抽水蓄能電站靜止變頻器（SFC）容量設(shè)計研究

摘要：對抽水蓄能電站靜止變頻器（SFC）的容量計算方法進行了研究。分析了機組起動過程中風摩損耗、軸承摩擦損耗、定子繞組銅耗、定子鐵耗產(chǎn)生的阻力損耗特性，研究了機組損耗對SFC容量設(shè)計的影響。根據(jù)損耗曲線及機組變頻起動時間要求，計算SFC最小設(shè)計容量，選擇合適的SFC設(shè)計容量，并對機組起動時間進行計算校核。依據(jù)大型抽水蓄能機組SFC容量設(shè)計需求，通過計算分析驗證SFC容量設(shè)計及選擇的正確性，旨在為大型抽水蓄能機組靜止變頻起動裝置容量設(shè)計和選擇提供參考。

關(guān)鍵詞：抽水蓄能；靜止變頻器；機組損耗；SFC容量設(shè)計；機組起動時間

中圖分類號：TV743" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2025）03-0048-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.03.013

0" " 引言

大容量抽水蓄能機組水泵工況起動時，需要采用輔助的起動設(shè)備將機組從靜止拖動到同步轉(zhuǎn)速，采用交-直-交電流源型靜止變頻器（SFC）設(shè)備是目前大容量抽水蓄能的主流泵工況起動方式。容量設(shè)計是開展SFC系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵和先決條件，SFC的容量和配置直接影響SFC設(shè)備的體積及造價，應(yīng)合理選擇SFC系統(tǒng)容量。本文結(jié)合工程實際，對SFC容量設(shè)計方法進行了研究。

1" " 基本原理

大型抽水蓄能機組泵工況起動時，通過充氣壓水系統(tǒng)使轉(zhuǎn)輪與水脫離接觸，大幅減小起動所需的力矩，降低對SFC設(shè)計容量的需求。SFC容量與機組容量成正比，一般為發(fā)電電動機額定容量的6%～8%[1]。

在起動機組過程中，SFC輸出動力矩、抽蓄機組阻力矩及機組轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系為[2]：

TM-TR=J（1）

式中：TM為靜止變頻器的拖動轉(zhuǎn)矩；TR為機組的阻力矩；J為機組轉(zhuǎn)動部分的轉(zhuǎn)動慣量；ω為機組的機械角速度。

ω與每分鐘轉(zhuǎn)速N的關(guān)系如下：

ω=（2）

求解上述微分方程得到：

t=dω=dω（3）

式中：PSFC為靜止變頻器的功率；PR為機組起動過程中的阻力損耗功率。

由公式（3）可見，靜止變頻器（SFC）容量設(shè)計與起動時間要求、機組旋轉(zhuǎn)等效功率損耗（包含風摩損耗、摩擦損耗、電氣損耗）以及機組的轉(zhuǎn)動慣量等參數(shù)密切相關(guān)。在一定范圍內(nèi)提升SFC容量能夠?qū)s短起動時間起較好的作用，當容量增加到一定程度時，起動時間不再明顯縮短。SFC設(shè)備的造價與容量成正比，從經(jīng)濟性角度考慮，應(yīng)選擇合適的SFC容量以匹配機組起動需求[3]?？朔樾顧C組旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的等效阻力損耗功率是SFC容量設(shè)計最低要求，在此基礎(chǔ)上考慮加速功率（起動時間），即構(gòu)成了SFC容量設(shè)計及選擇的依據(jù)。

2" " 典型抽水蓄能機組SFC一次系統(tǒng)圖

典型抽蓄機組SFC系統(tǒng)一次主接線如圖1所示。SFC系統(tǒng)采用“12-6脈動” “高-低-高”拓撲結(jié)構(gòu)，將兩臺主變低壓接入系統(tǒng)作為輸入電源，經(jīng)輸入斷路器（ICB1、ICB2）、輸入隔離變壓器（TLS）至SFC整流側(cè)，經(jīng)整流橋（NB1、NB2）、直流平波電抗器（Ld）、逆變橋（MB）逆變后輸出變頻電源，輸出側(cè)經(jīng)起動母線、被拖動開關(guān)等設(shè)備分配至不同機組。一套SFC系統(tǒng)具備輪流起動多臺機組的能力。

SFC容量設(shè)計是SFC系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵，SFC系統(tǒng)中的電抗器、斷路器、變壓器及一次連接的設(shè)計參數(shù)、結(jié)構(gòu)等均以SFC容量設(shè)計為前提。

3" " 機組損耗

某300 MW級抽水蓄能機組相關(guān)參數(shù)如表1所示。

對于機組的阻力損耗參數(shù)，輸入值一般為額定工況下的損耗值，這與SFC拖動機組升速過程中的實際損耗并不一致。為了進行全轉(zhuǎn)速過程的計算，對額定工況下的各分項損耗進行分析，以機組參數(shù)額定值為基值轉(zhuǎn)換成標幺值后，用額定工況下的損耗值與標幺值的關(guān)系，擬合成損耗曲線。設(shè)n*為轉(zhuǎn)速標幺值，I*為定子電流標幺值，U*為定子電壓標幺值。

風摩損耗P1按與轉(zhuǎn)速的3次方成正比進行工程計算[4]：

P1=（PGE+PRU）·n*3（4）

式中：PGE為發(fā)電電動機風摩損耗；PRU為轉(zhuǎn)輪在空氣中旋轉(zhuǎn)時的損耗。

推力軸承摩擦損耗P2按與轉(zhuǎn)速的1.5次方成正比進行工程計算：

P2=PTH·n*1.5（5）

式中：PTH為推力軸承摩擦損耗。

軸系導軸承摩擦損耗P3按與轉(zhuǎn)速2次方成正比進行工程計算：

P3=PGU·n*2（6）

式中：PGU為導軸承摩擦損耗。

發(fā)電電動機的定子鐵耗由磁滯鐵芯損耗、渦流鐵芯損耗和雜散鐵芯損耗構(gòu)成，均與頻率和磁通密度相關(guān)?？紤]到抽水蓄能機組泵工況SFC起動過程中采用恒磁通模式，一般控制機組勵磁電流大小保持在機組空載額定勵磁電流附近，整個過程基本穩(wěn)定，只進行微調(diào)，定子電壓與轉(zhuǎn)速成正比[5]。工程計算中，可將定子鐵耗按如下公式進行工程計算[6-7]：

P4=U*2·PFe·n*（7）

式中：PFe為定子鐵耗。

電機銅損P5與定子電流2次方成正比：

P5=PCu·I*2（8）

式中：PCu為定子銅損。

由上述分析可得抽蓄機組泵工況SFC起動過程總等效功率損耗PΣ：

PΣ=P1+P2+P3+P4+P5（9）

分析表1的損耗參數(shù)，在額定工況下總損耗值為12 185 kW，其中風摩損耗8 600 kW?？梢钥闯觯L摩損耗占比遠高于其他損耗，因此其對SFC容量設(shè)計的影響也相對最大。

根據(jù)上述過程可計算出機組在各個轉(zhuǎn)速下的損耗，其曲線如圖2所示，該曲線即為SFC在機組起動過程中需克服的阻力曲線。

4" " SFC最小容量計算

設(shè)計SFC容量前，需設(shè)定SFC工作電壓及電流。SFC工作電壓設(shè)計主要與晶閘管參數(shù)、器件串聯(lián)級數(shù)以及電壓裕量要求有關(guān)，原則如下：

U2≤（10）

式中：U2為SFC工作電壓（交流側(cè)）；n為每個橋臂晶閘管串聯(lián)個數(shù)；VDRM為晶閘管斷態(tài)重復峰值電壓；k為電壓裕度系數(shù)，一般為2～2.2。

SFC工作電流值主要與晶閘管電流參數(shù)、系統(tǒng)散熱設(shè)計相關(guān)，也與工作電壓設(shè)計相關(guān)。對同一容量下的SFC系統(tǒng)，不同的設(shè)計結(jié)構(gòu)，其工作電壓及電流設(shè)計也不相同。SFC工作電壓的限值受限于晶閘管的耐壓值，一般不會變化。所以，比較好的設(shè)計方法是對應(yīng)晶閘管串聯(lián)個數(shù)及耐壓參數(shù)，充分利用電壓裕度，將SFC工作電壓設(shè)計序列化。在SFC容量設(shè)計時，選擇工作電壓檔位后，調(diào)整工作電流值以滿足設(shè)計需求。

對于大型抽水蓄能電站，SFC拖動機組升速時間通常要求不超過240 s，以最大升速時間要求對SFC的容量進行工程計算，即為SFC的最小設(shè)計容量。如前文所述，根據(jù)式（1）（2）（3）以及圖2的機組阻力損耗功率曲線進行迭代計算，如圖3～6所示。

根據(jù)上述計算結(jié)果：SFC工作輸出電壓0～8 100 V；SFC工作電流脈沖換相階段設(shè)定在DC1 200 A，自然換相階段設(shè)定在DC2 100 A，該臺機組所需配置的SFC最小容量為19.2 MW。

5" " SFC容量的選擇及起動時間校核

抽水蓄能機組前期設(shè)計階段，機組參數(shù)存在一定的偏差。在選擇SFC容量時，除起動時間、最小容量以外，應(yīng)疊加一定的裕量，以兼顧機組轉(zhuǎn)動慣量、軸系損耗等參數(shù)的適當變化。考慮上述因素后，選擇SFC容量為21.0 MW。對該SFC容量下的機組起動時間進行計算校核，如圖7～10所示。

根據(jù)上述計算結(jié)果，配置21 MW的SFC，SFC工作輸出電壓0～8 100 V；SFC工作電流脈沖換相階段設(shè)定在DC1 200 A，自然換相階段設(shè)定在DC2 300 A，起動機組至額定轉(zhuǎn)速所需時間約212 s，滿足最大起動時間不超過240 s的要求，并保留一定的裕度以適配機組參數(shù)的適當變化。

6" " 結(jié)束語

對于抽水蓄能機組的SFC容量設(shè)計，可根據(jù)機組額定點損耗數(shù)據(jù)擬合損耗與轉(zhuǎn)速的曲線。按起動時間要求，計算最小容量要求。在此基礎(chǔ)上保留一定裕度，合理設(shè)計SFC的容量，減少工程投資及設(shè)備占地。此外，不同應(yīng)用場合的SFC容量設(shè)計的影響因素不同，本文僅對抽水蓄能機組SFC進行分析研究，可作為大型抽水蓄能機組SFC的容量設(shè)計參考。

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收稿日期：2024-10-16

作者簡介：黃海晏（1985—），男，江蘇南京人，工程師，研究方向：電力電子產(chǎn)品工程設(shè)計及應(yīng)用。