抽水蓄能電站靜止變頻器（SFC）容量設計研究

摘要：對抽水蓄能電站靜止變頻器（SFC）的容量計算方法進行了研究。分析了機組起動過程中風摩損耗、軸承摩擦損耗、定子繞組銅耗、定子鐵耗產生的阻力損耗特性，研究了機組損耗對SFC容量設計的影響。根據損耗曲線及機組變頻起動時間要求，計算SFC最小設計容量，選擇合適的SFC設計容量，并對機組起動時間進行計算校核。依據大型抽水蓄能機組SFC容量設計需求，通過計算分析驗證SFC容量設計及選擇的正確性，旨在為大型抽水蓄能機組靜止變頻起動裝置容量設計和選擇提供參考。

關鍵詞：抽水蓄能；靜止變頻器；機組損耗；SFC容量設計；機組起動時間

中圖分類號：TV743" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2025）03-0048-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.03.013

0" " 引言

大容量抽水蓄能機組水泵工況起動時，需要采用輔助的起動設備將機組從靜止拖動到同步轉速，采用交-直-交電流源型靜止變頻器（SFC）設備是目前大容量抽水蓄能的主流泵工況起動方式。容量設計是開展SFC系統設計的關鍵和先決條件，SFC的容量和配置直接影響SFC設備的體積及造價，應合理選擇SFC系統容量。本文結合工程實際，對SFC容量設計方法進行了研究。

1" " 基本原理

大型抽水蓄能機組泵工況起動時，通過充氣壓水系統使轉輪與水脫離接觸，大幅減小起動所需的力矩，降低對SFC設計容量的需求。SFC容量與機組容量成正比，一般為發電電動機額定容量的6%～8%[1]。

在起動機組過程中，SFC輸出動力矩、抽蓄機組阻力矩及機組轉速之間的關系為[2]：

TM-TR=J（1）

式中：TM為靜止變頻器的拖動轉矩；TR為機組的阻力矩；J為機組轉動部分的轉動慣量；ω為機組的機械角速度。

ω與每分鐘轉速N的關系如下：

ω=（2）

求解上述微分方程得到：

t=dω=dω（3）

式中：PSFC為靜止變頻器的功率；PR為機組起動過程中的阻力損耗功率。

由公式（3）可見，靜止變頻器（SFC）容量設計與起動時間要求、機組旋轉等效功率損耗（包含風摩損耗、摩擦損耗、電氣損耗）以及機組的轉動慣量等參數密切相關。在一定范圍內提升SFC容量能夠對縮短起動時間起較好的作用，當容量增加到一定程度時，起動時間不再明顯縮短。SFC設備的造價與容量成正比，從經濟性角度考慮，應選擇合適的SFC容量以匹配機組起動需求[3]?？朔樾顧C組旋轉產生的等效阻力損耗功率是SFC容量設計最低要求，在此基礎上考慮加速功率（起動時間），即構成了SFC容量設計及選擇的依據。

2" " 典型抽水蓄能機組SFC一次系統圖

典型抽蓄機組SFC系統一次主接線如圖1所示。SFC系統采用“12-6脈動” “高-低-高”拓撲結構，將兩臺主變低壓接入系統作為輸入電源，經輸入斷路器（ICB1、ICB2）、輸入隔離變壓器（TLS）至SFC整流側，經整流橋（NB1、NB2）、直流平波電抗器（Ld）、逆變橋（MB）逆變后輸出變頻電源，輸出側經起動母線、被拖動開關等設備分配至不同機組。一套SFC系統具備輪流起動多臺機組的能力。

SFC容量設計是SFC系統設計的關鍵，SFC系統中的電抗器、斷路器、變壓器及一次連接的設計參數、結構等均以SFC容量設計為前提。

3" " 機組損耗

某300 MW級抽水蓄能機組相關參數如表1所示。

對于機組的阻力損耗參數，輸入值一般為額定工況下的損耗值，這與SFC拖動機組升速過程中的實際損耗并不一致。為了進行全轉速過程的計算，對額定工況下的各分項損耗進行分析，以機組參數額定值為基值轉換成標幺值后，用額定工況下的損耗值與標幺值的關系，擬合成損耗曲線。設n*為轉速標幺值，I*為定子電流標幺值，U*為定子電壓標幺值。

風摩損耗P1按與轉速的3次方成正比進行工程計算[4]：

P1=（PGE+PRU）·n*3（4）

式中：PGE為發電電動機風摩損耗；PRU為轉輪在空氣中旋轉時的損耗。

推力軸承摩擦損耗P2按與轉速的1.5次方成正比進行工程計算：

P2=PTH·n*1.5（5）

式中：PTH為推力軸承摩擦損耗。

軸系導軸承摩擦損耗P3按與轉速2次方成正比進行工程計算：

P3=PGU·n*2（6）

式中：PGU為導軸承摩擦損耗。

發電電動機的定子鐵耗由磁滯鐵芯損耗、渦流鐵芯損耗和雜散鐵芯損耗構成，均與頻率和磁通密度相關?？紤]到抽水蓄能機組泵工況SFC起動過程中采用恒磁通模式，一般控制機組勵磁電流大小保持在機組空載額定勵磁電流附近，整個過程基本穩定，只進行微調，定子電壓與轉速成正比[5]。工程計算中，可將定子鐵耗按如下公式進行工程計算[6-7]：

P4=U*2·PFe·n*（7）

式中：PFe為定子鐵耗。

電機銅損P5與定子電流2次方成正比：

P5=PCu·I*2（8）

式中：PCu為定子銅損。

由上述分析可得抽蓄機組泵工況SFC起動過程總等效功率損耗PΣ：

PΣ=P1+P2+P3+P4+P5（9）

分析表1的損耗參數，在額定工況下總損耗值為12 185 kW，其中風摩損耗8 600 kW。可以看出，風摩損耗占比遠高于其他損耗，因此其對SFC容量設計的影響也相對最大。

根據上述過程可計算出機組在各個轉速下的損耗，其曲線如圖2所示，該曲線即為SFC在機組起動過程中需克服的阻力曲線。

4" " SFC最小容量計算

設計SFC容量前，需設定SFC工作電壓及電流。SFC工作電壓設計主要與晶閘管參數、器件串聯級數以及電壓裕量要求有關，原則如下：

U2≤（10）

式中：U2為SFC工作電壓（交流側）；n為每個橋臂晶閘管串聯個數；VDRM為晶閘管斷態重復峰值電壓；k為電壓裕度系數，一般為2～2.2。

SFC工作電流值主要與晶閘管電流參數、系統散熱設計相關，也與工作電壓設計相關。對同一容量下的SFC系統，不同的設計結構，其工作電壓及電流設計也不相同。SFC工作電壓的限值受限于晶閘管的耐壓值，一般不會變化。所以，比較好的設計方法是對應晶閘管串聯個數及耐壓參數，充分利用電壓裕度，將SFC工作電壓設計序列化。在SFC容量設計時，選擇工作電壓檔位后，調整工作電流值以滿足設計需求。

對于大型抽水蓄能電站，SFC拖動機組升速時間通常要求不超過240 s，以最大升速時間要求對SFC的容量進行工程計算，即為SFC的最小設計容量。如前文所述，根據式（1）（2）（3）以及圖2的機組阻力損耗功率曲線進行迭代計算，如圖3～6所示。

根據上述計算結果：SFC工作輸出電壓0～8 100 V；SFC工作電流脈沖換相階段設定在DC1 200 A，自然換相階段設定在DC2 100 A，該臺機組所需配置的SFC最小容量為19.2 MW。

5" " SFC容量的選擇及起動時間校核

抽水蓄能機組前期設計階段，機組參數存在一定的偏差。在選擇SFC容量時，除起動時間、最小容量以外，應疊加一定的裕量，以兼顧機組轉動慣量、軸系損耗等參數的適當變化?？紤]上述因素后，選擇SFC容量為21.0 MW。對該SFC容量下的機組起動時間進行計算校核，如圖7～10所示。

根據上述計算結果，配置21 MW的SFC，SFC工作輸出電壓0～8 100 V；SFC工作電流脈沖換相階段設定在DC1 200 A，自然換相階段設定在DC2 300 A，起動機組至額定轉速所需時間約212 s，滿足最大起動時間不超過240 s的要求，并保留一定的裕度以適配機組參數的適當變化。

6" " 結束語

對于抽水蓄能機組的SFC容量設計，可根據機組額定點損耗數據擬合損耗與轉速的曲線。按起動時間要求，計算最小容量要求。在此基礎上保留一定裕度，合理設計SFC的容量，減少工程投資及設備占地。此外，不同應用場合的SFC容量設計的影響因素不同，本文僅對抽水蓄能機組SFC進行分析研究，可作為大型抽水蓄能機組SFC的容量設計參考。

[參考文獻]

[1] 抽水蓄能電站設計規范：NB/T 10072—2018[S].

[2] 國網新源控股有限公司.抽水蓄能機組及其輔助設備技術：靜止變頻器[M].北京：中國電力出版社，2019.

[3] 嚴偉，石祥建，潘仁秋，等.抽水蓄能機組靜止變頻器（SFC）關鍵技術研究[C]//抽水蓄能電站工程建設文集2019：179-185.

[4] 鄭輝，賴喜德，廖姣，等.水電機組推力軸承攪拌損耗計算方法[J].熱能動力工程，2018，33（8）：74-79.

[5] 李基成.現代同步發電機勵磁系統設計及應用[M].3版.北京：中國電力出版社，2017.

[6] 唐任遠.現代永磁電機理論與設計[M].3版.北京：機械工業出版社，2016.

[7] 張冬冬，趙海森，王義龍，等.用于電機損耗精細化分析的分段變系數鐵耗計算模型[J].電工技術學報，2016，31（15）：16-24.

收稿日期：2024-10-16

作者簡介：黃海晏（1985—），男，江蘇南京人，工程師，研究方向：電力電子產品工程設計及應用。