靜止變頻器（SFC）啟動機組泵工況過程分析

王　熙，劉　聰，馮剛聲

（湖北白蓮河抽水蓄能有限公司，湖北 黃岡 438600）

靜止變頻器（SFC）啟動機組泵工況過程分析

王熙，劉聰，馮剛聲

（湖北白蓮河抽水蓄能有限公司，湖北 黃岡 438600）

摘要：靜止變頻器能夠在較短的時間內平穩地將抽水蓄能機組由零轉速拖動至泵工況的額定轉速。本文以白蓮河抽水蓄能電站SFC系統為例，簡述了SFC系統的基本配置，包括組成部分和各部分的結構功能，繼而從SFC工作原理、啟動系統控制策略，以及SFC系統、監控系統和勵磁系統三者之間配合的工作流程，詳細分析了SFC啟動機組泵工況的完整過程。

關鍵詞：靜止變頻器（SFC）變頻啟動；整流橋；可控硅；控制流程

1　引言

湖北白蓮河抽水蓄能電站位于黃岡市羅田縣境內，電站裝有4臺300MW可逆式抽水蓄能機組，總裝機容量1 200MW。設計年利用小時數為613～948 h，年發電量9.67億kW·h，年抽水耗電量12.89 億kW·h。以500 kV電壓等級接入系統，在華中電網和湖北電網系統中發揮著調峰、填谷、調頻、調相和事故備用等重要作用[1]。

靜止變頻器（SFC）是大型抽水蓄能電站的重要電氣組成部分，抽水蓄能電站的核心技術之一為機組泵工況的變頻啟動[2]。SFC因具有無級變速、啟動平穩、反應迅速、自診斷能力強、可靠性高等優點而被廣泛應用于抽水蓄能機組泵工況啟動。SFC變頻啟動機組泵工況是湖北白蓮河抽水蓄能電站的主要啟動方式，當SFC故障時采用背靠背拖動作為備用方式啟動機組。

圖1 SFC主回路接線

2　SFC系統的基本配置

2.1 SFC系統的組成部分

SFC是利用可控硅變頻裝置將主變低壓側的網側電壓變為從零到額定頻率值的變頻電源，該電源產生的旋轉磁場同步將轉子由靜止拖動到額定轉速[3]。SFC系統（主回路接線見圖1）由輸入變壓器、輸出變壓器、輸入斷路器、電網側整流橋（網橋）、機組側逆變橋（機橋）、輸出斷路器、直流平波電抗器、隔離開關、冷卻系統、控制系統、保護、監測系統和控制柜等組成[4]。開始時網橋將由輸入變的交流電整流為直流電送入回路中，在直流平波電抗器中完成平波和去耦，后在機橋的作用下逆變后以相應頻率交流電形式送入機組[5]。

2.2 SFC各部分的結構和功能

湖北白蓮河抽水蓄能電站4臺機組共用一套型號為ALSTOM SD7000 SynchrodriveTM的變頻裝置。網橋為兩只相同整流橋（NB1和NB2）組成的六相全控橋，每只整流橋由18只晶閘管組成，每個整流橋由6個橋臂構成，每個橋臂按照2+1冗余配置晶閘管，即每個橋臂有3只晶閘管，獲得12脈沖。機橋（MB1）為單個三相全控逆變橋，6橋臂，每個橋臂按照3+1冗余配置，獲取6脈沖。NB1和NB2分別與電網側三繞組輸入變壓器的二次側星型和三角形繞組連接，MB1輸出通過QBS或QDS分別可與啟動母線或者輸出變壓器一次側星型繞組連接。

輸入變壓器的低壓側星型二次電流與低壓側三角型二次側電流相差30°，利于整流橋產生12脈沖電流。輸入變和輸出變使電網電壓與機組出口電壓相適應，有效的降低了SFC裝置的工作電壓，使SFC裝置配置較少的晶閘管足以完成啟動過程[2]。一次側和二次側采用三角形連接，有效的降低了網橋產生的諧波對電網和機組的干擾，并能夠限制故障電流。

直流平波電抗器主要用改善MB中晶閘管的工作條件，通過NB1和NB2輸出后的平波和去耦，抑制直流回路中電壓和電流的諧波分量及直流上升速度，降低故障電流起始增長率。

當旁路電流頻率低于5 Hz時，QBS合上，向電機輸入低頻電流，保證給機組較大的初始啟動電磁力矩，同時避免輸出變壓在過低頻狀態運行。當MB輸出頻率上升至5 Hz以上時，QBS斷開，QDS接通輸入變壓器為電機供電。

3　SFC啟動控制分析

3.1 SFC工作原理

MB自動換相必須有一個合適的交流電壓，當交流電壓過低時，MB失去自動換相的能力。在泵工況下機組正常運行時，轉子中加以恒定不變勵磁電流。由機組端電壓正比于轉速可知，開始啟動時，發電電動機處于停機狀態或者速度較低，機端電壓也較小，MB不能進行自動換相。因此當機組處于低速運行階段時，SFC拖動采用脈沖耦合方式進行強迫換相。機組高速運行時，SFC拖動采用同步運行方式進行自動換相。

（1）低速運行階段：采用脈沖耦合工作方式，此時由程序檢測轉子位置決定何時由MB的哪兩相導通。換相時為了將回路中的電流截止，強制使NB處于全逆變狀態。當回路電流減小為0時，取消NB的全逆變并將觸發脈沖傳遞至下一組需導通的可控硅。

（2）高速運行階段：此階段采用同步運行，機組機端電壓自然交替，SFC可控硅可靠的自動換向，SFC控制單元通過控制NB以及MB的觸發脈沖，將SFC輸出的起動頻率調整至50Hz左右。

需要說明的是，低速運行階段轉子位置和電磁力矩的方向是兩個關鍵因素。湖北白蓮河抽水蓄能電站SFC系統采用電氣量測量轉子初始位置。在機組啟動前，投入勵磁系統向轉子突然施加電流到電流上升到一個穩定值時，從定子出口PT取三相的暫態感應電動勢進行計算便可知轉子的初始位置，在定子電流穩定后當轉速在零附近一段數值時，感應電勢低，無法通過其測出轉子位置，只能運用電機運動方程對轉子位置進行估算。對于電磁力矩的方向，通過調整控制回路，使MB的晶閘管觸發脈沖按新的相序工作即可得到加速電磁力矩。當處于高速運行階段時，不需要知道轉子的初始位置，通過檢測機組出口電壓頻率來協調MB的換流頻率，使機組避免失步運行[6]。

3.2 SFC啟動系統控制策略

SFC啟動系統主要由NB1、NB2以及MB、直流平波電抗器、電網側交流電抗器以及交流濾波器組、可控硅閥冷卻系統、變頻器控制保護系統、可控硅的觸發脈沖門控制單元、閥基電子設備、可控硅電子觸發板、可控硅檢測系統和水泵工況下的同期控制系統構成，其結構示意圖如圖2。

圖2 SFC啟動系統結構

SFC系統中的可控硅觸發脈沖門控制單元可以實現SFC控制保護系統到NB1、NB2以及MB各橋臂的觸發脈沖分配。可控硅觸發系統是由閥基電子設備和可控硅電子觸發板構成。閥基電子設備將門控單元輸入的對應NB1、NB2以及MB各橋臂的電控信號轉化成對應各閥臂上每只可控硅的光觸發信號；可控硅電子觸發板安裝在NB1、NB2以及MB閥體框架上，每塊可控硅電子觸發板控制一只可控硅，它將接收到的光觸發信號轉化為電脈沖信號，直接觸發可控硅。同期并網控制系統中的同期測定裝置與勵磁系統同期調節系統配合，使機組出口電壓跟隨電網電壓的頻率和幅值。

SFC控制器通過對同步電機電網側電壓、電流和機組側電壓、電流的測量，以及監控系統開關量的讀取，并通過相應的算法輸出脈沖控制信號、勵磁調節信號、開關量信號以達到機組變頻啟動的目的。當機組開始轉動后，利用雙閉環控制方式對SFC轉速進行調控。由SFC控制器給定的速度參考值與機組實際速度測量值進行對比，將誤差信號送入轉速調節器進行閉環處理。電流調節器以轉速調節器輸出的電網側電流作為給定值，與電網側實測電流值進行對比，將反饋結果送至電流調節器。電流調節器輸入NB1和NB2觸發脈沖指令，以達到電流閉環調節，從而實現對機組轉速的調節。

針對低速階段和高速階段，電流調節器分別采用脈沖耦合工作方式和同步運行方式（見前文3.1）。機組轉動過程中，利用雙閉環控制方式對電壓進行調控。將電壓設定值與電壓測量值的誤差信號作為輸入傳遞至電壓調節器，勵磁系統接收由電壓調節器反饋的勵磁電流調節指令，并以此指令為依據控制勵磁系統的整流橋觸發角，調節機組勵磁電流的大小，以實現對機組的電壓調節。

4　SFC啟動機組的工作流程

SFC啟動機組是SFC與監控系統、勵磁系統緊密配合的過程。只有啟動初始階段上述三者間的信號和指令，依照既定的順序進行傳遞，才能保證機組泵工況的順利啟動（見圖3）。白蓮河抽水蓄能電站計算機監控系統為開放式、分層分布的系統結構，由主控級和單元控制級等設備組成。單元控制級設有9個現地控制單元（LCU），其中LCU1~LCU4對應為4臺機組現地控制單元，LCU5為抽水啟動現地控制單元。LCU5一方面對機組LCU和SFC之間的控制命令和狀態信號進行判斷處理，另一方面還將對SFC反饋命令進行處理。以1號機組在SFC啟動為例，結合圖3介紹SFC系統、監控系統以及勵磁系統之間的相互作用關系。

圖3 SFC、監控、勵磁配合過程

若SFC自身無故障且處于遠方控制級，SFC將“滿足啟動條件”信號傳送至LCU5，機組LCU1收到“抽水調相啟機令”后，按一定順序開始啟機流程。

（1）LCU1啟動機組輔助設備包括：機組技術供水系統、調速器和球閥油站系統、推力高壓油泵、水導循環油泵以及抽油霧裝置等。

（2）LCU1發令合上泵工況換相刀、退出機械制動。

（3）LCU1發“SFC準備啟動命令”至LCU5，啟機前的預備工作由LCU5和SFC相互配合完成：

由LCU5發令使SFC輸入變、輸出變和功率柜的冷卻系統開始工作；

由LCU5發“SFC電源投入命令”，SFC系統的邏輯判斷令諧波濾波器開關合閘，輸入、輸出變油泵，SFC去離子泵，冷卻風扇等輔助設備開始運行，順利啟動后向LCU5反饋“SFC輔助設備投入運行”信號[7]；

SFC發指令給LCU5請求依據1、4號主變的運行情況來選擇合05或06，輸入開關合閘后，SFC進入“熱備用”階段；

SFC發送輸出開關合閘命令，LCU5將“SFC進入熱備用”信號傳遞至LCU1。

（4）待被啟動機組的啟動刀和相應的啟動母線刀閘合閘后，LCU5發送“1號機組啟動令”，然后SFC發指令給LCU5請求合上SFC輸出開關VCB2（07開關）；隨后SFC根據LCU5給出的機組頻率信號“F<5Hz”合上旁路刀閘QBS。

（5）LCU1向勵磁傳遞信號，勵磁即處于SFC模式，勵磁系統依據該模式的指令，令勵磁變低壓側開關以及滅磁開關合閘，并置勵磁為電流調節模式，將SFC啟動所需要的勵磁電流值作為初始勵磁電流值，將“勵磁準備完成”信號反饋至LCU1[7]。

（6）LCU1將“起動令”傳遞至SFC，SFC獲取命令后將“釋放令”傳遞至勵磁系統，勵磁整流橋立即解鎖，機組出現轉子電流，同時反饋SFC“勵磁SFC模式已投入”，SFC接收該指令后開始計算轉子的初始位置，給出可控硅的出發脈沖，產生電流，使SFC拖動機組轉動起來，以脈沖耦合方式加速。

（7）當約8.5%額定頻率時，SFC閉鎖觸發脈沖，定子電流為零，旁路刀閘QBS斷開，然后合上QDS刀閘。

（8）SFC控制器重新解鎖，產生定子電流，發電電動機保持加速，約5Hz時，進入同步運行方式。

（9）當機組轉速大于25%時，機組調相壓水流程觸發，高壓氣體進入轉輪室并將水位壓至轉輪以下，使轉輪在空氣中轉動造壓，使機組帶較小負荷運行便于SFC啟動。

（10）當機組轉速約為98%額定速度時，SFC通過MODBUS向LCU5發送“SFC速度>98%”命令，監控判斷進入同期流程。機組同期裝置通過LCU5 向SFC發送增速或減速命令，以調節機組同期頻率。

（11）啟動機組并網后，SFC收到機組出口開關控制柜給出的“GCB合閘”信號，SFC立即閉鎖觸發脈沖，然后發指令給LCU5請求斷開SFC輸出開關07，SFC處于“熱備用”狀態。

（12）SFC輸出開關07開關斷開后，SFC使QDS刀閘斷開；相應機組啟動分閘后，啟動母線刀閘分閘。LCU5向勵磁發令使其工作于“電壓調節模式”。

5　結束語

本文以湖北白蓮河抽水蓄能電站SFC系統為例，從SFC系統的組成部分以及各部分的結構和功能等方面詳細介紹抽水蓄能電站機組SFC系統所需的基本配置。重點從SFC工作原理和SFC啟動系統控制策略兩方面對SFC系統的啟動控制進行了分析。最后通過介紹SFC系統啟機流程，詳細說明SFC、勵磁系統以及監控系統三者間應該如何密切配合。以期能為SFC的系統配置設計、運行方式優化、日常維護以及檢修技改等方面工作提供一定的參考和指導。

參考文獻：

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[3]楊洪濤.天堂抽水蓄能電廠變頻啟動系統分析[J].水電廠自動化，2004（5）：31-35.

[4]馮剛聲，闞朝輝.白蓮河抽水蓄能電站SFC系統運行中故障的分析與處理[J].水力發電，2012（7）：67-68.

[5]王建忠.靜止變頻器（SFC）原理及設備[J].水電廠自動化，2006（3）：198-201.

[6]周軍.抽水蓄能電站中SFC變頻啟動的若干特點[J].電力自動化設備，2004（11）：99-101.

[7]楊文道，鄭重.桐柏抽水蓄能電站SFC啟動機組的自動控制[J].水電廠自動化，2006（4）：190-194.

中圖分類號：TM921

文獻標識碼：B

文章編號：1672-5387（2015）07-0069-04

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.07.020

收稿日期：2015-04-30

作者簡介：王熙（1987-），男，助理工程師，從事抽水蓄能電站運行維護工作。