机组SFC

一种SFC转子初始位置检测方法的改进研究

江楠，苏家财，胡华荣，孙金超

(南京南瑞继保电气有限公司，江苏　南京　210000)

【摘　要】　针对SFC突加励磁电压测转子初始位置的方法，由定子感应线电压最大峰值的正负关系确定转子主极相对参考轴所在的位置区域，按照选取初始电磁转矩最大的原则选取启动方案。当转子主极处在特殊角度时，最大初始电磁转矩选择存在冗余项，通过计算电磁转矩变化率选择转矩变化率为正时的导通方案作为最佳启动方法，仿真验证了理论分析的正确性。

【关键词】　SFC;转子初始位置;电磁转矩

0　引言

抽水储能电站用的发电电动机通常为功率达几万到几十万千瓦级的大型同步电机，当抽水蓄能电站机组由静止状态转入电动水泵工况时，必须由外部电源供电以启动电机。目前静止变频器(Static Frequency Converter，SFC)是最受欢迎的启动方式，也是世界各国抽水蓄能电站机组首选的启动方式[1-3]。机组启动前，转子主极相对定子绕组轴线的位置不确定。因此，为了实现对机组的启动，必须首先准确地判定转子的初始位置，以便选择首先给哪两相定子绕组通电流。转子初始位置检测通常使用突加励磁电压的方法。

文献[4]通过检测定子绕组的感应电压，并分析了感应电压中包含的转子角度信息，直接由电压求得角度值，由于感应电压值与额定值相比太小，且感应电压信噪比很低，准确测量初始角比较困难;文献[5]进一步对感应电压求积分计算出定子磁链矢量，由于定子绕组开路没有电枢反应，所以定子磁链矢量位置角即为转子初始角，积分环节减小了随机干扰的影响，但同时引进采样直流偏置会使积分出现饱和的问题;文献[6]进一步提出使用低通滤波器对感应电压进行处理，再利用线电压的计算公式，计算出电机转子磁通方向与相绕组轴线的夹角，计算较为复杂。事实上，如果只是为了确定初始导通方案，并不需要知道转子精确的位置，文献[7]提出通过判断三相定子感应线电压峰值的大小和正负关系来获得转子所在的区域，但对初始位置在特殊角度时，其检查方法和初始导通方案未做说明。本文针对三相定子感应线电压峰值的大小和正负关系确定转子主极相对参考轴所在的位置区域，按照选取初始电磁转矩最大的原则选取启动方案。当转子主极刚好处在特殊角度时，最大初始电磁转矩选择存在冗余项，通过计算电磁转矩变化率选择转矩变化率为正时导通方案作为最佳启动方案。

1　SFC启动过程分析

1.1　SFC系统结构

静止变频器换流桥部分的主电路由整流桥、逆变桥和直流平波电抗器组成。每个桥臂由多支可控硅和阳极电抗器串联而成，同时为了对换相过电压进行抑制并保证每支可控硅的动态均压要求，每支可控硅上还需并联一个阻容回路。接于电网侧的换流桥为整流桥，接于电机侧的换流桥为逆变桥，当换流桥在整流触发角控制状态时，可以把交流电整成直流电，当整流桥与逆变桥配合工作时，即构成所谓的“变频器”。系统的基本构成见图1，其中支路桥臂串联的电抗器和均压阻容回路均已忽略。

SFC系统负责将作为同步电动机运行的电机，由静止拖动到同步转速，实现无冲击并网。SFC根据电机转子位置或机端电压信息，以频率逐渐升高的交流电压加到电机定子上，产生超前于转子磁场的定子旋转磁场，通过该磁场与转子磁场的相互作用，将电机转子加速到同步转速，再由同期装置实现机组并网[8]。

抽蓄电站机组水泵工况启动一般过程为:定子通流前加入励磁电流，检测静止状态下转子初始位置，经过一段时间后，变频器解锁，按其判定的转子位置首先给能够产生最大加速电磁转矩的两相定子绕组通流，当电机开始转动后，即在机组端中产生出与其转速相对应的三相交变电压，在电压过零时刻，自动产生逆变桥的换相信号，使定子电流从已导通的两相绕组转换到另外两个绕组上，以保证电机能继续得到正向加速电磁转矩。发电电动机组的电机在变频启动过程中，类似一台直流电机，三相定子绕组中任一时刻只有两相有电流流过，其中一相绕组电流为流入，另一相绕组电流为流出，两相绕组的定子磁势与转子磁势相互作用形成加速力矩以保证产生最大的正向启动加速电磁转矩。

1.2　磁动势分析

SFC逆变器部分与电机各相绕组的连接示意图见图2。根据逆变桥的工作原理，在任何一个时刻，晶闸管只有两个桥臂能导通，且分别属于共阳极组和共阴极组，从而保证电流的通路且不短路。这样逆变桥一共只有6种导通关系，分别是A+B-、A+C-、B+C-、B+A-、C+A-、C+B-，因此SFC逆变桥每隔60°电角度就需要换相一次。不考虑换相期间晶闸管关断时间和换相重叠角的影响时，SFC启动时三相绕组中电流为周期性方波电流。假设转子启动前处于图2所示区域(以A相绕组轴线作为空间位置起点)，当通有励磁电流时则形成转子磁动势，若逆变桥电流从A相绕组进入，而从B相绕组流出，即导通A+B-，形成定子合成磁动势，根据所示的定子与转子的磁动势相对位置关系，发电电动机通过定转子磁场的相互作用开始沿逆时针方向旋转。

将6种逆变桥晶闸管导通关系所得的合成磁动势表示在图3中，并且得到了空间上的6个区域Ⅰ～Ⅵ。系统一般只检测定子绕组的三相线电压，所以将A相绕组和B相绕组虚拟合成为AB绕组(BC和CA绕组类似)，以方便下文的分析。

1.3　电磁转矩

定子磁动势与转子磁动势相对位置是产生驱动电磁转矩的基础。定子、转子磁动势在空间上保持一定的夹角δ，将产生电磁转矩以驱动电机旋转。定子两相输入电流合成磁动势Fd，转子励磁电流生成磁动势Ff，定转子相互作用即可产生电磁转矩Te，电磁转矩公式为

由式(1)可知，只要满足δ=0°～180°，正向电磁转矩就能拖动电机旋转，且当定子、转子磁动势成90°夹角时，电磁转矩最大。当机组启动时由于静摩擦特性，需要较大的力矩才能使转子获得一定加速度，所以当确定转子初始位置后必须合理选择初始导通方案。

2　转子初始位置检测

2.1　转子初始位置检测方法

SFC启动前，在电机励磁绕组中加入阶跃的励磁电压见图4(a)，此励磁电压作用于励磁绕组将会产生一个逐渐升高的励磁电流，见图4(b)，上升的励磁电流产生逐渐增加的转子磁链，尽管转子没有旋转，电机定子绕组磁通也产生变化，在电机的定子绕组上仍能够感应出电势，见图5。由于转子位置与三相绕组轴线的相对位置不同，三相绕组的感应电势也将不等，定子绕组轴线越接近励磁绕组轴线，则此绕组感应出的电势峰值也就越高，反之则低。

利用线电压可以进行转子位置计算，即

式中:θ为转子主极与A相绕组轴线的角度，(°)。

也可以将感应线电动势进行Clark变换，得到静止坐标系下的两相线电压后再对线电压积分求得两相磁链分量，反正切求解即可得转子初始位置，计算方法为

式中:uα，uβ为α，β轴坐标系下的定子感应电压;ψα，ψβ为α，β轴坐标系下的定子磁链。

以上两种方法都直接利用感应线电动势的瞬时值进行计算，但在实际工程中，感应线电动势仅有电压传感器量程范围的2%左右，且信噪比很低，不容易精确测量。同时采样回路中存在测量误差、随机干扰和直流偏置，导致求磁链的积分算法中出现饱和现象。这些都会给转子位置计算产生很大影响。同时，检测转子初始位置是为了确定初始导通方案，而初始导通可控硅只有6种选择方案(AB、BA、AC、CA、BC、CB)，所以并不需要计算准确的角度，只需要确定与6种初始导通方案对应的6个区域即可。下面介绍利用三相感应线电压中峰值最大的线电压的正负来确定转子主极所对应的空间区域的方法。

当转子主极位于图3所示Ⅳ区域时，由电磁感应原理可知，三相线电动势的正负见表1，且通过虚拟AB绕组的有效磁通量最多，在此区域内，uBA峰值时幅值最大。用同样的方法可得其他5块区域内三相线电压中最大幅值的线电压的正负关系见表1，表中带括号的即为对应区域内峰值时幅值最大的线电压。

但是当转子主极与某个定子合成磁动势同向时，会出现两个线电压峰值相同，但正负相反，另外一相接近于零。同样利用电磁感应的方向准则可以根据三相感应电动势正负关系得到6个特殊角度，见表2。

2.2　初始导通方案

2.2.1　转子主极在Ⅰ～Ⅵ区域内时

转子主极在区域磁动势示意图见图6。假设转子主极在区域Ⅳ的某一位置，转子磁动势与参考轴的夹角为θ，为了产生正向电磁转矩，定子磁动势与转子磁动势的夹角需在0°～180°之间，所以导通方案只能在A+C-、A+B-和C+B-内选择。又根据式(1)，夹角越接近90°，电磁转矩越大，转子获得的加速度越大，所以选择导通方案A+B-，即电流从A相流入再从B相流出。同理可得，在另外5个区域内的最佳导通方案，见表3。

结合图6所示三相虚拟绕组的空间位置及表3，可得导通方案:转子静止时通入阶跃励磁电压，给产生感应电压最大的那两相通电流。

2.2.2　转子主极在特殊角度时

当转子主极在某个特殊角度例如210°。则转子磁动势与定子磁动势重合，见图7，此时按照能产生最大初始转矩的原则来选择定子导通方案，A+B-和C+B-均符合要求。

假设转子在正向电磁转矩的作用下逆时针转动小角度，根据电磁转矩的计算公式，此时A+B-导通方案的电磁转矩在逐渐增大，即d Te/d t>0，而C+B-导通方案的电磁转矩在逐渐减小，即d Te/d t<0。虽然两种导通方案的初始力矩一样，但为了使转子能够持续获得较大的加速度，应该选择电磁力矩变化率为正的导通方案，即A+B-。同理可得当转子主极在其他特殊角度时应选择的最佳导通方案，见表4。

对比表3可知，转子主极在特殊角度时，应选择它即将进入的下个区域所对应的导通方案。

3　仿真验证

搭建matlab/simlink仿真模型，同步电机采用matlab自带的典型550MVA、24kV、3000r/min的参数，原动机无功率输入，转子角度固定。在0.1s通入阶跃的励磁电压，图8(a)和图8 (b)分别是转子位于225°即区域Ⅳ和210°时的三相感应电动势。从图中可以看出，三相感应电动势的正负关系与表3和表4完全一致，验证了转子初始位置检测的正确性。

4　结语

利用三相绕组定子感应电压峰值的大小和正负关系来检测转子初始位置的方法简洁明了，避免了电压检测法和磁通检测法中直接求反正切函数或者积分环节带来的复杂数学运算，同时针对转子主极在特殊角度时，传统的初始电磁力矩最大来选择导通方案存在冗余选择，提出按电磁力矩变化率的正负关系来选择最合适的导通方案。

参考文献:

[1]闫伟，石祥建，龚翔峰，等.抽水蓄能电站SFC系统研制及应用[C].第十八次中国水电设备学术讨论会论文集.2011:4.

[2]石祥建，司红建，吴小放，等.静止变频器系统分数次谐波分析[J].江苏电机工程，2012，31 (5):36-39.

[3]石祥建，司红建，闫伟，等.静止变频器系统变压器短路阻抗的算法研究[J].江苏电机工程，2013，4:53-55.

[4]陶大军.发电电动机静止变频器起动强迫换流阶段若干问题研究[D].哈尔滨:哈尔滨理工大学，2013.

[5]郭国伟.抽水蓄能机组静止变频起动控制技术研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学，2014.

[6]南京南瑞继保电气有限公司，南京南瑞继保工程技术有限公司.一种同步电机转子静止位置检测方法中国，CN201010539868.0[P].2012.

[7]田淳，胡育文.一种新颖的电磁式同步电机力矩控制方案[J].南京航空航天大学学报，2001，33 (2):108-112.

[8]PETERSSON T，FRANK K.Starting of Large Synchronous Motor Using Static Frequency Converter[J]. Power Apparatus and Systems，IEEE Transactions on，1972，PAS-9l(1):172-179.

作者简介:

江楠(1989—　)，男，湖北京山人，从事发电厂励磁及SFC工程调试工作。E-mail:jiangnan@ nrec.com

苏家财(1986—　)，男，重庆江津人，从事发电厂励磁及SFC工程管理和调试工作。

胡华荣(1982—　)，男，湖北枝江人，从事发电厂励磁及SFC工程管理和调试工作。

孙金超(1988—　)，男，山东潍坊人，从事发电厂励磁及SFC工程调试工作。