抽水蓄能機組的靜止變頻起動探究

左厲

(國網新源控股有限公司回龍分公司,河南南陽 473000)

抽水蓄能機組的靜止變頻起動探究

左厲

(國網新源控股有限公司回龍分公司,河南南陽 473000)

電力系統是關乎工業生產和人民生活的重要系統,需要為社會提供十分可靠的服務。電力系統的供電效率受到載荷大小的影響,如何利用先進技術使得在載荷最大的時候電力系統供電能力也達到最大是發電企業面臨的一個關鍵問題。抽水蓄能裝置具備調峰填谷的能力,靜止變頻啟動是抽水蓄能的關鍵技術。本文闡述了抽水蓄能的意義,分析了靜止變頻啟動的原理,并進一步介紹了靜止變頻啟動控制的策略和控制要點。

抽水蓄能 靜止變頻 啟動

1 引言

電力系統發展的趨勢之一是負荷在不斷增大。削峰填谷是抽水蓄能電站的最大特點，其工作方式包括水泵和水輪機兩種。水泵運行方式作用于電力系統的負荷較小時，利用發電機組的剩余電能將下水庫的水抽到上水庫，儲蓄勢能，從而在電力系統的負荷較高時以水輪機的方式運轉，將儲蓄的勢能用來發電。這種雙工作方式的切換使得電力系統的調節能力有效增強，在增強供電質量的同時也獲得良好的經濟效益。對于蓄能機組而言，啟動技術是電工抽水的關鍵技術之一，靜止變頻啟動技術(SFC)的優勢有容量大、速度快、可靠性高等特點，是未來啟動技術的主要發展方向之一。

2 抽水蓄能機組靜止變頻原理和基本方案

2.1 靜止變頻工作原理

靜止變頻器的目的是利用半導體電流使電源功率變成交流式和可變頻式，其又稱自控制同步電機，與一般異步或者同步電機不同，該電機的輸出頻率的調節受到同步電機轉子位置的控制，因此并非是獨立調節。當電機轉過一對磁極時，交流電的輸出走完一個周期，這樣能使得輸出頻率和電機轉速不產生失步或者震蕩現象，時刻保持同步。靜止變頻器和同步電機進行連接，變頻器為電機提供電源，該電源頻率可調，用來對電動機進行勵磁，同步電動機剛開始靜止，隨著變頻器頻率從零開始增加為額定頻率，電動機最后會達到額定轉速。

靜止變頻器的組成部分有同步電動機、變頻器、轉子位置檢測器和控制單元等。整流橋、逆變橋和續流晶閘管是變頻器主回路的組成部分，該回路的換相依賴于同步電機的反電勢，并不需要串聯二極管和換相電容。50Hz的交流電通過整流橋之后變成直流，逆變器再將其變成一定頻率交流電，最后作為輸入送達同步電動機。分析轉子的信號是控制單元的主要作用。

圖1 機組控制系統原理圖

2.2 抽水蓄能同步機組啟動過程

抽水蓄能機組的啟動過程如下：(1)啟動加速。啟動指令被發出后轉子勵磁被投入，啟動裝置的輸入輸出開關被合上，開始啟動;剛開始整流控制角度被固定在135度，晶閘管在主回路斷流之后按照下一拍的要求被觸發;與此同時，該觸發操作還順帶導通晶閘管，電流流換過程被加快;反電勢的輸入在電動機達到額定轉速的百分之十左右時輸入。(2)自動整部微調。該階段的特點是電壓頻率差值貫穿該階段存在于啟動裝置和電機端，該差值帶來了附加微調信號，既可以調節轉速，又能自動改變整流器直流電壓幅值;同時，電動機端電壓在勵磁裝置控制調節電動機轉子的勵磁電流之下和電網能夠保持平衡。(3)并網控制。在該階段，電動機定子端口電壓與電網整體電壓差值需要在一定范圍內浮動，其中頻率差小于0.25Hz，電壓差值小于額定電壓的百分之五，相位差約為0度，此時同步并網條件得到滿足，α值被設定為135度，輸出電流為零，同步脈沖被停止，同時電動機并入電網的開關被合上，在啟動裝置電流測和負載測的開關進行分閘之后電動機并入電網，靜止變頻啟動裝置退出，啟動過程結束。

3 抽水蓄能機組變頻啟動控制系統

3.1 機組控制啟動原理

在抽水機變頻控制系統中，反電勢自然換流方法的運用使得逆變器結構變得十分簡單，無需特殊換流電路也使得換流過程比較緩慢，利用普通晶閘管原件即可滿足要求，降低了成本。機組控制可以從電機的定子磁勢、矩角特性和電機輸出的平均轉矩來闡釋。電機的三相交變電流變成直流之后，由于平波電抗器的較大電抗值存在，該直流在一個周期之內近似認為不變，在六拍逆變器的工作方式下，任何時候六個開關之中只有兩個開關加上了觸發信號，電機定子繞組在這種特殊供電方式之下的工作圖1所示。

電流在經過A和B之后回到電源，此時可以利用空間磁矢量來表示定子磁勢。定子磁勢、轉子磁勢和合成磁勢的矩角特性需要符合電機學原理的要求。平均轉矩在轉矩脈動達到最小的時候取得最大值，通過改變三相定子電流的頻率幅值等參數，可以根據轉矩的不同要求來確定不同的定子磁動勢和不同大小、方位的參數要求，進而改變電動機的輸出轉矩。

3.2 控制策略和模型

在靜止變頻器研究過程中進行仿真模型搭建時，對于可逆式靜止變頻器系統來說，定子繞組和轉子電壓屬于已知量，轉子電流、定子端電壓和轉速則是未知量，直接由轉子電流和轉速即可得出定子端電壓。利用龍格-庫塔法進行模型控制之后可以得出定子電流在自然換流階段近似為方波，啟動過程中轉速上升曲線平滑，電磁轉矩變化平穩。斷續換流階段，轉子的初始位置十分重要，可以決定啟動是否成功，轉子檢測器在過渡過程中調整分配觸發脈沖，調整超前角大小;同時電磁轉矩呈現脈動變化。在實際操作過程中需要注意這些問題。

4 結語

靜止變頻是抽水蓄能機組的關鍵技術，該技術在國外已經達到了實用水平。隨著我國的抽水蓄能電站不斷發展，靜止變頻技術是需要突破的難點之一。本文研究表明，轉子位置初始角度和電磁轉矩是啟動過程中的關鍵參數，啟動時定子電流不是嚴格正弦，電流關閉角度能夠影響啟動時間，在實際操作過程中應嚴格控制這些參數，做好啟動工作，從而提高我國的電力供應效率。

[1]陶以彬.抽水蓄能機組變頻起動頻率檢測[J].電氣應用,2013,08：16.

[2]李玉秋.抽水蓄能電站靜止變頻起動裝置的選型研究[J].科技創業家,2014,06：91.