某抽蓄电站静止变频器典型设计

吕滔，秦俊

(国网新源控股有限公司技术中心，北京　100073)

【摘　要】　本文列举了某电站静止变频器的典型结构及其设备参数。通过说明静止变频器的结构组成和基本工作原理。简要概述了静止变频器的起动控制流程，阐述了转子位置测量、强迫换向、刀闸转换、自然换向、同期并网五个运行阶段闭环控制机理和特征，通过分析静止变频器晶闸管故障的原因提出应对措施和实际应用中的典型保护配置方案。

【关键词】　抽水蓄能;静止变频器;晶闸管;扭矩;触发角

0　引言

随着我国抽水蓄能电站机组容量越来越大，作为核心设备的静止变频器容量也越来越大。静止变频启动方式具有效率高、控制性能好、启动平稳、灵活可靠等诸多优点。静止变频启动方式被多数电站作为首选启动方式。

某抽水蓄能电站安装4台单机容量300MW的混流可逆式水泵水轮发电电动机组。4台机组共用1套静止变频器，机组电动机额定容量325MW，额定电压18kV，额定电流10802A，额定频率50Hz，额定转速500r/min，超瞬变电抗(不饱和值)“Xd/Xq”为0.25/0.22(标幺值);静止变频器采用6/6脉冲连接，静止变频器额定容量19MW，工作电压18kV，工作电流759.6A，工作频率50Hz，电机功率因数-0.802;电抗器电抗值6mH，设计电压7916V，额定设计电流2474A;输入(输出)变压器额定容量23684kVA，额定电压7100V，额定电流1926A，短路阻抗13%。

1　设备组成

某电站静止变频器主接线示意图见图1，主要由输入断路器、输入变压器、整流器、电抗器、逆变器、输出变压器、被拖动隔离开关、机端断路器、冷却系统组成。此外，启动回路还配置有输出断路器、启动母线隔离开关、接地隔离开关等设备。

该电站变频器选用的型号为LCI.SO A0606-715R465，主要器件包括:

(1)空冷功率单元[用于电源侧和电机侧晶闸管装置(带散热片)，RC缓冲器电路，门极触发回路，电流和电压互感器，线路过电压保护]。

(2)直流平波电抗器。

(3)逆变器输出侧隔离开关及旁路隔离开关。

(4)变频器控制单元(控制、保护和监测，操作员面板、辅助设备)。

(5)油浸式风冷输入(输出)变压器。

2　工作原理

静止变频器工作的基本原理是通过整流器将电源侧的交流电整流成直流电，逆变器再将直流电逆变为频率可调的交流电[1]，由此实现对电站机组电动机变速控制的功能。

静止变频器实现电流变频调节功能的主要硬件包括整流器和逆变器，其中整流器将交流电整流成直流的过程主要是通过控制晶闸管触发角α移相控制得到需要的直流电流，逆变器将直流逆变成交流的过程主要是通过测量负载电机频率和电压控制晶闸管逆变角β得到需要的交流电流。整流器晶闸管触发角α移相控制的关键在于根据软件计算的直流电流给定值调节触发角α，逆变器晶闸管逆变角β控制的关键在于根据给定电压和负载频率调节逆变角β。

静止变频器在整流器与逆变器之间通过平波电抗器连接防止电流突变，用于改善直流电压脉动波形，稳定直流电流输出，同时抑制短路故障时换流阀的电流上升率[2]，防止晶闸管换流失控导致短路等故障。

2.1　控制流程

静止变频器的启动控制流程可分为三阶段，即装置自检、辅助设备启动和机组电机拖动。

2.1.1　装置自检

静止变频器装置上电后进行装置自检，装置无异常报警，工作正常后发出“LCI is healthy”信号，说明静止变频器装置具备启动条件。

2.1.2　辅助设备启动

在电站机组下发静止变频器(Static Frequency Converter，SFC)拖动令，静止变频器收到外部SFC拖动令后，静止变频器装置启动空气冷却器辅助设备，装置自检到风机运行后，发合输入断路器和输出断路器命令，建立一次通流主回路连接，在控制器检测到一次主回路所有隔离开关位置正确后将自启动拖动流程。

2.1.3　机组电机拖动

静止变频器进入自启动拖动流程后，控制流程可细分为以下几个阶段:

(1)转子初始位置计算。

静止变频器给励磁装置下发励磁电流给定值信号，在转子磁场迅速建立的过程中，通过逆变器电机侧电压互感器测量定子绕组感应出的三相电动势eA、eB、eC计算出转子初始位置角λ[3]，确定逆变器晶闸管触发顺序。

(2)低转速阶段强迫换相。

静止变频器在零至na(切换刀闸动作设定转速)速度范围内进行强迫换相，通过编程控制整流器晶闸管触发脉冲的频率，每次逆变器电流换相时，整流器触发脉冲会在直流电流过零点时刻触发晶闸管关断，逆变器每次触发脉冲的频率增加一个比较小的定值Δf，逐步增加频率，步进式地使转子转速平滑上升。

(3)强迫换相与自然换相的过渡阶段。

在电动机转速升高至na时，反向电动势将满足自然换相要求，此时，当直流电流过零点时，控制器闭锁整流器脉冲触发利用反向电动势可靠关断逆变器所有晶闸管。然后，整流器、逆变器重新触发进入自然换相模式。

(4)高转速阶段自然换相。

在电动机转速大于na时，晶闸管可利用反向电压进行关断，静止变频器进入自然换相阶段。

(5)同期并网阶段。

在电动机转速升至95%转速时，静止变频器将开放同期释放，装置可接受机组同期装置的调压调频遥控信号，达到同期并网要求后，机组机端断路器合闸，同时静止变频器接收同期装置闭锁信号进行晶闸管触发脉冲封锁，延时断开输出断路器，静止变频器电机拖动流程结束退出。

2.2　调节功能

静止变频器在忽略磁通量和电流谐波的损失和影响的条件下，同步电机的扭矩公式为

式中:Tm为平均转矩;K为常数;id为直流电流;um为同步电机机端电压;ω为转速;phim为机端电压与电流间的相位角。

该式中，电机磁通量um/ω和功率因数cos phim由设计选型决定是定值，电机扭矩则由直流电流id决定。

在静止变频器闭环控制逻辑中控制变量主要有直流电流、电机转速、机端电压。某电站静止变频器闭环控制逻辑图见图2，其中整流器、逆变器采用电流和转速叠加控制;励磁采用定磁通控制。

逆变器晶闸管逆变角β最佳控制策略是使β取值最小同时保有足够的安全裕量。因为β取值过小可能导致换相失败，过大将导致电机功率因数cos phim过低，从而无法获得足够的扭矩驱动电机升速。

例如在调试中发现某电站静止变频器拖动电机升速过程中，在机组电机到达90%转速时无法进一步升速至额定转速。随后静止变频器差动保护动作跳闸，机组接收到故障信号停机，机组转入紧急停机流程。

可以明显看出该故障是电机扭矩不足导致机组无法升速，后经检查发现确认为调试过程中参数设定值“逆变角限制值”整定过大导致逆变器逆变角被限制，电机无法获得足够的扭矩升速，最终使晶闸管过热导致换相失败。

2.3　保护配置

静止变频器在生产运行中最常见的故障就是变频器过电流故障，其根本原因就是晶闸管换相失败。

晶闸管换相失败的原因有交流电压下降、直流电流增大、触发角α过小或熄弧角β过小等。究其本质就是在换相电压反向(具有足够的去游离裕度)之前未能完成晶闸管换相而导致的故障[4]。因此，避免该类故障发生的主要方法是在设计选型时选择合适的输入(输出)变压器、平波电抗器参数保证晶闸管换相过程中有足够的反向关断电压和晶闸管性能参数满足运行设备实际要求，同时配置相应的保护功能。

某电站静止变频器保护逻辑图见图3。主要包括输入(输出)变保护、晶闸管过电流保护、主回路低电压保护、晶闸管监测、励磁监测、接地故障保护、磁通保护等。

输入(输出)变压器保护主要包括差动保护、高压侧过电流保护、过负荷保护、变压器超温保护、轻(重)瓦斯保护、压力释放保护、油位高(低)保护。

静止变频器保护主要包括网侧低电压保护、网侧过电压保护、机侧过电压保护、晶闸管过电流保护、过磁通保护、电机超速保护、电机失速保护、辅助电源低电压保护等。

3　结语

静止变频器作为抽水蓄能电站的必备设备，启动机组的成功率高，控制性能好，启动容量大、平稳、灵活可靠，能满足抽水蓄能电站的发电电动机组在电网电力调峰调频过程中频繁启动的要求，在抽水蓄能电站中的重要性日渐凸显。因此加深对静止变频器设备、工作原理、性能的了解和认识，将有助于静止变频器的日常维护工作，同时提高广大技术管理人员的管理水平。

参考文献:

[1]郑飞.抽水蓄能电站静止变频器(SFC)启动关键问题[J].变频器世界，2007，2:69-72.

[2]刘国恩，司明起，杜纯钢.SFC换流阀在抽水蓄能机组的应用与试验[J].技术与应用，2014，6: 109-112.

[3]金世鑫，高嘉赓，凌伟平.抽水蓄能电站静止变频器启动装置(SFC)系统分析[J].东北电力技术，2012，7:46-49.

[4]吴宏斌，丁明，刘波.交直流系统暂态仿真中换流器的换相过程分析[J].电网技术，2004，17:11-14.

作者简介:

吕滔(1984—　)，男，湖北宜昌人，本科，工程师，主要从事水电厂机组调试。E-mail:tao1-lv.jszx@sgxy.sgcc.com.cn

秦俊(1977—　)，男，上海人，本科，高级工程师，主要从事水电厂机组调试。E-mail:jun-qin@ sgxy.sgcc.com.cn