IGBT在响洪甸抽水蓄能电站SFC中的应用

杨涛

(安徽省响洪甸蓄能发电有限责任公司，安徽　六安　237335)

【摘　要】　抽水蓄能电站具有独特的调峰填谷、事故备用和黑启动特性。水泵启动作为可逆式蓄能机组的一个重要运行方式，其启动成功率逐渐成为当今研究的热点。目前抽水蓄能机组大多数都采用传统的高—低—高可控硅变频装置。安徽省响洪甸抽水蓄能电站首次将基于IGBT功率单元的静止变频启动装置应用于抽水蓄能机组启动，运行多年，水泵启动成功率较高。IGBT功率单元因其关断速度快、控制灵敏等特点在变频器控制中优势明显，在大功率IGBT运用更加成熟、可靠之后，基于IGBT功率单元的静止变频器将逐渐代替可控硅静止变频器，成为抽蓄机组水泵启动的主要方式。

【关键词】　SFC;IGBT;变频启动

0　引言

响洪甸抽水蓄能电站于2000年建成投产，电站安装两台40MW/55MW的可逆式抽水蓄能机组，该电站是在原响洪甸水电站旁建设而成，利用已有的响洪甸水库作为上水库，在电站下游河道上筑坝建成下水库，机组发电水头27.00～62.00m，抽水扬程33～64m，发电工况额定水头45.00m，转速150r/min。机组水泵工况设计采用两种转速，即水泵工况扬程为32～51m时采用150r/min，扬程为48～64m时采用166.7r/min，机组依靠定子变极，转子采用大小磁极来改变机组转速。响洪甸抽水蓄能电站发电电动机参数见表1。

1　响洪甸抽水蓄能电站变频器构成

整个变频器系统是采用基于IGBT功率单元多级串联多电平新型高压变频器，主要包括整流移相变压器柜、变频柜、控制柜、输入输出柜等，整体结构见图1，变频器系统整体体积仅为采用可控硅控制方式系统体积的一半，用整流移相变压器作为输入变压器，不需输出变压器，大大简化了变频器的结构，使得运行维护更加简便。

1.1　整流移相变压器

整流移相变压器是采用NOMEX绝缘材料，绝缘等级为H级的干式变压器，变压器结构见图2。为达到降低输入谐波的目的，变压器采用多重化设计，变压器的原边绕组直接与电网侧相连，副边有27个二次绕组，采用延边三角形连接方式，分为9个不同的相位组，互差10个电角度，每相由9个功率单元串联而成，形成54脉波的二极管整流电路。

1.2　IGBT功率单元

变频器的功率单元由27个(三相)IGBT低压功率模块组成，每个功率模块为三相整流单相逆变型，每相各模块相互叠加后即可得到所需电压输出，为使输出电压达到10.5kV，功率输出部分每相由9个电压为690V的功率单元串联而成，每个功率单元承受全部的输出电流，但是只提供1/9的相电压和1/27的输出功率，整流移相变压器的27个二次绕组分别接到每个功率单元三相二极管整流桥的输入端，每个功率单元的结构见图3。

1.3　控制单元

控制单元主要由操作面板、控制电路板、供电模块3部分组成，还包括专用的PG测速装置及信号转换器等。安川电机公司在变频控制回路与功率单元的接口上，考虑到信号绝缘性和抗杂波干扰等因素，以分配PWM载波频率的HUB基板为中介采用光纤连接，保证了信号传输的稳定性，针对可能出现的功率单元故障，故障瞬间对功率单元都采用了瞬间控制极封锁保护。

2　IGBT功率单元SFC的工作原理

2.1　IGBT的定义

IGBT(绝缘栅双极型晶体管)，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合型全控型电压驱动功率半导体器件，兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大;MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。

2.2　脉宽调制(PWM)控制原理

脉宽调制(PWM)是指将输出的电压分解成很多脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或所需要的波形。在PWM控制中，由直流转换成交流电压，通过开关选择直流电压的正负极，在输出端子间产生交流电压，见图4，整流开关动作按照一定的时间顺序错开，多重串联PWM控制输出电压便可形成由阶梯状波形叠加出来的近似正弦波形的电压。

阶梯波形的PWM波形合成原理见图5。合成波形是将3个功率单元输出电压所能得到的数值按照1，0，-1的规律进行合成，根据其组合形成3，2，1，0，-1，-2，-3 7个等级的阶梯波形。因此，如果对串联连接的每个功率单元都进行PWM控制，多重串联PWM控制输出电压波形将接近正弦波。

2.3　响洪甸抽水蓄能电站SFC工作原理

响洪甸抽水蓄能电站SFC系统采用交—直—交三相不控整流/单相逆变的变频器，即变频器是三相690V交流输入，单相690V交流输出，整流侧为二极管不可控整流，将输入的三相交流整流成直流，逆变侧为IGBT模块的H桥单相逆变，通过对IGBT逆变桥进行正弦调制PWM控制，可将直流逆变得到的PWM波形单相交流输出。

基于IGBT功率单元的10.5kV变频器控制原理见图6，由电网输入的三相10.5kV交流电源接入整流移相变压器，整流移相变压器的二次绕组有27个，三相绕组分别给27个变频功率单元提供三相690V交流电压，而每相由9个变频功率单元串联，每相上的9个变频功率单元输出的PWM波相叠加后，三相采用Y型连接，形成线电压10.5kV的高质量正弦波，输出提供给电机，通过变频控制正弦波的高压幅值和频率，从而进行控制电机转速。

3　IGBT技术与可控硅的区别

传统的可控硅构成的静止变频器结构复杂，需要加装输入降压变压器、输出升压变压器，无形中增加了系统的故障点，而由IGBT构成的高—高变频方式无须增添额外的设备，系统结构清晰，稳定性较高，二者系统对比见图7和图8。

传统可控硅构成的静止变频器一般输出6脉波或12脉波的不整齐电流波形，其高次谐波对电网影响较大，而IGBT构成的高—高变频器输出的是能达到27脉波的正弦波电流，电机启动过程平稳，没有大的波动，IGBT构成的变频器启动装置无须强迫换相，提高了系统运行的可靠性。

由于IGBT的开关速度是可控硅开关速度的数十倍，所以IGBT构成的高压变频器的输出控制精度相对可控硅构成的变频器的控制精度要高，一般IGBT静止变频器控制精度为0.03Hz，而可控硅静止变频器只有0.1Hz。

4　响洪甸抽水蓄能电站SFC测速系统

4.1　PG测速装置

为保证基于IGBT的高压变频器可靠运行，响洪甸抽水蓄能电站SFC系统采用专用的PG测速装置，见图9，输出脉冲达到4096脉冲/转，精度要求非常高，同时对于抗干扰能力也提出了更高的要求。

电机旋转过程中通过PG装置输出A/B两路方波转速信号，见图10，两路方波相位存在一定的偏移。通常，从输入轴侧来看时，如果PG为顺时针方向旋转，则为A相超前，另外输出正转的指令时，从输出侧来看电机为逆时针旋转，对抽水蓄能机组来说，发电工况机组正转，抽水工况机组反转，要求B路脉冲波形在相位上超前A相一定角度。

4.2　PG测速优化

近年来，由于PG测速装置安装位置不合理以及机组本身振动大等诸多因素，引起机组启动不成功的事件时有发生，大大降低了变频器拖动成功率。另外机组运行过程中固定支架的摆度无法克服，在机组拖动运行过程时，直接导致PG轴磨损，引起测量偏差，转速测量过程中方波的部分丢失直接导致变频器对输出电流失去有效控制，引起过电流保护动作。PG测速装置现场实际安装位置见图11。

安川电机公司的FSDriveMV1S型高压变频器采用带矢量控制的新一代变频器，通过控制输出电流的大小来控制拖动电机的转速。在电机加速过程中通过加快IGBT的开关动作，使变频器输出电压的幅值和频率不断提高，从而带动电机加速运行。在机组转速接近达到额定转速时，由于机组本身振动原因，转速反馈出现较大波动，加速度过大直接导致电流反馈异常。启动期间励磁电流的大小决定了电机由静止到额定转速的时间，通过减少启动期间励磁电流的大小，降低机组加速期间的加速度，增加加速时间，从而确保电机在高速时不出现过电流保护动作。测速优化后，变频器运行稳定，可靠性进一步增强。

5　结语

本文对响洪甸抽水蓄能电站的变频启动装置进行了介绍，主要对IGBT功率单元的工作原理以及PG测速优化进行了重点研究。基于IGBT功率单元在抽水蓄能电站的使用尚属首次，国内目前的抽水蓄能电站单机容量都在300MW左右，对变频器的容量和电压要求更高，但随着电力电子器件的研制水平不断提高，完全有可能满足抽水蓄能电站机组启动的要求，相信在不久的将来，基于IGBT功率单元的静止变频器将逐渐替代可控硅静止变频器，成为蓄能机组启动的主要方式。

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作者简介:

杨涛(1990—　)，男，江西高安人，大学本科，助理工程师，主要从事变频器、励磁控制等相关方面研究。E-mail:yt19900318@163.com