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)；