静止变频器在广州蓄能水电厂的应用

静止变频器在广州蓄能水电厂的应用
郭小涛
（广州蓄能水电厂广州 510950 ）
摘要：随着现代化大电网的不断发展，大型抽水蓄能电厂以其快速、有效、经济、可靠的特点，在电网的调峰填谷中扮演着重要的角色。

抽水蓄能机组一般采用静止变频器(SFC，Static Frequency Converter)作为启动方案，具有启动速度快、启动容量大、工作可靠性高、维护工作量小等优点。

本文试以静止变频器(SFC，Static Frequency Converter)在广州蓄能水电厂的运行经验来介绍静止变频器在工程实例中的应用。

关键词：广州蓄能水电厂；静止变频器；应用
引言：
广州蓄能水电厂是我国第一座大容量的抽水蓄能电站，全厂共装有8台300MW可逆式水轮发电机组,也是目前世界上最大的抽水蓄能电站。

广州蓄能水电厂主要承担广东电网的调峰、填谷任务，同时兼顾调相和紧急事故备用。

电厂机组在水泵工况下运行，可在电网低谷期时吸收电网中富余的有功电力，将电厂下库内的水抽至上库，将这部分电能转化势能，在电网处于高峰期时机组以发电方式运行，将这部分势能转化为电能。

电厂泵工况启动的主要方式为变频器启动，背靠背起动是其备用启动方式。

广蓄电厂分为A、B厂，各有四台机组，A厂四台机组共用一套由法国ALSTOM公司生产的静止变频启动装置，B厂四台机组共用一套由德国SIEMENS公司生产的静止变频启动装置。

目前广州蓄能水电厂平均每年泵工况约启动4500次。

本文试以静止变频器(SFC，Static Frequency Converter)在广州蓄能水电厂的运行经验来介绍静止变频器在工程实例中的应用。

1、静止变频器的基本原理
SFC属于自控式变频调速系统，主要由交—直—交电流型晶闸管变频器、同步电动机及控制单元组成。

SFC启动机组的原理是当同步电动机转子加上励磁电压建立磁场后，通过逐步改变加在定子绕组上的电流频率，使电动机在电磁力矩的作用下，逐步提高转速，直至并网运行。

SFC启动初始，首先投入励磁，从定子出口PT取3相的感应电势进行计算得到转子的初始位置，通过控制变频器相应晶闸管的导通向定子输入电流推动转子旋转。

随着转子的旋转，可周期性地按一定顺序触发晶闸管。

而晶闸管的关闭则分别由强迫换向和同步电动机的反电动势来完成，这样就使得定子转子的两个磁动势在空间内以平均速度同步旋转。

当两磁动势间有相位差且在小于等于180度空间电角度范围内变化时，将产生方向一致的平均
电磁转矩和脉动转矩分量，使电动机按原方向连续旋转加速直至并网。

2、静止变频器的系统组成
静止变频器一般由输入单元，变频单元，输出单元，控制和保护单元，冷却单元组成，结构如下图所示（以广蓄A厂为例）。

2.1、输入单元
2.1.1 输入变压器（TR1）
由一台18/4.2kV变压器组成。

输入变压器将供电网电压转化为变频单元可承受的电压，减少了晶闸管串联的数目，同时也减少整流器产生的谐波电压对供电网的影响，并隔断变频单元直流通路，起到隔离的作用。

2.1.2 电压、电流互感器（VT、CT）
主要检测输入单元的电压、电流用作变频单元输入侧的测量与保护。

2.1.3 避雷器（LA1）
由氧化锌避雷器组成，用作线间冲击（雷电）过电压保护元件。

2.2、变频单元
2.2.1 晶闸管换流桥（NB、MB）
晶闸管换流桥为大功率可控硅三相六脉冲全控桥结构，每个桥臂由4只晶闸管串联组成。

为了保证晶闸管的动态均压，每只晶闸管上并联一个阻容回路。

接于电网侧的换流桥称为网桥（NB，network bridge），接于电机侧的换流桥称为机桥（MB，machine bridge），换流桥在不同的触发角状态下可将交流电整流成直流电，也可将直流电逆变成交流电。

当整流桥与逆变桥配合工作时，即构成变频器。

用于变频的晶闸管最高可承受4800V电压与5000A 的电流。

2.2.2 电抗器（LD1&LD2）
两个换流桥之间接有两个直流电抗器。

每个电抗器电抗值为1.5mH，最高电压5.7kVDC，电流4.2kADC，热运行60分钟。

该电抗器可以限制直流回路的电流上升率，起着平波作用，同时也有利于减小变频器产生的谐波。

2.3、输出单元
2.3.1 输出变压器（TR2）同输入变压器。

2.3.2 电流和电压互感器同输入单元。

2.3.3 切换隔离开关（S1、S2）
切换隔离开关（S1、S2）用于SFC启动两阶段的切换。

在机组变频起动过程中由于SFC 系统的输出变压器TR2在低频0－5Hz时可能饱和，此时隔离开关S2应投入而S1切除，逆变器输出经S2直接至电动机。

在5－50Hz阶段投入开关S1，断开开关S2，逆变器输出经输出变压器至电动机。

2.4、控制和保护单元
主要由PLC可编程逻辑控制器、脉冲控制单元、测量与保护单元组成。

PLC可编程逻辑控制器用于SFC闭环调节、晶闸管保护、SFC与外部RTU之间的输入输出联络及故障处理。

脉冲控制单元负责接收PLC发出的指令后，产生并控制晶闸管的触发脉冲。

测量与保护单元负责接收SFC控制所需的各种变量（如电流、电压、速度等）并完成SFC各种电气元件的保护（如变压器、晶闸管等）。

2.5、冷却单元
2.5.1 内冷却回路
晶闸管的冷却由特殊设置的装置来实现，对内冷却水的电阻率要求很高，选用去离子水为直接冷却介质，对电阻率进行监测并每隔120min自动进行20min去离子处理，以保证SFC 处于随时可用状态。

主要组成元件有：循环水泵、去离子装置、过滤器、流量计等。

2.5.2 外冷却回路
采用普通水冷却介质，用于冷却去离子水。

主要组成元件有：过滤器、水冷却器、温控阀等。

2.5.3 空气冷却回路
采用普通水冷却介质加空气冷却器，用于盘柜内空气冷却。

主要组成元件有冷却风扇、空气冷却器等。

广蓄B厂SFC与广蓄A厂SFC结构基本相同。

由于采用了可承受18kV电网侧电压的晶闸管作为变频元件，所以没有输入变压器与输出变压器。

但为减少变频器启动时谐波对供电网的影响，在变频器电网输入侧也设置了一台18/18kV的隔离变压器。

3、静止变频器的启动过程
广蓄电厂SFC启动过程主要分为四个阶段：转子初始位置测量阶段、脉冲耦合运行阶段，自然换向运行阶段，同步并网运行阶段。

3.1、转子初始位置测量阶段
转子的初始位置必须在SFC启动前的瞬间测定，以使控制系统(PLC)计算确定最先被触发导通的一对晶闸管，令转子获得最大的电磁启动转矩。

在启动初始，首先投入励磁电流，由定子出口的PT取3相感应电势进行计算得到转子的初始位置。

3.2、脉冲耦合运行阶段
当电机转速较低(0～5Hz)时，机端反电动势较低，不能可靠地关闭晶闸管进行换向，需进行强制换流。

换向时，设置整流桥(NB)运行于全逆变状态，截断回路中的电流，从而使导通的晶闸管关闭。

一旦检测到回路电流为零，即将脉冲送到下一组欲触发的晶闸管，同时取消整流桥(NB)的全逆变恢复回路电流，使新的一组晶闸管导通，实现换向工作，此过程称为脉冲耦合运行阶段。

3.3 自然换向运行阶段
当电机转速较高(﹥5Hz)时，机端反电动势已足够高，此时只需向相应的晶闸管发送触发脉冲，SFC即可依靠电机的端电压进行换流，此过程称为自然换流运行阶段。

3.4、同步并网运行阶段
当电机转速上升至95％额定转速时，SFC接收机组的同期装置命令进行速度微调。

当同步条件满足时，合上机组出口开关，此时置整流桥(NB)于全逆变状态，MB回路的电流迅速降为零，晶闸管关闭，NB、MB闭锁，SFC装置退出，完成整个拖动过程。

3.5、广蓄SFC的运行流程图
4、静止变频器启动时的谐波干扰问题
SFC装置运行时，在从电网吸收基波电流的同时，还给电网造成谐波干扰。

由SFC产生的谐波电流将在发电电动机电压侧和输电电压侧产生电压谐波，从而影响厂用电系统和系统其它用电设备的正常运行。

变频器中的换流器是6脉冲三相全控桥，运行时会产生大量谐波，其产生的特征谐波为6k±1（k＝1，2，3…）次，最低次谐波为5次谐波，最低次谐波电流为基波电流的1/5，而且5次谐波是负序性质的谐波，且数值较大，对于旋转电机的正常运行影响很大。

在电力系统中消除或减少5次谐波，一直是谐波抑制的目标。

广蓄A厂曾经在1999年进行谐波测试试验，测得变频器谐波含有率如表1所示：
表1：谐波含有率表
因此变频器输入电流不是正弦波形，而是含有谐波成分的畸变波形。

针对变频器产生的谐波，广蓄A厂采取的是输入电抗器、输入变压器、输出变压器及
平波电抗器共同抑制谐波的方法，采取以上方法后，厂用电的最大谐波畸变率降为4 %左右。

广蓄B厂原本采用的是输入电抗器、平波电抗器及输出电抗器共同抑制谐波的方法，但在
调试中发现谐波干扰很大，厂用电的谐波畸变率最大达到20.66%，所以在输入电抗器后面
加装了一台18/18kV的隔离变压器，专门用来抑制谐波。

加装隔离变压器后，测到的厂用电的最大谐波畸变率降为1.22%左右。

通过广蓄机组十余年的运行经验证明，采取隔离变压器加电抗器作为抑制谐波的方法是比较有效的。

针对变频器启动过程中产生的干扰，笔者认为可采取以下措施：
(1)、在新的抽水蓄能电厂投产前，为彻底抑制5、7次谐波，可采用增加晶闸管脉数的方法，即采用12脉冲整流的方法；
(2)、在现有的SFC装置上抑制谐波，可通过在变频器输入、输出端配置隔离变压器、调谐滤波器的方法实现。

5、静止变频器的运行与维护
5.1、PLC可编程逻辑控制器
PLC在正常运行时无需特殊维护，但是它的一些输入输出回路（包括电子插件板和继电器等）则要定期检查，同时PLC将分别给出大量的设备故障信息，据此可知SFC系统哪些部件存在故障，从而进行针对性的维护和检修。

5.2、去离子水冷却回路
去离子水的电阻率和流量直接影响SFC装置的运行，必须定期检查和补充，补充时应采用低电阻率的去离子水。

5.3、晶闸管桥
目前高电压大容量的晶闸管质量十分稳定，其损坏几率很低，同时由于晶闸管桥结构和其保护装置的配置，可以有效地保护晶闸管并及时给出报警信息，无需特殊维护。

5.4、控制盘内的通风设备与启动刀闸
这些设备应当作定期的检查（清扫、调整、润滑等）。

5.5、外冷却回路
由于水垢和管道锈蚀的影响，冷却水流量将逐渐降低，因此必须进行定期清洗。

清洗时采用化学清洗的方法较为有效，但在化学清洗时应特别注意选用的清洗剂是否对冷却管路材料具有腐蚀性。

通过广蓄电厂多年的运行经验，只要能够保证必需冷却水流量，冷却水回路一般在运行8年左右才需要进行一次化学清洗。

5.6、输入输出变压器
由于采用全封闭结构，只需进行日常的色谱分析和冷却器维护即可。

5.7、其他保护装置
这些装置的故障率远高于晶闸管及PLC控制系统，成为SFC故障的主要成因。

所以应每隔2～3年复检一次，复检范围从传感器直到动作对象。

6、静止变频器常见的故障及处理
6.1、转子位置测量故障
在实际运行中，SFC有时会出现转子位置测量故障。

导致出现此问题的原因为：SFC
输出电压、电流测量卡元件故障；SFC转子位置测量时间配合故障；机组磁通建立故障；SFC与励磁配合的继电器故障等。

在新设计中要充分重视这一重要环节，从卡件的稳定性、SFC与励磁间配合的控制回路上加以控制。

6.2、电流变化率DI/DT故障
为保护晶闸管元件，SFC设有机桥和网桥电流最大变化率DI/DT故障。

在实际运行中，广蓄A厂SFC有时会出现此故障，初步分析此故障系PLC卡件工作不稳定引起。

在对PLC 进行升级改造后，此故障已经得到彻底解决。

6.3、UPS断电故障
SFC供电的UPS经长期运行后，其控制系统的主板（该型号的UPS已无备品生产）工作不稳定，在倒换厂用电的部分时候或其他运行过程中都出现过断电并难于重新复电的故障。

将其更换为可靠的工业型UPS后，此故障已经得到彻底解决。

6.4、外围设备故障
SFC外冷却水回路、去离子水回路、辅助电源回路等的故障都会造成SFC启动不成功，通过分析机组事件记录及PLC现地信息可找到故障原因从而解决。

7、结束语
目前，SFC已是大型抽水蓄能电厂必不可少的关键启动设备。

SFC的应用有诸多优点：
(1)效率高，控制性能好。

(2)能实现无级调速，启动平稳，不存在失步问题，对电网无冲击。

(3)可多台机组共用一套SFC，设备省，单机投资价格比低。

(4)对于多机组电厂，采用SFC启动为主，背靠背启动备用的混合启动方式将获得较高的可靠性和经济性。

广州蓄能水电厂静止变频器的配置设计先进，可靠性很高，SFC能满足广东电网频繁启动的需要。

今后将继续对SFC的基本原理、内部工作流程进行分析、研究和总结，确保设备稳定可靠地运行，充分发挥抽水蓄能机组在电网中的重要作用。

参考文献
1陆佑楣，潘家铮.抽水蓄能电站.北京：水利电力出版社，1992.
2宿清华,吴国忠,杨成林,杨建军,徐德鸿.抽水蓄能电站变频起动装置的谐波抑制探讨.浙江大学学报(工学版),2002(11).
3GEC ALSTHOM.STA TIC FREQUENCY CONVERTER USER’S DOCUMENT.1989.
4 郭海峰.静止变频器在现代大型抽水蓄能电站中的应用.
作者简介
郭小涛，男，1979年1月生，工学学士，广州蓄能水电厂检修部电气
班长，现主要从事电气设备的检修管理工作。