淺析抽水蓄能電站靜止變頻器仿真設(shè)計(jì)

周　坤，王吉康，張　榮（.國(guó)網(wǎng)新源泰山抽水蓄能電站有限公司，山東 泰安 7000；.國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司，北京 0076；.保定華仿科技股份有限公司，河北 保定 07057）

淺析抽水蓄能電站靜止變頻器仿真設(shè)計(jì)

周坤1，王吉康2，張榮3
（1.國(guó)網(wǎng)新源泰山抽水蓄能電站有限公司，山東 泰安 271000；2.國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司，北京 100761；3.保定華仿科技股份有限公司，河北 保定 071057）

摘要：主要介紹抽水蓄能機(jī)組靜止變頻器的運(yùn)行原理，在star90圖形化仿真支撐平臺(tái)上建立靜止變頻器的數(shù)學(xué)模型，并以此為基礎(chǔ)對(duì)靜態(tài)變頻調(diào)速系統(tǒng)啟動(dòng)控制下的發(fā)電電動(dòng)機(jī)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)模型進(jìn)行了驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：抽水蓄能；SFC；仿真

1　引言

抽水蓄能電站機(jī)組運(yùn)行在抽水工況時(shí),由于機(jī)組容量較大，起動(dòng)技術(shù)比較關(guān)鍵。SFC-靜止變頻器啟動(dòng)控制系統(tǒng)是目前大型抽水蓄能機(jī)組中較為常用的啟動(dòng)方式，也是相對(duì)于其他一些啟動(dòng)方式而言較為穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)的啟動(dòng)方式。所以，目前大多數(shù)的抽水蓄能機(jī)組，特別是大型抽水蓄能機(jī)組幾乎都主要采用靜止變頻啟動(dòng)控制方式。目前我國(guó)抽水蓄能電站幾乎全部采用靜止變頻器起動(dòng)。因此，加強(qiáng)對(duì)抽水蓄能電機(jī)靜止變頻器起動(dòng)過(guò)程相關(guān)問(wèn)題的深入研究，有助于深入掌握抽水蓄能電站SFC系統(tǒng)的原理、流程及其與外部系統(tǒng)的聯(lián)系，科學(xué)合理地運(yùn)行維護(hù)SFC，提高抽水蓄能機(jī)組電動(dòng)工況的啟動(dòng)成功率，節(jié)約抽水蓄能電站運(yùn)營(yíng)成本。

2　靜止變頻器啟動(dòng)電機(jī)運(yùn)行過(guò)程

抽水蓄能機(jī)組的靜止變頻調(diào)速系統(tǒng)主要由交-直-交電流型晶閘管變流器、發(fā)電電動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器及控制回路構(gòu)成，如圖1所示。

圖1靜止變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

整流橋、逆變橋和直流平波電抗器組成了變流器主電路。由電網(wǎng)來(lái)的交流電經(jīng)整流器整流后成為直流電，直流電被平波電抗器濾波后，逆變器再將其變換成交流電（頻率可調(diào)）供給同步電動(dòng)機(jī)。SFC機(jī)組可控硅變頻裝置產(chǎn)生從零到額定頻率值的變頻電源，同步地將機(jī)組拖動(dòng)起來(lái)。由于全控橋在機(jī)組啟動(dòng)初期交流電壓太低時(shí)不能自動(dòng)換相，SFC運(yùn)行時(shí)分為低速運(yùn)行階段和高速運(yùn)行階段。

（1）SFC低速運(yùn)行階段

SFC低速運(yùn)行階段,靜止變頻調(diào)速系統(tǒng)逆變橋采用電流斷續(xù)換流。每當(dāng)晶閘管需要換流時(shí)，先使整流橋逆變運(yùn)行，使逆變器的輸入電流下降到零，讓逆變器的所有晶閘管均暫時(shí)關(guān)斷，然后觸發(fā)換相后應(yīng)該導(dǎo)通的晶閘管，同時(shí)使整流橋回到整流狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)從一相到另一相的換流。由于斷續(xù)換流只是在起動(dòng)和低速時(shí)使用，逆變器輸出的頻率較低，電流斷續(xù)的時(shí)間對(duì)同步電機(jī)的運(yùn)行影響不大。

圖2電流斷續(xù)換流的主電路

當(dāng)同步電機(jī)采用電流斷續(xù)換流時(shí)，逆變器晶閘管的觸發(fā)相位對(duì)換流已不起作用。為了增大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，一般取γ0=0°。

（2）高速運(yùn)行階段

高速運(yùn)行階段,靜止變頻調(diào)速系統(tǒng)晶閘管變流器逆變橋采用反電勢(shì)換流。靜止變頻調(diào)速系統(tǒng)中，晶閘管、變流器的換流，是通過(guò)觸發(fā)和關(guān)斷相應(yīng)的晶閘管把正在導(dǎo)通相的電流切換到欲導(dǎo)通相的過(guò)程。由于晶閘管一旦觸發(fā)導(dǎo)通后，門(mén)極就失去了控制作用，要想關(guān)斷它必須給晶閘管施加反向電壓，使其電流減少到晶閘管維持電流以下，并把反向電壓保持一段時(shí)間后晶閘管才能可靠地關(guān)斷。

在負(fù)載換流同步電機(jī)中，只要轉(zhuǎn)子有激磁電流并在空間旋轉(zhuǎn)，就會(huì)在電樞繞組中感應(yīng)出反電勢(shì)。如圖3所示，假設(shè)在K點(diǎn)換流以前晶閘管V1、V2導(dǎo)通，此時(shí)電流由電源正極開(kāi)始經(jīng)由V1→A相繞組→C相繞組→V2→電源負(fù)極。若在K點(diǎn)直接要使電流由A相流通切換到B相流通，則應(yīng)觸發(fā)晶閘管V3導(dǎo)通，并關(guān)斷晶閘管V1。從圖3b）中可知，如果按正常位置換流，應(yīng)在K點(diǎn)觸發(fā)晶閘管V3進(jìn)行換流，但當(dāng)晶閘管V3導(dǎo)通瞬間，V1將不承受反壓而繼續(xù)導(dǎo)通，結(jié)果造成換流失敗。所以反電勢(shì)換流時(shí)，A、B兩相反電勢(shì)波形的交點(diǎn)K應(yīng)保持一定的空載換流超前角γ0。例如，在圖3b）中的S點(diǎn)換流（γ0=60°）。當(dāng)在此時(shí)觸發(fā)V3時(shí)，反電勢(shì)，加在晶閘管V1上的反向電壓，則在兩個(gè)導(dǎo)通的晶閘管V1、V3和電機(jī)A、B兩相繞組之間出現(xiàn)一個(gè)短路電流，其方向如圖3a）所示。當(dāng)短路電流SL達(dá)到原來(lái)通過(guò)晶閘管V1的負(fù)載電流時(shí)，晶閘管V1就因流過(guò)的實(shí)際電流下降至零而開(kāi)始關(guān)斷，負(fù)載電流就全部轉(zhuǎn)移到晶閘管V3。至此，A、B兩相之間的換流全部結(jié)束，V1、V3兩管正常導(dǎo)通運(yùn)行。

圖3靜止變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

換流過(guò)程中短路電流流經(jīng)電機(jī)兩相繞組，由于同步電機(jī)的定子繞組、激磁繞組和阻尼繞組的電感作用，換流必然需要經(jīng)歷一段時(shí)間。通常把要換流的兩個(gè)晶閘管同時(shí)導(dǎo)通所經(jīng)歷的時(shí)間稱(chēng)為換流重疊角，用μ表示，如圖4所示。換流重疊角μ與負(fù)載電流大小有關(guān)，負(fù)載電流大，換流重疊角μ就越大；反之負(fù)載電流小，換流重疊角μ也就越小。

圖4γ0=60°時(shí)反電勢(shì)換流的電流波形

為了保證換流的可靠進(jìn)行，通常換流剩余角δ至少應(yīng)保持在10°～15°。要滿(mǎn)足這個(gè)條件，一方面應(yīng)適當(dāng)增大空載換流超前角0，但是隨著0的增大，電機(jī)轉(zhuǎn)矩會(huì)減小，并加大了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)分量，一般取0=60°（如圖4）；另一方面要限制電機(jī)負(fù)載電流以減小重疊角μ。

3　系統(tǒng)控制原理

靜止變頻調(diào)速系統(tǒng)是根據(jù)轉(zhuǎn)子的實(shí)際位置和轉(zhuǎn)速，按一定的控制策略產(chǎn)生控制信號(hào)，控制變頻器輸出三相電流（電壓）的頻率、幅值和相位大小。系統(tǒng)控制可以分為整流器的整流調(diào)速控制、逆變器的自同步逆變控制和勵(lì)磁控制，如圖5所示。整流器直接受控于電流和轉(zhuǎn)速的雙閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，為保證晶閘管的可靠換相，同時(shí)又保證負(fù)載換相同步電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力，一般采用恒定換相剩余角δ控制，δ在30° ～40°之間。

圖5靜止變頻調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)控制框圖

靜止變頻調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)時(shí)，預(yù)先設(shè)定一條轉(zhuǎn)速上升曲線(xiàn)，然后由轉(zhuǎn)速給定單元輸出一個(gè)與電網(wǎng)頻率相當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速基值，在dn/dt環(huán)節(jié)作用下，產(chǎn)生轉(zhuǎn)速整定值并與機(jī)組實(shí)際轉(zhuǎn)速比較，將偏差量作為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的輸入控制信號(hào)，最終調(diào)整整流器的觸發(fā)角以控制變頻系統(tǒng)回路的運(yùn)行電流，使機(jī)組快速跟蹤轉(zhuǎn)速指令的變化（或）時(shí)，變頻系統(tǒng)自動(dòng)增加（或減小）提供給機(jī)組的電磁力矩時(shí)，變頻系統(tǒng)保持原有運(yùn)行狀態(tài)，提供的電磁轉(zhuǎn)矩與機(jī)組的阻轉(zhuǎn)矩相等，機(jī)組維持一定的轉(zhuǎn)速。影響機(jī)組變頻起動(dòng)過(guò)程中轉(zhuǎn)速特性的主要因素是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器及電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)，因此，要對(duì)這兩個(gè)調(diào)節(jié)器的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以使機(jī)組獲得快速平穩(wěn)的最佳起動(dòng)特性。一般為了防止機(jī)組在起動(dòng)的加速過(guò)程中轉(zhuǎn)速波動(dòng)，處于內(nèi)環(huán)控制的電流調(diào)節(jié)器的響應(yīng)速度應(yīng)快于外環(huán)控制的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。另外，適當(dāng)選擇機(jī)組起動(dòng)的加速度（dn/dt），也可以有效降低機(jī)組振動(dòng)，提高起動(dòng)成功率。

4　靜止變頻器的數(shù)學(xué)模型

SFC整流側(cè)：

SFC逆變側(cè)：

反電勢(shì)和繞組中電流的矢量關(guān)系（A相）如圖6所示。

圖6反電勢(shì)和繞組中電流的矢量關(guān)系圖

π/3；

反電勢(shì)；

SFC啟動(dòng)機(jī)組的過(guò)程包括：輔助設(shè)備起動(dòng)過(guò)程、準(zhǔn)備過(guò)程、啟動(dòng)過(guò)程、等待過(guò)程。收到現(xiàn)地控制單元發(fā)來(lái)的“上電命令”后進(jìn)入輔助設(shè)備起動(dòng)過(guò)程和準(zhǔn)備過(guò)程，使SFC工作于“熱備用”狀態(tài)，并且合上輸出開(kāi)關(guān)。收到被啟動(dòng)機(jī)組發(fā)來(lái)的“SFC運(yùn)行命令”后發(fā)出“勵(lì)磁釋放令”，請(qǐng)求勵(lì)磁系統(tǒng)加上勵(lì)磁電流。收到勵(lì)磁系統(tǒng)的“勵(lì)磁電流已經(jīng)加入信號(hào)”時(shí)進(jìn)入啟動(dòng)過(guò)程，開(kāi)始測(cè)量轉(zhuǎn)子初始位置，慢慢拖動(dòng)機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)。

SFC啟動(dòng)機(jī)組時(shí)分為低速運(yùn)行階段和高速運(yùn)行階段，平穩(wěn)地產(chǎn)生從零到額定頻率值的變頻電源，同步拖動(dòng)機(jī)組進(jìn)入抽水調(diào)相工況。由機(jī)組調(diào)速器產(chǎn)生的5Hz測(cè)速信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)階段的切換，當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速小于5Hz時(shí)，SFC工作于脈沖耦合階段，當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速大于5Hz時(shí)，SFC工作于同步運(yùn)行階段。當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速大于90%額定轉(zhuǎn)速時(shí)，進(jìn)入同期調(diào)節(jié)模式，接收機(jī)組同期裝置發(fā)來(lái)的頻率增減信號(hào)，由SFC調(diào)節(jié)機(jī)組轉(zhuǎn)速直至并網(wǎng)。當(dāng)SFC收到機(jī)組開(kāi)關(guān)合閘位置接點(diǎn)或合閘繼電器接點(diǎn)后，SFC將閉鎖輸出電流后跳開(kāi)輸出開(kāi)關(guān)，進(jìn)入“熱備用”狀態(tài)。

圖7SFC系統(tǒng)的功能模塊

5　仿真模型與算例

按照本文數(shù)學(xué)模型，在STAR-90圖形化仿真支撐平臺(tái)上構(gòu)建SFC仿真模塊，模塊結(jié)構(gòu)如圖8，編寫(xiě)相應(yīng)的算法。最后構(gòu)建SFC的仿真模型如圖9，實(shí)現(xiàn)SFC啟動(dòng)機(jī)組的全過(guò)程。并按照表1抽水蓄能電站機(jī)組參數(shù)進(jìn)行了實(shí)例分析，取得了令人滿(mǎn)意的結(jié)果。

分析結(jié)果如下：

圖8SFC模塊結(jié)構(gòu)

圖9SFC的仿真模型圖

表1抽水蓄能電站機(jī)組參數(shù)表

6　結(jié)論

對(duì)通過(guò)上述理論建立的抽水蓄能SFC的仿真模型進(jìn)行了驗(yàn)證。數(shù)據(jù)表明，在該控制方式的處理過(guò)程下，抽水蓄能機(jī)組能夠順利實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電機(jī)端電壓的平穩(wěn)上升，表明了仿真模型的正確性。

圖10γ0=0°電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程中各參量的波形

圖11γ0=60°電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程中各參量的波形

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中圖分類(lèi)號(hào)：TV743

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-5387（2015）03-0034-04

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.03.010

收稿日期：2014-10-21

作者簡(jiǎn)介：周坤（1980-），男，高級(jí)工程師，從事抽水蓄能電站技術(shù)管理工作。