國產首套百兆瓦級抽水蓄能機組靜止啟動變頻器（SFC）關鍵技術及研制意義

高蘇杰，張雷雷，石祥建，魏李

（1.國網新源控股有限公司，北京市西城區 100761；2.國網新源安徽響水澗抽水蓄能有限公司，安徽省蕪湖市 241083；3.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇省南京市 211102）

國產首套百兆瓦級抽水蓄能機組靜止啟動變頻器（SFC）關鍵技術及研制意義

高蘇杰1，張雷雷2，石祥建3，魏李2

（1.國網新源控股有限公司，北京市西城區 100761；2.國網新源安徽響水澗抽水蓄能有限公司，安徽省蕪湖市 241083；3.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇省南京市 211102）

本文首先介紹了國產首套大容量抽水蓄能機組靜止啟動變頻器（SFC）的組成、基本工作原理。然后重點對系統轉子位置檢測方式和原理、觸發控制方式、程控邏輯以及保護及限制功能配置及原理等方面進行了深入分析，同時與國外同類產品進行了比較，體現出SFC國產化的意義。

國產SFC；雙閉環控制；轉子位置檢測 ；程控邏輯

0 引言

安徽響水澗抽水蓄能電站安裝的第二套SFC系統是由南京南瑞繼保電氣有限公司自主研發生產PCS-9575靜止啟動變頻系統。該系統采用了高低高、6-6脈沖、風冷功率橋。該靜止啟動變頻系統由輸入變壓器、輸出變壓器、靜止變頻控制器、整流橋、逆變橋等部分組成。

機組變頻啟動功能是SFC 控制裝置的主體功能。通過網橋電流大小及機橋可控硅導通的控制，實現被啟動機組轉速按照設定的目標值及速度平穩達到并網轉速。要實現這種功能，需要SFC 控制器具備電氣量采集計算功能、轉子位置檢測功能、網橋同步信號形成功能、機組轉速閉環控制功能（包括網橋觸發控制）、機橋同步信號形成功能、機橋觸發控制功能。

1 基本原理

PCS-9575 靜止變頻控制裝置根據電機轉子位置或機端電壓信息，控制SFC 系統一次功率部分以逐漸升高的交替頻率向電機定子某兩相通入電流，產生持續的、超前于轉子磁場的定子旋轉磁場，通過該磁場與轉子磁場的相互作用，控制電機轉子按照流程需要加速，達到需要的轉速，如圖1所示。

圖1 SFC系統基本原理示意圖Fig. 1 Basic Schematic Diagram of SFC System

2 轉矩控制原理

拖動電機升速，實際上是給電機轉子施加持續的穩定的動力轉矩，SFC 靜止變頻系統產生的轉矩與直流電流大小、機橋控制角及電機的轉子磁通大小成正比。而當機橋角度一定時，直流電流大小由網橋觸發角度大小決定；電機的轉子磁通取決于同步電機的勵磁控制，啟動過程中SFC 控制器按照拖動需要控制電機轉子勵磁；一般情況下，為了取得SFC 系統合適的功率因數，機橋控制角保持恒定；這樣以電機轉速為控制目標，通過控制網橋電流即可實現對加速轉矩的控制。SFC 系統的轉矩控制原理如圖2所示。

圖2 SFC系統轉矩控制原理Fig. 2 Torque control principle of SFC system

3 雙閉環控制

PCS-9575靜止變頻控制單元，采用雙閉環環控制方式：外環為轉速閉環，一般采用PI（比例、積分）調節，內環為電流閉環，一般也采用PI 調節方式。當機組頻率可以測量到時，計算機組轉速給定值與機組轉速測量值的差值，經過PI 控制計算，產生網橋輸出直流電流的給定值；直流電流給定值與網橋輸出直流電流測量值的差值，經PI 調節計算所得的控制量，經余弦移相產生觸發角度值α見圖3。

4 轉子位置檢測

對于可控硅型的靜止變頻啟動系統，準確的檢測出電機轉子的位置對整個啟動至關重要，只有準確檢測出轉子位置，SFC 控制裝置才能根據該位置信息確定電機靜止時要初始導通的機橋閥組編號，以及脈沖換相階段需要換相的時刻以及下一組要導通的機橋閥組編號。

轉子位置信號檢測的最直接的方法是在電機上安裝機械位置傳感器。機械位置傳感器增加了系統的復雜程度和安裝、調試及維護的工作量，降低了系統的可靠性，在工作環境條件較惡劣時尤其如此，所以PCS-9575 靜止變頻系統不采用機械位置傳感器，而是采取無位置傳感器的電氣位置檢測方法來進行轉子位置的檢測。

圖3 靜止變頻控制裝置雙環控制原理圖Fig. 3 SFC system double loop control schematic

4.1 轉子初始位置檢測

轉子初始位置檢測是要計算出電機啟動前轉子靜止時的位置，以便于控制器確定要獲得正向（電動機方向）轉矩時，應該給電機的哪兩相電樞繞組通電流，即確定該觸發逆變橋的哪兩個閥組。初始位置檢測采用這樣的方法：首先給電機轉子加勵磁電流階躍，根據電磁感應原理，電機定子將感應出三相電壓，SFC 控制裝置根據該電壓信號計算出轉子的初始位置，從而得到首次應該被觸發的機橋閥組編號。

圖4 勵磁電壓階躍時電機定子感應電壓圖Fig. 4 Excitation voltage step motor motor induction voltage diagram

如圖4所示，在t0時刻由SFC 控制器控制勵磁給電機轉子繞組施加勵磁電壓階躍，則在電機定子上感應電壓波形呈單調衰減趨勢。則用式（1）可以計算出電機靜止時轉子相對于A相電樞繞組的角度值θ0，獲得轉子位置，從而得到首次應該被觸發的機橋閥組編號。

4.2 轉子低速旋轉時的位置檢測

轉子低速旋轉時的位置檢測是指脈沖換相階段的轉子位置檢測。此時電機雖開始轉動，但由于轉速比較低，感應電壓依然比較小。此階段通過檢測電機定子電壓的過零點（上升沿或下降沿）等效轉子位置，為機橋可控硅導通提供參考信息，如圖5所示。

圖5 電機定子電壓波形與轉子位置對應關系圖Fig. 5 Correspondence Diagram of Motor Stator Voltage Waveform and Rotor Position

5 觸發控制

整個啟動控制過程中，PCS-9575 靜止變頻器的控制可以分為三個階段：

（1）初始觸發控制：該階段是要實現正確的電機初始轉動。首先給電機轉子加勵磁電流階躍，根據電磁感應原理，電機定子將感應出三相電壓，SFC 控制裝置根據該電壓信號計算出轉子的初始位置，從而得到首次應該被觸發的機橋閥組編號。啟動網橋，同時，觸發機橋相應閥組，這樣有勵磁的轉子就在定子磁場的牽引下開始轉動。

（2）脈沖換相控制：在電機轉動頻率比較低時（比如小于5Hz），機端感應的電壓值比較低，不足以使機橋的閥組在需要換相時自然關斷，需人為控制來實現機橋的換相，即脈沖換相。當根據機端電壓判斷出機橋需要換相時，首先使網橋逆變，當回路中電流降為零時，則機橋相應閥組由于無法續流而被關斷，再給機橋下一對需要開通的閥組發送觸發信號，同時恢復網橋整流輸出。這樣就完成了機橋的換相控制。

（3）負載換相控制：當電機頻率比較高時（比如大于5Hz），機端感應出的電壓足夠高，能夠使機橋需要被關斷的閥組自然關斷，控制進入負載換相控制階段。在這個階段，網橋一直處于整流工作狀態，機橋則一直處于逆變工作狀態，這樣就可以為電機定子提供持續的轉動力矩，使電機轉速不斷上升，以達到需要的轉速。

6 程控邏輯

PCS-9575 靜止變頻調節器按照一定的控制邏輯來操控SFC 系統主設備的投退，并按照控制邏輯進行電機的拖動。不同電廠一般有不同的程控邏輯，由PCS-9575 智能IO裝置通過現場編程，響水澗電站的程控邏輯如下：

6.1 程控邏輯

（1）SFC控制裝置自檢正常時，向監控發“SFC可用”信號，并保持，此時SFC 處于冷備用，等待控制方式選擇命令。

（2）監控在SFC系統無異常情況下，向SFC 發送“遠方自動控制”令，SFC 進入自動起機邏輯。

（3）SFC 啟動變壓器冷卻油泵、電抗器冷卻風機、機橋和網橋的冷卻風機、合旁路開關1等。

（4）SFC 檢測網橋、機橋以及電抗器的風機運行信號，輸入/輸出變冷卻油泵運行正常，旁路開關1合閘，SFC向監控系統發送“輔助設備已啟動信號”。

（5）SFC 收到“輸入開關合信號”后，結合有無網橋輸入電壓，確認輸入開關已合。

（6）SFC 向監控系統發“SFC就緒信號（SFC 處于備用信號）”，等待監控系統發送“SFC投入令（由監控系統通過SFC 開入板上與每臺機對應的固定端口輸入）”。

SFC 沒收到監控系統的“SFC 投入令”前一直處于該狀態（“SFC 就緒信號”保持），即“熱備用”狀態;直到接到此命令才往下執行。

（7）收到監控系統發出的“SFC投入令”。

（8）SFC 發出“合輸出開關令”，并由“輸出開關合信號”確認已合。

（9）SFC 發出“勵磁允許令（由SFC 開出板上與每臺機對應的固定端口輸出）”到相應機組的勵磁裝置。

（10）SFC 收到勵磁系統發送的“勵磁就緒”信號后，開始控制勵磁輸出。

（11）SFC 確定轉子位置。

（12）設定轉速給定，電流建立，機組升速，處于脈沖換相階段。

（13）SFC 輸出“SFC 已投入信號”，在此后正常的啟動全過程，該信號一致保持。

（14）SFC 檢測f是否大于等于5Hz，當滿足時，往下走；不滿足時，繼續處于脈沖換相階段。

（15）當f≥5Hz 時，SFC 閉鎖輸出，當檢測到定子電流為0 后，發“分旁路開關1（旁路輸出變）令”；發“合旁路開關2（接入輸出變）令”。

（16）設定轉速給定，電流建立，機組升速，處于負載換相階段。

（17）當f與ft（投同期裝置頻率）匹配時，發“允許同期投令”。

（18）SFC 接收同期裝置的增速令或減速令，到（21）。

（19）當SFC 收到“并網開關合令”（同期向并網開關發“并網開關合令”同時也給SFC 發該信號）時，SFC 置轉速給定為0、閉鎖調節、閉鎖脈沖。

（20）檢測到電流為0 時，發“分輸出開關令”，確認分開后，取消“SFC 已投入信號”。

（21）SFC 控制裝置發“旁路開關2（接入輸出變壓器）分令”，并確認收到“旁路開關2 分信號”。

（22）SFC停止變壓器冷卻油泵、電抗器冷卻風機、機橋和網橋的冷卻風機等。

（23）輔機停止后回到（1）。

6.2 正常停機邏輯

（1）監控系統向SFC 發“SFC 停止令”進入正常停機邏輯。

（2）SFC 控制裝置發“輸入開關分令”，并確認收到“輸入開關分信號”。

（3）檢測變壓器油溫，機橋和網橋的溫度，電抗器溫度回到定值范圍內后，控制器發“輔助設備停止令”，來停止油泵、風機等設備。

（4）檢測油流、風壓均消失后，SFC 向監控系統發送“輔助設備已停止信號”。

（5）回到（1）。

6.3 異常或故障停機邏輯

當系統發生異常、故障或者當SFC 裝置發生異常時，發“SFC 跳閘令”時，進入本邏輯：

（1）SFC 發“輸入開關分令”，并通過“輸入開關分信號”來確認。

（2）轉速給定置為0、閉鎖SFC 調節、閉鎖脈沖，同時發“SFC 故障信號（正常起機前，該信號需要人為復歸）”，并保持。

（3）SFC 發“輸出開關分令”，并通過“輸出開關分信號”來確認。

（4）SFC 發“旁路開關1 分令、旁路開關2分令”，并通過旁路開關1 分信號、旁路開關2分信號來確認。

（5）檢測變壓器油溫，機橋和網橋的溫度，電抗器溫度回到定值范圍內后，系統發“輔助設備停止令”，來停止油泵、風機等設備。

（6）檢測油流、風壓均消失后，SFC 向監控系統發送“輔助設備已停止信號”。

6.4 緊急停機邏輯

在正常起機過程中任何時刻，外部（監控系統、保護設備或人為）有“跳SFC令”“緊急停機令”時，進入SFC 緊急停機流程：

（1）轉速給定置為0、閉鎖SFC 調節、閉鎖脈沖。

（2）SFC 發“SFC 緊急停機”信號，并保持（正常起機前，該信號需要人為復歸）。

（3）SFC 檢測電流是否為0，同時發“輸入開關分令”，并通過網橋陽極電壓及“輸入開關分信號”進行確認。

（4）SFC 發“輸出開關分令”，并通過“輸出開關分信號”來確認。

（5）SFC 發“輸出開關分令”，并通過“輸出開關分信號”來確認。

（6）SFC 發“旁路開關1 分令、旁路開關2 分令”，并通過旁路開關1分信號、旁路開關2分信號來確認。

（7）檢測變壓器油溫，機橋和網橋的溫度，電抗器溫度回到定值范圍內后，系統發“輔助設備停止令”，來停止油泵、風機等設備。

（8）檢測油流、風壓均消失后，SFC 向監控系統發送“輔助設備已停止信號”。

7 保護及限制

7.1 過電流保護

過電流保護包括基于 SFC 系統網橋、機橋CT 測量的定時限過電流保護和反時限過電流保護：

（1）網橋1 過電流保護（定、反時限）；

（2）網橋2 過電流保護（定、反時限）；

（3）機橋1 過電流保護（定、反時限）；

（4）機橋2 過電流保護（定、反時限）。

7.1.1 定時限過電流保護

定時限過電流保護主要考慮短時間內回路電流不能比額定啟動電流大太多。設置兩段保護，一段經延時報警、二段經短暫延時跳閘。

7.1.2 反時限過電流保護

反時限過電流保護是一種過流過熱限制。必須對SFC 主回路的電流進行限制，防止過流導致SFC 功率部分因過熱而損壞。回路發熱與回路電流平方和該電流持續時間的乘積成正比關系，即回路電流及其允許運行時間成反時限曲線，如圖6所示。

圖6中縱坐標為過電流倍數，橫坐標為允許運行時間（s），電流越小，允許運行時間越長。圖中曲線的解析式見式（2）。

圖6 電流反時限曲線Fig. 6 Current inverse time curve

SFC 功率部分熱量的累積需要一定的時間，同樣，熱量的散發（冷卻）也需要一定的時間。SFC回路過電流過熱啟動后，SFC 控制單元開始計算熱積累量（計時），當熱積累量大于設定值（大于設定時間）時，反時限過電流保護動作，跳SFC系統開關。當SFC 回路過電流過熱啟動后，SFC控制單元開始計算熱積累量（計時），在未達到設定值時，電流值小于過電流啟動值時，反時限過電流保護退出。SFC 控制器的電流反時限考慮熱積累及發熱部分的散熱過程，以有效防止SFC功率回路過熱。

7.2 電流變化率保護

電流變化率包括基于 SFC 系統網橋、機橋CT 測量的電流變化率保護：

（1）網橋1di/dt保護；

（2）網橋2di/dt保護；

（3）機橋1di/dt保護；

（4）機橋2di/dt保護。

按照式（3）計算出某相電流i的變化率，T為采樣間隔：

當di/dt＞定值時，di/dt 保護動作，跳SFC 系統開關。

7.3 網橋電壓保護

7.3.1 網橋陽極低電壓保護

當網橋輸入電壓低于 0.85 倍額定值時，瞬時動作于將變流橋電流降為零；電壓低于0.85 倍后，在1s 內又恢復到大于0.85 倍，則重新開始啟動；電壓低于0.85倍后，持續時間大于1s，SFC系統跳閘。

7.3.2 網橋陽極過電壓保護子模塊

當網橋輸入電壓高于1.1 倍額定值時，瞬時動作于將變流橋電流降為零；電壓高于1.1 倍后，在1s 內又小于1.1，則重新開始啟動；電壓高于1.1 倍后，持續時間大于1s，SFC 系統跳閘。

7.4 機組磁通保護

包括機組過磁通保護和機組低磁通保護。在機組正常啟動過程中，機組頻率（轉速）和機端電壓滿足一定的關系，若額定機端電壓作為電壓基準值、工頻50Hz作為頻率基準，見式（4）：

當1.2≥V*/f*≥1.1 時，發過磁通告警信號。

當V*/f*＞1.2 時，過磁通保護動作，SFC系統跳閘。

當V*/f*＜0.9，發低磁通告警信號。

7.5 機組過速保護

當n＞設定值時，過速保護動作，調節器發SFC跳閘令，進入“異常或故障停機邏輯”。

8 TV斷線監視

由于 SFC系統一般不設置單獨的可控硅觸發同步電壓回路，而是直接取網橋、機橋各自的TV電壓作為測量計算信號及提供網橋、機橋的同步信號，TV信號的穩定可靠直接影響SFC 系統運行的安全性及可靠性。

PCS-9575 靜止變頻控制單元對TV 斷線判斷方法采用三種方法：雙TV 比較法、負序比較法和冗余判別法，保證各種TV 斷線均能被正確而迅速地檢測。一旦檢測出TV 斷線，則控制器發出SFC系統跳閘命令，同時輸出逆變角并閉鎖脈沖。雙TV 比較方法是常規TV斷線判斷方法，該方法用于機側的兩組TV短線，即同時測量兩個TV 的輸出值，正常情況下，兩個輸出值基本相同，一旦兩個輸出值差別較大，則判斷輸出低的TV斷線。負序比較法主要針對單TV或雙TV 同時斷線而設計。冗余判別法針對TV 全部斷線（TV 高壓熔絲未投）而設計，SFC 系統正常運行時，電機啟動電流、機端電壓是相互關聯的，如果勵磁電流比較大，但定子電壓卻沒有測量值，可以判斷為TV 信號丟失。

9 與當前國外同類產品的綜合比較

目前我國已建和在建的抽水蓄能電站SFC系統幾乎全部為國外產品。一是進口SFC系統總體制造工藝水平比較高，技術成熟，但仍存在一些嚴重缺憾或隱患，缺憾主要表現在進口勵磁系統總體設備價格昂貴，備品備件更貴而且供應不及時。隱患主要表現為技術服務方面，國外公司在國內設立的分公司或運營機構配備的技術服務人員少且技術力量薄弱，掌握不了產品的關鍵技術，設備投產前稍大一些的設計變更、投產后稍大一點的故障處理或因提高站穩定管理的水平而要求的技術升級一般都難以解決，只能請國外資深工程師援救，服務不及時；二是技術封鎖，內部功能不能透明化以及沒有漢化的界面，給設備的運行維護帶來不小的隱患。

10 國產首套大容量抽水蓄能機組靜止啟動變頻器（SFC）成功投產的意義

安徽響水澗抽水蓄能電站第二套SFC系統是我國自主開發研制具有完全知識產權的可用于300MW及以上大型抽水蓄能機組拖動。使我國在抽水蓄能機組靜止變頻啟動系統的設計、開發和應用等方面達到國際同期先進水平，從而打破國外公司的技術壟斷，促進相關行業的科技進步；推進我國大型抽水蓄能電站裝備制造業國產化進程，促進我國抽水蓄能電站裝備制造體系的完整性；而且通過有效競爭，可以降低抽水蓄能電站的投資成本和運行維護成本，節約外匯；同時可以提高抽水蓄能機組的利用率，提高電網的穩定性，保障電網安全，為國內抽水蓄能電站的快速發展提供強有力的技術支撐和服務保障。

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The Working Principle and Significance of the First Domestic Frequenency Converter for Pumped Storage Unit of Hundreds of Megawatts

GAO Sujie1，ZHANG Leilei2，SHI Xiangjian3，WEI Li2
（1.State Grid Xinyuan Company LTD.，Xicheng 100761，China ；2.Anhui Xiangshuijian Pumped Storage Co.，Ltd.， State Grid Xinyuan Company，Wuhu 241083，China；3.Nanjing NARIRELAYS Electric Co.，Ltd.，Nanjing 211102，China）

This paper first introduces the composition and basic working principle of the static starting frequency changer （SFC）of the first domestic frequenency converter for pumped storage unit of hundreds of megawatts，and then focuses on the system rotor position detection mode and principle，trigger control mode，program control logic and protection and restriction function configuration And the principle of in-depth analysis，at the same time with foreign similar products were compared，reflecting the significance of the localization of SFC.

the domestic SFC；double closed loop control；rotor position detection；program logic

TV743

A

570.30

10.3969/j.issn.2096-093X.2017.02.006

“百兆瓦級抽水蓄能機組靜止起動變頻器（SFC）關鍵技術及工程應用”獲得2016年度水力發電科學技術獎一等獎。

“One hundred megawatt pumped storage unit static frequency starting device （SFC）key technology and engineering application” won the first prize of “Hydropower Science and Technology Award” in 2016.

2016-10-21

2017-03-11

高蘇杰（1961—），男，甘肅蘭州人，中共黨員，碩士學位，高級工程師，國網新源控股有限公司副總經理。主要研究方向：抽水蓄能技術。

張雷雷（1983—），男，江蘇響水人，運維值守長，助理工程師，工學學士，主要研究方向：靜止啟動變頻器（SFC）。E-mail：xingmuyan@163.com

石祥建（1980—），男，江蘇徐州人，南京南瑞繼保電氣有限公司，高級工程師，碩士學位，主要研究方向：電力電子及其工程應用。E-mail：shixj@nari-relays.com

魏 李（1982—），男，安徽樅陽人，運檢部電氣專工，助理工程師，大學本科，主要研究方向：抽水蓄能電站機電設備運行。Email：weili_wh@163.com