抽水蓄能電站SFC 變頻起動控制策略的研究

0 引言

在抽水蓄能電站中，抽水蓄能機組在對系統(tǒng)進行調(diào)峰填谷、調(diào)頻調(diào)相和保證電網(wǎng)安全運行方面發(fā)揮著重大的作用。但是抽水蓄能機組運行的主要特點是起停頻繁，當抽水蓄能機組工作在水泵工況時，機組為同步電動機，如何起動抽水蓄能

機組(同步電動機)就變得尤為關(guān)鍵。目前在大型抽水蓄能電站中，靜止變頻器(SFC)起動是抽水蓄能機組最主要的起動方式，它利用晶閘管產(chǎn)生頻率可調(diào)的交流電來起動抽水蓄能機組。本文在整理國內(nèi)外一些資料[1][4]的基礎上，從同步電動機變頻起動的特點出發(fā)，分析和研究了同步電動機靜止變頻器起動過程的控制策略。

1 同步電動機SFC起動的基本原理

靜止變頻器的主回路結(jié)構(gòu)如圖1 所示。它的主回路是由電網(wǎng)側(cè)晶閘管換流橋(SRN)和電機側(cè)晶閘管換流橋(SRM)以及平波電抗器Ld1，Ld2 組成。SRN 和SRM 通過平波電抗器Ld1，Ld2 連接起來，Ld1，Ld2 限制直流回路的電流上升率，起著平波扼流的作用。整流橋SRN 直接接入電網(wǎng)，由電網(wǎng)電壓提供換相電流;SRM 直接與電動機相連，它靠電動機的感應電勢提供換相電流，電動機在不同的轉(zhuǎn)速下其感應的電壓頻率也不同。因此，SRM的換相頻率是隨電機的運行轉(zhuǎn)速而變化的。靜止變頻器起動的工作原理就是三相50 Hz的交流電經(jīng)整流橋變?yōu)?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/直流">直流電，然后由逆變橋?qū)⑵渥優(yōu)轭l率可調(diào)的交流電輸入到同步電動機，同步電動機由靜止逐漸上升到額定轉(zhuǎn)速[1][2]。

2 靜止變頻器的起動過程

靜止變頻器實現(xiàn)抽水蓄能機組由靜止狀態(tài)加速起動，直至并網(wǎng)的全部過程。靜止變頻器起動的流程圖如圖2所示，主要包括勵磁投入、脈沖運行、換相方式切換、自然換相、同期和并網(wǎng)六個階段。

1)在機組處于靜止狀態(tài)時，首先投入具有一定變化率的勵磁電流，以便根據(jù)在定子中感應的三相電壓計算轉(zhuǎn)子初始位置，從而選擇首先給哪兩相定子繞組通以電流。

2)勵磁電流穩(wěn)定在額定值，變頻器解鎖，進入脈沖方式運行。

3)當機組轉(zhuǎn)速加速到換流切換值時，進行換相方式切換，靜止變頻器由脈沖運行轉(zhuǎn)入自然換相運行。

4)自然換相運行時，靜止變頻器靠電機反電動勢進行自然換相，機組全功率加速運行。

5)當機組加速到額定轉(zhuǎn)速時，系統(tǒng)進入同期運行階段。

6)在同期控制過程中，一旦符合并網(wǎng)條件，則合上同期斷路器，然后切除靜止變頻器裝置，機組與電網(wǎng)并列運行。

3 靜止電機轉(zhuǎn)子初始位置檢測

機組在變頻起動前，由于轉(zhuǎn)子處于靜止狀態(tài)，所以其相對位置是不定的，因此為了提高機組起動的成功率，必須首先判定轉(zhuǎn)子的初始位置，以便選擇首先給哪兩相定子繞組通以電流，保證產(chǎn)生最大的正向加速力矩。

首先給轉(zhuǎn)子通入一定上升率變化著的勵磁電流If，根據(jù)電磁感應的原理，電機的三相定子繞組能夠感應出電勢，三相感應電勢的幅值不等，越接近勵磁繞組磁場的定子繞組感應出的電勢越高，反之則低。因此，在機組靜止狀態(tài)，可以根據(jù)給轉(zhuǎn)子通以勵磁電流的方法，計算轉(zhuǎn)子的初始位置茲0，并從中判定電動機起動時刻給能夠產(chǎn)生最大加速力矩的兩相定子繞組通以電流。

4 靜止變頻器起動的控制原理

靜止變頻器可以實現(xiàn)抽水蓄能機組從靜止到機組并網(wǎng)的全過程，圖3 給出了靜止變頻器的控制原理圖，它主要包括蓄能機組起動過程的電機轉(zhuǎn)速運行控制，機組端電壓控制和機組同期并網(wǎng)控制。考慮到機組在加速起動過程所采取控制策略的不同，轉(zhuǎn)速運行控制其實包含兩個控制階段，即脈沖運行控制和自然換相控制。

4.1 機組起動初期的脈沖運行控制

在起動初期，由于機組處于低速運行，反電動勢比較小，不足以使換流橋SRM 中的晶閘管實現(xiàn)自然換相，故采用脈沖運行控制。機組變頻起動開始時，變頻器解鎖，根據(jù)轉(zhuǎn)子初始位置測定的結(jié)果給能夠產(chǎn)生最大正向加速力矩的兩相定子繞組通以電流，此時，SRN 工作在恒電流的整流控制狀態(tài)，SRM 工作在觸發(fā)角琢SRM 為180毅的控制狀態(tài);當電動機在這一力矩作用下，由靜止開始轉(zhuǎn)動時，

為了保證電動機轉(zhuǎn)動后仍能繼續(xù)得到正向加速力矩，在該兩相繞組電壓過零時刻，使SRN 觸發(fā)角琢SRN移至逆變狀態(tài)[3(] 琢SRN>90毅)，使變頻器的直流回

路電流Id=0，SRM 所有的晶閘管均關(guān)斷，當變頻器檢測到直流電流Id為零時，給下一組晶閘管施加觸發(fā)脈沖，取消SRN 的全逆變功能，重新建立直流回路電流Id，定子電流轉(zhuǎn)移到另兩相繞組。

如圖4 所示，機組變頻起動的脈沖運行期間，SRM 各個橋臂的換相順序：(1-2)(2-3)(3-4)(4-5)，(5-6)(6-1)，(1-2)，(3-4)，……，電動機總是處于兩相通流狀態(tài)，機組通過不斷的換相來獲得加速力矩，隨著機組轉(zhuǎn)速的增加，SRM的換相操作也越來越頻繁，而且，每兩相繞組的通流時間也越來越短。

當機組轉(zhuǎn)速達到一定值，定子繞組的感應電壓增加到能夠提供換相電流能力時，SRM 將會自動從脈沖運行控制轉(zhuǎn)換到電機電壓的自然換相運行控制。

4.2 機組的自然換相運行控制

在機組起動過程中，換流橋SRM 采用變角度開環(huán)控制，觸發(fā)角給定環(huán)節(jié)給定的琢SRM是變頻器運行電流的函數(shù)，角度給定范圍是150毅~120毅，電機轉(zhuǎn)速愈高，對應的電流愈大，給定的角度愈小，以防止逆變失敗。換流橋SRN是由電流和轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)來控制的，當進行機組起動時，靜止變頻器控制系統(tǒng)預先給定一條轉(zhuǎn)速上升曲線，然后在轉(zhuǎn)速給定和dn /dt 的作用下，產(chǎn)生轉(zhuǎn)速整定值nw，并把它與轉(zhuǎn)速的實際值nx 比較，其偏差量作為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器(外閉環(huán))和電流調(diào)節(jié)器(內(nèi)閉環(huán))的輸入信號，來調(diào)節(jié)觸發(fā)角琢SRN以控制變頻器的電網(wǎng)側(cè)電流，使機組轉(zhuǎn)速跟蹤預先給定轉(zhuǎn)速曲線的變化。