抽水蓄能机组静止变频器启动(SFC)控制策略研究与谐波分析

抽水蓄能机组静止变频器启动(SFC)控制策略研究与谐波分析王海涛
【摘要】静止变频器启动(SFC)在抽水蓄能电机的起动方式中是最普遍使用的方式.文中针对三相桥式静止变频调速系统研究了抽水蓄能机组起动控制策略,并给出了
谐波电流与电压计算方法,提出了消除谐波的12脉波方案.该方案可以有效地去除5、7次谐波.
【期刊名称】《通信电源技术》
【年(卷),期】2013(030)002
【总页数】3页(P31-33)
【关键词】抽水蓄能;SFC;谐波;控制策略
【作者】王海涛
【作者单位】华东天荒坪抽水蓄能有限责任公司,浙江安吉313302
【正文语种】中文
【中图分类】TM921
0 引言
抽水蓄能电站是对电力系统进行调峰填谷和保障电网安全稳定经济运行的一种有效手段，其在电力系统中的重要作用而备受青睐。

抽水蓄能具有容量大、储能单位容量经济性高、使用寿命长等优点。

抽水蓄能机组通常有五种稳态运行方式：发电、发电调相、水泵、水泵调相以及停机，其中需要外部电源对其启动的是水泵电动机
启动方式。

对于大型的蓄能电站最常用的启动方式是以静止变频器启动为主。

静止变频器主要由交－直－交电流型变流器、同步电动机、转子位置检测器及控制回路构成。

其核心是由晶闸管组成的整流桥和逆变器，通过相控这些晶闸管组实现同步电动机的供电电源频率变化，从而实现调速作用。

同时静止变频器自身的晶闸管换相和脉宽调制，伴随着谐波的产生，也影响电力系统的电能质量使其电压畸变，导致一些变频器和滤波器无法正常运行。

因此，减小和消除谐波是十分必要的。

1 静止变频器工作原理
静止变频器主要是利用同步电机过激磁时定子电流超前电压的特性，同步电机的反电势使变流器晶闸管达到自然换流。

静止变频器的逆变器产生的频率变化的电源来控制着同步电机的转速，同时同步电机的反电动势又作用于逆变器的换相，因此构成闭环负反馈系统。

它有着鲁棒性好，结构较为简单，对电网冲击较小等特点，在大型抽水蓄能电站等场合有着广泛应用。

1．1 静止变频器启动原理
静止变频器起动是利用同步电动机与静止变频器配合完成，静止变频器向电机提供频率可调电源，同步电动机提供适当励磁。

当变频器输出频率达到额定频率时，同步电动机相应运行在额定转速下。

静止变频器主要是由同步电动机、变频器、转子位置监测其PS和控制单元构成，从控制过程看属于自控式变频调速系统，整体结构图如图1所示，其主回路由整流桥、逆变桥及平波电抗器Ld组成，与普通的交－直－交变频器不同的是它靠同步电动机的反电动势进行晶闸管换相。

先将三相交流整流后再逆变成频率可调的交流，输出至同步电机M，控制单元通过转子位置
检测器检测同步电动机的转速信号，根据转子转速后按一定的控制策略产生反馈信号，控制变频器输出包括三相电流、电压、频率、幅值和相位等信号，从而达到控制电机转速的目的。

图1 抽水蓄能机组静止变频器结构图
1．2 逆变桥晶闸管换流过程
变频器实现三相频率的改变主要靠晶闸管的通断，即换流。

变频器中的晶闸管多为半控型，通过门极导通。

晶闸管在导通情况下，门极失去作用，如果要实现其关断，必须施加以反向电压，且保持一段时间后才能可靠关断。

变频启动时，不同的运行阶段采用不同的换流方式。

需要特别了解的是当电机的转速达到一定值后，晶闸管的换流是通过电机的电枢绕组在转子的励磁电流产生旋转磁场而产生的感应电动势完成的，也称反电动势。

转速达到额定转速的10%左右，此时的反电动势便可使
得晶闸管换相，这种换相方法称为反电动势换相法或自然换相法。

对于控制好换流剩余角δ与换流超前角γ0是实现可靠的自然换相的前提。

换流超前角与平均转矩呈反比，为了提高过载能力，换流超前角须小，但也增加了换流失败的概率。

为了保证满载时可靠换流，一般γ0取60%。

换相时因换相电感、阻尼绕组、励磁绕组等储能器件，使得换相过程不可能瞬时完成，这样产生两个换相的晶闸管同时导通，其导通时间称为换相重叠角μ：
式中，Id为整流器输出直流电流；U为相电压有效值；Lk称为换相电感，换相时
起作用。

自然换流过程为一个闭环控制过程，输出的定子电流频率受转子转速控制，定子电流的角频率亦为ω，其定子电流如图2所示。

图2 自然换流阶段的定子电流
2 静止变频器控制策略
2．1 静止变频器启动过程
静止变频器启动过程可分为以下几个阶段：
（1）盘车阶段。

这个阶段为了使PS产生控制信号，让异步电动机带动同步电机
转速达到额定转速的2%左右，使得检测器能检测位置信号控制晶闸管的换流。

（2）断续换流阶段。

这个阶段电机的反电势很小，不能使逆变器中的晶闸管实现
自然换流，此时需采用断续换流。

此阶段电流冲击较大，同时晶闸管导通工作时间长，因此需限制逆变桥的电流，不能超过其额定电流的2／3左右。

（3）反电势换流阶段。

当电机转速达到10%额定转速时，电机产生的反电动势可以实现晶闸管的自然换流，而不需要加反向电压。

（4）并网阶段。

这一阶段，电机转速升到额定转速的95%～97%。

并网过程中，不断调整使电动机的电压、相位、频率等与电网保持一致，达到并网的条件后关闭SFC装置。

2．2 恒定换流剩余角控制
对恒定换流剩余角的控制是保证电机顺利启动的关键，主要靠位置检测器和触发控制电路完成。

（1）位置检测器
位置检测器接有电流互感器CT和电压互感器PT，如图3所示。

主要是检测同步
电机的定子绕组电流和端电压，然后根据其值计算得到同步电动机的反电势的基波信号E，计算公式如下：
图3 位置检测器原理图
位置检测器输出的反电势基波为正弦波信号，这样也可以进行相位上的补偿。

为了得到一个频率正比转速而幅值不变的正弦信号，在位置检测器电路中串入了一个除法器。

（2）触发控制电路
逆变桥在换流时必须保证一个最小逆变角。

为了使逆变桥的晶闸管工作在理想状态，这样就要保证逆变角尽可能小。

这个最小逆变角需要考虑两个因素：随电路参数变化的换流重叠角μ和反应晶闸管元件固有关断时间的换流剩余角δ。

那么最小逆
变角应满足：γmin≥μ＋δ。

逆变器触发角控制电路得到电气位置检测器的输出信
号，与经过加法运算的电流基准信号与电压信号和手动设定信号，相乘得到换流重叠角。

换流重叠角计算比较困难，它与主回路的电流、漏感及频率等参数密切相关而不易得到。

在实际的电路设计时，采用灵活的补偿方式，如图4所示。

图4 逆变控制角控制原理图
3 静止变频器谐波分析
3．1 谐波分析
晶闸管换相和脉宽的调制，会产生一些高次谐波，这些谐波带入电网中使电网的功率因数下降，整个电网电能质量下降。

解决高次谐波的办法主要有两种措施：装配谐波补偿装置和在调速系统主回路采用12脉波或更多脉波数的电路结构形式。

目前普遍使用效果较好的为后一种方式。

电网中含有h次谐波电压含有率为：
式中，Uh为h次谐波电压（方均根值）；U1为基波电压（方均根值）。

也可以
按以下公式计算：
式中，Ih为h次谐波电流值；UN为电网的标称电压；Zh为系统对h次谐波电流的阻抗，又有为公共连接点的三相短路容量。

电压总谐波畸变率式中UH为谐波电压含量，其值为在计算电压总谐波畸变率时，高于25次的谐波因其值往往较小，因此计算谐波电压含量UH时h取到25即可。

3．212脉波换流器的电流分析
12脉波换流器采用两个三相全控整流桥串连组成，每个全控整流桥有6个桥臂，
所以一共12桥臂。

两个整流桥完成一次动作的时间定义为一个周期，一个基波周期内各桥的直流电压完成了6脉动，共12脉动。

其中一个整流桥的各臂之间电压相位差为30°。

两组换流器采用相同的控制角α和换相角γ。

12脉动换流器的原
理图如图5所示。

经12脉动换流器整流后的总电流基波和谐波分量为：
图5 三相十二脉全控整流电路
式中，I（n）为六脉波换流器时的谐波电流分量
式中，KT为变压器变比
由上式可知，12脉波变流器谐波电流有效值为2 KTI（n），谐波电流中含有12k 士1次谐波分量，而在六脉波换流器的谐波电流分量中滤波去了5次、7次、17次、19次等谐波电流。

3．3 谐波抑制措施
谐波抑制一般采用无源滤波器或有源滤波器。

有源滤波器具有跟踪系统特性好，但成本高，而无源滤波器的滤波效果相对较差，但造价较便宜。

混合型滤波器采用无源滤波器与有源滤波器并联方式，结合两者的优点，部分谐波与无功功率主要由无源滤波器进行补偿，无源滤波器未补偿完的谐波由有源滤波器来补偿，同时有源滤波器还起到抑制无源滤波器和电网可能发生的谐振的作用。

这种设计使整个系统的造价和容量可大大降低，而且性能优于无源滤波器。

如图6所示。

图6 混合型滤波器
4 结论
本文对大型抽水蓄能机组SFC装置的构成和工作原理进行阐述和分析的基础上，介绍了SFC的控制策略，并提出了SFC装置消除谐波的方案，采用12脉冲方法可有效地消除5、7次谐波。

【相关文献】
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