国产首套百兆瓦级抽水蓄能机组静止启动变频器（SFC）关键技术及研制意义

高苏杰，张雷雷，石祥建，魏李

（1.国网新源控股有限公司，北京市西城区 100761；2.国网新源安徽响水涧抽水蓄能有限公司，安徽省芜湖市 241083；3.南京南瑞继保电气有限公司，江苏省南京市 211102）

国产首套百兆瓦级抽水蓄能机组静止启动变频器（SFC）关键技术及研制意义

高苏杰1，张雷雷2，石祥建3，魏李2

（1.国网新源控股有限公司，北京市西城区 100761；2.国网新源安徽响水涧抽水蓄能有限公司，安徽省芜湖市 241083；3.南京南瑞继保电气有限公司，江苏省南京市 211102）

本文首先介绍了国产首套大容量抽水蓄能机组静止启动变频器（SFC）的组成、基本工作原理。然后重点对系统转子位置检测方式和原理、触发控制方式、程控逻辑以及保护及限制功能配置及原理等方面进行了深入分析，同时与国外同类产品进行了比较，体现出SFC国产化的意义。

国产SFC；双闭环控制；转子位置检测 ；程控逻辑

0 引言

安徽响水涧抽水蓄能电站安装的第二套SFC系统是由南京南瑞继保电气有限公司自主研发生产PCS-9575静止启动变频系统。该系统采用了高低高、6-6脉冲、风冷功率桥。该静止启动变频系统由输入变压器、输出变压器、静止变频控制器、整流桥、逆变桥等部分组成。

机组变频启动功能是SFC 控制装置的主体功能。通过网桥电流大小及机桥可控硅导通的控制，实现被启动机组转速按照设定的目标值及速度平稳达到并网转速。要实现这种功能，需要SFC 控制器具备电气量采集计算功能、转子位置检测功能、网桥同步信号形成功能、机组转速闭环控制功能（包括网桥触发控制）、机桥同步信号形成功能、机桥触发控制功能。

1 基本原理

PCS-9575 静止变频控制装置根据电机转子位置或机端电压信息，控制SFC 系统一次功率部分以逐渐升高的交替频率向电机定子某两相通入电流，产生持续的、超前于转子磁场的定子旋转磁场，通过该磁场与转子磁场的相互作用，控制电机转子按照流程需要加速，达到需要的转速，如图1所示。

图1 SFC系统基本原理示意图Fig. 1 Basic Schematic Diagram of SFC System

2 转矩控制原理

拖动电机升速，实际上是给电机转子施加持续的稳定的动力转矩，SFC 静止变频系统产生的转矩与直流电流大小、机桥控制角及电机的转子磁通大小成正比。而当机桥角度一定时，直流电流大小由网桥触发角度大小决定；电机的转子磁通取决于同步电机的励磁控制，启动过程中SFC 控制器按照拖动需要控制电机转子励磁；一般情况下，为了取得SFC 系统合适的功率因数，机桥控制角保持恒定；这样以电机转速为控制目标，通过控制网桥电流即可实现对加速转矩的控制。SFC 系统的转矩控制原理如图2所示。

图2 SFC系统转矩控制原理Fig. 2 Torque control principle of SFC system

3 双闭环控制

PCS-9575静止变频控制单元，采用双闭环环控制方式：外环为转速闭环，一般采用PI（比例、积分）调节，内环为电流闭环，一般也采用PI 调节方式。当机组频率可以测量到时，计算机组转速给定值与机组转速测量值的差值，经过PI 控制计算，产生网桥输出直流电流的给定值；直流电流给定值与网桥输出直流电流测量值的差值，经PI 调节计算所得的控制量，经余弦移相产生触发角度值α见图3。

4 转子位置检测

对于可控硅型的静止变频启动系统，准确的检测出电机转子的位置对整个启动至关重要，只有准确检测出转子位置，SFC 控制装置才能根据该位置信息确定电机静止时要初始导通的机桥阀组编号，以及脉冲换相阶段需要换相的时刻以及下一组要导通的机桥阀组编号。

转子位置信号检测的最直接的方法是在电机上安装机械位置传感器。机械位置传感器增加了系统的复杂程度和安装、调试及维护的工作量，降低了系统的可靠性，在工作环境条件较恶劣时尤其如此，所以PCS-9575 静止变频系统不采用机械位置传感器，而是采取无位置传感器的电气位置检测方法来进行转子位置的检测。

图3 静止变频控制装置双环控制原理图Fig. 3 SFC system double loop control schematic

4.1 转子初始位置检测

转子初始位置检测是要计算出电机启动前转子静止时的位置，以便于控制器确定要获得正向（电动机方向）转矩时，应该给电机的哪两相电枢绕组通电流，即确定该触发逆变桥的哪两个阀组。初始位置检测采用这样的方法：首先给电机转子加励磁电流阶跃，根据电磁感应原理，电机定子将感应出三相电压，SFC 控制装置根据该电压信号计算出转子的初始位置，从而得到首次应该被触发的机桥阀组编号。

图4 励磁电压阶跃时电机定子感应电压图Fig. 4 Excitation voltage step motor motor induction voltage diagram

如图4所示，在t0时刻由SFC 控制器控制励磁给电机转子绕组施加励磁电压阶跃，则在电机定子上感应电压波形呈单调衰减趋势。则用式（1）可以计算出电机静止时转子相对于A相电枢绕组的角度值θ0，获得转子位置，从而得到首次应该被触发的机桥阀组编号。

4.2 转子低速旋转时的位置检测

转子低速旋转时的位置检测是指脉冲换相阶段的转子位置检测。此时电机虽开始转动，但由于转速比较低，感应电压依然比较小。此阶段通过检测电机定子电压的过零点（上升沿或下降沿）等效转子位置，为机桥可控硅导通提供参考信息，如图5所示。

图5 电机定子电压波形与转子位置对应关系图Fig. 5 Correspondence Diagram of Motor Stator Voltage Waveform and Rotor Position

5 触发控制

整个启动控制过程中，PCS-9575 静止变频器的控制可以分为三个阶段：

（1）初始触发控制：该阶段是要实现正确的电机初始转动。首先给电机转子加励磁电流阶跃，根据电磁感应原理，电机定子将感应出三相电压，SFC 控制装置根据该电压信号计算出转子的初始位置，从而得到首次应该被触发的机桥阀组编号。启动网桥，同时，触发机桥相应阀组，这样有励磁的转子就在定子磁场的牵引下开始转动。

（2）脉冲换相控制：在电机转动频率比较低时（比如小于5Hz），机端感应的电压值比较低，不足以使机桥的阀组在需要换相时自然关断，需人为控制来实现机桥的换相，即脉冲换相。当根据机端电压判断出机桥需要换相时，首先使网桥逆变，当回路中电流降为零时，则机桥相应阀组由于无法续流而被关断，再给机桥下一对需要开通的阀组发送触发信号，同时恢复网桥整流输出。这样就完成了机桥的换相控制。

（3）负载换相控制：当电机频率比较高时（比如大于5Hz），机端感应出的电压足够高，能够使机桥需要被关断的阀组自然关断，控制进入负载换相控制阶段。在这个阶段，网桥一直处于整流工作状态，机桥则一直处于逆变工作状态，这样就可以为电机定子提供持续的转动力矩，使电机转速不断上升，以达到需要的转速。

6 程控逻辑

PCS-9575 静止变频调节器按照一定的控制逻辑来操控SFC 系统主设备的投退，并按照控制逻辑进行电机的拖动。不同电厂一般有不同的程控逻辑，由PCS-9575 智能IO装置通过现场编程，响水涧电站的程控逻辑如下：

6.1 程控逻辑

（1）SFC控制装置自检正常时，向监控发“SFC可用”信号，并保持，此时SFC 处于冷备用，等待控制方式选择命令。

（2）监控在SFC系统无异常情况下，向SFC 发送“远方自动控制”令，SFC 进入自动起机逻辑。

（3）SFC 启动变压器冷却油泵、电抗器冷却风机、机桥和网桥的冷却风机、合旁路开关1等。

（4）SFC 检测网桥、机桥以及电抗器的风机运行信号，输入/输出变冷却油泵运行正常，旁路开关1合闸，SFC向监控系统发送“辅助设备已启动信号”。

（5）SFC 收到“输入开关合信号”后，结合有无网桥输入电压，确认输入开关已合。

（6）SFC 向监控系统发“SFC就绪信号（SFC 处于备用信号）”，等待监控系统发送“SFC投入令（由监控系统通过SFC 开入板上与每台机对应的固定端口输入）”。

SFC 没收到监控系统的“SFC 投入令”前一直处于该状态（“SFC 就绪信号”保持），即“热备用”状态;直到接到此命令才往下执行。

（7）收到监控系统发出的“SFC投入令”。

（8）SFC 发出“合输出开关令”，并由“输出开关合信号”确认已合。

（9）SFC 发出“励磁允许令（由SFC 开出板上与每台机对应的固定端口输出）”到相应机组的励磁装置。

（10）SFC 收到励磁系统发送的“励磁就绪”信号后，开始控制励磁输出。

（11）SFC 确定转子位置。

（12）设定转速给定，电流建立，机组升速，处于脉冲换相阶段。

（13）SFC 输出“SFC 已投入信号”，在此后正常的启动全过程，该信号一致保持。

（14）SFC 检测f是否大于等于5Hz，当满足时，往下走；不满足时，继续处于脉冲换相阶段。

（15）当f≥5Hz 时，SFC 闭锁输出，当检测到定子电流为0 后，发“分旁路开关1（旁路输出变）令”；发“合旁路开关2（接入输出变）令”。

（16）设定转速给定，电流建立，机组升速，处于负载换相阶段。

（17）当f与ft（投同期装置频率）匹配时，发“允许同期投令”。

（18）SFC 接收同期装置的增速令或减速令，到（21）。

（19）当SFC 收到“并网开关合令”（同期向并网开关发“并网开关合令”同时也给SFC 发该信号）时，SFC 置转速给定为0、闭锁调节、闭锁脉冲。

（20）检测到电流为0 时，发“分输出开关令”，确认分开后，取消“SFC 已投入信号”。

（21）SFC 控制装置发“旁路开关2（接入输出变压器）分令”，并确认收到“旁路开关2 分信号”。

（22）SFC停止变压器冷却油泵、电抗器冷却风机、机桥和网桥的冷却风机等。

（23）辅机停止后回到（1）。

6.2 正常停机逻辑

（1）监控系统向SFC 发“SFC 停止令”进入正常停机逻辑。

（2）SFC 控制装置发“输入开关分令”，并确认收到“输入开关分信号”。

（3）检测变压器油温，机桥和网桥的温度，电抗器温度回到定值范围内后，控制器发“辅助设备停止令”，来停止油泵、风机等设备。

（4）检测油流、风压均消失后，SFC 向监控系统发送“辅助设备已停止信号”。

（5）回到（1）。

6.3 异常或故障停机逻辑

当系统发生异常、故障或者当SFC 装置发生异常时，发“SFC 跳闸令”时，进入本逻辑：

（1）SFC 发“输入开关分令”，并通过“输入开关分信号”来确认。

（2）转速给定置为0、闭锁SFC 调节、闭锁脉冲，同时发“SFC 故障信号（正常起机前，该信号需要人为复归）”，并保持。

（3）SFC 发“输出开关分令”，并通过“输出开关分信号”来确认。

（4）SFC 发“旁路开关1 分令、旁路开关2分令”，并通过旁路开关1 分信号、旁路开关2分信号来确认。

（5）检测变压器油温，机桥和网桥的温度，电抗器温度回到定值范围内后，系统发“辅助设备停止令”，来停止油泵、风机等设备。

（6）检测油流、风压均消失后，SFC 向监控系统发送“辅助设备已停止信号”。

6.4 紧急停机逻辑

在正常起机过程中任何时刻，外部（监控系统、保护设备或人为）有“跳SFC令”“紧急停机令”时，进入SFC 紧急停机流程：

（1）转速给定置为0、闭锁SFC 调节、闭锁脉冲。

（2）SFC 发“SFC 紧急停机”信号，并保持（正常起机前，该信号需要人为复归）。

（3）SFC 检测电流是否为0，同时发“输入开关分令”，并通过网桥阳极电压及“输入开关分信号”进行确认。

（4）SFC 发“输出开关分令”，并通过“输出开关分信号”来确认。

（5）SFC 发“输出开关分令”，并通过“输出开关分信号”来确认。

（6）SFC 发“旁路开关1 分令、旁路开关2 分令”，并通过旁路开关1分信号、旁路开关2分信号来确认。

（7）检测变压器油温，机桥和网桥的温度，电抗器温度回到定值范围内后，系统发“辅助设备停止令”，来停止油泵、风机等设备。

（8）检测油流、风压均消失后，SFC 向监控系统发送“辅助设备已停止信号”。

7 保护及限制

7.1 过电流保护

过电流保护包括基于 SFC 系统网桥、机桥CT 测量的定时限过电流保护和反时限过电流保护：

（1）网桥1 过电流保护（定、反时限）；

（2）网桥2 过电流保护（定、反时限）；

（3）机桥1 过电流保护（定、反时限）；

（4）机桥2 过电流保护（定、反时限）。

7.1.1 定时限过电流保护

定时限过电流保护主要考虑短时间内回路电流不能比额定启动电流大太多。设置两段保护，一段经延时报警、二段经短暂延时跳闸。

7.1.2 反时限过电流保护

反时限过电流保护是一种过流过热限制。必须对SFC 主回路的电流进行限制，防止过流导致SFC 功率部分因过热而损坏。回路发热与回路电流平方和该电流持续时间的乘积成正比关系，即回路电流及其允许运行时间成反时限曲线，如图6所示。

图6中纵坐标为过电流倍数，横坐标为允许运行时间（s），电流越小，允许运行时间越长。图中曲线的解析式见式（2）。

图6 电流反时限曲线Fig. 6 Current inverse time curve

SFC 功率部分热量的累积需要一定的时间，同样，热量的散发（冷却）也需要一定的时间。SFC回路过电流过热启动后，SFC 控制单元开始计算热积累量（计时），当热积累量大于设定值（大于设定时间）时，反时限过电流保护动作，跳SFC系统开关。当SFC 回路过电流过热启动后，SFC控制单元开始计算热积累量（计时），在未达到设定值时，电流值小于过电流启动值时，反时限过电流保护退出。SFC 控制器的电流反时限考虑热积累及发热部分的散热过程，以有效防止SFC功率回路过热。

7.2 电流变化率保护

电流变化率包括基于 SFC 系统网桥、机桥CT 测量的电流变化率保护：

（1）网桥1di/dt保护；

（2）网桥2di/dt保护；

（3）机桥1di/dt保护；

（4）机桥2di/dt保护。

按照式（3）计算出某相电流i的变化率，T为采样间隔：

当di/dt＞定值时，di/dt 保护动作，跳SFC 系统开关。

7.3 网桥电压保护

7.3.1 网桥阳极低电压保护

当网桥输入电压低于 0.85 倍额定值时，瞬时动作于将变流桥电流降为零；电压低于0.85 倍后，在1s 内又恢复到大于0.85 倍，则重新开始启动；电压低于0.85倍后，持续时间大于1s，SFC系统跳闸。

7.3.2 网桥阳极过电压保护子模块

当网桥输入电压高于1.1 倍额定值时，瞬时动作于将变流桥电流降为零；电压高于1.1 倍后，在1s 内又小于1.1，则重新开始启动；电压高于1.1 倍后，持续时间大于1s，SFC 系统跳闸。

7.4 机组磁通保护

包括机组过磁通保护和机组低磁通保护。在机组正常启动过程中，机组频率（转速）和机端电压满足一定的关系，若额定机端电压作为电压基准值、工频50Hz作为频率基准，见式（4）：

当1.2≥V*/f*≥1.1 时，发过磁通告警信号。

当V*/f*＞1.2 时，过磁通保护动作，SFC系统跳闸。

当V*/f*＜0.9，发低磁通告警信号。

7.5 机组过速保护

当n＞设定值时，过速保护动作，调节器发SFC跳闸令，进入“异常或故障停机逻辑”。

8 TV断线监视

由于 SFC系统一般不设置单独的可控硅触发同步电压回路，而是直接取网桥、机桥各自的TV电压作为测量计算信号及提供网桥、机桥的同步信号，TV信号的稳定可靠直接影响SFC 系统运行的安全性及可靠性。

PCS-9575 静止变频控制单元对TV 断线判断方法采用三种方法：双TV 比较法、负序比较法和冗余判别法，保证各种TV 断线均能被正确而迅速地检测。一旦检测出TV 断线，则控制器发出SFC系统跳闸命令，同时输出逆变角并闭锁脉冲。双TV 比较方法是常规TV断线判断方法，该方法用于机侧的两组TV短线，即同时测量两个TV 的输出值，正常情况下，两个输出值基本相同，一旦两个输出值差别较大，则判断输出低的TV断线。负序比较法主要针对单TV或双TV 同时断线而设计。冗余判别法针对TV 全部断线（TV 高压熔丝未投）而设计，SFC 系统正常运行时，电机启动电流、机端电压是相互关联的，如果励磁电流比较大，但定子电压却没有测量值，可以判断为TV 信号丢失。

9 与当前国外同类产品的综合比较

目前我国已建和在建的抽水蓄能电站SFC系统几乎全部为国外产品。一是进口SFC系统总体制造工艺水平比较高，技术成熟，但仍存在一些严重缺憾或隐患，缺憾主要表现在进口励磁系统总体设备价格昂贵，备品备件更贵而且供应不及时。隐患主要表现为技术服务方面，国外公司在国内设立的分公司或运营机构配备的技术服务人员少且技术力量薄弱，掌握不了产品的关键技术，设备投产前稍大一些的设计变更、投产后稍大一点的故障处理或因提高站稳定管理的水平而要求的技术升级一般都难以解决，只能请国外资深工程师援救，服务不及时；二是技术封锁，内部功能不能透明化以及没有汉化的界面，给设备的运行维护带来不小的隐患。

10 国产首套大容量抽水蓄能机组静止启动变频器（SFC）成功投产的意义

安徽响水涧抽水蓄能电站第二套SFC系统是我国自主开发研制具有完全知识产权的可用于300MW及以上大型抽水蓄能机组拖动。使我国在抽水蓄能机组静止变频启动系统的设计、开发和应用等方面达到国际同期先进水平，从而打破国外公司的技术垄断，促进相关行业的科技进步；推进我国大型抽水蓄能电站装备制造业国产化进程，促进我国抽水蓄能电站装备制造体系的完整性；而且通过有效竞争，可以降低抽水蓄能电站的投资成本和运行维护成本，节约外汇；同时可以提高抽水蓄能机组的利用率，提高电网的稳定性，保障电网安全，为国内抽水蓄能电站的快速发展提供强有力的技术支撑和服务保障。

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The Working Principle and Significance of the First Domestic Frequenency Converter for Pumped Storage Unit of Hundreds of Megawatts

GAO Sujie1，ZHANG Leilei2，SHI Xiangjian3，WEI Li2
（1.State Grid Xinyuan Company LTD.，Xicheng 100761，China ；2.Anhui Xiangshuijian Pumped Storage Co.，Ltd.， State Grid Xinyuan Company，Wuhu 241083，China；3.Nanjing NARIRELAYS Electric Co.，Ltd.，Nanjing 211102，China）

This paper first introduces the composition and basic working principle of the static starting frequency changer （SFC）of the first domestic frequenency converter for pumped storage unit of hundreds of megawatts，and then focuses on the system rotor position detection mode and principle，trigger control mode，program control logic and protection and restriction function configuration And the principle of in-depth analysis，at the same time with foreign similar products were compared，reflecting the significance of the localization of SFC.

the domestic SFC；double closed loop control；rotor position detection；program logic

TV743

A

570.30

10.3969/j.issn.2096-093X.2017.02.006

“百兆瓦级抽水蓄能机组静止起动变频器（SFC）关键技术及工程应用”获得2016年度水力发电科学技术奖一等奖。

“One hundred megawatt pumped storage unit static frequency starting device （SFC）key technology and engineering application” won the first prize of “Hydropower Science and Technology Award” in 2016.

2016-10-21

2017-03-11

高苏杰（1961—），男，甘肃兰州人，中共党员，硕士学位，高级工程师，国网新源控股有限公司副总经理。主要研究方向：抽水蓄能技术。

张雷雷（1983—），男，江苏响水人，运维值守长，助理工程师，工学学士，主要研究方向：静止启动变频器（SFC）。E-mail：xingmuyan@163.com

石祥建（1980—），男，江苏徐州人，南京南瑞继保电气有限公司，高级工程师，硕士学位，主要研究方向：电力电子及其工程应用。E-mail：shixj@nari-relays.com

魏 李（1982—），男，安徽枞阳人，运检部电气专工，助理工程师，大学本科，主要研究方向：抽水蓄能电站机电设备运行。Email：weili_wh@163.com