PCS—9575静止变频系统的研制与应用

周吉琦

(南京南瑞继保电气有限公司，江苏　南京　211106)

【摘　要】　随着大容量核电机组的投产，风电、太阳能等间歇性能源的大规模并网，电力系统需要建设抽水蓄能电站与之配套。静止变频器(SFC)是抽水蓄能电站的主要设备之一，能够在短时间内被启动机组的转速从零平滑的拖动到额定，本文主要介绍南京南瑞继保电气有限公司自主研发的PCS—9575静止变频系统的组成、工作原理，并介绍了实际的工程应用。

【关键词】　抽水蓄能;静止变频器;转子位置;触发控制

0　引言

抽水蓄能机组在电网负荷小、电能富余时进入抽水工况，将下库蓄水抽至上游水库，将电能转化为势能储存起来，当电网处于负荷高峰时放水发电，向电网提供电能。抽水蓄能机组能够在为电网提供削峰填谷、调频、调相和事故备用等方面起重要作用[1]。抽水蓄能电站使用的发电/电动机是一种既可作发电机又可作电动机的可逆式三相凸极同步电动机[2]。这种同步电机单机容量大，不采用直接并网启动方式，目前的启动主要方式有静止变频启动(SFC)和背靠背启动(BTB)两种[3]。静止变频启动具有无级变速、启动平稳、反应速度快和可靠性高的优点;启动过程对系统无冲击，对机组结构没有特殊要求，多台机组可以共用一套设备[4]，目前静止变频启动是大型抽水蓄能机组的主要启动方式。

早期抽蓄机组的SFC启动控制系统全部从国外进口，南京南瑞继保电气有限公司研发的国内首套具有全套自主知识产权的PCS—9575静止变频系统，2012年7月在江苏沙河抽蓄电站成功投运。2014年4月在安徽响水涧抽蓄电站成功投运，投运到现在启动成功率100%。PCS—9575静止变频器是一种自控式电流源型同步电机变频驱动器，主要根据电机转速及位置信号，通过控制网桥电流大小及机桥可控硅导通角，产生从零到额定频率的变频电源，将同步电动机拖动起来，整个系统由一次设备和控制保护系统组成，其典型配置见图1。

1　PCS—9575静止变频器组成

1.1　一次设备

一次系统采用交—直—交变频，利用晶闸管实现频率变换，由输入开关柜、输入变压器、整流桥、电抗器、逆变桥、输出变压器、输出开关柜和冷却设备组成。靠近电源侧的整流桥为网桥，靠近同步电动机侧的逆变桥为机桥，主电路拓扑结构按功率桥电压等级分为高—低—高、高—高;按网桥—机桥脉动数分为6—6脉动、12—6脉动和12—12脉动。

(1)输入开关柜。输入开关柜内装设有静止变频系统输入电源母线切换隔离开关及变频系统的输入开关。

(2)输入变压器。输入变压器作为变频系统与供电系统的隔离环节，同时可以抑制短路容量、提供所需要的副边电压，根据具体工程可选择为三卷变压器或两卷变压器、降压变压器或1∶1隔离变压器。静止变频系统一般都装设该变压器。

(3)整流桥。整流桥产生直流电压，采用三相可控硅全控桥结构，可以是12脉波或6脉波;当采用12脉波时系统输入侧可以不用配置滤波器。桥臂阀组触发使用TCU(Thyristor Control U-nit)光电触发，可采用高效水冷方式或风冷方式。

(4)电抗器。电抗器包括直流电抗器和交流电抗器。直流电抗器与整流桥构成电流源[5]，直流电抗器起到减小直流电流纹波、减小短路容量的作用，采用风冷冷却方式，属于电流型静止变频系统中的必须设备;交流电抗器根据需要进行选择配置。

(5)逆变桥。逆变桥同样采用三相可控硅全控桥结构，可以是12脉波或6脉波桥。桥臂阀组触发使用TCU光电触发，可采用风冷方式或高效水冷方式。

(6)输出变压器。输出变压器作为变频系统与电机间的隔离环节，匹配SFC及机组定子电压，根据逆变桥的脉波数可以选择为三卷变压器或两卷变压器，可以是升压变压器或1∶1隔离变压器，也可以不配置。

(7)输出开关柜。输出开关柜内装设有静止变频系统输出开关、输出变旁路或接入隔离开关。在某些应用场合由于不设置输出变压器或不需要进行输出变压器旁路或接入操作，故无输出变压器旁路或接入隔离开关。

(8)冷却设备。根据系统容量不同，PCS—9575静止变频系统可采用重力热管散热器+强迫风冷冷却方式，或采用密闭循环水冷方式，配置专门的冷却水循环控制系统。

1.2　控制保护设备

机组变频启动功能是SFC控制装置的主体功能，通过控制网桥电流大小和机桥可控硅导通角，实现被启动机组转速按照设定的目标值及速度平稳达到并网转速。

要实现这种功能，SFC控制器需具备电气量采集计算功能、转子位置检测功能、网桥同步信号形成功能、机组转速闭环控制功能(包括网桥触发控制)、机桥同步信号形成功能、机桥触发控制功能，以及通过发出开关操作命令及控制模拟量实现对整个系统的控制;同时控制器对输入的各种信号进行分析处理，实现对包含一次、二次的整个系统运行情况的监测，起到系统运行监视和系统设备保护的作用。

PCS—9575 SFC采用控制器集成保护+独立保护装置的保护方案，实现对SFC所有设备的全方位保护。独立保护采用南京南瑞继保电气有限公司专门为SFC系统研发PCS—985RC静止变频器保护装置，形成一道独立的防线，保护SFC系统安全运行。

2　PCS—9575静止变频系统工作原理

2.1　基本原理

SFC系统基本原理示意图见图2。PCS—9575静止变频控制装置根据电机转子位置或机端电压信息控制SFC系统一次功率部分以逐渐升高的频率交替向电机定子某两相通入电流，产生持续的、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，控制电机转子按照流程需要加速，达到需要的转速。

2.2　转矩控制原理

拖动电机升速，实际上是给电机转子施加持续稳定的动力转矩，公式为

式中:Tm为动力转矩，N·m;Cm为与电机相关的常数;Id为网桥输出直流电流，A;βm为机桥关断角，(°)，Ψ为电机的转子磁通，Wb。

SFC静止变频系统产生的转矩与直流电流大小、机桥控制角及电机的转子磁通大小成正比。当机桥角度一定时，直流电流大小由网桥触发角度大小决定;电机的转子磁通由同步电机的励磁控制，启动过程中SFC控制器按拖动需要控制电机转子励磁。一般情况下，为了取得SFC系统合适的功率因数，机桥的控制角保持恒定;这样以电机转速为控制目标，通过控制网桥电流即可实现对加速转矩的控制。

3　转子位置检测和触发控制

对于可控硅型静止变频启动系统，只有准确检测出电机转子的空间位置，SFC控制装置才能根据该位置信息确定电机静止时要初始导通的机桥阀组编号，以及脉冲换相阶段需要换相的时刻和下一组要导通的机桥阀组编号。

获得转子位置信号常用方法是在电机上安装机械位置传感器，机械位置传感器需要定期维护，在工作环境较恶劣时会降低系统的可靠性。PCS—9575静止变频系统不采用机械位置传感器，而是采取无位置传感器的电气位置检测方法来进行转子位置的检测。

PCS—9575静止变频控制器的控制分为初始触发控制、脉冲换相控制和负载换相控制三个阶段。

3.1　初始转子位置检测和控制

初始转子位置检测就是要计算出电机启动前转子静止时的位置，以便于控制器确定要获得电动机方向转矩时应该给电机的哪两相电枢绕组通电流，以确定应该触发逆变桥的哪两个阀组。

根据电磁感应原理，如果给电机转子绕组突加一阶跃变化的励磁电压Uf，励磁电流If跟随Uf变化，对应产生的变化磁场会在电机定子三相绕组上感应出电压，而且三相感应电压的相位、幅值与转子的初始位置有关。在突然加电流到转子电流上升到稳定值的这段时间是转子初始位置检测的时间窗口，理论上可以用时间窗口内任意时刻的三相电势值计算初始位置，但在接近t=0时刻检测，因为此时感应电势大，利于测量[3]。励磁电压阶跃时电机励磁电流和定子电压感应图见图3。

图3中，在t0时刻由SFC控制励磁给电机转子绕组施加阶跃的励磁电压，转子突加励磁电流，因转子回路存在电感，转子电流逐渐上升，在电枢三相绕组中会感应出电动势。随着转子电流逐渐上升到稳定值，电枢三相绕组感应电动势逐渐减小至零。电机静止时转子相对于A相电枢绕组的角度值θ0为

式中:ua为电枢A相感应电压，V;ub为电枢B相感应电压，V;uc为电枢C相感应电压，V。

获得转子初始位置后，得到首次应该被触发的机桥阀组编号。启动网桥，同时触发机桥相应阀组，这样有励磁的转子就在定子磁场的牵引下开始转动。

3.2　低转速时转子位置检测和脉冲换相

转子低速旋转时位置检测是指脉冲换相阶段的转子位置检测。此时电机虽开始转动，但由于转速比较低，感应电压比较小。此阶段通过检测电机定子电压的过零点(上升沿或下降沿)等效转子位置，为机桥可控硅导通提供参考信息，各相电压波形与转子位置的对应关系见图4。

在电机转动频率比较低时，机端感应的电压值比较低，机桥阀组无法在需要换相时自然关断，需人为控制来实现机桥的换相，即脉冲换相。当根据机端电压判断出机桥需要换相时，首先使网桥逆变，当回路中电流降为零时，机桥相应的阀组由于无法续流而被迫关断，再给机桥下一对需要开通的阀组发送触发信号，同时恢复网桥整流输出，这样就完成了机桥的换相控制。同时，整流桥控制SFC输出电流的幅值，逆变桥控制SFC输出电流的频率。为保证启动后加速阶段电磁转矩的恒定，转子转动的同时改变输入定子电流的频率，使转子磁场与定子磁场同步旋转，而且在空间矢量上，保持定子磁势超前转子磁势的夹角不变。

3.3　高转速时转子位置检测和负载换相

转速上升至额定转速的10%时，端电压的幅值已经较大，对检测到的机端电压进行双数字滤波的抗干扰算法后，通过机端电压进行转子位置计算。

电机转速比较高时，机端感应出的电压足够高，能够使机桥需要被关断的阀组自然关断，控制进入负载换相控制阶段。负载换相的原理是利用电机本身产生的反电势进行换相，在换相重叠角μ期间，三个晶闸管同时导通，在两个导通的晶闸管和某两相电机绕组之间出现短路电流，从而使原来导通的一个晶闸管在反向偏压的作用下关断。在这个阶段，网桥一直处于整流工作状态，机桥一直处于逆变工作状态，这样就可以为电机定子提供持续的转动力矩，使电机转速不断上升，以达到需要的转速。

4　SFC的工程实现

2014年4月，南京南瑞继保电气有限公司与国网新源控股有限公司共同承担的国家电网公司科技项目“百兆瓦级抽水蓄能机组静止启动变频器(SFC)关键技术研究”项目在安徽某抽水蓄能电厂顺利投运。该项目主要参数见表1。

现场进行了静态试验及励磁电流控制、转子位置检测、初始转动、脉冲换相控制、工况切换、电机升速、假同期并网、真并网及连续拖动等动态试验。

抽水工况启动过程录波见图5，SFC收到监控系统发出的启动机组的命令后，SFC进入自动启动逻辑，先后合上输入和输出开关，控制励磁系统输出励磁电流，SFC主回路开始工作，进入脉冲换相阶段，机组频率实测值跟随机组频率参考值逐步升高;机端感应电压在脉冲换相阶段比较低，到负载换相阶段随着频率升高而近似线性升高;SFC回路电流先阶跃增大，在脉冲换相阶段逐渐降低，到负载换相阶段基本维持恒定;SFC系统输出功率随着频率的升高而同步增大。

5　结语

抽水蓄能电站以其独特的效益、调峰填谷的运行特性，发挥着调节负荷、促进电力系统节能、维护电网安全稳定运行的功能，是电源结构的重要组成部分，已成为新能源开发的生力军。而SFC系统是抽水蓄能电站的主要设备之一，本文以南京南瑞继保电气有限公司研发的SFC系统为例，从系统的组成部分以及各部分的结构和功能等方面详细介绍抽水蓄能电站SFC系统所需的基本配置，重点对转子位置检测和触发控制进行了分析，最后通过实际工程应用现场录波，分析了各主要电气量随转子频率变化的关系，以期能为SFC的系统配置设计、运行方式优化、日常维护以及检修技改等方面工作提供一定的参考和指导。

参考文献:

[1]胡广生.促进抽水蓄能电站发展的政策研究——对湖北省抽水蓄能电站水资源费减免问题的探讨[J].价格理论与实践，2010(9):30-34.

[2]电机工程手册——电机卷[M].2版.北京:机械工业出版社，1996:4-5.

[3]易成功.抽水蓄能电站静止变频器SFC工作原理[C]//抽水蓄能电站工程建设文集，2013:248-254.

[4]陈守伦.抽水蓄能电站的发电—电动机组(下)[J].江苏电机工程，2001，20(4):1-4.

[5]郑飞.水蓄能电站静止变频器SFC启动关键问题[J].变频器世界，2007(2):69-77.

作者简介:

周吉琦(1983—　)，男，甘肃武威人，本科，主要从事发电厂励磁、SFC的调试等工作。E-mail: zhoujq@nrec.com