呼蓄电站静止变频器系统的原理及应用

廉晓威

(呼和浩特抽水蓄能发电有限责任公司，内蒙古　呼和浩特　010000)

【摘　要】　抽水蓄能电站静止变频器系统具有无级变速、启动平稳、反应速度快、调节精度高以及很强的自我诊断能力等优点，非常适合作为容量大、台数多的大型抽水蓄能电站机组泵工况启动的拖动设备。研究分析静止变频器(Static Frequency Converter，SFC)需要对其分类、主要构成元器件以及各自作用进行了解，同时也需要对其启动方式及工作原理进行深度研究。

【关键词】　静止变频器;转子位置;同期并网;电导率

0　引言

呼和浩特抽水蓄能电站是三峡集团第一座抽水蓄能电站，装机容量4×300MW，在蒙西电网中承担调峰填谷、事故备用作用。呼蓄电站装设有一台SFC，由瑞士ABB公司制造。SFC可将发电电动机从静止状态平稳地拖动到额定转速，具有无级变速、启动平稳、反应速度快、调节精度高、自我诊断能力强等优点，因此适合作为容量大、台数多的大型抽水蓄能电站机组泵工况启动的拖动设备。以下介绍呼蓄电站SFC的主要设备、在运行过程中出现的问题及处理方法。

1　SFC的结构

1.1　结构原理及特点

按照整流器和逆变器的工作电压，SFC可以分为高—高接线方案和高—低—高接线方案，呼蓄电站为高—低—高接线方案。

1.1.1　结构原理图

输入输出变压器参数完全相同，变比为18kV/5.576kV，容量皆为22410kVA，输入变额定频率50Hz，输出变工作频率为5～52.5Hz，接线方式为Dyn5，能有效抑制三次及阶次为三倍数的谐波干扰，输入变压器对抑制谐波有明显效果。

功率单元由6脉冲可控硅整流器和6脉冲可控硅逆变器组成，额定交流为2430A，各桥臂由4个可控硅串联而成，其中1个可控硅为冗余，水冷却方式。直流部分为一个4.0mH直流电抗器，额定电压6000V，额定电流2976A，冷却方式同为水冷却。

1.1.2　高—低—高可控硅电流源型变频器特点

该结构相对复杂，需要一个输入降压变压器和一个输出升压变压器，一次性投入成本较高。输出变压器在低频(5Hz以下)阶段由并联的旁路开关旁路，发电电动机频率升至5Hz以上后回路再由旁路切换到变压器位。优点为功率单元降压后，单个整流桥或逆变桥所需串联可控硅数较少，监视回路可简化。

2　SFC的主要元件及作用

SFC主要由功率部分、控制部分、保护部分、电源部分及辅助设备等组成。

功率部分是SFC实现功率转换的基本部件，主要由可控硅整流桥和逆变桥及平波电抗器组成;控制部分是SFC的核心控制部件，主要由高性能控制器、模拟量采集与脉冲触发单元组成;保护部分包括控制器内置保护和功率部分保护，其中控制器内置保护属快速保护，通常作为静止变频器的主保护，而功率部分保护通常作为前者的后备;电源部分包括控制器用控制电源、辅助设备用动力电源、开关设备用控制电源、保护装置电源、照明与加热器电源等;辅助设备主要指冷却单元。

3　SFC的工作原理

3.1　可逆可控桥的基本原理

静止变频器有三个基本组成，两个可控硅全控桥，分别为网桥和机桥，还有一个直流平波电抗器。SFC运行的关键是成功实现逆变，而逆变成功的关键是按照预订的顺序，实时实现晶闸管的换相，即一个桥臂晶闸管关闭，另一个桥臂晶闸管导通。

导通晶闸管必须具备两个条件:①在阳极和阴极之间施加正向电压;②在门极施加触发脉冲。

晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用，即使触发脉冲已经不在，只要正向电压存在，晶闸管就会继续导通。关断晶闸管必须采取以下两条措施中的一条:①在阳极和阴极之间施加反向电压;②关断给晶闸管供电的电流源或电压源。

3.2　SFC在机组不同转速下的运行模式

3.2.1　脉冲模式

在启动的初始阶段，当转速低于额定值的10%时，电机的电动势不足以关断逆变器中晶闸管来维持换相，此时必须由SFC依次向电机定子各相绕组提供电流脉冲，实现强制换相，强制换相运行时必须反复关断、开通晶闸管，所以各相电流的波形是间断的，导通脉冲的发出时刻是根据转子当前位置确定的，确定的原则是按照驱动力矩轴超前转子极轴90°的原则，使转子获得最大转矩。

3.2.2　同步模式

电动机转速大于10%额定值后，电动机的反电动势已经足够使逆变器实现自然换相，将逆变器可控硅对应的正向电压过零点作为自然换相点。调节器根据力矩设定值和频率基准值，通过测量机桥、网桥侧电压、电流来控制机桥网桥的触发脉冲，调节输出的启动电流，从而将机组拖动到额定转速。

呼蓄电站的强制换相和自然换相节点在转速为8%额定转速时，在拖动过程中，励磁电流大小是由SFC控制且给定为一恒定值，因此拖动过程中机端电压与其频率、转速成正比，即对应转速8%额定转速时频率为4Hz。因而由其运行模式的特点可知，需要导通的桥臂组别和其脉冲控制角的大小是SFC的核心技术。

3.3　转子位置的判断

不论处于哪个启动阶段，采用哪种换相方式，控制系统都需要知道转子的位置，以便确定为使转子获得最大转矩应该通电的定子绕组相别，从而确定应该导通的桥臂。呼蓄电站采用的是利用盘柜BPA70中的电压互感器T24、T25计算电机电压矢量的办法确定转子位置，省去了传感器。为了方便分析，假定电机的极对数为1，电角度与机械角度一致，假定机桥直接连接到电机。

3.3.1　转子初始位置的判断

在启动之初，转子处于静止状态，不能用定子相对运动的机理来判断转子位置。但是在施加励磁电流的初瞬间，电机定子三相绕组中会感应出电动势，利用这些电动势，可以推算出转子的位置。

施加励磁电流时，定子三相绕组中因互感产生的磁通可以表示为

式中:φu、φv、φw为转子电流在定子三相绕组中产生的磁通;M为定转子之间互感;if为转子电流;γ为转子轴线与U相轴线夹角，转子初始位置原理见图1。

通过计算得

定子绕组空载时，eu0=Uu，ev0=Uv，ew0=Uw。而各相电压是可以测得的，所以γ可求得。而转子位置可能有无限个，但机桥可能导通的桥臂组合只有6种导通方式。即1-2、2-3、3-4、4-5、5-6、6-1。将电机定子内空间划分为6个60°的扇形区，每扇形区的轴线都是定子某相绕组磁场的轴线，则转子必处于6个扇形区之一。转子绕组施加电流的瞬间，转子处于不同位置时会对应一个γ值的范围。只要测得电机三相电压，算出γ角度，就可以推算出转子处于6个扇形区中的哪一个，实现转子初始位置的识别。

3.3.2　频率低于1Hz时转子位置的判断

转子开始转动，但是频率低于1Hz(即转速低于2%额定转速)时，定子各相绕组感应电动势的幅值很低，此时转子位置的识别方法为估算法。

转子的运动公式为式中:C为常数;I为定子电流，由SFC通入定子，选择合适的控制角度可以使I也为常数;ϕ为转子磁通，由励磁系统电流决定，也为固定值。

式中:J为机组的转动惯量;Ω为转子角速度;TM为SFC提供的驱动力矩;TR为机组阻力矩。

故TM在此转速内为常数，而阻力矩也可近似认为为常数。

通过计算可得

式中:γ为转子轴线与定子U相磁场轴线夹角;γ0为此前算得的转子初始轴线与U相磁场轴线夹角。

3.3.3　频率高于1Hz时转子位置的判断

转速高于2%额定值时，定子端电压的幅值已经足够大，可以利用更为精确地计算方法实现转子位置的识别。各相绕组端电压是由转子磁场运动产生的，其幅值与当时转子空间位置直接相关，所以各相绕组端电压幅值的组合能够反映转子的位置。通过坐标变换将同步电动机模拟成等效直流电动机，再用控制直流电动机的方法进行控制。

根据交流电流基本公式为

可计算

4　呼蓄电站SFC系统问题及解决方案

呼蓄电站SFC系统自2014年9月调试并投入运行后至今在运行过程中出现了若干方面的问题。

4.1　配合问题导致发电机失磁

呼蓄电站在抽水方向开机过程中存在多次并网瞬间，发电机组失磁保护动作导致开机失败的情况。

2015年1月20日凌晨4:48，运行部四值执行调度命令:“1号机组由停机转抽水”，机组正常启动至同期并网，4:55:43 GCB开关合闸令发出，GCB合闸;同时监控系统出现以下报警:“1号发电机保护A套动作停机”“1号主变保护A套动作跳闸”“开关站500k母线5011分闸”“变频器1号输入断路器821分闸”“1号机组电气事故动作”“1号机组励磁综合跳闸”“SFC综合跳闸”“SFC一类跳闸”“变频器输出断路器SFC06分闸”，造成500kV开关、GCB开关、FCB、SFC06等开关跳闸。

同期装置继电器同时发出三个同期信号分别发送给GCB(801)、励磁系统和SFC系统，GCB在收到同期并网令后立即合801开关;SFC系统在收到同期并网令后开始封脉冲，此过程约为15ms;励磁系统则退出SFC给定，切换到自己控制的手动模式，将励磁电流保持住，此过程约为20ms。该过程存在一个问题:SFC系统已经封完脉冲，可能励磁系统还未从SFC给定切换到手动方式，如果SFC系统封完脉冲的同时将励磁电流给定值降为0，则励磁系统电流实际值也将降为0，即存在发电电动机失磁问题。

2015年2月13日在抽水开机过程中再次出现并网瞬间失磁保护动作情况，此次故障原因查找综合以前情况，从监控系统事件记录查看。GCB合闸信号已经送过来几秒后“同期装置运行”信号才在监控系统上显示，励磁系统从“手动”模式切换到“自动”模式，以至于在GCB合闸后励磁系统一直还运行在“手动”模式，导致失磁保护动作。

解决方法:修改监控系统流程，在机端电压达到90%额定电压以上“与”转速到达95%额定转速以上时，SFC系统释放同期信号，“同期装置启动”信号来后励磁系统手、自动进行切换，与此同时在“同期装置启动”信号来后6s“同期装置运行”信号才出现，使励磁系统的手、自动切换完全保证在GCB合闸前完成。

由于对SFC系统、励磁系统与监控系统的配合未研究透彻，最初失磁保护动作查找原因一直在SFC自身程序上，并未跳出单个系统，纵览全局。更改监控系统程序后至今13个月的时间内机组抽水方向开机再未出现过失磁保护动作问题。

4.2　水系统问题

SFC水冷却系统在运行了半年左右的时间后二次循环水电导率在SFC拖动机组过程中上升速度变得越来越快，甚至由于电导率上升过高，SFC跳闸导致抽水方向开机失败。

鉴于去离子罐在SFC拖动过程中降低电导率的能力越来越差，经研究决定，每隔2天时间手动启动一次SFC系统的辅助系统。由于水冷系统在静止状态下检测到的二次水电导率不是真实的，所以在每隔2天启动一次辅助系统时，在启动后电导率都会由启动前的0.24μS/cm左右直接飙升到0.5～0.6μS/cm，超过报警值，而后随着辅助系统的运行电导率继续升高到0.7μS/cm左右，再随着去离子罐的参与电导率慢慢下降，降到0.17μS/cm，然而电导率由0.7μS/cm下降到0.17μS/cm的时间越来越长。

鉴于此种情况提出了两个方案。

(1)SFC水冷系统的报警跳闸定值的修改及系统的自动启动。呼蓄电站SFC拖动一台机组启动的时间约为240s，先前水冷系统跳闸定值为0.7μS/cm，延时3min跳闸。

由于出现过电导率超过0.7μS/cm的时间大于3min而导致的跳闸故障，故将跳闸延时时间整定为5min。同时设定SFC辅助系统自启动功能，当检测到电导率超过0.25μS/cm后系统自动启动，电导率降低到0.18μS/cm后系统停止，期间最小运行时间为30min。通过辅助系统自动启动定值的修改后，呼蓄电站SFC系统电导率一直保持在较低值，运行至今6个月系统正常。

(2)在方案一失效后，采取方案二。即对去离子罐和蒸馏水进行更换。在征询厂家意见后，厂家发来了换水方案，经仔细研究后了解具体换水过程，但是厂家不建议换水，目前方案一效果明显有效，将方案二作为备用方案。

5　结语

SFC是抽水蓄能电站的必备设备，具有无级变速、启动平稳、反应速度快、调节精度高、自诊断能力强等优点。呼蓄电站SFC设备作为新运行设备，其拖动稳定性及设备器件的可靠与否需要时间检验，同时也需要运行维护人员对设备认真巡视，定期维护保养，早发现问题，早解决问题。

参考文献:

[1]王兆安.电力电子技术[M].5版.北京:机械工业出版社，2009.

[2]李浩良.抽水蓄能电站运行与管理[M].杭州:浙江大学出版社，2013.

作者简介:

廉晓威(1991—　)，男，河北保定人，大学本科，助理工程师，励磁系统及静止变频器系统维修。E-mail:1285662018@qq.com