靜止變頻器（SFC）啟動(dòng)機(jī)組泵工況過程分析

王　熙，劉　聰，馮剛聲

（湖北白蓮河抽水蓄能有限公司，湖北 黃岡 438600）

靜止變頻器（SFC）啟動(dòng)機(jī)組泵工況過程分析

王熙，劉聰，馮剛聲

（湖北白蓮河抽水蓄能有限公司，湖北 黃岡 438600）

摘要：靜止變頻器能夠在較短的時(shí)間內(nèi)平穩(wěn)地將抽水蓄能機(jī)組由零轉(zhuǎn)速拖動(dòng)至泵工況的額定轉(zhuǎn)速。本文以白蓮河抽水蓄能電站SFC系統(tǒng)為例，簡述了SFC系統(tǒng)的基本配置，包括組成部分和各部分的結(jié)構(gòu)功能，繼而從SFC工作原理、啟動(dòng)系統(tǒng)控制策略，以及SFC系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)和勵(lì)磁系統(tǒng)三者之間配合的工作流程，詳細(xì)分析了SFC啟動(dòng)機(jī)組泵工況的完整過程。

關(guān)鍵詞：靜止變頻器（SFC）變頻啟動(dòng)；整流橋；可控硅；控制流程

1　引言

湖北白蓮河抽水蓄能電站位于黃岡市羅田縣境內(nèi)，電站裝有4臺(tái)300MW可逆式抽水蓄能機(jī)組，總裝機(jī)容量1 200MW。設(shè)計(jì)年利用小時(shí)數(shù)為613～948 h，年發(fā)電量9.67億kW·h，年抽水耗電量12.89 億kW·h。以500 kV電壓等級(jí)接入系統(tǒng)，在華中電網(wǎng)和湖北電網(wǎng)系統(tǒng)中發(fā)揮著調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相和事故備用等重要作用[1]。

靜止變頻器（SFC）是大型抽水蓄能電站的重要電氣組成部分，抽水蓄能電站的核心技術(shù)之一為機(jī)組泵工況的變頻啟動(dòng)[2]。SFC因具有無級(jí)變速、啟動(dòng)平穩(wěn)、反應(yīng)迅速、自診斷能力強(qiáng)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于抽水蓄能機(jī)組泵工況啟動(dòng)。SFC變頻啟動(dòng)機(jī)組泵工況是湖北白蓮河抽水蓄能電站的主要啟動(dòng)方式，當(dāng)SFC故障時(shí)采用背靠背拖動(dòng)作為備用方式啟動(dòng)機(jī)組。

圖1 SFC主回路接線

2　SFC系統(tǒng)的基本配置

2.1 SFC系統(tǒng)的組成部分

SFC是利用可控硅變頻裝置將主變低壓側(cè)的網(wǎng)側(cè)電壓變?yōu)閺牧愕筋~定頻率值的變頻電源，該電源產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)同步將轉(zhuǎn)子由靜止拖動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速[3]。SFC系統(tǒng)（主回路接線見圖1）由輸入變壓器、輸出變壓器、輸入斷路器、電網(wǎng)側(cè)整流橋（網(wǎng)橋）、機(jī)組側(cè)逆變橋（機(jī)橋）、輸出斷路器、直流平波電抗器、隔離開關(guān)、冷卻系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、保護(hù)、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和控制柜等組成[4]。開始時(shí)網(wǎng)橋?qū)⒂奢斎胱兊慕涣麟娬鳛橹绷麟娝腿牖芈分?，在直流平波電抗器中完成平波和去耦，后在機(jī)橋的作用下逆變后以相應(yīng)頻率交流電形式送入機(jī)組[5]。

2.2 SFC各部分的結(jié)構(gòu)和功能

湖北白蓮河抽水蓄能電站4臺(tái)機(jī)組共用一套型號(hào)為ALSTOM SD7000 SynchrodriveTM的變頻裝置。網(wǎng)橋?yàn)閮芍幌嗤鳂颍∟B1和NB2）組成的六相全控橋，每只整流橋由18只晶閘管組成，每個(gè)整流橋由6個(gè)橋臂構(gòu)成，每個(gè)橋臂按照2+1冗余配置晶閘管，即每個(gè)橋臂有3只晶閘管，獲得12脈沖。機(jī)橋（MB1）為單個(gè)三相全控逆變橋，6橋臂，每個(gè)橋臂按照3+1冗余配置，獲取6脈沖。NB1和NB2分別與電網(wǎng)側(cè)三繞組輸入變壓器的二次側(cè)星型和三角形繞組連接，MB1輸出通過QBS或QDS分別可與啟動(dòng)母線或者輸出變壓器一次側(cè)星型繞組連接。

輸入變壓器的低壓側(cè)星型二次電流與低壓側(cè)三角型二次側(cè)電流相差30°，利于整流橋產(chǎn)生12脈沖電流。輸入變和輸出變使電網(wǎng)電壓與機(jī)組出口電壓相適應(yīng)，有效的降低了SFC裝置的工作電壓，使SFC裝置配置較少的晶閘管足以完成啟動(dòng)過程[2]。一次側(cè)和二次側(cè)采用三角形連接，有效的降低了網(wǎng)橋產(chǎn)生的諧波對(duì)電網(wǎng)和機(jī)組的干擾，并能夠限制故障電流。

直流平波電抗器主要用改善MB中晶閘管的工作條件，通過NB1和NB2輸出后的平波和去耦，抑制直流回路中電壓和電流的諧波分量及直流上升速度，降低故障電流起始增長率。

當(dāng)旁路電流頻率低于5 Hz時(shí)，QBS合上，向電機(jī)輸入低頻電流，保證給機(jī)組較大的初始啟動(dòng)電磁力矩，同時(shí)避免輸出變壓在過低頻狀態(tài)運(yùn)行。當(dāng)MB輸出頻率上升至5 Hz以上時(shí)，QBS斷開，QDS接通輸入變壓器為電機(jī)供電。

3　SFC啟動(dòng)控制分析

3.1 SFC工作原理

MB自動(dòng)換相必須有一個(gè)合適的交流電壓，當(dāng)交流電壓過低時(shí)，MB失去自動(dòng)換相的能力。在泵工況下機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子中加以恒定不變勵(lì)磁電流。由機(jī)組端電壓正比于轉(zhuǎn)速可知，開始啟動(dòng)時(shí)，發(fā)電電動(dòng)機(jī)處于停機(jī)狀態(tài)或者速度較低，機(jī)端電壓也較小，MB不能進(jìn)行自動(dòng)換相。因此當(dāng)機(jī)組處于低速運(yùn)行階段時(shí)，SFC拖動(dòng)采用脈沖耦合方式進(jìn)行強(qiáng)迫換相。機(jī)組高速運(yùn)行時(shí)，SFC拖動(dòng)采用同步運(yùn)行方式進(jìn)行自動(dòng)換相。

（1）低速運(yùn)行階段：采用脈沖耦合工作方式，此時(shí)由程序檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置決定何時(shí)由MB的哪兩相導(dǎo)通。換相時(shí)為了將回路中的電流截止，強(qiáng)制使NB處于全逆變狀態(tài)。當(dāng)回路電流減小為0時(shí)，取消NB的全逆變并將觸發(fā)脈沖傳遞至下一組需導(dǎo)通的可控硅。

（2）高速運(yùn)行階段：此階段采用同步運(yùn)行，機(jī)組機(jī)端電壓自然交替，SFC可控硅可靠的自動(dòng)換向，SFC控制單元通過控制NB以及MB的觸發(fā)脈沖，將SFC輸出的起動(dòng)頻率調(diào)整至50Hz左右。

需要說明的是，低速運(yùn)行階段轉(zhuǎn)子位置和電磁力矩的方向是兩個(gè)關(guān)鍵因素。湖北白蓮河抽水蓄能電站SFC系統(tǒng)采用電氣量測(cè)量轉(zhuǎn)子初始位置。在機(jī)組啟動(dòng)前，投入勵(lì)磁系統(tǒng)向轉(zhuǎn)子突然施加電流到電流上升到一個(gè)穩(wěn)定值時(shí)，從定子出口PT取三相的暫態(tài)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行計(jì)算便可知轉(zhuǎn)子的初始位置，在定子電流穩(wěn)定后當(dāng)轉(zhuǎn)速在零附近一段數(shù)值時(shí)，感應(yīng)電勢(shì)低，無法通過其測(cè)出轉(zhuǎn)子位置，只能運(yùn)用電機(jī)運(yùn)動(dòng)方程對(duì)轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行估算。對(duì)于電磁力矩的方向，通過調(diào)整控制回路，使MB的晶閘管觸發(fā)脈沖按新的相序工作即可得到加速電磁力矩。當(dāng)處于高速運(yùn)行階段時(shí)，不需要知道轉(zhuǎn)子的初始位置，通過檢測(cè)機(jī)組出口電壓頻率來協(xié)調(diào)MB的換流頻率，使機(jī)組避免失步運(yùn)行[6]。

3.2 SFC啟動(dòng)系統(tǒng)控制策略

SFC啟動(dòng)系統(tǒng)主要由NB1、NB2以及MB、直流平波電抗器、電網(wǎng)側(cè)交流電抗器以及交流濾波器組、可控硅閥冷卻系統(tǒng)、變頻器控制保護(hù)系統(tǒng)、可控硅的觸發(fā)脈沖門控制單元、閥基電子設(shè)備、可控硅電子觸發(fā)板、可控硅檢測(cè)系統(tǒng)和水泵工況下的同期控制系統(tǒng)構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2。

圖2 SFC啟動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

SFC系統(tǒng)中的可控硅觸發(fā)脈沖門控制單元可以實(shí)現(xiàn)SFC控制保護(hù)系統(tǒng)到NB1、NB2以及MB各橋臂的觸發(fā)脈沖分配。可控硅觸發(fā)系統(tǒng)是由閥基電子設(shè)備和可控硅電子觸發(fā)板構(gòu)成。閥基電子設(shè)備將門控單元輸入的對(duì)應(yīng)NB1、NB2以及MB各橋臂的電控信號(hào)轉(zhuǎn)化成對(duì)應(yīng)各閥臂上每只可控硅的光觸發(fā)信號(hào)；可控硅電子觸發(fā)板安裝在NB1、NB2以及MB閥體框架上，每塊可控硅電子觸發(fā)板控制一只可控硅，它將接收到的光觸發(fā)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電脈沖信號(hào)，直接觸發(fā)可控硅。同期并網(wǎng)控制系統(tǒng)中的同期測(cè)定裝置與勵(lì)磁系統(tǒng)同期調(diào)節(jié)系統(tǒng)配合，使機(jī)組出口電壓跟隨電網(wǎng)電壓的頻率和幅值。

SFC控制器通過對(duì)同步電機(jī)電網(wǎng)側(cè)電壓、電流和機(jī)組側(cè)電壓、電流的測(cè)量，以及監(jiān)控系統(tǒng)開關(guān)量的讀取，并通過相應(yīng)的算法輸出脈沖控制信號(hào)、勵(lì)磁調(diào)節(jié)信號(hào)、開關(guān)量信號(hào)以達(dá)到機(jī)組變頻啟動(dòng)的目的。當(dāng)機(jī)組開始轉(zhuǎn)動(dòng)后，利用雙閉環(huán)控制方式對(duì)SFC轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)控。由SFC控制器給定的速度參考值與機(jī)組實(shí)際速度測(cè)量值進(jìn)行對(duì)比，將誤差信號(hào)送入轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器進(jìn)行閉環(huán)處理。電流調(diào)節(jié)器以轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出的電網(wǎng)側(cè)電流作為給定值，與電網(wǎng)側(cè)實(shí)測(cè)電流值進(jìn)行對(duì)比，將反饋結(jié)果送至電流調(diào)節(jié)器。電流調(diào)節(jié)器輸入NB1和NB2觸發(fā)脈沖指令，以達(dá)到電流閉環(huán)調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)組轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。

針對(duì)低速階段和高速階段，電流調(diào)節(jié)器分別采用脈沖耦合工作方式和同步運(yùn)行方式（見前文3.1）。機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，利用雙閉環(huán)控制方式對(duì)電壓進(jìn)行調(diào)控。將電壓設(shè)定值與電壓測(cè)量值的誤差信號(hào)作為輸入傳遞至電壓調(diào)節(jié)器，勵(lì)磁系統(tǒng)接收由電壓調(diào)節(jié)器反饋的勵(lì)磁電流調(diào)節(jié)指令，并以此指令為依據(jù)控制勵(lì)磁系統(tǒng)的整流橋觸發(fā)角，調(diào)節(jié)機(jī)組勵(lì)磁電流的大小，以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)組的電壓調(diào)節(jié)。

4　SFC啟動(dòng)機(jī)組的工作流程

SFC啟動(dòng)機(jī)組是SFC與監(jiān)控系統(tǒng)、勵(lì)磁系統(tǒng)緊密配合的過程。只有啟動(dòng)初始階段上述三者間的信號(hào)和指令，依照既定的順序進(jìn)行傳遞，才能保證機(jī)組泵工況的順利啟動(dòng)（見圖3）。白蓮河抽水蓄能電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)為開放式、分層分布的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，由主控級(jí)和單元控制級(jí)等設(shè)備組成。單元控制級(jí)設(shè)有9個(gè)現(xiàn)地控制單元（LCU），其中LCU1~LCU4對(duì)應(yīng)為4臺(tái)機(jī)組現(xiàn)地控制單元，LCU5為抽水啟動(dòng)現(xiàn)地控制單元。LCU5一方面對(duì)機(jī)組LCU和SFC之間的控制命令和狀態(tài)信號(hào)進(jìn)行判斷處理，另一方面還將對(duì)SFC反饋命令進(jìn)行處理。以1號(hào)機(jī)組在SFC啟動(dòng)為例，結(jié)合圖3介紹SFC系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)以及勵(lì)磁系統(tǒng)之間的相互作用關(guān)系。

圖3 SFC、監(jiān)控、勵(lì)磁配合過程

若SFC自身無故障且處于遠(yuǎn)方控制級(jí)，SFC將“滿足啟動(dòng)條件”信號(hào)傳送至LCU5，機(jī)組LCU1收到“抽水調(diào)相啟機(jī)令”后，按一定順序開始啟機(jī)流程。

（1）LCU1啟動(dòng)機(jī)組輔助設(shè)備包括：機(jī)組技術(shù)供水系統(tǒng)、調(diào)速器和球閥油站系統(tǒng)、推力高壓油泵、水導(dǎo)循環(huán)油泵以及抽油霧裝置等。

（2）LCU1發(fā)令合上泵工況換相刀、退出機(jī)械制動(dòng)。

（3）LCU1發(fā)“SFC準(zhǔn)備啟動(dòng)命令”至LCU5，啟機(jī)前的預(yù)備工作由LCU5和SFC相互配合完成：

由LCU5發(fā)令使SFC輸入變、輸出變和功率柜的冷卻系統(tǒng)開始工作；

由LCU5發(fā)“SFC電源投入命令”，SFC系統(tǒng)的邏輯判斷令諧波濾波器開關(guān)合閘，輸入、輸出變油泵，SFC去離子泵，冷卻風(fēng)扇等輔助設(shè)備開始運(yùn)行，順利啟動(dòng)后向LCU5反饋“SFC輔助設(shè)備投入運(yùn)行”信號(hào)[7]；

SFC發(fā)指令給LCU5請(qǐng)求依據(jù)1、4號(hào)主變的運(yùn)行情況來選擇合05或06，輸入開關(guān)合閘后，SFC進(jìn)入“熱備用”階段；

SFC發(fā)送輸出開關(guān)合閘命令，LCU5將“SFC進(jìn)入熱備用”信號(hào)傳遞至LCU1。

（4）待被啟動(dòng)機(jī)組的啟動(dòng)刀和相應(yīng)的啟動(dòng)母線刀閘合閘后，LCU5發(fā)送“1號(hào)機(jī)組啟動(dòng)令”，然后SFC發(fā)指令給LCU5請(qǐng)求合上SFC輸出開關(guān)VCB2（07開關(guān)）；隨后SFC根據(jù)LCU5給出的機(jī)組頻率信號(hào)“F<5Hz”合上旁路刀閘QBS。

（5）LCU1向勵(lì)磁傳遞信號(hào)，勵(lì)磁即處于SFC模式，勵(lì)磁系統(tǒng)依據(jù)該模式的指令，令勵(lì)磁變低壓側(cè)開關(guān)以及滅磁開關(guān)合閘，并置勵(lì)磁為電流調(diào)節(jié)模式，將SFC啟動(dòng)所需要的勵(lì)磁電流值作為初始勵(lì)磁電流值，將“勵(lì)磁準(zhǔn)備完成”信號(hào)反饋至LCU1[7]。

（6）LCU1將“起動(dòng)令”傳遞至SFC，SFC獲取命令后將“釋放令”傳遞至勵(lì)磁系統(tǒng)，勵(lì)磁整流橋立即解鎖，機(jī)組出現(xiàn)轉(zhuǎn)子電流，同時(shí)反饋SFC“勵(lì)磁SFC模式已投入”，SFC接收該指令后開始計(jì)算轉(zhuǎn)子的初始位置，給出可控硅的出發(fā)脈沖，產(chǎn)生電流，使SFC拖動(dòng)機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)起來，以脈沖耦合方式加速。

（7）當(dāng)約8.5%額定頻率時(shí)，SFC閉鎖觸發(fā)脈沖，定子電流為零，旁路刀閘QBS斷開，然后合上QDS刀閘。

（8）SFC控制器重新解鎖，產(chǎn)生定子電流，發(fā)電電動(dòng)機(jī)保持加速，約5Hz時(shí)，進(jìn)入同步運(yùn)行方式。

（9）當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速大于25%時(shí)，機(jī)組調(diào)相壓水流程觸發(fā)，高壓氣體進(jìn)入轉(zhuǎn)輪室并將水位壓至轉(zhuǎn)輪以下，使轉(zhuǎn)輪在空氣中轉(zhuǎn)動(dòng)造壓，使機(jī)組帶較小負(fù)荷運(yùn)行便于SFC啟動(dòng)。

（10）當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速約為98%額定速度時(shí)，SFC通過MODBUS向LCU5發(fā)送“SFC速度>98%”命令，監(jiān)控判斷進(jìn)入同期流程。機(jī)組同期裝置通過LCU5 向SFC發(fā)送增速或減速命令，以調(diào)節(jié)機(jī)組同期頻率。

（11）啟動(dòng)機(jī)組并網(wǎng)后，SFC收到機(jī)組出口開關(guān)控制柜給出的“GCB合閘”信號(hào)，SFC立即閉鎖觸發(fā)脈沖，然后發(fā)指令給LCU5請(qǐng)求斷開SFC輸出開關(guān)07，SFC處于“熱備用”狀態(tài)。

（12）SFC輸出開關(guān)07開關(guān)斷開后，SFC使QDS刀閘斷開；相應(yīng)機(jī)組啟動(dòng)分閘后，啟動(dòng)母線刀閘分閘。LCU5向勵(lì)磁發(fā)令使其工作于“電壓調(diào)節(jié)模式”。

5　結(jié)束語

本文以湖北白蓮河抽水蓄能電站SFC系統(tǒng)為例，從SFC系統(tǒng)的組成部分以及各部分的結(jié)構(gòu)和功能等方面詳細(xì)介紹抽水蓄能電站機(jī)組SFC系統(tǒng)所需的基本配置。重點(diǎn)從SFC工作原理和SFC啟動(dòng)系統(tǒng)控制策略兩方面對(duì)SFC系統(tǒng)的啟動(dòng)控制進(jìn)行了分析。最后通過介紹SFC系統(tǒng)啟機(jī)流程，詳細(xì)說明SFC、勵(lì)磁系統(tǒng)以及監(jiān)控系統(tǒng)三者間應(yīng)該如何密切配合。以期能為SFC的系統(tǒng)配置設(shè)計(jì)、運(yùn)行方式優(yōu)化、日常維護(hù)以及檢修技改等方面工作提供一定的參考和指導(dǎo)。

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中圖分類號(hào)：TM921

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1672-5387（2015）07-0069-04

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.07.020

收稿日期：2015-04-30

作者簡介：王熙（1987-），男，助理工程師，從事抽水蓄能電站運(yùn)行維護(hù)工作。