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