淺析靜止變頻裝置(SFC)在蓄能電廠的作用

李海洪 韓軻

摘要：靜止變頻器(英文全稱為“Static Frequency Convert-er”，簡稱SFC)，被廣泛用于抽水蓄能電廠，主要是在機組抽水工況和抽水調相工況下啟動。靜止變頻器的優點是啟動平穩，啟動時間短，調整方便，維護工作量小，可靠性高，工作效率高?？偠灾?，靜止變頻裝置對蓄能電廠設備的運轉是有很大的影響的。

關鍵詞：靜止變頻裝置（SFC）；蓄能電廠；作用

中圖分類號： TH137.8+1文獻標識碼： A

前言：隨著現代化大電網的不斷發展，蓄能電廠內蓄能機組以其快速、有效、經濟、可靠、無污染的特點，在電網的調峰、調頻、填谷以及事故備用中扮演著越來越重要的角色。蓄能電廠中的抽水蓄能機組所特有的可逆式同步電動發電機的啟動則是其運行的關鍵技術之一。 而靜止變頻器 SFC正是用于實現這一關鍵技術的理想設備。本研究就將針對靜止變頻裝置（SFC）在蓄能電場中的應用這一主題進行闡述，使讀者對這方面的內容有一個更加深入的了解。

1.靜止變頻裝置（SFC）結構

靜止變頻器主要由功率單元、控制和保護單元以及輔助單元等組成。

1.1功率單元

功率單元主要包括以下部分:(1)輸入斷路器。在SFC發生故障或正常停運時，切斷電源。(2)輸入變壓器。將高壓側與低壓側進行隔離。(3)整流橋。將交流電流整流為直流。(4)逆變橋。將直流電流逆變為交流。(5)直流電抗器。用于整流輸出后的平波和去耦。(6)輸出斷路器。啟動過程中啟動回路發生故障時切斷電流。

1.2 控制和保護單元

控制單元包括測量單元、脈沖單元、PNC、PLC等。(1)測量單元。測量SFC調節所需的各種變量的元件。(2)脈沖單元?？煽毓栌|發信號的傳送和變換元件。(3)PNC(可編程數字控制器)。用于SFC閉環調節和控制及可控硅元件的保護。(4)PLC。用于SFC和監控系統的輸入輸出聯絡和故障管理。(5)保護單元。用于SFC各種電氣部件的保護(主要包含過流保護、過壓保護、欠壓保護、欠勵保護、過勵保護、差動保護、超速保護等)。

2.靜止變頻裝置（SFC）工作基本原理

SFC將電動機拖動到準備同期的轉速這一過程必須經歷低速運行階段和高速運行階段。在低速運行階段，輸出開關一個閉合、一個斷開，這樣是在低速運行階段確保轉子里有較大的電流，從而形成較大的啟動力矩。斷續換相法斷流時整流器逆變，主回路斷流后，減小整流器延遲角的同時，觸發下一拍的需要觸發逆變器的晶閘管。當電動機轉速達到額定轉速的5%~10%時，轉入自然換相，完成換相方式的切換。

2.1低速運行階段

同步電動機在低速運行時，由于反電動勢較小，不足以使逆變器中的晶閘管實現自然換流，故采用電流斷續法換相。具體換相方法為：(1)檢測到逆變橋需要換相信號時，將整流橋轉入逆變狀態，A=150b，使主回路電流Id下降為零，從而使逆變橋中晶閘管全部關斷；(2)檢測到Id=0時，再次使整流橋轉入整流工作狀態，并將脈沖發至逆變橋中下一組待觸發的晶閘管，重新建立直流回路的電流Id。斷續換相到自然換相方式的過渡：當電動機轉速升高到一定數值以后(通常為額定轉速的5% ~10%)，反電動勢的大小足以滿足自然換相的要求時，通過控制系統自動地由電流斷續換相方式切換到自然換相方式。此時，將換相超前角由0b變到60b，并對脈沖信號進行封鎖，使逆變器的晶閘管換相時電動機不再斷流，避免電動機轉矩受到影響。

2.2 高速運行階段

在高速運行階段，輸出開關一個斷開、一個閉合，通過輸出變壓器將機端電壓升到額定電壓值，以便機組并網。此階段換相的原理就是利用電動機本身產生的反電勢進行自然換相。由于在換相重疊角L期間，三個晶閘管同時導通，在兩個導通的晶閘管和某兩相電機繞組之間出現短路電流，從而使原來導通的一個晶閘管在反向偏壓的作用下關斷，實現逆變器晶閘管的換相。由于電動機電壓的自然交替，原來的電流會自動截止，而新的晶閘管則續流。由于此時可控硅可以自動換向，因而這一階段將不需要轉子位置監測裝置的信號。PNC根據力矩設定值和頻率基準值，并通過測量機橋、網橋側電壓、電流來控制機橋、網橋的觸發脈沖，以調節SFC輸出的起動電流，從而將機組拖動至基準頻率。此時通過PLC與監控系統的通訊，由機組同期裝置根據需要發出“增速”或“減速”的命令，從而最終使機組并網。

如上所述，為了使整個SFC在整個頻率范圍內正常工作，低速運行階段的工作頻率上限應高于同步工作方式的工作頻率下限。兩種工作方式的切換就構成了SFC工作的兩個階段。

2.3 輔助單元

輔助單元主要包括SFC冷卻單元、輸入變冷卻單元及其他輔助設備。

3.靜止變頻裝置（SFC）的應用特點

靜止變頻器SFC設備在投運以來，實際應用中有以下優點: (1)SFC可以很容易完成大型同步電動機變頻起動。由于SFC控制過程中的軟件是面向應用的，所以簡單、易掌握、不易出錯，大大提高了工作效率。(2)由于利用了先進的操作系統軟件，并應用矢量控制技術，能夠以很高的動態性能完成極復雜的控制。(3)系統的硬件和軟件均是模塊式的結構，可以根據系統的需要擴展，對控制功能進行修改、完善和擴充。(4)靜止變頻器的轉速信號通過電壓模型來獲取。由電壓模型計算出轉子位置和轉速，從根本上消除了轉子振蕩和失步的隱患，減少了故障概率。

4.蓄能電廠中的靜止變頻裝置（SFC）遇到的問題及解決方法

大型抽水蓄能電站的SFC系統功率柜通常整體運輸，其功率元件具有容量大、電壓等級高、內部管路多、布置緊湊等特點，要求在運輸、起吊和安裝過程中特別小心；在通電試驗前要仔細檢查盤柜的外觀和內部元器件的狀況，尤其是絕緣情況。SFC控制柜內部電纜眾多，要避免柜內加熱器燙傷電纜。

廣蓄一期SFC轉子初始位置檢測失敗，導致調節出錯、啟動失敗。此問題經過加長測位窗及調整勵磁接觸器位置輔助接點與可編程數字控制器的時間配合參數后獲得解決。廣蓄二期 SFC 采用電氣測角和測速，從根本上消除了轉子振蕩和失步的隱患，由電壓模型計算出轉子位置和轉速，取消測量轉子轉速用的沖信號發生器，減少了硬件設備，相應減少了故障概率。外冷卻水系統部分管道存在嚴重銹蝕和污泥淤積，導致流量較少甚至檢測不到信號，致使保護動作停止SFC，此問題通過化學清洗管道系統得到解決。

5.結語

靜止變頻器起動裝置作為蓄能電站必備的設備，不僅功能強大，起動容量，能滿足蓄能電站的發電或者電動機組在電力系統中作為泵工況起動的拖動設備的要求，而且機組的起動成功率高，對系統沖擊小，維護量小。目前，我國蓄能電廠靜止變頻器啟動設備有很大部分都依靠進口，其國產化的難點主要在于大容量高壓變頻的電力電子器件應用技術，但是隨著國內大容量高壓變頻技術的日趨成熟，相信不遠的將來能夠實現靜止變頻器（SFC）國產化。

參考文獻：

[1] 姬長青，趙磊.惠州抽水蓄能電站諧波問題研究〔J〕.水力發電， 2010， 36 (9): 61-63，71.

[2] 鄭飛，呂宏水，朱曉東. 抽水蓄能電站靜止變頻器（SFC）起動關鍵問題［J］. 軟起動器，2007（2）：69-72.

[3] 趙政. 抽水蓄能電站的變頻起動裝置［J］. 水力發電，2010，36（1）：66-69.