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作者： 来源： 发布时间：2018/2/11 16:12:47  点击数：446

1 引言
随着现代化大电网的不断发展，大型抽水蓄能电站以其快速、有效、经济、可靠的特点，在电网的调峰填谷中起着重要的作用。广蓄电厂是目前已投产的亚洲最大的抽水蓄能电厂，抽水蓄能机组是这类电站的核心，其所特有的可逆式同步电动发电机的启动则是运行的关键技术之一，静止变频器sfc(static frequency convertor)正是用于实现这一关键技术的常用设备。本文试以工程实例的方式介绍了广州抽水蓄能电厂(一期)的sfc系统。
2 sfc的基本原理
同步电动机的变频调速，其控制方式有两种，他控式变频调速和自控式变频调速，sfc属于自控式变频调速系统。主回路典型接线如图1所示，主要由交—直—交电流型晶闸管变频器、同步电动机、转子位置检测器及控制单元组成。sfc拖动同步电动机的运行，主要依靠转子位置检测器测出转子位置来控制逆变器相应晶闸管的导通，随着转子的旋转，可周期性地按一定顺序触发晶闸管。而晶闸管的关闭则分别由强迫换向和同步电动机的反电动势来完成，这样就使得定子转子的两个磁动势在空间以平均速度同步旋转。当两磁动势间有相位差且在小于等于180度空间电角度范围内变化时，将产生方向一致的平均电磁转矩和脉动转矩分量，使电动机按原方向连续旋转。
3 广蓄(一期)工程简介
装机容量4×300mw，可逆式同步电动发电机参数如下：
sn=333.33mva fn=50hz nn=500rpm
un=18kv cosφ=0.9 md2=4000t·m2
4 广蓄sfc介绍
广蓄sfc系统属于交—直—交自控式电流型变频调速系统，结构如图2所示。
4.1 输入输出变压器
使供电网电压与电机电压相匹配，减少晶闸管串联的数目，同时也减少整流器产生的谐波电压对供电网的影响，并起到限制故障电流的作用，短路阻抗一般较高。变频器工作时，在输入和输出端会出现较高的直流电压差和3倍工频的交流电压差，它们会经过变频器的电网侧和电机侧中性点接地的变压器，电压互感器以及电机自身的中性点接地点形成直流和交流的环流，设置输入变压器，可以隔断直流通路，直到隔离的作用。此外，为了防止3倍工频的交流电构成回路，从输入变压器到整流器的输入端，均不应有接地元件。对于输出变压器，0～5hz阶段要投入s2将其旁路，大于5hz后断开s2，投入s1。变压器的容量可由下式计算
s=s′/[a(1－b)cosφ] (1)
式中 s′——sfc的额定容量；
a——波形系数，3/π；
b——可能出现的最小电压降，10％；
cosφ——0.87。
4.2 直流回路平波电抗器
抑制直流回路的纹波，以改善逆变器的工作条件，同时起到降低故障电流的起始增长率的作用。平波电抗器的电感由下式给出
ld1＋ld2=2uvo2×(0.134/ε－uccr)/wr×snr＋2um2
×(0.134cosφm/ε－uccm)/wm×snm (2)
式中 ε——电流回路的纹波标幺值；
snm——机桥(mb)的视在功率；
wr——电网的脉动系数；
cosφm——电机功率因数；
uccm——电机侧的短路电压百分比；
snr——网桥(nb)的视在功率；
uvo——输入变压器二次侧额定电压；
wm——电机的脉动系数；
uccr——电网侧的短路电压百分比。
一般，令：ld1=ld2
4.3 交流输出电抗器
防止逆变器换流时电流增长太快而损坏晶闸管元件，同时也限制短路电流。
4.4 整流、逆变桥
每个桥臂由四个晶闸管串联而成，光触发。晶闸管阀片直径100mm，额定电压4800v，电流4.5ka，不设保险丝。设计时利用瞬态热阻法仔细计算了各种浪涌电流下晶闸管的损耗和结温。
4.5 脉冲发生器
与转子联轴，通过增量式光电码盘及其相应转换电路，将转子的转动信息变换为脉冲波输出。由于转速与脉冲个数成正比，故通过脉冲个数的计算及相关的处理便可获知转子的瞬态位置。发生器输出的脉冲个数为1080p/t。
4.6 监控系统
主要由可编程数字控制器(pnc)及可编程逻辑控制器(plc)构成。pnc用于闭环调节和晶闸管桥的控制，plc用于sfc与机组rtu之间的输入输出联络和故障管理。
4.7 冷却系统
晶闸管的冷却由特殊设置的装置来实现，对内冷却水的电阻率要求很高，选用去离子水为直接冷却介质，对电阻率进行监测并每隔120min自动进行20min去离子处理，以保证sfc处于随时可用状态。外冷却系统则负责将去离子水的热量带走。另设有空调系统对柜盘内的其他设备进行冷却。
5 广蓄sfc的运行
广蓄电厂属于纯抽水蓄能型电厂。电站水头较高且稳定，无需经由sfc作发电工况变速运行，因此sfc仅作为电动工况的水泵启动之用。
5.1 转子初始位置的测量
转子的初始位置必须在sfc启动前的瞬间测定，以使控制系统(pnc)计算确定最先被触发导通的一对晶闸管，令转子获得最大的电磁启动转矩。测量原理示意图如图3所示。在启动初始之前，首先投入励磁，从定子出口pt取3相的感应电势进行计算便可得知转子的初始位置。此结果将送到pnc中的转子位置计算模块。配合脉冲发生器的零脉冲检测结果，便可在电动机的整个运行过程中得知转子的动态位置。
5.2 脉冲运行阶段
逆变器的换流方式有几种，最简单、经济可行的方法要属负载换向方式。广蓄的sfc系统正是属于此类型。但当电机的转速较低(0～5hz)时，机端反电动势较低，不能可靠地关闭晶闸管进行换向，需强制换流。换向时，原整流桥(nb)运行于全逆变状态，使mb回路的电流迅速降为零，从而使导通的晶闸管关闭，然后重新复原nb，而mb则按既定的触发顺序触发导通下一对晶闸管，实现换向的工作，此过程又称脉冲运行阶段。
5.3 自然换向运行阶段
当电机转速较高(>;5hz)时，机端反电动势已足够高，此时sfc靠电机的端电压进行换流，称自然换流运行状态。
5.4 整步并网阶段
电机
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静止变频器在现代大型抽水蓄能电站中的应用
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转速达95％时，plc便启动同期装置进行整步微调，当同步条件满足时，合上机组出口开关，此前一刻原整流桥(nb)运行于全逆变状态，mb回路的电流迅速降为零，晶闸管关闭，nb、mb闭锁，sfc装置退出，完成整个拖动过程。
5.5 sfc启动过程的理论曲线
sfc启动过程的理论曲线有：机桥启动曲线、网桥启动曲线、发电机启动曲线、时间－速度曲线。
5.6 广蓄sfc的运行流程(如图4所示)
5.7 广蓄sfc的主要技术参数
5.7.1 nb、mb设计参数
整流(逆变)相数 3
换流桥脉动数 6
交流侧额定电压 4.2kv±10％
额定交流电流 3430a
额定输出容量 20mva
最大输出容量 27mva
直流额定电流 4200a
空载直流电压 5.7kv
频 率 nb 50hz±10％
nb 0～55hz
最大工作循环 on 60min
off 60min
导致系统正弦电压总畸变值?lt;1.3％
注入系统谐波电流有效值不高于下表。
5.7.2 水泵启动过程的设计指标
净启动时间 240s
最大启动功率 27mw
励磁电流 0～5hz 1.1icc(=300a)
5～5hz 1.1i0(=1057a)
同期控制指标 δu=±5％ δφ=10° δf=0.75％
同期过程 t60s
同期判定 双通道
5.8 广蓄sfc的控制原理框图(图5)
见，其可靠性已很高。
(2)sfc的工作周期设计为满负荷工作1h，间隙1h。试验时，sfc连续运行2h，测得tr1、tr2的油温在40℃，晶闸管桥的稳定温度小于30℃。多年的运行统计可知，sfc启动由0至额定转速需时300s左右，接近理论计算值240s。由此可见，该系统性能良好，特别是其主回路设计十分成功。
(3)广蓄sfc系统的设计技术环境处于80年代末期，是gec alsthom的成熟产品。原可实现四象限运行，但因电站的实际情况而只开发了其电动启动的功能，因此容量可以较小。pnc、plc分别对内和对外进行控制，相对独立，优化了控制结构，避免互相间的影响。但为用户检修试验而设计的控制平台相对较繁复，为试验及故障查询增加了难度。nb、mb工作电压的降低，减少了晶闸管检修的维护工作量。晶闸管的串联数目，却增加了升压、降压变压器，设备空间占用量大，也增加了运行检修的维护工作量。晶闸管的触发是间接光触发，抗干扰及电隔离效果均比直接光触发式差。
(4)sfc拖动失败主要有以下几方面的原因。
1转子初始位置检测失败，导致调节出错。这一问题经加长测位窗及调整励磁接触器位置辅助接点与pnc(1)的时间配合参数后得以解决。
2用于监控脉冲发生器的继电器质量不可靠，接点有时出现抖动，导致转子动态位置检测故障。更换高质量，接点容量大的继电器后，此故障可消除。
3冷却水系统减压阀损坏及水平管道严重锈蚀和污泥淤积，导致流量较少甚至检测不到，致使保护动作停sfc，通过化学清洗管道系统可解决。
4di/dt故障。此故障的出现，有时在启动初始，有时在机组并网成功后，并不同于常见情形，曾作过相关的程序修改及参数调整，取得一定的效果，但故障仍末根除，偶有发生。其机理目前仍不彻底了解，正在跟踪调查之中。
7 结论
同步电动机启动是抽水蓄能电厂运行的关键技术之一。目前，sfc已是大型抽水蓄能电厂必不可少的关键启动设备。sfc的应用有诸多优点：
(1)效率高，控制性能好。
(2)能实现无级调速，启动平稳，不存在失步问题，对电网无冲击。
(3)可多台机组共用一套sfc，设备省，单机投资价格比低。
(4)对于多机组电厂，采用sfc启动为主，背靠背启动备用的混合启动方式将获得较高的可靠性和经济性。
随着科技的发展，sfc的性能更理想，可靠性更高，而造价逐渐降低，可以预见，sfc在该领域的应用将更加广泛。

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