淺析抽水蓄能電站靜止變頻器仿真設計

周　坤，王吉康，張　榮（.國網新源泰山抽水蓄能電站有限公司，山東 泰安 7000；.國網新源控股有限公司，北京 0076；.保定華仿科技股份有限公司，河北 保定 07057）

淺析抽水蓄能電站靜止變頻器仿真設計

周坤1，王吉康2，張榮3
（1.國網新源泰山抽水蓄能電站有限公司，山東 泰安 271000；2.國網新源控股有限公司，北京 100761；3.保定華仿科技股份有限公司，河北 保定 071057）

摘要：主要介紹抽水蓄能機組靜止變頻器的運行原理，在star90圖形化仿真支撐平臺上建立靜止變頻器的數學模型，并以此為基礎對靜態變頻調速系統啟動控制下的發電電動機實時動態模型進行了驗證。

關鍵詞：抽水蓄能；SFC；仿真

1　引言

抽水蓄能電站機組運行在抽水工況時,由于機組容量較大，起動技術比較關鍵。SFC-靜止變頻器啟動控制系統是目前大型抽水蓄能機組中較為常用的啟動方式，也是相對于其他一些啟動方式而言較為穩定和經濟的啟動方式。所以，目前大多數的抽水蓄能機組，特別是大型抽水蓄能機組幾乎都主要采用靜止變頻啟動控制方式。目前我國抽水蓄能電站幾乎全部采用靜止變頻器起動。因此，加強對抽水蓄能電機靜止變頻器起動過程相關問題的深入研究，有助于深入掌握抽水蓄能電站SFC系統的原理、流程及其與外部系統的聯系，科學合理地運行維護SFC，提高抽水蓄能機組電動工況的啟動成功率，節約抽水蓄能電站運營成本。

2　靜止變頻器啟動電機運行過程

抽水蓄能機組的靜止變頻調速系統主要由交-直-交電流型晶閘管變流器、發電電動機、轉子位置檢測器及控制回路構成，如圖1所示。

圖1靜止變頻調速系統結構圖

整流橋、逆變橋和直流平波電抗器組成了變流器主電路。由電網來的交流電經整流器整流后成為直流電，直流電被平波電抗器濾波后，逆變器再將其變換成交流電（頻率可調）供給同步電動機。SFC機組可控硅變頻裝置產生從零到額定頻率值的變頻電源，同步地將機組拖動起來。由于全控橋在機組啟動初期交流電壓太低時不能自動換相，SFC運行時分為低速運行階段和高速運行階段。

（1）SFC低速運行階段

SFC低速運行階段,靜止變頻調速系統逆變橋采用電流斷續換流。每當晶閘管需要換流時，先使整流橋逆變運行，使逆變器的輸入電流下降到零，讓逆變器的所有晶閘管均暫時關斷，然后觸發換相后應該導通的晶閘管，同時使整流橋回到整流狀態，從而實現從一相到另一相的換流。由于斷續換流只是在起動和低速時使用，逆變器輸出的頻率較低，電流斷續的時間對同步電機的運行影響不大。

圖2電流斷續換流的主電路

當同步電機采用電流斷續換流時，逆變器晶閘管的觸發相位對換流已不起作用。為了增大起動轉矩，減小轉矩脈動，一般取γ0=0°。

（2）高速運行階段

高速運行階段,靜止變頻調速系統晶閘管變流器逆變橋采用反電勢換流。靜止變頻調速系統中，晶閘管、變流器的換流，是通過觸發和關斷相應的晶閘管把正在導通相的電流切換到欲導通相的過程。由于晶閘管一旦觸發導通后，門極就失去了控制作用，要想關斷它必須給晶閘管施加反向電壓，使其電流減少到晶閘管維持電流以下，并把反向電壓保持一段時間后晶閘管才能可靠地關斷。

在負載換流同步電機中，只要轉子有激磁電流并在空間旋轉，就會在電樞繞組中感應出反電勢。如圖3所示，假設在K點換流以前晶閘管V1、V2導通，此時電流由電源正極開始經由V1→A相繞組→C相繞組→V2→電源負極。若在K點直接要使電流由A相流通切換到B相流通，則應觸發晶閘管V3導通，并關斷晶閘管V1。從圖3b）中可知，如果按正常位置換流，應在K點觸發晶閘管V3進行換流，但當晶閘管V3導通瞬間，V1將不承受反壓而繼續導通，結果造成換流失敗。所以反電勢換流時，A、B兩相反電勢波形的交點K應保持一定的空載換流超前角γ0。例如，在圖3b）中的S點換流（γ0=60°）。當在此時觸發V3時，反電勢，加在晶閘管V1上的反向電壓，則在兩個導通的晶閘管V1、V3和電機A、B兩相繞組之間出現一個短路電流，其方向如圖3a）所示。當短路電流SL達到原來通過晶閘管V1的負載電流時，晶閘管V1就因流過的實際電流下降至零而開始關斷，負載電流就全部轉移到晶閘管V3。至此，A、B兩相之間的換流全部結束，V1、V3兩管正常導通運行。

圖3靜止變頻調速系統結構圖

換流過程中短路電流流經電機兩相繞組，由于同步電機的定子繞組、激磁繞組和阻尼繞組的電感作用，換流必然需要經歷一段時間。通常把要換流的兩個晶閘管同時導通所經歷的時間稱為換流重疊角，用μ表示，如圖4所示。換流重疊角μ與負載電流大小有關，負載電流大，換流重疊角μ就越大；反之負載電流小，換流重疊角μ也就越小。

圖4γ0=60°時反電勢換流的電流波形

為了保證換流的可靠進行，通常換流剩余角δ至少應保持在10°～15°。要滿足這個條件，一方面應適當增大空載換流超前角0，但是隨著0的增大，電機轉矩會減小，并加大了轉矩脈動分量，一般取0=60°（如圖4）；另一方面要限制電機負載電流以減小重疊角μ。

3　系統控制原理

靜止變頻調速系統是根據轉子的實際位置和轉速，按一定的控制策略產生控制信號，控制變頻器輸出三相電流（電壓）的頻率、幅值和相位大小。系統控制可以分為整流器的整流調速控制、逆變器的自同步逆變控制和勵磁控制，如圖5所示。整流器直接受控于電流和轉速的雙閉環調節系統，為保證晶閘管的可靠換相，同時又保證負載換相同步電動機的過載能力，一般采用恒定換相剩余角δ控制，δ在30° ～40°之間。

圖5靜止變頻調速系統起動控制框圖

靜止變頻調速系統起動時，預先設定一條轉速上升曲線，然后由轉速給定單元輸出一個與電網頻率相當的轉速基值，在dn/dt環節作用下，產生轉速整定值并與機組實際轉速比較，將偏差量作為轉速調節器和電流調節器的輸入控制信號，最終調整整流器的觸發角以控制變頻系統回路的運行電流，使機組快速跟蹤轉速指令的變化（或）時，變頻系統自動增加（或減小）提供給機組的電磁力矩時，變頻系統保持原有運行狀態，提供的電磁轉矩與機組的阻轉矩相等，機組維持一定的轉速。影響機組變頻起動過程中轉速特性的主要因素是轉速調節器及電流調節器的參數，因此，要對這兩個調節器的參數進行優化，以使機組獲得快速平穩的最佳起動特性。一般為了防止機組在起動的加速過程中轉速波動，處于內環控制的電流調節器的響應速度應快于外環控制的轉速調節器。另外，適當選擇機組起動的加速度（dn/dt），也可以有效降低機組振動，提高起動成功率。

4　靜止變頻器的數學模型

SFC整流側：

SFC逆變側：

反電勢和繞組中電流的矢量關系（A相）如圖6所示。

圖6反電勢和繞組中電流的矢量關系圖

π/3；

反電勢；

SFC啟動機組的過程包括：輔助設備起動過程、準備過程、啟動過程、等待過程。收到現地控制單元發來的“上電命令”后進入輔助設備起動過程和準備過程，使SFC工作于“熱備用”狀態，并且合上輸出開關。收到被啟動機組發來的“SFC運行命令”后發出“勵磁釋放令”，請求勵磁系統加上勵磁電流。收到勵磁系統的“勵磁電流已經加入信號”時進入啟動過程，開始測量轉子初始位置，慢慢拖動機組轉動。

SFC啟動機組時分為低速運行階段和高速運行階段，平穩地產生從零到額定頻率值的變頻電源，同步拖動機組進入抽水調相工況。由機組調速器產生的5Hz測速信號來實現兩個階段的切換，當機組轉速小于5Hz時，SFC工作于脈沖耦合階段，當機組轉速大于5Hz時，SFC工作于同步運行階段。當機組轉速大于90%額定轉速時，進入同期調節模式，接收機組同期裝置發來的頻率增減信號，由SFC調節機組轉速直至并網。當SFC收到機組開關合閘位置接點或合閘繼電器接點后，SFC將閉鎖輸出電流后跳開輸出開關，進入“熱備用”狀態。

圖7SFC系統的功能模塊

5　仿真模型與算例

按照本文數學模型，在STAR-90圖形化仿真支撐平臺上構建SFC仿真模塊，模塊結構如圖8，編寫相應的算法。最后構建SFC的仿真模型如圖9，實現SFC啟動機組的全過程。并按照表1抽水蓄能電站機組參數進行了實例分析，取得了令人滿意的結果。

分析結果如下：

圖8SFC模塊結構

圖9SFC的仿真模型圖

表1抽水蓄能電站機組參數表

6　結論

對通過上述理論建立的抽水蓄能SFC的仿真模型進行了驗證。數據表明，在該控制方式的處理過程下，抽水蓄能機組能夠順利實現轉速和電機端電壓的平穩上升，表明了仿真模型的正確性。

圖10γ0=0°電動機起動過程中各參量的波形

圖11γ0=60°電動機起動過程中各參量的波形

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中圖分類號：TV743

文獻標識碼：A

文章編號：1672-5387（2015）03-0034-04

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.03.010

收稿日期：2014-10-21

作者簡介：周坤（1980-），男，高級工程師，從事抽水蓄能電站技術管理工作。