基于RTDS仿真的大型抽水蓄能機(jī)組靜止變頻器起動(dòng)技術(shù)研究

內(nèi)蒙古赤峰抽水蓄能有限公司 張志超

現(xiàn)階段國內(nèi)的抽水蓄能電站基本上都采用可逆式機(jī)組，包括水泵和水輪機(jī)兩種工作方式，既帶動(dòng)發(fā)電又實(shí)現(xiàn)抽水，其運(yùn)行工況非常復(fù)雜。作為抽水蓄能機(jī)組的主流起動(dòng)方式，靜止變頻器起動(dòng)（SFC）由于其技術(shù)要求高，國內(nèi)的抽水蓄能機(jī)組變頻起動(dòng)器主要依靠進(jìn)口，導(dǎo)致運(yùn)維成本較大，加快技術(shù)突破推進(jìn)實(shí)現(xiàn)大容量變頻器的國產(chǎn)化有著重大意義。

1 抽水蓄能機(jī)組靜止變頻器（SFC）

1.1 SFC的起動(dòng)方式及優(yōu)勢

起動(dòng)方式。由公式pfn/60=（r/min）分析可知，抽水工況下電源頻率要想保持與電機(jī)轉(zhuǎn)速同步，就必須使蓄能機(jī)組的極對數(shù)穩(wěn)定不變，可通過調(diào)整電源頻率來改變同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。SFC就是對變頻方法的利用，讓靜止變頻器與同步電動(dòng)機(jī)相聯(lián)，借助變頻器的作用同步電機(jī)可得到頻率可調(diào)的電源并適當(dāng)勵(lì)磁，隨著變頻器頻率從零變?yōu)轭~定頻率，同步電機(jī)也由靜止?fàn)顟B(tài)變?yōu)轭~定轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)起動(dòng)。

起動(dòng)優(yōu)勢。靜止變頻器起動(dòng)屬于自控式同步電機(jī)調(diào)速，它與異步和同步電機(jī)的變頻調(diào)速方式存在很大差異。因同步電機(jī)轉(zhuǎn)子位置的特殊限制，其變流器的輸出頻率無法獨(dú)立調(diào)節(jié)，其交流電輸出的交變周期與電機(jī)轉(zhuǎn)過的磁極緊密相關(guān)，基于這種特性，SFC起動(dòng)中可確保變頻器輸出頻率總是同步于電機(jī)轉(zhuǎn)速，避免了振蕩與失步想象的出現(xiàn)，這便是自控式同步電機(jī)的突出優(yōu)勢[1]。

1.2 同步電動(dòng)機(jī)SFC的起動(dòng)電路結(jié)構(gòu)

同步電動(dòng)機(jī)SFC主要包含變頻器、同步電動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)子位置檢測裝置（BQ）及與之配套的相關(guān)控制單元等功能部件。

1.3 同步電機(jī)起動(dòng)程序

同步電機(jī)靜止變頻器與一般的晶閘管交-直-交逆變器存在差異，其獨(dú)特點(diǎn)在于只依靠同步電動(dòng)機(jī)的反電勢實(shí)現(xiàn)換流，既不需要電容換相、也不必串聯(lián)二極管[2]。起動(dòng)時(shí)，先利用整流橋?qū)?0Hz三相交流電整成直流電，再借助逆變器轉(zhuǎn)化為交流電，同時(shí)將其輸入同步電機(jī)中準(zhǔn)備起動(dòng)；對BQ相關(guān)信號采用控制單元來分析，以此進(jìn)行轉(zhuǎn)子位置定位和轉(zhuǎn)速分析，同時(shí)向變頻器發(fā)現(xiàn)三相電流/電壓頻率輸出等指令，保證轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與電機(jī)同步轉(zhuǎn)速相一致。抽水蓄能機(jī)組的同步電機(jī)從起動(dòng)到并網(wǎng)需要經(jīng)過以下階段：

起動(dòng)加速。接到起動(dòng)指令時(shí)，轉(zhuǎn)子開展勵(lì)磁，手動(dòng)閉合起動(dòng)裝置開關(guān)，實(shí)現(xiàn)電流輸入投入、輸出運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)順利起動(dòng)。運(yùn)用斷續(xù)換流法，調(diào)整整流側(cè)控制角達(dá)到135度，使主回路斷流并減小α，此時(shí)根據(jù)實(shí)際需要及時(shí)將逆變器晶閘管連通，進(jìn)而導(dǎo)通續(xù)流晶閘管，實(shí)現(xiàn)換流加速。在電機(jī)轉(zhuǎn)速提升并不低于額定轉(zhuǎn)速的5%~10%時(shí)，此時(shí)可利用反電勢過渡為自然換流狀態(tài)。

整步微調(diào)。這個(gè)階段中，由于起動(dòng)裝置和同步電機(jī)存在端電壓上的一定頻率差，導(dǎo)致出現(xiàn)具有干擾作用的轉(zhuǎn)速微調(diào)信號，為解決這個(gè)問題，及時(shí)調(diào)節(jié)整流器的直流電壓，進(jìn)而微調(diào)逆變器頻率。勵(lì)磁系統(tǒng)也在勵(lì)磁電流的作用下促使同步電動(dòng)機(jī)端電壓與電網(wǎng)相平衡。

同步并網(wǎng)?？赏ㄟ^微調(diào)電壓與頻率來實(shí)現(xiàn)，需要同步電機(jī)定子的端電壓與電網(wǎng)電壓滿足?SY(相位差 )≈ 0°、? U<5%Ue、?f<0.25Hz這些差值條件。此時(shí)α的角度自動(dòng)變?yōu)?35度，輸出電流降為零；隨后將逆變器和整流器的同步脈沖封鎖并立即結(jié)合同步電動(dòng)機(jī)與電網(wǎng)的并入開關(guān)實(shí)現(xiàn)同步并網(wǎng)。與此同時(shí)，起動(dòng)裝置的電流側(cè)開關(guān)與負(fù)載開始分閘，SFC裝置隨起動(dòng)完成而退出。

2 逆變器的控制原理分析

抽水蓄能機(jī)組的起動(dòng)控制系統(tǒng)主要由三個(gè)控制部分構(gòu)成，分別為逆變器、勵(lì)磁整流器以及網(wǎng)側(cè)整流器，其中逆變器沒有輔助換流電路，電機(jī)的高速旋轉(zhuǎn)主要依靠反電勢作用，由此可見它是一種有源逆變器。

2.1 逆變器矢量圖

圖3中，流入繞組的電流為正向磁鏈。A、B、C為三相電的靜止坐標(biāo)關(guān)系，α、β為靜止正交坐標(biāo)；I1~I6為定子磁鏈空間矢量。逆變器開關(guān)狀態(tài)及其空間電流矢量信息見表1。

表1 逆變器開關(guān)狀態(tài)和空間電流矢量

2.2 三相定子繞組感應(yīng)電動(dòng)勢

結(jié)合三相電的靜止坐標(biāo)系，能對定子繞組中的轉(zhuǎn)子磁鏈感應(yīng)電動(dòng)勢進(jìn)行準(zhǔn)確推算，其原理見圖3。

關(guān)系式為：

以上關(guān)系式中：ω表示電動(dòng)機(jī)的電角速度；P指微分算子；θ為轉(zhuǎn)子位置的初始角； 代表磁軸與轉(zhuǎn)子磁鏈形成的夾角；ΨrA、ΨrB、ΨrC代表定子三相磁軸中的轉(zhuǎn)子矢量Ψr的感應(yīng)分量；uAN、uBN、uCN指的是三相定子繞組中轉(zhuǎn)子磁鏈的感應(yīng)電勢。

2.3 轉(zhuǎn)子位置測算

結(jié)合上述關(guān)系式可測算轉(zhuǎn)子具體位置：根據(jù)對三相線電壓的3/2轉(zhuǎn)換得到α、β在靜止坐標(biāo)關(guān)系中的電壓，然后利用兩相電壓積分可算出轉(zhuǎn)子矢量的α、β分量，通過反正切計(jì)算從而確定轉(zhuǎn)子的位置角，算法流程如下：

θt就是處于t時(shí)刻的轉(zhuǎn)子位置角。

2.4 逆變器控制方式

2.4.1 脈沖換相逆變控制

啟動(dòng)初期電機(jī)的定子感應(yīng)比較弱小，在整流逆變器的作用下定子電流降為零，此時(shí)無法通過反電勢作用促使逆變器換相；整流器的整流狀態(tài)只有在完全關(guān)閉逆變器全部開關(guān)后才能恢復(fù)，逆變器在以換相脈沖進(jìn)行運(yùn)行時(shí)即可實(shí)現(xiàn)換相。所以脈沖換相過程中須協(xié)調(diào)控制脈沖器和整流器。圖4是脈沖換相中間電流id與電機(jī)相電流i、相電壓u的運(yùn)行圖，脈沖換相逆變控制方式下，超前角γ為60度；規(guī)定發(fā)電情況下轉(zhuǎn)子正向旋轉(zhuǎn)，由于低轉(zhuǎn)速下電機(jī)感應(yīng)電壓較低并存在很多諧波，濾波處理無法完全避免線電壓的過零波動(dòng)現(xiàn)象，因此需特別注意，當(dāng)電機(jī)頻率<5Hz時(shí)電機(jī)的換相點(diǎn)無法根據(jù)線電壓過零來確定。

2.4.2 負(fù)載換相逆變控制

電機(jī)轉(zhuǎn)速的不斷上升，使得有足夠的反電勢來支持和保持穩(wěn)定的電機(jī)換相。γ=60°時(shí)，此時(shí)同步電機(jī)的定、轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶繆A角介于120~180°范圍。形成如圖5所示運(yùn)行圖。為防止由于積分累積誤差導(dǎo)致的轉(zhuǎn)子位置誤算，負(fù)載換相控制時(shí)需以線電壓過零作為換相點(diǎn)。表2呈現(xiàn)了線電壓與負(fù)載換相控制的變化關(guān)系。

表2 負(fù)載換相控制關(guān)系

2.5 電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩

電磁轉(zhuǎn)矩指的是旋轉(zhuǎn)磁場中轉(zhuǎn)子各載流導(dǎo)體所受到的電磁力轉(zhuǎn)矩之和 ：Te∞ |Ψs|×|Ψr|×sinθrs，式中：|Ψs|和|Ψr|分別代指定子和轉(zhuǎn)子的磁鏈幅值，θrs指的是定子與轉(zhuǎn)子磁鏈之間的夾角。根據(jù)該關(guān)系式能得出如圖6所示同步電機(jī)在脈沖換相及負(fù)載換相兩種情況下的電磁轉(zhuǎn)矩關(guān)系圖。

3 基于RTDS軟件的仿真實(shí)驗(yàn)波形分析與結(jié)論

RTDS(Real Time Developer Studio)是一款基于模型的嵌入式軟件開發(fā)工具，也是應(yīng)用比較普遍的工業(yè)仿真軟件。本例中的抽水蓄能電站抽水蓄能機(jī)組容量96MVA，額定線電壓有效值13.8kV，具體參數(shù)（標(biāo)幺值）為：Xσ0.182、Xd1.053、X"D0.316、X""D0.234、Xq0.818、X""q0.254、Ra0.007661、T"do/s4.67、T""do/s0.058、T""qo/s0.04，利用RTDS軟件來實(shí)時(shí)仿真驗(yàn)證上述算法。

圖7表示轉(zhuǎn)速給定值(速度指令)與電機(jī)實(shí)測速度(標(biāo)幺值)之間的關(guān)系。由圖可知二者之間關(guān)聯(lián)密切，給定值在133.333時(shí)標(biāo)幺值為1，達(dá)到一個(gè)較高值，之后趨于相對平穩(wěn)。

抽水蓄能機(jī)組對支持抽水蓄能電站的正常運(yùn)行有著基礎(chǔ)性作用，也是實(shí)現(xiàn)電力調(diào)峰填谷，保證蓄能機(jī)組的正常、平穩(wěn)起動(dòng)的關(guān)鍵。由于其運(yùn)行質(zhì)量事關(guān)整個(gè)電力工程的安全和質(zhì)量，因此必須予以高度重視。靜止變頻器（SFC）起動(dòng)作為目前的主流方式，在實(shí)際工作中憑借自身的獨(dú)特優(yōu)勢，對確保和支撐蓄能機(jī)組各起動(dòng)、運(yùn)行環(huán)節(jié)發(fā)揮著重要作用。

本文通過采用RTDS仿真分析，發(fā)現(xiàn)靜止變頻器啟動(dòng)方式下，抽水蓄能機(jī)組的同步電機(jī)可實(shí)現(xiàn)起動(dòng)平穩(wěn)；無論是在脈沖換相控制下還是在負(fù)載換相控制時(shí)，同步電機(jī)的實(shí)際電磁轉(zhuǎn)矩輸出值與理論設(shè)想保持一致。證實(shí)了基于空間矢量控制理論的變頻器控制算法的準(zhǔn)確性，因此大型抽水蓄能機(jī)組采用靜止變頻起動(dòng)方式切實(shí)可行，也符合實(shí)際所需。