抽水蓄能電站靜止變頻啟動(dòng)裝置(SFC)系統(tǒng)分析

金世鑫，高嘉賡，凌偉平

(1.遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110006;2.東北電力大學(xué)，吉林 吉林 132012;3．遼寧電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院，遼寧 沈陽(yáng) 110179)

1 SFC的組成及結(jié)構(gòu)

1.1 SFC組成

蒲石河抽水蓄能電站由4臺(tái)300 MW機(jī)組組成，總裝機(jī)容量1 200 MW，配置1臺(tái)SFC，按照一供一備的方式通過(guò)2號(hào)、4號(hào)主變低壓側(cè)給SFC供電，具有較高可靠性。如圖1所示，SFC系統(tǒng)由輸入變壓器 (TR1)、輸出變壓器 (TR2)、輸入開(kāi)關(guān)柜、輸入變綜保/測(cè)控柜、電網(wǎng)側(cè)整流橋 (網(wǎng)橋)、機(jī)組側(cè)逆變橋 (機(jī)橋)、平波電抗器、輸出開(kāi)關(guān)柜、控制器、限流電抗器、冷卻系統(tǒng)組成。

1.2 SFC各組成部分的結(jié)構(gòu)及意義

圖1 SFC一次結(jié)構(gòu)圖

輸入變采用三繞組變壓器，變比為18 000/2 400/2 400，接線組別為Dd0，Dy1，低壓側(cè)的2組橋臂串接在一起，這種接法的好處是可以有效去除系統(tǒng)中的3次諧波和由于整流產(chǎn)生的5次和7次諧波，另外，直流側(cè)安裝的直流電抗器可以有效提高直流側(cè)波形的平滑度，抑制晶閘管整流后產(chǎn)生的諧波。整流橋和逆變橋按照N+1冗余設(shè)置，網(wǎng)橋側(cè)每組橋臂由3個(gè)晶閘管組成，機(jī)橋側(cè)每組橋臂由4個(gè)晶閘管組成，共60個(gè)晶閘管，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性和網(wǎng)橋機(jī)橋的耐受電壓。SFC拖動(dòng)時(shí)，控制器通過(guò)光纖向晶閘管的脈沖控制板上發(fā)送光信號(hào)，脈沖控制板將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)并將該信號(hào)作用于晶閘管的門(mén)極，實(shí)現(xiàn)晶閘管導(dǎo)通的控制。SFC冷卻水系統(tǒng)采用內(nèi)外冷卻水相結(jié)合的方式，內(nèi)部晶閘管冷卻水采用去離子水，外冷卻水(粗水)通過(guò)換熱器來(lái)冷卻去離子水，保證了晶閘管絕緣不受損壞。

2 SFC工作原理及拖動(dòng)狀態(tài)

2.1 SFC工作原理

SFC拖動(dòng)原理是通過(guò)變頻器將主變低壓側(cè)的網(wǎng)側(cè)電壓變?yōu)轭l率由0～50 Hz均勻變化的交流電，由該交流電產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)將轉(zhuǎn)子從零拖動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速，由于低頻時(shí)電壓接近于直流，所以需通過(guò)隔離刀閘S2將輸出變旁路，當(dāng)機(jī)組頻率大于5 Hz時(shí)將輸出變接入，SFC進(jìn)入到線性增速階段，此時(shí)SFC輸出的動(dòng)力矩大于阻力矩，此時(shí)SFC輸出電流為輸出變TR2的額定電流，當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速達(dá)到333 r/min，轉(zhuǎn)速不會(huì)繼續(xù)增加，此時(shí)SFC輸出力矩等于轉(zhuǎn)子勻速轉(zhuǎn)動(dòng)所需的阻力矩，SFC輸出電流減小至額定值的1/3左右。

由于每一次需導(dǎo)通2個(gè)晶閘管形成回路，所以加到網(wǎng)橋側(cè)的電壓為線電壓，SFC控制器每隔60°電角度向另外一組晶閘管發(fā)送脈沖，每個(gè)周期(360°電角度)向晶閘管發(fā)送6組觸發(fā)脈沖，晶閘管的導(dǎo)通順序是1－2，2－3，3－4，4－5，5－6，6－1，一組晶閘管每次導(dǎo)通120°，設(shè)網(wǎng)橋側(cè)晶閘管觸發(fā)角為α，機(jī)橋側(cè)觸發(fā)角為β，直流側(cè)電壓平均值為Ud，主變低壓側(cè)線電壓有效值為UT，機(jī)端線電壓有效值為US，直流側(cè)電壓與交流側(cè)電壓有關(guān)系如式 (1)所示。

當(dāng)α=0°時(shí)，Ud為最大，Udmax=1.35×4 800=6 480 V;當(dāng)α=90°時(shí)，Ud=0;當(dāng)α=180°時(shí)，Ud為最小值，Udmin=－6 480 V。

當(dāng)0≤α≤90°時(shí)，90°＜β＜180°，Ud＞0，機(jī)組工作在泵工況，網(wǎng)橋NB1，NB2工作在整流狀態(tài)，機(jī)橋MB工作在逆變狀態(tài);當(dāng)90≤α≤180°時(shí)，0°＜β＜90°，Ud＜0，機(jī)組工作在發(fā)電工況，網(wǎng)橋NB1，NB2工作在強(qiáng)制逆變狀態(tài)，機(jī)橋MB工作在整流狀態(tài)，通過(guò)調(diào)節(jié)α和β的角度，即可以實(shí)現(xiàn)均勻的變頻。

2.2 SFCQ拖動(dòng)狀態(tài)

由于晶閘管整流橋自動(dòng)換向需要有合適的交流電壓，但機(jī)組在拖動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)速是由零轉(zhuǎn)速上升到額定轉(zhuǎn)速的，在機(jī)組轉(zhuǎn)速小于95%時(shí)，勵(lì)磁工作在恒電流模式，所以機(jī)端電壓的上升和機(jī)端頻率的上升成正比，從而導(dǎo)致SFC拖動(dòng)必然要分為2個(gè)狀態(tài)。在f＜5 Hz時(shí)，晶閘管橋臂上所加的電壓很小，不足以將其關(guān)斷，此時(shí)SFC工作在脈沖換向階段，通過(guò)S2將輸出變旁路，利用較低的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行拖動(dòng)。此過(guò)程實(shí)現(xiàn)方法如下:由SFC控制器將網(wǎng)橋NB1，NB2設(shè)置在全逆變方式來(lái)截?cái)嘀绷骰芈返碾娏鱅d，當(dāng)Id等于0時(shí)，網(wǎng)橋NB1，NB2可控硅被封脈沖。當(dāng)控制器檢測(cè)到回路的電流為0，就會(huì)把脈沖送到根據(jù)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)計(jì)算出的下一組欲觸發(fā)的可控硅，同時(shí)取消網(wǎng)橋NB1，NB2的全逆變狀態(tài)，恢復(fù)回路的電流，使新的一組可控硅導(dǎo)通，在低速運(yùn)行階段，強(qiáng)制切斷直流電流的時(shí)間最少需要4 ms，隨著電動(dòng)機(jī)頻率的增加，可用于取消和恢復(fù)回路電流的時(shí)間將越來(lái)越短，最終無(wú)法繼續(xù)強(qiáng)制換向運(yùn)行［1－2］。因此，脈沖耦合方式必然存在一個(gè)上限工作頻率，一般不超過(guò)額定頻率的10%。當(dāng)機(jī)組頻率大于5 Hz時(shí)，機(jī)端已經(jīng)建立起足夠換向的電壓，此時(shí)SFC斷開(kāi)S2，合上S1，機(jī)橋側(cè)電壓通過(guò)輸出變加到定子上，此時(shí)SFC達(dá)到額定的加速度力矩，晶閘管換向時(shí)，不需要強(qiáng)制逆變，也不需要知道轉(zhuǎn)子初始位置，此時(shí)SFC工作在同步換向階段，控制器只需每隔60°電角度向下一組需要導(dǎo)通的晶閘管發(fā)送脈沖即可，當(dāng)下一組晶閘管導(dǎo)通時(shí)，即可通過(guò)反向電壓自然關(guān)斷上一組晶閘管［3］。SFC的整個(gè)拖動(dòng)過(guò)程由這2個(gè)階段組成，為了使SFC能夠正常完成拖動(dòng)，脈沖換向的上限頻率應(yīng)該略高于同步換向過(guò)程的下限頻率［4］。

3 轉(zhuǎn)子初始位置的計(jì)算

3.1 轉(zhuǎn)子初始位置角與定子電流流向、導(dǎo)通晶閘管編號(hào)的關(guān)系

圖2 轉(zhuǎn)子位置與晶閘管導(dǎo)通、定子電流流向的對(duì)應(yīng)關(guān)系

轉(zhuǎn)子初始位置是機(jī)組在抽水工況下啟動(dòng)的瞬間，轉(zhuǎn)子相對(duì)于定子坐標(biāo)系的位置，用轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)與直軸間夾角λ的正余弦值［5］來(lái)衡量，計(jì)算轉(zhuǎn)子初始位置是為了SFC工作在脈沖換向階段時(shí)，確定應(yīng)該導(dǎo)通的兩組晶閘管，一個(gè)周期內(nèi)轉(zhuǎn)子初始位置和所導(dǎo)通晶閘管的關(guān)系如圖2所示。

3.2 轉(zhuǎn)子初始位置角的計(jì)算方法

蒲石河電站SFC采用電氣測(cè)角方法，即利用電樞繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置。SFC投入前啟動(dòng)勵(lì)磁，在轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)迅速建立過(guò)程中，定子繞組感應(yīng)出三相電動(dòng)勢(shì)eA、eB、eC，由于轉(zhuǎn)子的空間位置不同，三相感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小、方向也不同，位于機(jī)橋側(cè)的高精度數(shù)字電壓互感器 (PIB)通過(guò)啟動(dòng)母線檢測(cè)到定子感應(yīng)電勢(shì)并將其傳送到控制器中進(jìn)行計(jì)算。將定子感應(yīng)電勢(shì)分解到轉(zhuǎn)子dq坐標(biāo)系，如式 (2)、(3)所示，這樣即可以將其轉(zhuǎn)化為dq坐標(biāo)系下的矢量ed，eq的輸入電壓模型，利用電壓模型通過(guò)式 (4)對(duì)電動(dòng)勢(shì)積分等運(yùn)算就可得磁鏈的大小，利用式 (5)可以計(jì)算出轉(zhuǎn)子位置角，式中ed為分解到直軸方向電動(dòng)勢(shì)，eq為分解到交軸方向的電動(dòng)勢(shì)，eU，eV，eW分別為定子三相上感應(yīng)出的電動(dòng)勢(shì)，Ψd為直軸方向的磁鏈，Ψq為交軸方向的磁鏈，λ為轉(zhuǎn)子初始位置角。

4 SFC拖動(dòng)流程

SFC拖動(dòng)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng) (CSCS)通過(guò)調(diào)用SFC控制器內(nèi)部的控制流程來(lái)完成機(jī)組泵工況下的拖動(dòng)過(guò)程，拖動(dòng)流程如圖3所示。

SFC拖動(dòng)機(jī)組時(shí)，首先通過(guò)監(jiān)控選擇機(jī)組在SFC抽水工況下運(yùn)行，選擇勵(lì)磁調(diào)節(jié)器工作在SFC拖動(dòng)模式，然后調(diào)用充氣壓水程序，充氣壓水成功后，監(jiān)控啟動(dòng)SFC，SFC控制器收到監(jiān)控的啟動(dòng)指令后會(huì)順序啟動(dòng)與之相關(guān)的各種輔機(jī) (去離子水泵、輸入、輸出變油泵和晶閘管冷卻器風(fēng)扇)，此時(shí)如果SFC各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)均正常則向監(jiān)控發(fā)出“SFC準(zhǔn)確好”信號(hào)同時(shí)閉合輸入變高壓側(cè)開(kāi)關(guān)，監(jiān)控收到SFC的反饋后向其發(fā)送拖動(dòng)某一臺(tái)機(jī)組的控制信號(hào)，SFC收信后即會(huì)進(jìn)入順序拖動(dòng)流程，以恒定的加速度將機(jī)組拖動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速，SFC拖動(dòng)的力矩由內(nèi)部控制器設(shè)定，其整定原則是保證在機(jī)組加速階段機(jī)橋側(cè)的最大輸出電流不大于輸出變的額定電流的情況下盡可能的增大力矩從而減少拖動(dòng)時(shí)間。機(jī)組并網(wǎng)后，SFC退出運(yùn)行，進(jìn)入熱備或靜止?fàn)顟B(tài)，等待下一次的拖動(dòng)命令。

圖3 機(jī)組泵工況SFC拖動(dòng)流程圖

圖4 機(jī)組各參數(shù)隨轉(zhuǎn)速上升的曲線

5 SFC拖動(dòng)機(jī)組時(shí)各參數(shù)的錄波圖

SFC拖動(dòng)機(jī)組時(shí)，當(dāng)轉(zhuǎn)速在95%以下時(shí)，勵(lì)磁系統(tǒng)處于恒勵(lì)磁電流調(diào)節(jié)模式，此時(shí)SFC工作在線性增速階段，由于同步發(fā)電電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)時(shí)，機(jī)端電壓會(huì)隨著轉(zhuǎn)速的上升而增加 (如圖3所示)，電壓增加的趨勢(shì)和轉(zhuǎn)速增加的趨勢(shì)幾乎一致，當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速小于95%額定轉(zhuǎn)速時(shí)，勵(lì)磁電流決定了發(fā)送或吸收感性無(wú)功的多少，在恒勵(lì)磁電流模式時(shí)，無(wú)功基本保持恒定，SFC拖動(dòng)時(shí)勵(lì)磁電流、機(jī)組轉(zhuǎn)速、機(jī)端電壓、機(jī)端頻率變化的曲線如圖4。

SFC將機(jī)組拖動(dòng)至99%額定轉(zhuǎn)速時(shí)，其觸發(fā)角不會(huì)繼續(xù)改變，機(jī)端頻率也就不會(huì)繼續(xù)增加，但是由于機(jī)組的慣性，在此時(shí)往往會(huì)突然產(chǎn)生一個(gè)較大的超調(diào)量，然后超調(diào)量逐漸縮小，直到頻率收斂于接近額定頻率，此時(shí)機(jī)端頻率變化的控制權(quán)交給同期裝置，同期裝置向SFC發(fā)出增頻或減頻的脈沖信號(hào)，當(dāng)機(jī)端電壓與主變低壓側(cè)電壓的壓差、相角差、滑差滿足同期裝置的要求時(shí)同期合閘繼電器啟動(dòng)，機(jī)組同期并網(wǎng)，當(dāng)發(fā)電機(jī)出口開(kāi)關(guān) (GCB)自準(zhǔn)合閘后，為了避免系統(tǒng)合環(huán)運(yùn)行，SFC立即退出運(yùn)行，變頻裝置封脈沖，VCB2、S2分閘，此時(shí)SFC處于熱備態(tài)，可以進(jìn)行下一臺(tái)機(jī)組的拖動(dòng)，若無(wú)拖動(dòng)機(jī)組或SFC連續(xù)運(yùn)行超過(guò)24 min，VCB11、VCB12正常分閘，5 min后，SFC停輔機(jī)，進(jìn)入停止?fàn)顟B(tài)。

6 結(jié)束語(yǔ)

SFC以無(wú)級(jí)調(diào)速、反應(yīng)速度快、啟動(dòng)平穩(wěn)、啟動(dòng)成功率高和維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在我國(guó)大型抽水蓄能電站中得到廣泛的應(yīng)用，本文介紹了蒲石河抽水蓄能電站SFC系統(tǒng)的組成、工作原理、工作流程，在實(shí)際啟機(jī)過(guò)程中錄制并分析了機(jī)端各電氣參數(shù)隨頻率變化的波形圖，以期對(duì)SFC的調(diào)試工作有一些指導(dǎo)和幫助。

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