析了不同频率给定角时机组启动性能和转动惯量对启动效果的影响。

实验结果表明，低频阶段恒频电角度控制方法可实现同步机组的静止变频启动，该方法可避免SFC变频启动时转子位置角难于计算的缺点。

关键词: 静止变频器; 转子位置检测; 超低频控制; 恒频电角度
0 引言
抽水蓄能机组为大容量同步电机，恒压恒频启动时由于启动电流过大，对电机本身产生一定冲击，同时会引起电网电压下降，影响其他用电设备的正常工作，因此，抽水蓄能机组抽水工况时主要采用背靠背启动和静止变频启动[1]。

背靠背启动由于需要一台机组以发电工况从静止状态启动来拖动其它同步机组，受到上库水量限制，操作复杂，并且无法启动最后一台机组[2]。

近年来，随着电力电子技术和控制技术的发展，静止变频器发展成为国外中大型同步电机的主要启动和调速设备，它可消除电机启动对电网的冲击，并能减轻施加在电机和驱动装置上的机械压力，还能连续调节电机的速度。

目前国内外在建抽水蓄能机组抽水工况多以静止变频器启动为主，背靠背启动为辅的方式[3-4]。

抽水蓄能机组静止变频器低频阶段控制是静止变频启动的关键技术之一，也是影响整个调速系统可靠性的最薄弱环节。

目前国内外抽水蓄能机组静止变频器低频阶段控制主要采用电机转子位置检测装置检测出的转子位置来判断转子所在位置来触发相应的晶闸管，使变频器产生正向转矩驱动电机按指定方向旋转。

文献[5-6]提出使用增量式光电编码器确定转子动态位置，并利用电压模型和反电势积分法确定转子位置来实现变频启动。

文献[7]使用绝对式光电编码器，转子位置只要在安装时调试准确，以后由码盘的绝对编码值可以获得当前转子位置。

这两种方法都是机械式位置检测，检测设备属于精密器件，价格高，而且抗震动能力差，当电机极数较多时检测精度低。

于是出现了基于机端电压的电气位置检测器来计算转子初始位置，也称为无位置传感器。

文献[8]提出使用电流信号与电压信号相结合在低速时段推算转子位置，但要求直流平波电抗器取值不能太大。

文献[9-10]采用电流信号消除电压信号中由于换相引起的电压缺口，而后使用优化的电压信号判断转子位置。

文献[11-12]提出使用深度滤波和信号硬件整形方法以解决电压波形畸变。

文献[13]提出基于自适应磁链的转子位置检测启动方法，可消除直流分量的累计误差。

但是这些方法都只有在电机达到一定转速后才具有较好效果，并且采用硬件电路来实现，具有很大的局限性。

综合分析以上方法可见，它们都依赖于转子位置的准备判断，唯有精确判断转子位置才能确保电机按指定方向以最大转矩启动，转子位置测量错误会导致电机启动方向错误，或转矩过低无法使电机正确启动。

本文通过研究静止变频器低频阶段运行特性，提出了一种静止变频器低频阶段恒频电角度控制的静止变频器启动方法，并通过MATLAB仿真分析了不同频率给定角时机组启动性能和转动惯量对启动效果的影响。

仿真结果表明，该方法可实现抽水蓄能机组的变频启动，并可有效避免SFC变频启动时转子位置角难于计算的缺点。

1 蓄能机组SFC变频器启动控制分析
抽水蓄能机组是同步电机，但在变频启动过程中却类似一台直流电机，只需三相定子绕组中的两相通入电流即可启动。

因此，只要计算出电机转子位置角，并按表1中脉冲分配逻辑发出对应脉冲，以使对应两相定子绕组通电流来保证产生最大的正向启动加速力矩[14-15]。

电机转子初始位置可利用电机转子绕组突加励磁电流的瞬间电机定子三相绕组中会感应出电动势计算。

由于理想电机绕组的自感和绕组间的互感将随着转子位置的改变而呈周期性的变化，当施加励磁电流时，定子三相绕组中因互感产生的磁通为：
但是在低速运行阶段，电机端电压很小，且容易受到外部干扰，如果转子位置测量错误会导致电机启动方向错误，或转矩过低无法使电机正确启动。

2 基于恒频电气角的SFC低频启动控制
本文以98MW/13.8kV，42极抽水蓄能机组为例，搭建了高高型6脉波静止变频器仿真模型，机组在电动机模式下参数如下：额定出力90.2 MW，功率因数为1，额定转速142.86 r/min，总损耗1226 kW，励磁电流1000A。

2.1 2Hz恒频电角度启动
在机组静止状态时，直接利用锯齿波产生2Hz频率0-360度变化的电角度代替电机检测的电角度，给定恒频电角度起始值设为90度，如图1所示。

此时机组转矩Pm设为3.875×105 N.m2 ，直流电流给定取2000A，机组变频启动仿真结果如图2所示。

从仿真结果可见，以2Hz的恒频电角度起动时由于电机转子的启动转速远小于给定电角度变化频率，使得在转子扇区未发生变化时得到了虚假的换相指令，电机受到反向转矩使转速下降；当转速降至零时，电机在该反向转矩驱动下又向相反方向旋转。

从总体看，机组转速随电磁转矩的波动在零点上下对称振荡，启动失败。

图2 2Hz时电机启动波形
Fig. 2 Simulation results of 2Hz input angle
针对以上问题，可采用两种方法进行改进：1）提高机组初始起动速度；2）降低给定电角度变化频率。

下边分别进行分析研究。

2.2 先恒定角度后2Hz恒频电角度启动
由于启动开始时机组转速远小于给定电角度变化率，为提高初始转速，先以90度恒定电角度启动，0.32s后切换至2Hz恒频锯齿波电角度，如图3所示。

电机的转矩仍设置为3.875*105N.m2时，直流电流给定取2000A，仿真结果如图4所示。

图4 90度延时0.3s电机启动波形
Fig. 4 simulation results of 2Hz angle with 0.3s delay
由电机转速公式n=60*f/p可求得当取频率f=2 Hz时电机同步转速为5.71r/min。

从图4的仿真结果可以看出，对应时间为0.5731 s时机组达到同步转速，之后由于电机实际转速大于给定的锯齿波变化频率，在转子实际所在扇区已发生变化时却没有换相，导致产生反向转矩而使转速下降。

2.3 1Hz恒频电角度启动
直接利用锯齿波产生1 Hz频率0-360度变化的电角度代替电机检测的电角度，将电机从零转速开始变频启动。

图5为电机1Hz恒频启动结果，可以看出电机在同步转速2.86 r/min附近振荡运行。

这是因为电磁转矩大于阻力矩，转速达到同步速时电机转速继续上升，现出失步运行；当动力加速度变为零时，电机在阻力矩作用下，又会出现减速到同步速，由于阻力矩也不会立即减小到零，电机再次出现失步。

因此电机会出现在同步转速附近振荡运行。

图5 1Hz输入电角度时电机检测输出波形
Fig. 5 Simulation results of 1Hz input angle
3 多模式切换启动控制
在以上恒频电角度的低频启动过程中，当机组转速达到同步转速后由于给定角的变化率小于机组实际转速，在该换相时未发后换相操作，使得电机受到反向转矩的影响而转速下降。

从以上仿真还可看出，到达同步速时，机端电压已经可以被检测并用于计算转子位置角，因此，可在转速达到同步速时切换到转子位置检测装置计算出的转子位置角进行换相操作，保证电机以同步速稳定启动。

3.1 两模式切换控制
如图6所示，在以2Hz的恒频电角度启动时，在机组转速达到同步速5.71 r/min时，把电角度输入切换至电机检测装置计算出的角度，从运行结果可见，机组转速快速上升，整个启动过程中电机的电角度变化率随着转速的增加而逐渐增大，启动中未受到反向转矩的影响而使转速下降。

图6 2Hz同步后切换到转子位置检测角输出波形
Fig. 6 Results of two mode switch strategy
3.2 三模式切换控制
机组先以1Hz频率的恒频电角度从静止开始变频启动，达到同步转速2.86r/min时切换到2Hz恒频电角度输入，机组到达2Hz同步转速
5.71r/min时切换到电机检测装置计算出的转子位置角。

变频启动仿真波形如图7所示。

可以看出电机能够正常运行，切换点过渡平衡，机组
转速逐渐升高。

图7 1Hz同步后切换到转子位置检测角输出波形
Fig. 7 Outputs of three mode control strategy
4 实验验证
图8为配置了SFC变频器的抽水蓄能机组半实物系统。

本系统以某电站98MW抽水蓄能机组实际参数配置机组模型，以DSP2812+FPGA建立控制器平台，以本文提出的恒频电角度算法为变频器启动控制策略。

图9 实验结果
Fig. 9 Experiment result
5 结语
本文通过深入研究了抽水蓄能机组静止变频启动低频阶段控制方法，提出了一种恒频电角度的低频阶段控制方法。

通过在超低频时给定一个恒频变化的电角度来代替转子的实际位置角，并根据机组转动惯量的大小调整给定电角度频率，可有效改进无位置传感器抽水蓄能机组在超低频时机端电压很低，难于判断转子位置的问题。

经实验测试，该方法能够实现抽水蓄能机组的变频启动，可广泛应用于抽水蓄能机组、燃气轮机和大型泵站的变频启动。

参考文献
[1]MAGSAYSAY G. Use of a static frequency converter for rapid load response in pumped storage plants[J]. IEEE Trans on Energy conversion, 1995,
10(4): 694- 699．
[2]王德顺, 杨波, 李官军. 抽水蓄能机组无位置传感器静止变频器启动控制策略[J]. 电力系统自动化, 2012, 36(23): 114-119. Wang Deshun, Yang Bo, Li Guanjun. A control Strategy of Static Frequency Converter Start-up for Pumped-storage Power Plant Without Position Sensors[J]. Automation of Electric Power System, 2012, 36 (23): 114-119.
[3]李桂芬, 孙玉田, 张春莉. 抽水蓄能电机静止变频器起动的仿真研究[J]. 电工文摘, 2012(04): 66-68．
LI Gui-fen, Sun Yu-tian, Zhang Chun-li. Simulation of static frequency converter starting of pump storage machine[J]. Dian gong wen zhai, 2012(04): 66-68.
[4]杨波, 李官军, 刘华栋. 基于RTDS的抽水蓄能机组静止变频器启动技术研究[J]. 电气传动, 2010, 40(5)：20-23. Yanb Bo, Li Guanjun, Hu Xuguang. Research Static Frequency Converter of Large Pumped Storage Machines Based on RTDS[J]. Electric Drive, 2010, 40(5): 20- 23.
[5]朱春毅, 李崇坚, 等. 交交变频同步电动机转子位置检测研究[J]. 冶金自动化, 1994, 18(5): 8- 12.
Zhu Chunyi, Li chongjian. The study of rotor position detecting technology for cycloconverter-fed synchronous motor[J]. Metal lurgical Industry Automation, 1994, 18(5)：8- 12．
[6]李志民, 张遇杰, 费世威. 同步电机转子位置检测和定位[J]. 电气传动, 1992(2): 7-11.
Li Zhimin, Zhang Yujie, Fei Shiwei. Rotor angle detection and orientate of synchronous motor[J]. Electric Drive, 1992(2): 7- 11.
[7]伍小杰, 戴鹏, 姜建国. 同步电动机转子位置检测的一种方法及实现[J]. 电气传动, 2001 (1): 22-23.
Wu Xiaojie, Dai Peng Jiang, Jianguo. One method and realization of rotor detection for synchronous motor[J]. Electric Drive, 2001(1): 22- 23.
[8]刘波. 自控式同步电动机全数字化无机械位置传感器控制系统的研究[D]. 北京: 清华大学, 1997.
[9]陈刚, 廖文亮, 彭永怀. 抽水蓄能机组变频启动时3种转子位置测量方式的比较[J]. 华东电力, 2008, 36(10): 142- 144. Chen Gang, Liao Wen1ian, Peng Yonghuai. Comparison of three rotor position measurement modes in frequency conversion stating of pumped storage units[J]. East China Electric Power, 2008, 36(10): 142- 144.
[10]夏长亮, 杨晓军. 基于扰动观测器的无刷直流电机无位置传感器控制[J]. 电工技术学报, 2002, 17(6): 25- 28.
Xia Changliang, Yang Xiaojun. Position Sensorless Control of Brushless DC Motor Based on the Disturbance Observe[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2002, 17(6): 25- 28.
姬联涛，男， (1985—)，硕士研究生，工程师，主要研究方向：抽水蓄能控制技术、抽水蓄能运行技术研究[收稿日期: yyyy-mm-dd；修回日期: yyyy-mm-dd。

]。