淺析靜止變頻裝置(SFC)在蓄能電廠的作用

李海洪 韓軻

摘要：靜止變頻器(英文全稱為“Static Frequency Convert-er”，簡(jiǎn)稱SFC)，被廣泛用于抽水蓄能電廠，主要是在機(jī)組抽水工況和抽水調(diào)相工況下啟動(dòng)。靜止變頻器的優(yōu)點(diǎn)是啟動(dòng)平穩(wěn)，啟動(dòng)時(shí)間短，調(diào)整方便，維護(hù)工作量小，可靠性高，工作效率高。總而言之，靜止變頻裝置對(duì)蓄能電廠設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)是有很大的影響的。

關(guān)鍵詞：靜止變頻裝置（SFC）；蓄能電廠；作用

中圖分類號(hào)： TH137.8+1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

前言：隨著現(xiàn)代化大電網(wǎng)的不斷發(fā)展，蓄能電廠內(nèi)蓄能機(jī)組以其快速、有效、經(jīng)濟(jì)、可靠、無(wú)污染的特點(diǎn)，在電網(wǎng)的調(diào)峰、調(diào)頻、填谷以及事故備用中扮演著越來(lái)越重要的角色。蓄能電廠中的抽水蓄能機(jī)組所特有的可逆式同步電動(dòng)發(fā)電機(jī)的啟動(dòng)則是其運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)之一。 而靜止變頻器 SFC正是用于實(shí)現(xiàn)這一關(guān)鍵技術(shù)的理想設(shè)備。本研究就將針對(duì)靜止變頻裝置（SFC）在蓄能電場(chǎng)中的應(yīng)用這一主題進(jìn)行闡述，使讀者對(duì)這方面的內(nèi)容有一個(gè)更加深入的了解。

1.靜止變頻裝置（SFC）結(jié)構(gòu)

靜止變頻器主要由功率單元、控制和保護(hù)單元以及輔助單元等組成。

1.1功率單元

功率單元主要包括以下部分:(1)輸入斷路器。在SFC發(fā)生故障或正常停運(yùn)時(shí)，切斷電源。(2)輸入變壓器。將高壓側(cè)與低壓側(cè)進(jìn)行隔離。(3)整流橋。將交流電流整流為直流。(4)逆變橋。將直流電流逆變?yōu)榻涣鳌?5)直流電抗器。用于整流輸出后的平波和去耦。(6)輸出斷路器。啟動(dòng)過(guò)程中啟動(dòng)回路發(fā)生故障時(shí)切斷電流。

1.2 控制和保護(hù)單元

控制單元包括測(cè)量單元、脈沖單元、PNC、PLC等。(1)測(cè)量單元。測(cè)量SFC調(diào)節(jié)所需的各種變量的元件。(2)脈沖單元?？煽毓栌|發(fā)信號(hào)的傳送和變換元件。(3)PNC(可編程數(shù)字控制器)。用于SFC閉環(huán)調(diào)節(jié)和控制及可控硅元件的保護(hù)。(4)PLC。用于SFC和監(jiān)控系統(tǒng)的輸入輸出聯(lián)絡(luò)和故障管理。(5)保護(hù)單元。用于SFC各種電氣部件的保護(hù)(主要包含過(guò)流保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)、欠壓保護(hù)、欠勵(lì)保護(hù)、過(guò)勵(lì)保護(hù)、差動(dòng)保護(hù)、超速保護(hù)等)。

2.靜止變頻裝置（SFC）工作基本原理

SFC將電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)到準(zhǔn)備同期的轉(zhuǎn)速這一過(guò)程必須經(jīng)歷低速運(yùn)行階段和高速運(yùn)行階段。在低速運(yùn)行階段，輸出開(kāi)關(guān)一個(gè)閉合、一個(gè)斷開(kāi)，這樣是在低速運(yùn)行階段確保轉(zhuǎn)子里有較大的電流，從而形成較大的啟動(dòng)力矩。斷續(xù)換相法斷流時(shí)整流器逆變，主回路斷流后，減小整流器延遲角的同時(shí)，觸發(fā)下一拍的需要觸發(fā)逆變器的晶閘管。當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速的5%~10%時(shí)，轉(zhuǎn)入自然換相，完成換相方式的切換。

2.1低速運(yùn)行階段

同步電動(dòng)機(jī)在低速運(yùn)行時(shí)，由于反電動(dòng)勢(shì)較小，不足以使逆變器中的晶閘管實(shí)現(xiàn)自然換流，故采用電流斷續(xù)法換相。具體換相方法為：(1)檢測(cè)到逆變橋需要換相信號(hào)時(shí)，將整流橋轉(zhuǎn)入逆變狀態(tài)，A=150b，使主回路電流Id下降為零，從而使逆變橋中晶閘管全部關(guān)斷；(2)檢測(cè)到Id=0時(shí)，再次使整流橋轉(zhuǎn)入整流工作狀態(tài)，并將脈沖發(fā)至逆變橋中下一組待觸發(fā)的晶閘管，重新建立直流回路的電流Id。斷續(xù)換相到自然換相方式的過(guò)渡：當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升高到一定數(shù)值以后(通常為額定轉(zhuǎn)速的5% ~10%)，反電動(dòng)勢(shì)的大小足以滿足自然換相的要求時(shí)，通過(guò)控制系統(tǒng)自動(dòng)地由電流斷續(xù)換相方式切換到自然換相方式。此時(shí)，將換相超前角由0b變到60b，并對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行封鎖，使逆變器的晶閘管換相時(shí)電動(dòng)機(jī)不再斷流，避免電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩受到影響。

2.2 高速運(yùn)行階段

在高速運(yùn)行階段，輸出開(kāi)關(guān)一個(gè)斷開(kāi)、一個(gè)閉合，通過(guò)輸出變壓器將機(jī)端電壓升到額定電壓值，以便機(jī)組并網(wǎng)。此階段換相的原理就是利用電動(dòng)機(jī)本身產(chǎn)生的反電勢(shì)進(jìn)行自然換相。由于在換相重疊角L期間，三個(gè)晶閘管同時(shí)導(dǎo)通，在兩個(gè)導(dǎo)通的晶閘管和某兩相電機(jī)繞組之間出現(xiàn)短路電流，從而使原來(lái)導(dǎo)通的一個(gè)晶閘管在反向偏壓的作用下關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)逆變器晶閘管的換相。由于電動(dòng)機(jī)電壓的自然交替，原來(lái)的電流會(huì)自動(dòng)截止，而新的晶閘管則續(xù)流。由于此時(shí)可控硅可以自動(dòng)換向，因而這一階段將不需要轉(zhuǎn)子位置監(jiān)測(cè)裝置的信號(hào)。PNC根據(jù)力矩設(shè)定值和頻率基準(zhǔn)值，并通過(guò)測(cè)量機(jī)橋、網(wǎng)橋側(cè)電壓、電流來(lái)控制機(jī)橋、網(wǎng)橋的觸發(fā)脈沖，以調(diào)節(jié)SFC輸出的起動(dòng)電流，從而將機(jī)組拖動(dòng)至基準(zhǔn)頻率。此時(shí)通過(guò)PLC與監(jiān)控系統(tǒng)的通訊，由機(jī)組同期裝置根據(jù)需要發(fā)出“增速”或“減速”的命令，從而最終使機(jī)組并網(wǎng)。

如上所述，為了使整個(gè)SFC在整個(gè)頻率范圍內(nèi)正常工作，低速運(yùn)行階段的工作頻率上限應(yīng)高于同步工作方式的工作頻率下限。兩種工作方式的切換就構(gòu)成了SFC工作的兩個(gè)階段。

2.3 輔助單元

輔助單元主要包括SFC冷卻單元、輸入變冷卻單元及其他輔助設(shè)備。

3.靜止變頻裝置（SFC）的應(yīng)用特點(diǎn)

靜止變頻器SFC設(shè)備在投運(yùn)以來(lái)，實(shí)際應(yīng)用中有以下優(yōu)點(diǎn): (1)SFC可以很容易完成大型同步電動(dòng)機(jī)變頻起動(dòng)。由于SFC控制過(guò)程中的軟件是面向應(yīng)用的，所以簡(jiǎn)單、易掌握、不易出錯(cuò)，大大提高了工作效率。(2)由于利用了先進(jìn)的操作系統(tǒng)軟件，并應(yīng)用矢量控制技術(shù)，能夠以很高的動(dòng)態(tài)性能完成極復(fù)雜的控制。(3)系統(tǒng)的硬件和軟件均是模塊式的結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)系統(tǒng)的需要擴(kuò)展，對(duì)控制功能進(jìn)行修改、完善和擴(kuò)充。(4)靜止變頻器的轉(zhuǎn)速信號(hào)通過(guò)電壓模型來(lái)獲取。由電壓模型計(jì)算出轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速，從根本上消除了轉(zhuǎn)子振蕩和失步的隱患，減少了故障概率。

4.蓄能電廠中的靜止變頻裝置（SFC）遇到的問(wèn)題及解決方法

大型抽水蓄能電站的SFC系統(tǒng)功率柜通常整體運(yùn)輸，其功率元件具有容量大、電壓等級(jí)高、內(nèi)部管路多、布置緊湊等特點(diǎn)，要求在運(yùn)輸、起吊和安裝過(guò)程中特別小心；在通電試驗(yàn)前要仔細(xì)檢查盤(pán)柜的外觀和內(nèi)部元器件的狀況，尤其是絕緣情況。SFC控制柜內(nèi)部電纜眾多，要避免柜內(nèi)加熱器燙傷電纜。

廣蓄一期SFC轉(zhuǎn)子初始位置檢測(cè)失敗，導(dǎo)致調(diào)節(jié)出錯(cuò)、啟動(dòng)失敗。此問(wèn)題經(jīng)過(guò)加長(zhǎng)測(cè)位窗及調(diào)整勵(lì)磁接觸器位置輔助接點(diǎn)與可編程數(shù)字控制器的時(shí)間配合參數(shù)后獲得解決。廣蓄二期 SFC 采用電氣測(cè)角和測(cè)速，從根本上消除了轉(zhuǎn)子振蕩和失步的隱患，由電壓模型計(jì)算出轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速，取消測(cè)量轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速用的沖信號(hào)發(fā)生器，減少了硬件設(shè)備，相應(yīng)減少了故障概率。外冷卻水系統(tǒng)部分管道存在嚴(yán)重銹蝕和污泥淤積，導(dǎo)致流量較少甚至檢測(cè)不到信號(hào)，致使保護(hù)動(dòng)作停止SFC，此問(wèn)題通過(guò)化學(xué)清洗管道系統(tǒng)得到解決。

5.結(jié)語(yǔ)

靜止變頻器起動(dòng)裝置作為蓄能電站必備的設(shè)備，不僅功能強(qiáng)大，起動(dòng)容量，能滿足蓄能電站的發(fā)電或者電動(dòng)機(jī)組在電力系統(tǒng)中作為泵工況起動(dòng)的拖動(dòng)設(shè)備的要求，而且機(jī)組的起動(dòng)成功率高，對(duì)系統(tǒng)沖擊小，維護(hù)量小。目前，我國(guó)蓄能電廠靜止變頻器啟動(dòng)設(shè)備有很大部分都依靠進(jìn)口，其國(guó)產(chǎn)化的難點(diǎn)主要在于大容量高壓變頻的電力電子器件應(yīng)用技術(shù)，但是隨著國(guó)內(nèi)大容量高壓變頻技術(shù)的日趨成熟，相信不遠(yuǎn)的將來(lái)能夠?qū)崿F(xiàn)靜止變頻器（SFC）國(guó)產(chǎn)化。

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