抽水蓄能电站静止变频启动装置(SFC)的应用

抽水蓄能电站静止变频启动装置(SFC)的应用
摘要：随着电力工业的迅速发展，缺水、干旱及偏运山区大量的抽水蓄能水电站应运而生。

而静止变频启动装置是抽水蓄能电站不可缺少的电气设备，机组抽水启动以静止变频启动为主要启动方式，同步启动(背靠背)作为备用启动方式。

机组同期及换相在主变压器低压侧进行。

因此，静止变频启动装置及技术被越来越多的抽水蓄能电站广泛运用。

关键词:静止变频装置;背靠背;谐波
Abstract: with the rapid development of the electric power industry, water shortage, drought and partial shipment of pumped-storage hydropower station of the mountainous area arises at the historic moment. And static frequency conversion starter is pumped storage power plant indispensable electric equipment, start pumping unit in a static variable frequency start as the main start way, synchronous start (back) as a backup start way. The same period and it is in the low voltage side of the transformer. Therefore, the static frequency conversion start-up equipment and technology is more and more pumped storage power plant widely used.
Keywords: static frequency conversion device; Back-to-back ; harmonic
一、引言
抽水蓄能电站静止变频器（SFC）变频启动是利用晶闸管变频器产生频率可变的交流电源对蓄能机组进行启动，是目前大中型抽水蓄能电站的首选启动方式，其技术特点为：
(1) 静止变频器的调速范围可以从电机的静止状态到l10％额定转速，在此调速范围内静止变频器工作效率不会降低；
(2) 静止变频器启动可使起启动电流维持在同步电机要求的额定电流以下运行，对电网无任何冲击，具有软启动性能；
(3) 静止变频器满足抽水蓄能电站的发电电动机组在电网电力调峰过程中频繁启动的要求。

目前，我国大中型抽水蓄能电站中发电电动机的电动机启动方式基本设为静止变频器启动为主，背靠背启动为辅。

二、静止变频器（SFC）原理和组成
同步电动机静止变频器（SFC）启动系统属自控式同步电机变频调速系统，在要求大容量、高转速和高性能的可调速领域具有重要的应用价值，它主要是根据电机转速及位置信号控制晶闸管变频装置对同步电机进行变频调速，从而产生
从零到额定频率值的变频电源，同步地将机组拖动起来。

抽水蓄能电站静止变频器启动装置的典型接线如图1所示，此静止变频器为典型的交—直—交电流源型，它由输入变压器（TR）、整流器（REC）、逆变器（INV）、直流平波电抗器（DCL）、交流电抗器（ACL）和控制柜组成，整流器和逆变器都使用普通晶闸管，逆变器晶闸管通过负载同步电动机的反电势进行换流。

此外，启动回路中还包括断路器（cb1、cb2）以及供选择被启动机组用的开关s。

工作原理为：整流器将交流电整流成直流电，逆变器再将直流电逆变为频率可调的交流电,由于直流平波电抗器的限流作用,使变频器主回路的直流电流波形平直、脉动小,具有电流源特性。

图1 静止变频器SFC典型接线图
蓄能机组启动过程如下：在确认机组具备开机条件后，投入选择开关S和断路器CB2，机组加励磁，然后投入断路器CB1，变频装置向电机定子输入频率逐渐上升的三相交流电。

定子三相电流产生的旋转磁场与已励磁的转子相互作用而产生加速转矩，使机组逐渐升速至额定转速，满足同期条件时将机组并入电网，同时切除变频装置，完成启动过程。

此静止变频器启动的优点是设备静止、运行维护方便、启动容量大、启动速度快、工作可靠性高，对电网系统冲击小。

三、浅谈SFC启动过程
静止变频器的启动过程总体可以分为启动加速和同期并网两个阶段，而启动加速阶段又可分为断续换相运行、“断续—自然换相”切换和自然换相运行三个阶段。

SFC启动最初采用断续换相法，断流时整流器逆变，主回路断流后，减小整流器延迟角α的同时，按下一拍的需要触发逆变器的晶闸管。

当电动机加速到额定转速的5％～10％时，转入反电动势自然换相，完成换相方式的切换。

当机组加速到额定转速的97％时，系统进入同期并网阶段，一旦并网成功，则切除静止变频器启动装置。

从静止启动到开始同期并网历时约4min，同期并网过程一般约2～3min。

3.1 低速阶段断续换相
负载换相同步电动机在低速运行时，由于反电动势较小，不足以使逆变器中的晶闸管实现自然换流，故采用电流断续法换相。

具体换相方法为：
(1) 检测到逆变桥需要换相信号时，将整流桥转入逆变状态，α=150°，使主回路电流ID下降为零，从而使逆变桥中晶闸管全部关断；
(2) 检测到ID=0时，再次使整流桥转入整流工作状态，并将脉冲发至逆变桥中下一组待触发的晶闸管，重新建立直流回路的电流ID。

当同步电动机采用电流断续换流时，逆变器的换相超前角a对换相已不起作用，为增大启动转矩，减小转矩脉动，一般取a=0°；因为断续换流时，电流脉动较大，晶闸管导通时间也相对较长，故应对主回路电流加以限制，一般限制为额定电流的67％。

3.2 断续换相到自然换相方式的过渡
当电动机转速升高到一定数值以后(通常为额定转速的5％～10％),反电动势的大小足以满足自然换相的要求时,通过控制系统自动地由电流断续换相方式切换到反电动势自然换相方式。

此时,将换相超前角a由0°变到60°,并对断流脉冲信号进行封锁,使逆变器的晶闸管换相时电动机不再断流,避免电动机转矩受到影响。

两种换相方式切换时的关键是保证平滑过渡，逆变桥可靠换相，这就要求断续换相方式下的频率上限与自然换相方式下的频率下限之间的重叠部分有足够的裕度,即选择合适的切换频率，(张河湾抽水蓄能电站的切换频率为5Hz)。

过渡过程的切换方法为：当电动机转速升高到切换频率所对应的转速，该进行换相方式切换时，仍应坚持断续换流法到下一个端电压过零点处，在该过零点处进行断流，使逆变桥6个晶闸管全部可靠关断，然后按反电动势换相法要求的换相超前角a=60°的触发次序触发相应的晶闸管，接着应立即封锁断流信号，使系统切换到反电动势自然换相方式。

3.3 高速阶段自然换相
当电动机加速到额定转速的5％～10％时，就转入反电势自然换相阶段。

自然换相的原理就是利用电动机本身产生的反电势进行自然换相。

由于在换相重叠角μ期间，三个晶闸管同时导通，在两个导通的晶闸管和某两相电机绕组之间出现短路电流，从而使原来导通的一个晶闸管在反向偏压的作用下关断，实现逆变器晶闸管的换相。

当电动机带负载时，一方面由于换相重叠角μ影响，使晶闸管通电时间增加；另一方面由于电枢反应影响，同步电动机端电压的相位超前反电势一个功角θ，使负载时的实际换相超前角γ减小，所以换相剩余角δ=γ－μ=a －θ－μ。

δ表示晶闸管换相以后继续承受反向电压的时间，为保证可靠换相，δ必须满足：
δ=a－θ－μ≥ｋωt0
式中:a—空载换相超前角;
k —大于1的安全系数;
ω —逆变器工作角频率的最大可能值(rad);
t0 —晶闸管的关断时间(s)；
3.4 同期并网阶段
当机组加速到额定转速的97％时，系统进入同期并网阶段，这是蓄能机组变频启动过程中一个重要的控制步骤，它实现机组从变频增速到与电网同期运行的过渡，从而结束变频启动的全部过程。

在该阶段，启动装置根据电网电压和同步电动机端电压频率的差值，产生一个附加的转速微调信号，自动地调整整流器输出的直流电压的高低，对同步电动机转速作微调。

与此同时，励磁系统则由自动电压平衡单元控制同步电动机的转子励磁电流，以使同步电动机端电压和电网电压平衡。

当同步电动机定子端电压和电网电压的差值达到同期条件：频率差δf ＜0.25Hz、电压差δU＜5％Un（Un为电动机额定线电压）、相位差δθ≈0°时，同步并网条件即告成立。

这时，启动装置自动将整流器逆变,输出电流下降到零,然后封锁整流器和逆变器的全部触发脉冲,同时,合上同步电动机并网开关,电动机并入电网。

最后,启动装置的电源侧和负载侧开关分断,变频启动过程结束。

四、SFC的控制原理
图2 静止变频器启动控制框图
静止变频启动控制系统的主要作用是根据转子的真实位置和转速，按一定的控制策略产生控制信号，控制变频器输出三相电流（电压）的频率、幅值和相位大小，达到电机转速跟踪转子转速的目的。

系统控制基本上可以分为整流器的整流调速控制、逆变器的自同步逆变控制和励磁控制，如图2所示，整流器直接受控于电流和转速的双闭环调节系统,逆变器为保证晶闸管的可靠换相,同时又保证负载换相同步电动机的过载能力,一般采用恒换相剩余角δ控制,δ在30°～40°之间。

蓄能机组变频启动时，变频器预先优化设定一条转速上升曲线，然后由转速给定单元输出一个与电网频率相当的转速（对应于50Hz的转速）基值,在Dn/Dt 环节（限制转速基值的上升速度）作用下,产生转速整定值nw并与机组实际转速ns比较,将偏差量（nw-ns）作为转速调节器（外闭环）和电流调节器（内闭环）的输入控制信号,最终调整整流器的触发角以控制变频器回路的运行电流,使机组快速跟踪转速指令的变化。

nw≥（或≤）ns时,变频器自动增加（或减小）提供给机组的电磁力矩；nw=ns时，变频器保持原有运行状态，变频器提供的电磁力矩与机组的阻力矩相等，机组维持一定的转速。

影响机组变频启动过程中转速特性的主要因素是转速调节器及电流调节器的参数,因此要对这两个调节器的参数进行优化,以使机组获得快速平稳的最佳启动特性。

一般为了防止机组在启动的加速过程中转速波动,处于内闭环控制的电流调节器的响应速度应快于外闭环控制的转速调节器。

另外,适当选择机组启动的加速度（Dn/Dt）,也可以有效降低机组振动,提高启动成功率。

五、SFC谐波及谐波抑制措施
5.1 谐波来源和危害
在抽水蓄能电站中，主要的谐波源为SFC装置，SFC装置所产生的谐波将影响抽水蓄能电站中的其它电气设备，通过主变压器传递到高压侧，影响高压侧下其他用户的正常运行。

SFC装置产生的谐波危害主要有：
（1）使电动机转矩产生脉动，特别是电动机低速运行时，可能产生机械共振现象；
（2）电压畸变、高频分量造成用电和输电设备的热过载，损耗加大；
（3）影响继电保护和自动化设备运行的可靠性；
（4）干扰通讯系统的信号；
（5）降低测量仪表的精度。

5.2 滤波措施
抽水蓄能电站SFC装置采用六脉波晶闸管变频器时，特征谐波为（6k±1，k=1、2、3……）次，即5次、7次、11次、13次、15次、17次等，其中5次和7次谐波幅值较大，故危害也较大，对此抽水蓄能电站必须采取有效的滤波措施（增加高次谐波滤波器），主要有以下两种方式：
（1）对谐波源采取措施：增加变流装置相数或脉冲数，即变频器电路的多重化，目前我国大多数抽水蓄能电站采用12脉波变频器。

对于12脉波变频器而言，其特征谐波为（12k±1，k=1、2、3……）次，最低次谐波为11次，有效消除了5次和7次谐波，降低了谐波对电力系统的不良影响。

（2）在谐波源处就近装设滤波器，将谐波分流，从而吸收一定比例的高次谐波，将流入电网的谐波限制到允许范围内。

我国大部分大型抽水蓄能电站都随变频装置配套安装了滤波器，如广蓄二期抽水蓄能电站针对18kv系统添加了6组滤波器，分别对5次、7次、11次、13次、17次和19次谐波进行滤波。

六、结束语
静止变频器启动装置作为大中型抽水蓄能电站必不可缺少的电气设备，不仅功能强大，启动容量大，满足抽水蓄能电站的发电电动机组在电网电力调峰过程中频繁启动的要求，而且启动机组的成功率高，对系统冲击小，维护量小。

目前，我国已建成的山东泰安抽水蓄能电站、河北张河湾抽水蓄能电电、河南宝泉抽水蓄能电站、天荒坪抽水蓄能电站、西龙池抽水蓄能电站及正在建设中的安徽响水涧抽水蓄水蓄能电站、福建仙游抽水蓄能电站等均采用静止变频器启动设备，而SFC主要依靠进口，其国产化的难点主要在于大容量高压变频的电力电子器件应用技术，如滤波、晶闸管元件串联等，但是随着国内大容量高压变频技术的日渐成熟，相信不远的将来能够实现静止变频器国产化。

徐辉林、（男）、39岁、助理工程师、中国水利水电第四工程局有限公司机电安装分局工程办
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