SFC启动基本原理及典型故障分析

梁绍泉，何双军

(山东山抽水蓄能电站有限责任公司，山东　泰安　271000)

【摘　要】　静止变频器(Static Frequency Converter，SFC)因其具有启动力矩大、响应速度快、对电网干扰小、可靠性高等优点，成为大型抽水蓄能机组水泵方向启动的主要方式。本文主要介绍了SFC的基本组成、启动原理、主要启动流程(转子初始位置的判断、脉冲运行、换相运行和同期并网)，日常运行中常见故障的分析及处理。对同类型SFC设备维护消缺有一定指导借鉴意义。

【关键词】　SFC;启动原理;变送器;故障分析

0　引言

抽水蓄能电站以其启动快速、工况转变灵活等特性，成为电网的“调节器”“稳压器”“蓄电池”“最后一根火柴”。在保障电网安全稳定运行的同时，近年来，我国抽水蓄能电站的建设也在促进区域生态文明建设和经济社会发展方面发挥了显著作用。

“十二五”期间抽水蓄能电站迎来大发展，目前国内投运抽水蓄能电站超过20家，在建抽水蓄能电站十几家，“十三五”期间将有更多抽水蓄能电站核准、开工建设。

抽水蓄能机组水泵方向启动时需要外力将其拖至额定转速，SFC是利用晶闸管将输入的工频交流电变成连续可调的变频交流电输出装置，因其启动力矩大、对电网干扰小、可靠性和自动化程度高等特点，成为抽水蓄能机组电动机工况的主用启动方式。SFC故障将直接影响抽水蓄能机组水泵的启动，故SFC在抽水蓄能电站中具有极其重要的地位，其安全可靠运行，对电网安全稳定运行具有重要的意义。

1　SFC系统简介

我厂安装4台单机容量为250MW的单级混流可逆式发电/电动机组，配置一套SFC系统。SFC装置由瑞士ABB公司提供，额定容量14.3MW，输出电压0～17.325kV，输出频率0～52.5Hz，可连续启动次数不小于6次。

SFC系统由输入断路器、输出断路器，输入变压器、输出变压器、整流器、逆变器、旁路隔离开关、直流电抗器等设备组成。SFC系统主回路接自1号、3号主变压器低压侧，分别通过输入断路器与SFC输入变压器连接，后经整流逆变后供给定子绕组。机组启动时，其中旁路隔离开关保证给机组较大的初始启动电磁力矩，直流电抗器用于整流桥输出后的平波和去耦，起电流稳定器的作用，抑制直流回路的纹波，改善逆变器的工作条件。

2　SFC系统启动原理

SFC变频启动采用2套格里茨桥式结构，网桥同系统电网连接，机桥与启动机组连接，中间连接设备为直流电抗器。

网桥由电网侧换相并且以恒定的频率(电网频率)运行。机桥和同步电动机(负载侧)相连，它是由电机侧换相并且以变化的频率运行。因此负载必须提供逆变器控制和换相所需要的无功功率，而工作于过励状态的同步电动机可以满足这些条件。负载换相逆变器正是利用同步电机功率因数超前的特性，即利用滞后于电流相位的反电动势实现换相。

在任何时间负载侧晶闸管电流都会流经3相定子绕组中的2相。同步电机的三相定子绕组呈120°角位移，每当负载侧逆变器的另外一对晶闸管触发时定子绕组产生的磁通就会旋转60°。励磁系统提供电流给转子中的励磁绕组，这样产生了转子磁通。当励磁绕组产生的磁通和定子绕组产生的磁通正交时电磁转矩达到了最大值。每当位于负载侧变流器的一对晶闸管触发时，这个电磁转矩就会将转子旋转60°。这样当负载侧变流器晶闸管按照一定逻辑顺序触发导通时，电机的转子就可以连续旋转起来。

3　SFC启动流程

3.1　转子初始位置判断

采用电磁感应法进行转子初始位置判断的原理是:首先由变频器设定并给出一个按阶跃函数变化的励磁电流值，此时尽管机组处于静止状态，但是由于机组的励磁电流在随给定命令增长的过程中是变化的，此变化的励磁电流会在定子三相绕组中感应出电压，显然三相感应电压的相位、幅值与转子的初始位置有关。机组在启动之初，转子处于静止状态，不能用定转子相对运动的机理来判断转子位置。但是在向转子励磁绕组施加励磁电流的瞬间，电机定子三相绕组中会感应出不同相位的电动势，利用这些电动势，可以推算出转子的位置。

3.2　脉冲运行阶段

由于刚开始启动时机端无电压，SFC不能进行正常换相，只能采用脉冲运行方式强迫机侧逆变桥进行换相。此时，网侧整流桥工作在整流状态。这个阶段一直持续到转速达到额定转速的10%，即频率为5Hz时。

在脉冲切换方式下，全控桥同一时刻只有2个臂同时导通，处于导通的2个臂称为处于“导通态”。全控桥各桥臂按如下6组顺序轮流处于导通态，即1-2、2-3、3-4、4-5、5-6、6-1，每组导通60°，360°为1个周期。从1个导通组切换至另1个导通组，称为换相。每一导通组必须确保同步电机中电枢反应与转子磁极的平均位置正交，而作用扭矩的方向即由电枢反应与转子磁极位置确定，与转子的转向无关。

3.3　正常换相阶段

随着电动机频率升高，当转速达到额定值的10%时，电动机机端电压也已足够大，SFC可以进行正常换相。此时，SFC旁路隔离开关置于输出变压器侧，SFC参与机组的转速和励磁调节。

3.4　同期并网阶段

当电压和频率偏差满足同期条件时，即达到95%额定转速时，启动机组同期装置，同期装置根据机组与电网之间的频率差，产生一个转速微调信号，自动调整SFC输出电流，对转速做微调，实现与电网的同期运行。并网后整流器的晶体管即运行于全逆变状态，其输出电流迅速降为零，关闭晶闸管，然后闭锁整流器和逆变器的全部出发脉冲，SFC装置退出，完成整个启动过程。

4　典型故障分析

4.1　故障现象

1号机组抽水调相工况启动，当SFC拖动1号机组转速升至68%时，监控系统报出“Excitation Current FB FAULT COMING、SFC TRIP COMING、ICB2 FB Error Coming、SFC StorError coming”报警信息，导致SFC故障退出运行。

SFC现地控制盘柜显示“T Excit Current Feedback Failure(励磁电流反馈故障)”报警信息，设备无明显异常做好故障信息记录后将SFC现地盘柜报警信息复归。

4.2　原因分析

对报警信息进行分析发现“Excitation　Current　FB FAULT COMING”报警出现原因为实际励磁电流与给定值偏差过大。报警软件图见图1。

励磁电流设定值通过MAX(23)功能块输入ADD(24)功能块，通过ADD功能块与取反后的励磁电流实际值相加算出两者偏差，ABS功能块将偏差值取绝对值处理，将其输入THRUL (施密特上限触发器)模块。当输入值≥(阈值水平UPLIM+滞后输入值HYS)时(即输入值≥12%ne)，输出信号“≥LIM”将会变为逻辑状态1，当转速小于94%ne与EXC ON(励磁系统投入)逻辑状态同时为1时，延时5s输出报警信息并跳SFC。

同时，利用SFC调试电脑与控制柜连接，下载SFC启动运行曲线。SFC系统给定的励磁电流设定值与励磁电流实际值两者运行曲线见图2。

由图2分析得出，在达到60%额定励磁电流以前，iew与iex两者曲线基本吻合，当大于60%额定电流后，iew仍持续上升而iex基本保持不变，两者偏差逐渐增大。分析可能是励磁电流给定及反馈信号回路存在问题。

4.3　检查及处理

励磁电流设定值信号由SFC控制系统发出的0～10V直流电压信号经柜内U51转换为4～20mA电流信号送至机组励磁控制柜内的U70，励磁电流实际值则由机组励磁控制系统发出的0～10V直流电压信号经U71转换为4～20mA电流信号送至SFC的U50，由SFC系统内部程序对两个信号进行比较，如偏差超过12%，延时5s SFC跳闸。

对1号机组进行CP工况启动试验(当转速达到80%时停机)，试验前分别在上述四对端子间串联电流表。试验中，通过对比励磁侧、SFC侧控制屏与电流表示数证明励磁侧数据正常，SFC侧SFC系统发出的励磁电流给定值异常，SFC系统试验值见表1。

通过分析得出，SFC系统发出的励磁电流给定值控制屏示数与电流表示数转化值偏差较大，说明两者之间变送器性能不稳定。

根据上述分析并查找图纸后，用信号发生器对SFC系统侧到励磁系统变送器U51进行校验，转换电流曲线对比图见图3。

分析可知，SFC系统侧到励磁系统变送器性能不稳定，当输入电压大于6V时其转换电流保持在14mA左右，与理论值偏差逐渐增大，与SFC记录故障波形趋势一致，可以初步判断因为变送器引起启动失败。

对SFC系统侧到励磁系统变送器U51进行更换，更换前对变送器备件进行校验，更换后转换电流曲线对比图见图4。

更换完毕后再次对1号机进行CP工况启动试验，1号机成功并网，SFC系统试验值见表2。

处理后SFC系统给定的励磁电流设定值与励磁电流实际值两者运行曲线见图5。

可以得出，更换变送器后SFC系统发出的励磁电流给定值与励磁电流实际值一致。

5　结语

对SFC启动原理及流程的了解与掌握有助于日常维护消缺工作的开展。SFC系统运行时间较长，部分元器件出现老化现象，性能逐渐降低，故障概率增大。日常维护工作中要有针对性地对各类元器件进行检查校验，以判断元器件的性能是否良好，必要时进行更换，确保SFC系统可靠、稳定运行。

作者简介:

梁绍泉(1985—　)，男，辽宁开原人，本科，助理工程师，主要从事大型抽水蓄能电站电气一、二次设备检修维护、运行管理工作。E-mail:spring.218@163.com

何双军(1982—　)，男，湖南祁阳人，本科，中级工程师，主要从事大型抽水蓄能电站电气一、二次设备检修维护工作。E-mail:heshuang3276@163.com