浅析抽水蓄能电站静止变频器仿真设计

2015-07-28王吉康国网新源泰山抽水蓄能电站有限公司山东泰安7000国网新源控股有限公司北京0076保定华仿科技股份有限公司河北保定07057

水电站机电技术 2015年3期

关键词：仿真

周　坤，王吉康，张　荣（.国网新源泰山抽水蓄能电站有限公司，山东泰安 7000；.国网新源控股有限公司，北京 0076；.保定华仿科技股份有限公司，河北保定 07057）

浅析抽水蓄能电站静止变频器仿真设计

周坤1，王吉康2，张荣3
（1.国网新源泰山抽水蓄能电站有限公司，山东泰安 271000；2.国网新源控股有限公司，北京 100761；3.保定华仿科技股份有限公司，河北保定 071057）

摘要：主要介绍抽水蓄能机组静止变频器的运行原理，在star90图形化仿真支撑平台上建立静止变频器的数学模型，并以此为基础对静态变频调速系统启动控制下的发电电动机实时动态模型进行了验证。

关键词：抽水蓄能；SFC；仿真

1　引言

抽水蓄能电站机组运行在抽水工况时,由于机组容量较大，起动技术比较关键。SFC-静止变频器启动控制系统是目前大型抽水蓄能机组中较为常用的启动方式，也是相对于其他一些启动方式而言较为稳定和经济的启动方式。所以，目前大多数的抽水蓄能机组，特别是大型抽水蓄能机组几乎都主要采用静止变频启动控制方式。目前我国抽水蓄能电站几乎全部采用静止变频器起动。因此，加强对抽水蓄能电机静止变频器起动过程相关问题的深入研究，有助于深入掌握抽水蓄能电站SFC系统的原理、流程及其与外部系统的联系，科学合理地运行维护SFC，提高抽水蓄能机组电动工况的启动成功率，节约抽水蓄能电站运营成本。

2　静止变频器启动电机运行过程

抽水蓄能机组的静止变频调速系统主要由交-直-交电流型晶闸管变流器、发电电动机、转子位置检测器及控制回路构成，如图1所示。

图1静止变频调速系统结构图

整流桥、逆变桥和直流平波电抗器组成了变流器主电路。由电网来的交流电经整流器整流后成为直流电，直流电被平波电抗器滤波后，逆变器再将其变换成交流电（频率可调）供给同步电动机。SFC机组可控硅变频装置产生从零到额定频率值的变频电源，同步地将机组拖动起来。由于全控桥在机组启动初期交流电压太低时不能自动换相，SFC运行时分为低速运行阶段和高速运行阶段。

（1）SFC低速运行阶段

SFC低速运行阶段,静止变频调速系统逆变桥采用电流断续换流。每当晶闸管需要换流时，先使整流桥逆变运行，使逆变器的输入电流下降到零，让逆变器的所有晶闸管均暂时关断，然后触发换相后应该导通的晶闸管，同时使整流桥回到整流状态，从而实现从一相到另一相的换流。由于断续换流只是在起动和低速时使用，逆变器输出的频率较低，电流断续的时间对同步电机的运行影响不大。

图2电流断续换流的主电路

当同步电机采用电流断续换流时，逆变器晶闸管的触发相位对换流已不起作用。为了增大起动转矩，减小转矩脉动，一般取γ0=0°。

（2）高速运行阶段

高速运行阶段,静止变频调速系统晶闸管变流器逆变桥采用反电势换流。静止变频调速系统中，晶闸管、变流器的换流，是通过触发和关断相应的晶闸管把正在导通相的电流切换到欲导通相的过程。由于晶闸管一旦触发导通后，门极就失去了控制作用，要想关断它必须给晶闸管施加反向电压，使其电流减少到晶闸管维持电流以下，并把反向电压保持一段时间后晶闸管才能可靠地关断。

在负载换流同步电机中，只要转子有激磁电流并在空间旋转，就会在电枢绕组中感应出反电势。如图3所示，假设在K点换流以前晶闸管V1、V2导通，此时电流由电源正极开始经由V1→A相绕组→C相绕组→V2→电源负极。若在K点直接要使电流由A相流通切换到B相流通，则应触发晶闸管V3导通，并关断晶闸管V1。从图3b）中可知，如果按正常位置换流，应在K点触发晶闸管V3进行换流，但当晶闸管V3导通瞬间，V1将不承受反压而继续导通，结果造成换流失败。所以反电势换流时，A、B两相反电势波形的交点K应保持一定的空载换流超前角γ0。例如，在图3b）中的S点换流（γ0=60°）。当在此时触发V3时，反电势，加在晶闸管V1上的反向电压，则在两个导通的晶闸管V1、V3和电机A、B两相绕组之间出现一个短路电流，其方向如图3a）所示。当短路电流SL达到原来通过晶闸管V1的负载电流时，晶闸管V1就因流过的实际电流下降至零而开始关断，负载电流就全部转移到晶闸管V3。至此，A、B两相之间的换流全部结束，V1、V3两管正常导通运行。

图3静止变频调速系统结构图

换流过程中短路电流流经电机两相绕组，由于同步电机的定子绕组、激磁绕组和阻尼绕组的电感作用，换流必然需要经历一段时间。通常把要换流的两个晶闸管同时导通所经历的时间称为换流重叠角，用μ表示，如图4所示。换流重叠角μ与负载电流大小有关，负载电流大，换流重叠角μ就越大；反之负载电流小，换流重叠角μ也就越小。

图4γ0=60°时反电势换流的电流波形

为了保证换流的可靠进行，通常换流剩余角δ至少应保持在10°～15°。要满足这个条件，一方面应适当增大空载换流超前角0，但是随着0的增大，电机转矩会减小，并加大了转矩脉动分量，一般取0=60°（如图4）；另一方面要限制电机负载电流以减小重叠角μ。

3　系统控制原理

静止变频调速系统是根据转子的实际位置和转速，按一定的控制策略产生控制信号，控制变频器输出三相电流（电压）的频率、幅值和相位大小。系统控制可以分为整流器的整流调速控制、逆变器的自同步逆变控制和励磁控制，如图5所示。整流器直接受控于电流和转速的双闭环调节系统，为保证晶闸管的可靠换相，同时又保证负载换相同步电动机的过载能力，一般采用恒定换相剩余角δ控制，δ在30° ～40°之间。

图5静止变频调速系统起动控制框图

静止变频调速系统起动时，预先设定一条转速上升曲线，然后由转速给定单元输出一个与电网频率相当的转速基值，在dn/dt环节作用下，产生转速整定值并与机组实际转速比较，将偏差量作为转速调节器和电流调节器的输入控制信号，最终调整整流器的触发角以控制变频系统回路的运行电流，使机组快速跟踪转速指令的变化（或）时，变频系统自动增加（或减小）提供给机组的电磁力矩时，变频系统保持原有运行状态，提供的电磁转矩与机组的阻转矩相等，机组维持一定的转速。影响机组变频起动过程中转速特性的主要因素是转速调节器及电流调节器的参数，因此，要对这两个调节器的参数进行优化，以使机组获得快速平稳的最佳起动特性。一般为了防止机组在起动的加速过程中转速波动，处于内环控制的电流调节器的响应速度应快于外环控制的转速调节器。另外，适当选择机组起动的加速度（dn/dt），也可以有效降低机组振动，提高起动成功率。

4　静止变频器的数学模型

SFC整流侧：

SFC逆变侧：

反电势和绕组中电流的矢量关系（A相）如图6所示。

图6反电势和绕组中电流的矢量关系图

π/3；

反电势；

SFC启动机组的过程包括：辅助设备起动过程、准备过程、启动过程、等待过程。收到现地控制单元发来的“上电命令”后进入辅助设备起动过程和准备过程，使SFC工作于“热备用”状态，并且合上输出开关。收到被启动机组发来的“SFC运行命令”后发出“励磁释放令”，请求励磁系统加上励磁电流。收到励磁系统的“励磁电流已经加入信号”时进入启动过程，开始测量转子初始位置，慢慢拖动机组转动。

SFC启动机组时分为低速运行阶段和高速运行阶段，平稳地产生从零到额定频率值的变频电源，同步拖动机组进入抽水调相工况。由机组调速器产生的5Hz测速信号来实现两个阶段的切换，当机组转速小于5Hz时，SFC工作于脉冲耦合阶段，当机组转速大于5Hz时，SFC工作于同步运行阶段。当机组转速大于90%额定转速时，进入同期调节模式，接收机组同期装置发来的频率增减信号，由SFC调节机组转速直至并网。当SFC收到机组开关合闸位置接点或合闸继电器接点后，SFC将闭锁输出电流后跳开输出开关，进入“热备用”状态。