抽水蓄能电站SFC 变频起动控制策略的研究

0 引言

在抽水蓄能电站中，抽水蓄能机组在对系统进行调峰填谷、调频调相和保证电网安全运行方面发挥着重大的作用。但是抽水蓄能机组运行的主要特点是起停频繁，当抽水蓄能机组工作在水泵工况时，机组为同步电动机，如何起动抽水蓄能

机组(同步电动机)就变得尤为关键。目前在大型抽水蓄能电站中，静止变频器(SFC)起动是抽水蓄能机组最主要的起动方式，它利用晶闸管产生频率可调的交流电来起动抽水蓄能机组。本文在整理国内外一些资料[1][4]的基础上，从同步电动机变频起动的特点出发，分析和研究了同步电动机静止变频器起动过程的控制策略。

1 同步电动机SFC起动的基本原理

静止变频器的主回路结构如图1 所示。它的主回路是由电网侧晶闸管换流桥(SRN)和电机侧晶闸管换流桥(SRM)以及平波电抗器Ld1，Ld2 组成。SRN 和SRM 通过平波电抗器Ld1，Ld2 连接起来，Ld1，Ld2 限制直流回路的电流上升率，起着平波扼流的作用。整流桥SRN 直接接入电网，由电网电压提供换相电流;SRM 直接与电动机相连，它靠电动机的感应电势提供换相电流，电动机在不同的转速下其感应的电压频率也不同。因此，SRM的换相频率是随电机的运行转速而变化的。静止变频器起动的工作原理就是三相50 Hz的交流电经整流桥变为直流电，然后由逆变桥将其变为频率可调的交流电输入到同步电动机，同步电动机由静止逐渐上升到额定转速[1][2]。

2 静止变频器的起动过程

静止变频器实现抽水蓄能机组由静止状态加速起动，直至并网的全部过程。静止变频器起动的流程图如图2所示，主要包括励磁投入、脉冲运行、换相方式切换、自然换相、同期和并网六个阶段。

1)在机组处于静止状态时，首先投入具有一定变化率的励磁电流，以便根据在定子中感应的三相电压计算转子初始位置，从而选择首先给哪两相定子绕组通以电流。

2)励磁电流稳定在额定值，变频器解锁，进入脉冲方式运行。

3)当机组转速加速到换流切换值时，进行换相方式切换，静止变频器由脉冲运行转入自然换相运行。

4)自然换相运行时，静止变频器靠电机反电动势进行自然换相，机组全功率加速运行。

5)当机组加速到额定转速时，系统进入同期运行阶段。

6)在同期控制过程中，一旦符合并网条件，则合上同期断路器，然后切除静止变频器装置，机组与电网并列运行。

3 静止电机转子初始位置检测

机组在变频起动前，由于转子处于静止状态，所以其相对位置是不定的，因此为了提高机组起动的成功率，必须首先判定转子的初始位置，以便选择首先给哪两相定子绕组通以电流，保证产生最大的正向加速力矩。

首先给转子通入一定上升率变化着的励磁电流If，根据电磁感应的原理，电机的三相定子绕组能够感应出电势，三相感应电势的幅值不等，越接近励磁绕组磁场的定子绕组感应出的电势越高，反之则低。因此，在机组静止状态，可以根据给转子通以励磁电流的方法，计算转子的初始位置兹0，并从中判定电动机起动时刻给能够产生最大加速力矩的两相定子绕组通以电流。

4 静止变频器起动的控制原理

静止变频器可以实现抽水蓄能机组从静止到机组并网的全过程，图3 给出了静止变频器的控制原理图，它主要包括蓄能机组起动过程的电机转速运行控制，机组端电压控制和机组同期并网控制。考虑到机组在加速起动过程所采取控制策略的不同，转速运行控制其实包含两个控制阶段，即脉冲运行控制和自然换相控制。

4.1 机组起动初期的脉冲运行控制

在起动初期，由于机组处于低速运行，反电动势比较小，不足以使换流桥SRM 中的晶闸管实现自然换相，故采用脉冲运行控制。机组变频起动开始时，变频器解锁，根据转子初始位置测定的结果给能够产生最大正向加速力矩的两相定子绕组通以电流，此时，SRN 工作在恒电流的整流控制状态，SRM 工作在触发角琢SRM 为180毅的控制状态;当电动机在这一力矩作用下，由静止开始转动时，

为了保证电动机转动后仍能继续得到正向加速力矩，在该两相绕组电压过零时刻，使SRN 触发角琢SRN移至逆变状态[3(] 琢SRN>90毅)，使变频器的直流回

路电流Id=0，SRM 所有的晶闸管均关断，当变频器检测到直流电流Id为零时，给下一组晶闸管施加触发脉冲，取消SRN 的全逆变功能，重新建立直流回路电流Id，定子电流转移到另两相绕组。

如图4 所示，机组变频起动的脉冲运行期间，SRM 各个桥臂的换相顺序：(1-2)(2-3)(3-4)(4-5)，(5-6)(6-1)，(1-2)，(3-4)，……，电动机总是处于两相通流状态，机组通过不断的换相来获得加速力矩，随着机组转速的增加，SRM的换相操作也越来越频繁，而且，每两相绕组的通流时间也越来越短。

当机组转速达到一定值，定子绕组的感应电压增加到能够提供换相电流能力时，SRM 将会自动从脉冲运行控制转换到电机电压的自然换相运行控制。

4.2 机组的自然换相运行控制

在机组起动过程中，换流桥SRM 采用变角度开环控制，触发角给定环节给定的琢SRM是变频器运行电流的函数，角度给定范围是150毅~120毅，电机转速愈高，对应的电流愈大，给定的角度愈小，以防止逆变失败。换流桥SRN是由电流和转速双闭环调节系统来控制的，当进行机组起动时，静止变频器控制系统预先给定一条转速上升曲线，然后在转速给定和dn /dt 的作用下，产生转速整定值nw，并把它与转速的实际值nx 比较，其偏差量作为转速调节器(外闭环)和电流调节器(内闭环)的输入信号，来调节触发角琢SRN以控制变频器的电网侧电流，使机组转速跟踪预先给定转速曲线的变化。[!--empirenews.page--]

当电机实际转速nx 与转速给定环节给出的nw最终相等时，转速调节器的输入偏差量为零，变频器保持原有的运行状态，机组维持在额定转速下运行。

4.3 机组端电压控制

在变速范围内，机组端电压与转速成正比，即为恒磁通控制;当机组端电压达到额定值后，将不再随转速变化，即为弱磁通控制。机组在起动初期的运行过程中，为了尽快建立电机的端电压，采用的是强磁通控制。图5 为机组端电压控制图，机组起动过程中的机组端电压控制是由变频器和机组励磁系统共同来完成的。

在机组起动初期，为了使机组尽快感应出端电压以便使SRM实现正常电压换相，在机组频率低于3.8 Hz以前，机组端电压的整定值Umw设为1 kV，采取的是强磁通控制。在此期间，由于电压调节器的正偏差总是存在，励磁电流整定值将会增大，超出电机正常运行时的励磁电流，甚至超过电机的最大允许励磁电流，为了避免可能出现的过磁通现象，在电压调节器的输出回路加入了限制环节，

以限制励磁电流超过最大允许的励磁电流值。

机组运行频率>3.8 Hz 后，采用恒磁通控制，此过程中机组的端电压与转速成正比例增加。变频器给出预先设定的机组端电压曲线(参见图5)，电压给定值Umw 与机组实际电压Umx 比较，其偏差量在电压调节器的作用下，向机组励磁系统的电流调节器给出满足机组端电压所需要的励磁电流整定值Ie ref，电流调节器实现对励磁电流的调整，最终达到控制机组端电压的目的。

随着转速的上升，当机组端电压上升到额定电压值后，采取的是弱磁通控制。将机组端电压的给定值Umw 设为当前的电网额定电压值，通过电压调节器和电流调节器使机组端电压跟踪电网电压，配合机组同期并网的进行。

4.4 机组的同期并网控制

同期并网是机组变频起动过程中一个重要的控制步骤，它实现机组从加速运行到与电网同期运行的过渡，从而结束机组起动的全部过程。变频器的同期控制系统包括两部分，一是同期测定装置，二是同期调节部分。首先由同期测定装置根据

机组端电压USRM 和电网电压USRN 间的频率偏差吟f及电压幅值的偏差吟U，指令同期调节部分作相应的调整，将频率偏差吟f取代转速调节器采用的转速偏差，直接送入转速调节器，同时将电网电压USRN作为机组电压调节器的给定值。当频率和电压偏差都满足同期条件时，同期测定的并列部分投入，并按照相位角相等的原则发出同期命令，变频器立即闭锁，同期断路器RCB 闭合，输出断路器OCB 和输入断路器ICB断开，机组的同期并网过程结束。从理论上说，机组的同期并网要同时满足：USRM=USRN，fSRM=fSRN，渍SRM= 渍SRN。但是在实际的工程应用中，不可能同时满足，一般来说只要求吟f<依0.25 Hz，吟U<依5%UN(电网额定电压)，吟兹<依10毅[4]同时成立，就可以进行同期并网。

5 结语

静止变频器以无级调速、反应速度快、起动平稳、起动成功率高和维护方便等优点，已经在我国大型抽水蓄能电站中得到广泛的应用。本文结合静止变频器相关技术，对抽水蓄能机组静止变频器起动的过程和控制策略作了分析与研究，实际

的静止变频器设备还需要用到很多的技术，如晶闸管的串联，晶闸管阀的触发和强弱电的隔离等。目前，我国几个大型抽水蓄能电站静止变频器设备主要依靠进口，不过，国内已经有科研单位在从事大型抽水蓄能电站静止变频器的国产化工作，相信不久的将来国产化静止变频器在我国抽水蓄能电站中会得到越来越多的应用。