抽水蓄能电站SFC的设计与工作机制

伍献方，肖建文

(西门子电站自动化有限公司，江苏　南京　210000)

【摘　要】　本文介绍了抽水蓄能电站启动发电电动机组所用静止变频器SFC系统的设计原理及工作机制。

【关键词】　抽水蓄能电站;发电电动机;静止变频器;SFC启动;设计原理;工作机制;转子定位

0　概述

目前国内抽水蓄能电站发电电动机组的电动工况的启动一般以静止变频器(Static Frequency Converter，SFC)启动为主，以背靠背启动为备用启动方式。

1　SFC系统设计

抽水蓄能电站SFC系统一般采用高—低—高的设计，即通过降压变压器将启动电源母线电压降至SFC整流桥的工作电压，再通过升压变压器将SFC逆变桥输出的电压升至启动母线额定电压，拖动发电电动机加速及同期并网。该设计有效降低了由电力电子器件组成的核心功率部分的设计和制造难度，并抑制了电力电子器件工作时产生的谐波对电网产生的不利影响。SFC系统概括图见图1。

通常，抽水蓄能电站SFC系统通过两台输入断路器分别接至不同机组主变低压侧，取得互为备用的两路主电源。为限制SFC输入回路短路容量以及抑制SFC系统注入电源接入点的谐波，在接入点各设置一组限流电抗器。

降压变压器采用三绕组变压器，低压侧两绕组相位角度相差30°，分别接到SFC两个子系统的整流桥输入侧，构成12脉冲整流模式。与6脉冲整流模式比较，12脉冲整流模式几乎完全消除了5次和7次谐波电流，极大地抑制了SFC系统产生的谐波对电源接入点电能质量的影响。

SFC两个子系统功率部分在硬件上是一致的，各包含一个6脉冲整流桥和一个6脉冲逆变桥。通过两个电气隔绝的子系统结构，降低单个子系统的电气元件参数，将SFC内部短路容量分散，对于大功率变频器的设计制造具有参考意义。

在逆变桥的输出端，通过中压电缆或者母线连接至升压变压器以及旁路开关、隔离开关。在机组启动初期低速阶段，通过旁路开关给发电电动机输入电流，可以获得更大的启动力矩和加速力矩，克服机组堵转的情况。隔离开关可以隔离升压变压器的低压绕组，防止其在旁路低频阶段分流SFC输出电流。

在升压变压器高压侧，设置输出断路器，在启动母线与输出断路器之间设置一组限流电抗器，限制发电电动机通过启动母线倒送至SFC内部的短路容量，使输出断路器可以切断启动过程中SFC内部故障时从发电电动机倒送的短路电流。

在整个SFC启动过程中，机组励磁系统需接受SFC的投切脉冲开关量命令及励磁电流给定值模拟量控制。

在同期并网过程中，SFC接受机组同期装置的开关量命令控制。

SFC系统作为电站机组公用设备，一般通过主变洞现地控制单元(Local Control Unit，LCU)与机组设备交互信号，由主变洞LCU负责不同机组间信号区分及逻辑闭锁，简化了SFC控制器的接口及内部逻辑。

2　SFC系统的启动流程

机组从停机热备向SFC抽水工况的状态转换，需要先把机组抽水工况隔离开关、被拖动隔离开关、启动母线隔离开关合上，完成水轮机室充气压水，设置机组保护在抽水调相模式，设置励磁系统在SFC启动模式，再调用执行SFC启动流程。

主变洞LCU在被启动机组的相关条件满足时，开始执行如下流程:

(1)判断SFC反馈状态信号正常，允许SFC被启动机组选择占用，当SFC被一台机组占用时，不再接受其他机组选择SFC的命令。

(2)主变洞LCU将已选择SFC的机组抽水工况隔离开关、被拖动隔离开关、启动母线隔离开关等一次回路连通的状态信号，组合成允许SFC主回路上电命令发送至SFC，解除SFC启动闭锁，SFC判断自身状态及控制的设备开关状态正常，反馈SFC启动就绪信号给主变洞LCU。

(3)主变洞LCU收到SFC启动就绪信号，将SFC投入命令发给SFC，SFC启动水冷系统，合旁路开关及输入断路器，在收到各受控设备正确反馈信号后，反馈SFC运行就绪信号给主变洞LCU。

(4)主变洞LCU收到SFC运行就绪信号后，发送SFC运行命令至SFC，SFC开始运行，在升压变压器被旁路状态下，由SFC子系统1将机组加速至旁路切换速度，一般设定为5Hz。

(5)到达旁路切换速度之后，SFC控制器自动完成旁路状态向升压变压器投入的正常状态切换，两个子系统一起运行，将机组加速至设定的同期转速。

(6)到达同期转速后，SFC向主变洞LCU发出机组同期装置投入命令，在收到主变洞LCU反馈的机组同期装置已投入的反馈信号后，SFC开始接受主变洞LCU转发的机组同期装置增速/减速/升压/降压开关量命令，将机组频率和电压向电网侧数值调整。

(7)当机组频率及电压与电网侧偏差被调整到合闸允许的范围内时，同期装置发出发电机断路器GCB合闸命令，同时向SFC发出同期完成信号。

(8)SFC收到同期完成信号时，封闭脉冲，将SFC回路电流降至0，并分断SFC输出断路器、输入断路器，退出运行至备用状态。

3　SFC启动过程中的关键环节

在SFC启动机组过程中，有几个关键环节，关系到启动是否能够成功。

(1)转子定位。目前抽水蓄能电站SFC一般采用简单可靠的检测定子电压计算转子位置的方法，因为抽水蓄能机组是在转子静止的情况下开始启动的，这种情况下定子电压的产生只能依靠转子电流的大幅阶跃使穿过定子铁芯及绕组的转子磁场发生变化，从而在定子绕组上感应出一定数值的相电压，SFC通过输出端的电压测量装置检测到定子绕组各相电压值，计算出转子磁场与定子各相绕组之间的夹角，从而确定转子的准确位置。确定转子正确位置后，SFC就可以确定导通对应的两相电流及其流向可以产生使转子向抽水方向转动的力矩。如果转子位置检测不正确，则SFC无法输出电流或者使转子转动方向错误。转子定位录波图见图2。

(2)换相模式切换。在SFC启动初期，由于机组转速低，转子磁场切割定子绕组产生的定子线电压最大值不足以抗衡SFC直流环的持续运行电压，不能给逆变桥已导通晶闸管施加反向电压使其截止，故无法实现负载换相。所以此阶段SFC必须工作在强迫换相模式下，即通过控制整流桥触发角使SFC直流环电压下降以降低SFC输出电流至小于晶闸管维持电流，关断已导通的晶闸管，再触发下一对桥臂，继续加速转子。当转子被加速至能够产生足够的定子线电压来给逆变桥已导通晶闸管施加反向电压使其截止时，SFC控制器自动切换至负载换相工作模式。换相模式切换录波图见图3。

(3)旁路切换。SFC在旁路状态下将机组从静止开始加速，可以获得更大的启动力矩，但是随着转速的升高，转子磁场切割定子绕组产生的定子电压逐渐升高，当其值接近SFC逆变桥输出电压的上限时，加速功率已经比较难以从SFC传输至机组，旋转机组的能量对SFC内部功率器件也是比较危险的，所以应从旁路运行切换至正常运行即带升压变压器运行。此切换速度一般宜高于换相模式切换速度。在设定的旁路切换速度达到时，SFC控制器自动闭锁SFC脉冲和励磁脉冲，再将旁路开关分断，然后合上升压变隔离开关和输出断路器，升压变压器投入运行后，再将励磁脉冲释放，励磁电流给定值设置为空载励磁电流，并重新检测转子位置，由SFC两个子系统一起输出加速功率，将转子加速至同期启动转速。整个切换过程约需要5s。旁路切换录波图见图4。

(4)同期并网。当机组被加速至同期启动速度时，SFC发出同期装置投入命令至机组同期装置，在设定时限内收到同期装置已投入的反馈信号，则将机组同期装置发来的增速/减速/升压/降压开关量命令使能，由同期命令来设定SFC闭环控制中的机组速度给定值以及励磁电流给定值，开始同期调整过程。此时可以调整参数加快同期调整的速度，缩短并网过程。一旦同期合闸条件满足，机组同期装置在发出发电机断路器合闸命令的同时，也给SFC发出同期完成的信号。SFC在收到同期完成的信号之后迅速将晶闸管脉冲闭锁，将SFC输出回路电流降至0，随后将输入断路器、输出断路器、升压变隔离开关分断，SFC退出运行。同期并网录波图见图5。

4　结语

目前国内抽水蓄能电站进入建设高峰期，大量项目及机组即将进入设计及招标阶段。SFC启动方式因程序简单，快速可靠，成为主流的机组电动工况启动方式，研究其工作机制可以为进一步优化抽水蓄能电站设计工作提供参考。

作者简介:

伍献方(1984—　)，男，广东韶关人，学士，高级工程师，从事发电厂电气工程设计及调试工作。E-mail:xianfang.wu@siemens.com

肖建文(1975—　)，男，湖南邵阳人，硕士，高级工程师，从事发电厂电气工程设计及调试管理工作。E-mail:jianwen.xiao@siemens.com