静止变频器(SFC)
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三菱的超高压和大电流可控硅及应用技术使 SFC 系统具有非常高的可靠性和简洁 性。特别适用于大型燃气轮机组。
REFER TO MELCO DOC.：ALU–H4102C
1
静止变频器（SFC）
L50012
2. 回路配置
SFC 由变压器、DC 电抗器、整流器、逆变器组成，见图 1。 整流器采用三相六脉波全控可控硅整流桥，将恒定的三相 AC 电压变成可变的 DC 电压。
Zero-current period (thyristor Ui is extinguished)
(F) 发电机 W 相电枢电流
图 3 脉冲方式运行时的波形
REFER TO MELCO DOC.：ALU–H4102C
5
静止变频器（SFC）
L50012
(2) 负载换流方式运行
在发电机加速到足够的转速并产生足够 的电压以便逆变器换流后，逆变器运行在负 载换流方式。
逆变器也是采用三相六脉波全控可控硅整流桥，将整流器输出的 DC 电压转变成变 幅值和变频率的 AC 电压。这个可变的交流电源施加于发电机使发电机加速到指定的转 速。每个装置的功能见表 1。
SFC
Converter
transformer
DC reactor (DCL)
Inverter
Position sensor
REFER TO MELCO DOC.：ALU–H4102C
3
静止变频器（SFC）
(A) α = 30ﾟ
30 ﾟ
U
V
(U)
(V)
Pr W (W)
(Y)
(Z)
Y
Z
(X)
(Y)
X
Y
(B) α = 90ﾟ
90 ﾟ
(W)
U (U)
V (V)
Pr
W (W)
L50012
Converter output DC voltage Edr is Pr－Nr. Pr
Reverse Ev-Eu voltage period
Ew-Eu
其它相的换相顺序也按同样的方式进
行。SFC 输出交流电。
Reverse voltage applied to
thyristor Ui
Ev-Eu
Forward voltage applied to thyristor Ui
图 4 负载换流方式运行原理
REFER TO MELCO DOC.：ALU–H4102C
6
静止变频器（SFC）
L50012
5. 发电机加速原理
图 5 显示了发电机如何通过 SFC 产生旋转磁场的。 在起动时，发电机实际上是一个同步电动机。SFC 的输出与发电机的定子线圈连 接。依据位置传感器检测到的发电机转子位置信号施加逆变器的触发信号。逆变器的换 相重复为 60°，而每个可控硅的导通周期为 120°。在每一个换相点，定子产生的磁场旋 转为 60°。另一方面，发电机的转子通过励磁系统激磁而变成磁体。定子产生的旋转磁 场作用于磁体转子。结果发电机就通过 SFC 加速旋转。 图 6 显示了逆变器在各个点的电压和电流波形。
(Y)
(Z)
(X)
Y
Z
X
Y
0 Edr = 1.35 × Es × COS 120ﾟ
= -1.35 × Es × 1 2
图 2 整流器输出的直流电压波形
REFER TO MELCO DOC.：ALU–H4102C
4
静止变频器（SFC）
L50012
4. 逆变器运行
逆变器根据安装在发电机转轴上的位置传感器提供的位置信号依次实现换相。脉冲 方式运行时γ≒0° ，负载换相方式运行时 γ≒γ0，在这里γ0必须足够大，才可以使逆变 器的电流换相。逆变器重复上述换相过程而输出交流电。
Auxiliary Tr. circuit-breaker
SFC
To auxiliary grid G
To auxiliary grid
Isolating switch G
图 7 用于多台燃汽轮机的 SFC 系统
注意:
为了便于理解在该文件中采用了简化计算，与实际的 SFC 运行有一点不同。
REFER TO MELCO DOC.：ALU–H4102C
REFER TO MELCO DOC.：ALU–H4102C
7
静止变频器（SFC）
逆变器 Pi
Ui Vi Wi
Edi
IV
=Pi-Ni
Ni
Xi Yi Zi
逆变器触发信号
磁通
Ea IU
汽轮发电机
U
Y
Z
W
V
X
在下面显示的方式 1 的电流和磁场方向
L50012
SFC 控制回路 调节逆变角 γ
发电机轴 Ｗ
120 ﾟ
(A) Generator output voltage
γ=0 ﾟ
U-phase Eu
γ=0 ﾟ V-phase
Ev
Voltage applied to the thyristor Ui
Ew
负载换流方式运行的原理见图 4。这儿
重复换相角 u 为负。 现在，换相点从 U 到 V:
γ0
γ0
如果可控硅Vi由脉冲触发，如图 4(B)所示， (B) Inverter gate signal
Flux
N
Y
Z
S
W
V
X
Flux
Y
NZ
S
W
V
X
Flux
图 5 发电机加速原理
YS
Z
N
W
V
X
Flux
S
Y
Z
N
W
V
X
Flux
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8
静止变频器（SFC）
L50012
W-相电压 e
Pi
γ0 Ui 触发时间
U-相电压
V-相电压
Wi
Ui
Vi
Wi
Ui
Vi
Wi
调节整流器侧的直流电压 Edr 稍微大于逆变器侧的
直流电压 Edi. (Edr > Edi).
Es
直流电流 Id，等于电压差 ∆V = Edr – Edi 除以直流
回路电阻 R，该电流流过直流回路。
Id
＋
＋
Edr Edi
－
－
Id = ∆V = Edr − Edi
R
R
P = Ed ･ Id Edr > Edi
Turbine generator
Ur Vr Wr
Eu
Id
Ui Vi Wi
Xr Yr Zr SFC system
Xi Yi Zi
图 1 SFC 主回路
Ea
U
IU
IV
Y
Z
IW
W
V
X
Flux of magnetic field
表 1 装置的功能 装置
功能
SFC 变压器
提供整流器的输入电压；一旦出现整流器的桥臂短路时，它的 漏抗也起着限制短路电流的作用。
基波分量
120 ﾟ
发电机电 流波形 Iv
Iw
图 6 负载换流方式下加速期间电压和电流波形
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静止变频器（SFC）
L50012
6. 汽轮发电机系统配置示例
SFC 硬件的高可靠性和高可用性使得单台的 SFC 系统能够用于多台燃气轮机组的 起动。
Es
Edr = Pr －Nr
Nr Nr
Edr = 1.35 × Es × COS 30ﾟ
0
= 1.35 × Es × 3
2
(Y) Y
(Z) Z
(C) α = 120ﾟ
120 ﾟ
U
(W)
V (U)
(X) X
Nr
(Y) Y
Edr = 1.35 × Es × COS 90ﾟ 0
=0
W
Nr
(V)
(W)
Pr
(X)
整流器
通过相控可控硅控制直流电压输出使直流电流为一个适当的 值。
DC 电抗器(DCL) 对直流电流进行平波。
逆变器
通过相控可控硅将直流逆变成频率与发电机转速一致的交流 电压使发电机平滑加速。
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2
静止变频器（SFC）
L50012
3. 整流器运行
Distributor lay-out
Ｖ
120 ﾟ Ｕ
120 ﾟ
整流器
传感器 (当一个金属部件靠近时动作) 传感器的放置位置由下面图中给出的相关位置关系确定。
U-W 线电压 (Vu-w)
Distributor output signal U-phase
U-phase γ = 0°
V-U phase to phase voltage (Vv-u)
发电机输出电压
Xi
Yi
Zi
Xi
Yi
Zi
Xi
Yi
Ni
Edi
DC 电压
方式
Ui 可控硅触发 时间
Ui thyristor 每个可控硅的 Vi thyristor 导通周期
Wi thyristor
Xi thyristor
Yi thyriswk.baidu.comor
Zi thyristor
Id Iu
12 3 4 5 6 240 ﾟ
由于在每个逆变换相点处的零电流期间， SFC 输出最大的加速转矩， 所以逆变角 γ可以设置为γ ≒ 0° 。
(A) 发电机感应电压波形
γ=0 ﾟ Eaw (for Ui) Eau
Eav
Eaw
(B) 逆变器脉冲
Wi
Ui
Vi
Wi
Yi
Zi
Xi
Yi
(C) DC 电流 (D) 发电机 U 相电枢电流 (E) 发电机 V 相电枢电流
10
X-phase γ = 0°
Distributor output signal W-phase
W-V phase to phase voltage (Vw-v)
V-phase γ = 0°
Y-phase γ = 0°
Distributor output signal W-phase
1 cy cle
W-phase γ = 0°
通过整流器的相控可以调节输出直流电压为任意值。 当整流器的触发延迟角α为 30°、 90°和 120°时的直流电压波形如图 2 所示。直流 电压是触发延迟角α的函数。
这里
Ed ≒ 1.35 × Es × cosα
Ed : Es :
输出直流电压 输入交流电压 (线电压)
根据直流电流反馈控制自动调节整流器的触发延迟角α。
(1) 脉冲方式运行
在起动的初始阶段和低转速（大约 10%或更低转速）时，当发电机没有足够的电压 输出实现逆变器的换相时，逆变器的换相是通过脉冲方式运行来实现换相的。
无论何时逆变器的电流需要换相时，整流器首先把直流电流减到 0。不久之后，但 要有足够的时间便于逆变器的可控硅恢复闭锁能力—在下一相通流的可控硅开通。来自 整流器的电流再一次达到要求的值。图 3 给出了脉冲方式运行时的波形。
Z-phase γ = 0°
方式 导通可控
硅
电流方向
磁通和电 磁力
1
2
3
Ui
Vi
Yi
Zi
U→X U→X V→Y
Y→V Z→W Z→W
Force
U
Force
U
Force
U
4
5
6
Wi
Xi
Yi
V→Y X→U
W→Z X→U
W→Z Y→V
Force
U
Force
U
Force
U
Y
SZ
N
W
V
X
Flux
YN
Z
S
W
V
X
静止变频器（SFC）
1. 静止变频器 (SFC)慨述
L50012
静止变频器 (SFC)系统将燃气轮机和发电机的转子加速到自持的速度，自持的速度 也就是燃气轮机能够产生足够的动能带动它继续加速运行。
当燃气轮机起动时，首先断开发电机出口断路器。静止变频器 (SFC)系统从高压电 力系统或从连接于柴油发电机的厂用电母线上取电。SFC 将恒定的电压和频率电源变换 成电压和频率可变的电源。可变的电源施加于发电机的定子线圈，使发电机在起动期间 作为同步电动机。
图 7 所示的系统配置显示了两台燃气轮机组连接到各自配有主电源回路和附加电 气部件的公用 SFC 系统。其它的静态起动方式的配置是容易实现的，例如，用于多台 机组起动的两套 SFC 冗余配置。这样的配置使冗余系统具有相当高的起动可靠性，即 使一台 SFC 故障了，燃气轮机仍能起动。
HV transmission line HV circuit-breaker Generator Tr
Commutation point of U → V
那么可控硅Ui就施加有反向电压，如图 4(c) 所示，可控硅 Ui关断，换相完成。
Ui
Vi
Wi
Yi
Zi
Xi
为了保证足够的反向电压和足够的反向 电压持续时间达到闭锁能力，逆变器的逆变 角γ设置为γ0。
(C) Voltage applied to thyristor Ui
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静止变频器（SFC）
L50012
2. 回路配置
SFC 由变压器、DC 电抗器、整流器、逆变器组成，见图 1。 整流器采用三相六脉波全控可控硅整流桥，将恒定的三相 AC 电压变成可变的 DC 电压。
Zero-current period (thyristor Ui is extinguished)
(F) 发电机 W 相电枢电流
图 3 脉冲方式运行时的波形
REFER TO MELCO DOC.：ALU–H4102C
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静止变频器（SFC）
L50012
(2) 负载换流方式运行
在发电机加速到足够的转速并产生足够 的电压以便逆变器换流后，逆变器运行在负 载换流方式。
逆变器也是采用三相六脉波全控可控硅整流桥，将整流器输出的 DC 电压转变成变 幅值和变频率的 AC 电压。这个可变的交流电源施加于发电机使发电机加速到指定的转 速。每个装置的功能见表 1。
SFC
Converter
transformer
DC reactor (DCL)
Inverter
Position sensor
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静止变频器（SFC）
(A) α = 30ﾟ
30 ﾟ
U
V
(U)
(V)
Pr W (W)
(Y)
(Z)
Y
Z
(X)
(Y)
X
Y
(B) α = 90ﾟ
90 ﾟ
(W)
U (U)
V (V)
Pr
W (W)
L50012
Converter output DC voltage Edr is Pr－Nr. Pr
Reverse Ev-Eu voltage period
Ew-Eu
其它相的换相顺序也按同样的方式进
行。SFC 输出交流电。
Reverse voltage applied to
thyristor Ui
Ev-Eu
Forward voltage applied to thyristor Ui
图 4 负载换流方式运行原理
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静止变频器（SFC）
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5. 发电机加速原理
图 5 显示了发电机如何通过 SFC 产生旋转磁场的。 在起动时，发电机实际上是一个同步电动机。SFC 的输出与发电机的定子线圈连 接。依据位置传感器检测到的发电机转子位置信号施加逆变器的触发信号。逆变器的换 相重复为 60°，而每个可控硅的导通周期为 120°。在每一个换相点，定子产生的磁场旋 转为 60°。另一方面，发电机的转子通过励磁系统激磁而变成磁体。定子产生的旋转磁 场作用于磁体转子。结果发电机就通过 SFC 加速旋转。 图 6 显示了逆变器在各个点的电压和电流波形。
(Y)
(Z)
(X)
Y
Z
X
Y
0 Edr = 1.35 × Es × COS 120ﾟ
= -1.35 × Es × 1 2
图 2 整流器输出的直流电压波形
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静止变频器（SFC）
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4. 逆变器运行
逆变器根据安装在发电机转轴上的位置传感器提供的位置信号依次实现换相。脉冲 方式运行时γ≒0° ，负载换相方式运行时 γ≒γ0，在这里γ0必须足够大，才可以使逆变 器的电流换相。逆变器重复上述换相过程而输出交流电。
Auxiliary Tr. circuit-breaker
SFC
To auxiliary grid G
To auxiliary grid
Isolating switch G
图 7 用于多台燃汽轮机的 SFC 系统
注意:
为了便于理解在该文件中采用了简化计算，与实际的 SFC 运行有一点不同。
REFER TO MELCO DOC.：ALU–H4102C
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静止变频器（SFC）
逆变器 Pi
Ui Vi Wi
Edi
IV
=Pi-Ni
Ni
Xi Yi Zi
逆变器触发信号
磁通
Ea IU
汽轮发电机
U
Y
Z
W
V
X
在下面显示的方式 1 的电流和磁场方向
L50012
SFC 控制回路 调节逆变角 γ
发电机轴 Ｗ
120 ﾟ
(A) Generator output voltage
γ=0 ﾟ
U-phase Eu
γ=0 ﾟ V-phase
Ev
Voltage applied to the thyristor Ui
Ew
负载换流方式运行的原理见图 4。这儿
重复换相角 u 为负。 现在，换相点从 U 到 V:
γ0
γ0
如果可控硅Vi由脉冲触发，如图 4(B)所示， (B) Inverter gate signal
Flux
N
Y
Z
S
W
V
X
Flux
Y
NZ
S
W
V
X
Flux
图 5 发电机加速原理
YS
Z
N
W
V
X
Flux
S
Y
Z
N
W
V
X
Flux
REFER TO MELCO DOC.：ALU–H4102C
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静止变频器（SFC）
L50012
W-相电压 e
Pi
γ0 Ui 触发时间
U-相电压
V-相电压
Wi
Ui
Vi
Wi
Ui
Vi
Wi
调节整流器侧的直流电压 Edr 稍微大于逆变器侧的
直流电压 Edi. (Edr > Edi).
Es
直流电流 Id，等于电压差 ∆V = Edr – Edi 除以直流
回路电阻 R，该电流流过直流回路。
Id
＋
＋
Edr Edi
－
－
Id = ∆V = Edr − Edi
R
R
P = Ed ･ Id Edr > Edi
Turbine generator
Ur Vr Wr
Eu
Id
Ui Vi Wi
Xr Yr Zr SFC system
Xi Yi Zi
图 1 SFC 主回路
Ea
U
IU
IV
Y
Z
IW
W
V
X
Flux of magnetic field
表 1 装置的功能 装置
功能
SFC 变压器
提供整流器的输入电压；一旦出现整流器的桥臂短路时，它的 漏抗也起着限制短路电流的作用。
基波分量
120 ﾟ
发电机电 流波形 Iv
Iw
图 6 负载换流方式下加速期间电压和电流波形
REFER TO MELCO DOC.：ALU–H4102C
9
静止变频器（SFC）
L50012
6. 汽轮发电机系统配置示例
SFC 硬件的高可靠性和高可用性使得单台的 SFC 系统能够用于多台燃气轮机组的 起动。
Es
Edr = Pr －Nr
Nr Nr
Edr = 1.35 × Es × COS 30ﾟ
0
= 1.35 × Es × 3
2
(Y) Y
(Z) Z
(C) α = 120ﾟ
120 ﾟ
U
(W)
V (U)
(X) X
Nr
(Y) Y
Edr = 1.35 × Es × COS 90ﾟ 0
=0
W
Nr
(V)
(W)
Pr
(X)
整流器
通过相控可控硅控制直流电压输出使直流电流为一个适当的 值。
DC 电抗器(DCL) 对直流电流进行平波。
逆变器
通过相控可控硅将直流逆变成频率与发电机转速一致的交流 电压使发电机平滑加速。
REFER TO MELCO DOC.：ALU–H4102C
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静止变频器（SFC）
L50012
3. 整流器运行
Distributor lay-out
Ｖ
120 ﾟ Ｕ
120 ﾟ
整流器
传感器 (当一个金属部件靠近时动作) 传感器的放置位置由下面图中给出的相关位置关系确定。
U-W 线电压 (Vu-w)
Distributor output signal U-phase
U-phase γ = 0°
V-U phase to phase voltage (Vv-u)
发电机输出电压
Xi
Yi
Zi
Xi
Yi
Zi
Xi
Yi
Ni
Edi
DC 电压
方式
Ui 可控硅触发 时间
Ui thyristor 每个可控硅的 Vi thyristor 导通周期
Wi thyristor
Xi thyristor
Yi thyriswk.baidu.comor
Zi thyristor
Id Iu
12 3 4 5 6 240 ﾟ
由于在每个逆变换相点处的零电流期间， SFC 输出最大的加速转矩， 所以逆变角 γ可以设置为γ ≒ 0° 。
(A) 发电机感应电压波形
γ=0 ﾟ Eaw (for Ui) Eau
Eav
Eaw
(B) 逆变器脉冲
Wi
Ui
Vi
Wi
Yi
Zi
Xi
Yi
(C) DC 电流 (D) 发电机 U 相电枢电流 (E) 发电机 V 相电枢电流
10
X-phase γ = 0°
Distributor output signal W-phase
W-V phase to phase voltage (Vw-v)
V-phase γ = 0°
Y-phase γ = 0°
Distributor output signal W-phase
1 cy cle
W-phase γ = 0°
通过整流器的相控可以调节输出直流电压为任意值。 当整流器的触发延迟角α为 30°、 90°和 120°时的直流电压波形如图 2 所示。直流 电压是触发延迟角α的函数。
这里
Ed ≒ 1.35 × Es × cosα
Ed : Es :
输出直流电压 输入交流电压 (线电压)
根据直流电流反馈控制自动调节整流器的触发延迟角α。
(1) 脉冲方式运行
在起动的初始阶段和低转速（大约 10%或更低转速）时，当发电机没有足够的电压 输出实现逆变器的换相时，逆变器的换相是通过脉冲方式运行来实现换相的。
无论何时逆变器的电流需要换相时，整流器首先把直流电流减到 0。不久之后，但 要有足够的时间便于逆变器的可控硅恢复闭锁能力—在下一相通流的可控硅开通。来自 整流器的电流再一次达到要求的值。图 3 给出了脉冲方式运行时的波形。
Z-phase γ = 0°
方式 导通可控
硅
电流方向
磁通和电 磁力
1
2
3
Ui
Vi
Yi
Zi
U→X U→X V→Y
Y→V Z→W Z→W
Force
U
Force
U
Force
U
4
5
6
Wi
Xi
Yi
V→Y X→U
W→Z X→U
W→Z Y→V
Force
U
Force
U
Force
U
Y
SZ
N
W
V
X
Flux
YN
Z
S
W
V
X
静止变频器（SFC）
1. 静止变频器 (SFC)慨述
L50012
静止变频器 (SFC)系统将燃气轮机和发电机的转子加速到自持的速度，自持的速度 也就是燃气轮机能够产生足够的动能带动它继续加速运行。
当燃气轮机起动时，首先断开发电机出口断路器。静止变频器 (SFC)系统从高压电 力系统或从连接于柴油发电机的厂用电母线上取电。SFC 将恒定的电压和频率电源变换 成电压和频率可变的电源。可变的电源施加于发电机的定子线圈，使发电机在起动期间 作为同步电动机。
图 7 所示的系统配置显示了两台燃气轮机组连接到各自配有主电源回路和附加电 气部件的公用 SFC 系统。其它的静态起动方式的配置是容易实现的，例如，用于多台 机组起动的两套 SFC 冗余配置。这样的配置使冗余系统具有相当高的起动可靠性，即 使一台 SFC 故障了，燃气轮机仍能起动。
HV transmission line HV circuit-breaker Generator Tr
Commutation point of U → V
那么可控硅Ui就施加有反向电压，如图 4(c) 所示，可控硅 Ui关断，换相完成。
Ui
Vi
Wi
Yi
Zi
Xi
为了保证足够的反向电压和足够的反向 电压持续时间达到闭锁能力，逆变器的逆变 角γ设置为γ0。
(C) Voltage applied to thyristor Ui