抽水蓄能电站静止变频器综述

2019-04-06石祥建詹亚曙漫自强段梦珂

水电与抽水蓄能 2019年6期

石祥建，徐峰，闫伟，詹亚曙，漫自强，刘腾，段梦珂

（南京南瑞继保电气有限公司，江苏省南京市 211102）

0 引言

抽水蓄能机组启停灵活、反应迅速、调节性能强，具有调峰填谷、调频调相、紧急事故备用和黑启动等多种功能，在增强电网稳定性和提高电网的经济性方面发挥着重要作用[1-2]。抽水蓄能机组的发电机是同步电机，不能自启动，必须采用辅助启动设备将发电机组从静止拖动到同步转速，实现无冲击并网。

抽水蓄能电站机组启动方式有同轴电动机启动、异步启动、同轴水轮机启动、同步（背靠背）启动以及变频启动等。随着机组容量逐渐增大，同轴电动机启动、异步启动、同轴水轮机等启动方式已不能满足大容量机组的启动要求。目前安装4台及以下机组的抽水蓄能电站以静止变频器（Static Frequency Converter，SFC）启动为主要启动方式，以背靠背启动为备用启动方式；安装6台机组的电站，一般配置两台静止变频器，互为备用。

本文回顾了抽水蓄能机组的不同启动方式，在对静止变频器原理介绍的基础上，着重对静止变频器主回路拓扑、与电源的连接方式、转子位置检测等进行讨论，最后对静止变频器国产化进展进行探讨。

1 抽水蓄能电站机组启动方式回顾

1.1 同轴电动机启动

同轴电动机是一台小容量电动机，其直接与主轴连接，用以启动主机。这种启动方法简单，无须装设启动母线，各台机组启动装置互不影响，对电网干扰小，是早期小容量抽水蓄能机组常用的启动方法[3]。随着抽水蓄能机组单机容量不断提高，这种启动方法运行成本和工程费用变得昂贵，而且启动时间较长。20世纪50～60 年代后，这种启动方法在现场实际中越来越少。

1.2 异步启动

异步启动是在机组励磁绕组短接情况下，直接将机组并入电网，利用转子磁极上阻尼绕组产生的异步力矩使机组转子旋转并加速，在接近同步转速时加上励磁拉入同步。异步启动加电压的方式有全电压启动、降压启动和部分绕组启动3种。这种启动方式对电网会产生不同程度的冲击，对于大容量抽水蓄能机组并不合适。

1.3 同轴水轮机启动

西藏羊卓雍湖抽水蓄能电站机组采用这种启动方式。该电站机组结构为立式三机同轴结构，从上往下分别是发电/电动机、水轮机、水泵，抽水工况时通过水轮机冲水转动，实现机组启动。

1.4 同步（背靠背）启动

同步（背靠背）启动时，使用本电站或相邻电站的一台常规发电机组或抽水蓄能机组做发电机运行来启动其他抽水蓄能机组。启动前将被拖动机组与拖动机组在电气上连接，即两台机组定子三相通过拖动母线相连，并分别加上励磁。拖动机组以发电方式运行，输出变频电压，该电压在被拖动机组定子中形成变频电流、变频旋转磁场，拖动转子旋转。这种启动方式的优点是对电网冲击较小，但启动过程的调整和操作比较复杂，启动成功率低，需要有拖动机组，并设置专用的启动母线，而且电站最后一台机组不能用此方式启动。目前大型抽水蓄能电站采用此方式作为变频启动的备用方式。

1.5 变频启动

采用晶闸管作为功率元件的交—直—交电流源型变频器是目前主流的变频启动方式，该变频器的优点是设备静止、运行维护方便、启动容量大、启动速度快、工作可靠性高，对系统冲击小。电流源型静止变频器（SFC）在工程项目中得到广泛的应用。值得一提的是，国内某抽水蓄能电站采用电压源型变频器进行启动，变频器采用二极管整流桥+IGBT组成的H桥单元模块串联结构，但该变频器功率仅为5.6MVA，抽水蓄能机组容量为55MW。

2 SFC基本原理

静止变频器利用晶闸管换流装置将工频交流电转换成频率连续可调的变频交流电，将该变频电流输出到同步电机定子绕组，形成定子旋转磁场，同时在转子上施加励磁电流，形成转子磁场，旋转的定子磁场与转子磁场相互作用，牵引转子转动，即可实现机组的启动[4]。

静止变频器的核心设备主要包括控制系统、两个独立的换流桥及直流回路，如图1所示。控制系统承担全系统的控制和保护任务，包括转子位置检测、转速闭环控制、换流桥触发控制、启动过程中的机组励磁控制以及过压、过流、过速等保护功能。两个独立的换流桥包括网桥、机桥，网桥和机桥通过直流回路连接。网桥可以是单独的晶闸管整流桥，也可以是两个串联或并联的晶闸管整流桥；机桥可以是单独的晶闸管逆变桥，也可以是两个串联或并联的晶闸管逆变桥。直流回路中设置直流平波电抗器，以抑制直流电流的脉动纹波，限制直流电流的上升率，并对两个交流系统进行去耦。当图1中输入变压器为降压变压器、输出变压器为升压变压器时，静止变频器一次接线称为高—低—高方式；当输入变压器为1：1隔离变压器、无输出变压器时，一次接线称为高—高方式；整流桥和逆变桥可以是12-6脉波或6-6脉波，也可以是12-12脉波。

图1 静止变频器原理图Figure 1 Schematic diagram of SFC

3 SFC主回路拓扑

静止变频器根据脉波数、电压特征的变化，可有多种形式，常见的分别是：高—低—高、6-6脉波静止变频器，高—低—高、12-6脉波静止变频器，高—低—高、12-12脉波静止变频器，高—高、6-6脉波静止变频器[5]。

3.1 高—低—高、6-6脉波结构

当输入变压器为降压双绕组变压器、输出变压器为升压双绕组变压器时，网桥及机桥均为6脉波时，称为高—低—高、6-6脉波结构，如图2所示。

图2 高—低—高、6-6脉波拓扑结构Figure 2 High-Low-High、6-6 pulse wave topology

高—低—高结构静止变频器，需一个用于降压的输入变压器和一个用于升压的输出变压器。经输入变压器降压后，可降低功率桥每桥臂承受的电压，晶闸管串联数量减少，功率部分设计的电压等级降低，有利于降低故障发生几率。从谐波的角度，6脉波特征谐波次数低（特征谐波有5次、7次、11次……）、含量较高。目前国内已投运静止变频器设备运行情况显示，高—低—高、6-6脉波静止变频器网侧是否设置滤波器，不同SFC设备厂家做法不同；机桥为6脉波，理论上由于电流谐波原因，会引起电机发热增加，但静止变频器运行时间短，谐波带来的不利影响有限。

3.2 高—低—高、12-6脉波结构

当输入变压器为降压三绕组变压器，低压侧绕组一个为Y接法，一个为D接法，输出变压器为升压双绕组变压器，网桥采用12脉波、机桥为6脉波，称为高—低—高、12-6脉波结构，如图3所示。

图3 高—低—高、12-6脉波拓扑结构Figure 3 High-Low-High、6-6 pulse wave topology

这种结构中经降压变降压后，网桥功率桥电压已经明显降低，并且二次电压由两个桥承担，每一个功率桥桥臂承受的电压会进一步降低；功率部分设计的电压等级降低，有利于降低SFC设备电气绝缘设计水平。从谐波的角度，12脉波特征谐波次数提高（特征谐波有11次、13次……）、谐波含量较6脉波明显降低。按照目前已投运静止变频器设备运行设备情况，对于高—低—高、12-6脉波静止变频器，网侧无需配置滤波器，有些电站原来配置了滤波器的也已退出运行；机桥为6脉波。

3.3 高—低—高、12-12脉波结构

当输入变压器为降压三绕组变压器，输出变压器为升压三绕组变压器；网桥、机桥均采用12脉波时，称为高—低—高、12-12脉波结构。这种结构有两种形式，网侧或机侧各自的两个功率桥采用串联或并联连接方式，如图4所示。

串联方式中，脉冲换相阶段，隔离开关1合闸，网桥、机桥各一个6脉动桥工作，隔离开关2将输出升压变压器旁路。负载换相阶段，打开隔离开关1，投入串联的另一个桥，隔离开关2将输出变压器接入，如图4（a）所示。

并联方式中，网桥1、机桥1及平波电抗器1组成一个完整的交—直—交变流器1，网桥2、机桥2及平波电抗器2组成另一个完整的交—直—交变流器2。在脉冲换相阶段，只有变流器1工作，隔离开关将输出变压器旁路；进入负载换相阶段后，变流器1和变流器2同时工作，通过隔离开关将输出变压器接入，如图4（b）所示。

图4 高—低—高、12-12脉波拓扑结构（a）串联结构；（b）并联结构Figure 4 High-Low-High、12-12 pulse wave topology（a）Tandem structure；（b）Parallel structure

由于高—低—高结构的输入降压变压器和输出升压变压器都是三绕组变压器，投资将增加，且启动控制复杂。从谐波的角度看，网测谐含量较6脉波明显降低。机桥为12脉波，电流谐波较6脉波有所减小。

3.4 高—高、6-6脉波结构

输入变压器为1：1隔离变压器，输出不配置变压器网桥、机桥均采用6脉波时，称为高—高、6-6脉波结构，这种结构需配置输出电抗器，如图5所示。

图5 高—高、6-6脉波拓扑结构Figure 5 High-High、6-6 pulse wave topology

高—高、6-6脉波静止变频器的结构简单，只需一个输入隔离变压器。其缺点是，由于功率回路电压高，需要串联数量较多的晶闸管以满足较高电压的要求，对每串晶闸管的均压要求提高，提高了功率部分设计的电压等级，增加了故障概率。但限于早期单只晶闸管元件电流容量小，要使静止变频器输出大功率，采用抬高电压的方式不失为一种选择。

目前，采用高—低—高结构的静止变频器是主流。南瑞继保SFC设备主要采用高—低—高、12-6脉波方式；在运ABB静止变频器设备多采用高—低—高、6-6脉波；西门子静止变频器设备多采用高—低—高、12-12脉波；科孚德给天荒坪抽水蓄能电站提供过高—高、6-6脉波静止变频器设备，后来以高—低—高、12-6脉波居多。

4 SFC和电源的连接方式

静止变频器工作时需要较大的输入功率，对于其电源接线方式的设计要考虑以下两方面的问题：

（1）电源容量应满足静止变频器工作过程中的最大功率需求。

（2）静止变频器工作过程中产生的谐波不对电站继电保护、自动化装置等设备正常运行带来不利影响。

静止变频器容量确定后，选择能够满足容量要求的点作为电源接入点。我国的抽水蓄能电站主变压器和机组一般采用单元接线方式，一台机组配置一台主变压器，静止变频器启动容量仅为主变压器容量的6%～8%，主变压器低压侧作为启动电源输入点，容量能够满足启动需要。静止变频器也有接在高压厂用变压器低压侧，该高压变压器的容量应满足静止变频器启动容量和厂用电容量要求。

由于静止变频器在工作过程中会产生谐波，可能会影响到电网的供电质量，为此还应考虑到对电网及电厂厂用电的谐波影响。一般静止变频器输入侧电源点不是公共电网接入点，对电网的影响较小，主要需要考虑对厂用电的影响。

静止变频器和电源的连接有如图6所示几种方式。

接线（a）是静止变频器和厂用电经共用电抗器接入主变压器低压侧，可节省一组交流电抗器，但是对厂用电母线易产生谐波干扰，这种接线方式在早期的抽水蓄能电站中出现过。

图6 静止变频器输入侧接入电站几种常见方式（a）与厂用变压器共用电抗器；（b）不经电抗器；（c）经电抗器接入同一主变压器低压侧；（d）分别经电抗器接入不同主变压器低压侧；（e）在高压厂用变压器低压侧Figure 6 Several common ways for the input side of SFC to access the power station（a）Sharing reactors with factory transformers；（b）Without reactor；（c）Connecting to the low voltage side of the same main transformer through reactor；（d）Connecting to the low voltage side of different main transformer through reactor respectively；（e）Low voltage side of high voltage factory transformer

接线（b）是静止变频器直接接入主变压器低压侧，则静止变频器接入点的短路容量比接线方式（a）大，有利于抑制谐波电压，但这种接线方式不利于限制短路电流，对于大型抽水蓄能电站，提高了静止变频器分支断路器的短路电流分断要求。

接线（c）是静止变频器和厂用电分别经电抗器接入主变压器低压侧，通过设置交流电抗器，限制了短路电流及静止变频器谐波电流，将谐波对厂用电母线的影响进一步降低，也有利于静止变频器分支断路器的选择。

接线（d）是静止变频器与厂用变压器分别经电抗器接于不同主变压器的低压侧，这种接线将谐波对厂用电母线的影响降低到了最小限度，但是由于静止变频器和厂用电变压器接于不同发电机—变压器单元，在首台机投产时需考虑二者都能供电。

接线（e）是静止变频器接在高压厂用变压器的低压侧，静止变频器谐波对厂用电设备影响较大，早期少数抽水蓄能电站采用这种方式。在当时条件下，虽然采用高压厂用电源方式需要增加220kV的GIS回路间隔，但与发电机主回路设置断路器相比仍比较经济，因此选择采用220kV供厂用及静止变频器电源。

综上，接线（c）和接线（d）可将静止变频器网侧谐波对电站其他设备的影响降到最低，并且接线（d）是较优的接线方式。

5 转子初始位置检测

准确可靠的转子位置检测是静止变频器拖动机组启动的基础。转子位置信号检测最直接的方法是在电机上安装位置传感器。但是装设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，安装偏差会导致传感器输出的测量波形发生变化，对准确检测转子位置不利，在工作环境条件较恶劣时尤其如此[6]。该方案在早期抽水蓄能电站静止变频器中有所采用，后来均采用无位置传感器的转子位置检测方式。本节着重对无位置传感器转子位置检测进行介绍。

无位置传感器的转子位置检测，首先通过电机励磁系统控制转子电压突升，根据电磁感应原理，电机定子将感应三相电压，不同的定子与转子位置关系，感应的三相定子电压不同，控制装置根据该电压信号计算转子静止时的位置[7-8]。然而，通过给转子施加励磁突变量感应的机端电压信号弱小，为单调衰减的信号，同时设备现场电磁环境复杂，该信号叠加有丰富的噪声干扰。对感应电压中有效信息的准确提取直接关系到转子位置计算的正确性。

在施加励磁电流的瞬间，电机定子三相绕组中会感应出电势，利用这些感应电势，可以推算出转子的位置。

式中Φu、Φv、Φw——转子电流在定子三相绕组中产生的磁通，Wb；

M——定子绕组与转子绕组互感，H；

if——转子电流，A；

γ——转子初始位置角，是转子磁通方向与定子U相轴线的夹角，（°），如图7所示。

图7 转子位置角示意图Figure7 Schematic diagram of rotor position angle

定子三相绕组感应电动势的最大值出现在转子绕组施加电压的最初瞬间，即t为0时刻，见式（2）。

式中eu0、ev0、ew0——定子三相绕组感应电动势的初始值，V；

k——系数。

在t0时刻由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（3）可以计算出电机静止时位置角γ，获得转子位置，从而得到首次应该被触发的机桥阀组编号。

图8给出的是电机转子突加励磁阶跃后，电机定子侧感应电压波形。用该电压进行转子位置计算时，先要经滤波处理，滤除干扰信号，留下真实信号，只有这样才能准确计算出转子位置角。南瑞继保采用无磁滞的硬件隔离采样硬件+双数字滤波器方案，提取有效波形信息，实现了对转子初始位置的准确、可靠检测。

由图8可见，原始感应电压波形信噪比低、趋势不明显，经滤波处理后感应电压趋势明显、信噪比明显提高，有利于计算出准确的转子位置角。对某电站机组，由静止变频器控制器对转子位置进行多次检测，检测数据见表1。

表1 某电站2号机组多次转子电气位置计算结果Table 1 Calculation results of electrical position of multiple rotors of No.2 machine in a power station

由表1可见，多次测量得到的转子电气位置角与多次测量平均角度偏差绝对值小于1°，对于电机转子位置的测量具有相当高的一致性。

6 结束语

静止变频器在我国抽水蓄能电站使用已有20多年的时间，随着对这一设备设计及运行经验的不断积累，对其主回路拓扑、工作原理，与电源的连接方式的认识更加深入。近些年，在国网新源控股有限公司、南网调峰调频发电公司、南京南瑞继保电气有限公司等单位的共同努力下，静止变频器设备已实现国产化，并在基建项目和改造项目中得到广泛的应用。国产静止变频器的推广应用，一方面，提高了抽水蓄能电站设备国产化率，有效解决了静止变频器设备技术支持、备品备件供应、售后服务等问题；另一方面，也为SFC改造项目提供了经济、灵活、高效的改造方案。