高压大容量静止变频器的换流方式研究

史伟　杨晓林　苏华　梁超

摘要：大型同步电机在发电领域有着广泛的应用，以晶闸管为换流器件的高压大容量静止变频器是实现大型同步电机变频启动的最佳选择。现首先介绍静止变频系统主电路的连接方式及控制系统的功能，然后在此基础上分析了静止变频器的工作原理，最后提出了静止变频器逆变电路的换流方式，即在低速阶段采用脉冲换流法，在中高速阶段采用负载换流法。

关键词：大型同步电机;静止变频器;换流方式

中图分类号：TN773    文献标志码：A    文章编号：1671-0797（2022）06-0067-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.06.019

0    引言

大型同步电机应用场合非常广泛，除了作为常规发电机组外，在电力系统中还用作抽水蓄能机组和同步调相机组，而抽水蓄能机组和同步调相机组在维持电网频率稳定和电压稳定方面具有重要作用[1-2]。目前，以晶闸管为换流器件的高压大容量静止变频器是实现大型同步电机变频启动的最佳选择，由于晶闸管的额定电流大，其在大容量静止变频器中具有IGBT不能替代的作用。但晶闸管不能通过门极实现器件自关断，需要合适的换相方法使其关断[3]。

1    静止变频系统启动原理

如图1所示，静止变频系统主要由主电路和控制系统两部分组成。主电路包括输入变压器、输出变压器、断路器、隔离开关、晶闸管整流电路、电流型逆变电路、输出电容器组和同步电机;控制系统由高性能控制器、数据采集单元和晶闸管触发单元组成，负责完成包括数据采集、晶闸管变流电路触发和励磁系统控制等在内的任务[4]。

测量输入电压/电流和输出电压/电流需要经过电压互感器和电流互感器，将高压大电流信号转换为低压小电流信号，测量单元将低压小电流信号转换为数字信号，然后传递给控制器中的控制程序计算使用。控制器根据输入信号，通过计算确定延迟触发角、超前触发角、不同控制方式的切换以及与励磁系统的通信，完成同步电机启动、并网以及断开与同步电机的联系等任务。脉冲触发单元包括触发信号的生成、转换和传递，控制器产生的触发信号由阀控制器转换为光信号经光缆传送到晶闸管控制单元，该单元从一次回路取能形成脉冲电流完成晶闸管触发导通。

由于直流回路平波电抗器Ls的存在，直流电流ID的幅值在一个周期内近似恒定不变，逆变电路按照120°的导电工作方式，在触发上桥臂晶闸管导通时，下桥臂处于关断状态，三相桥臂触发信号相位差120°。忽略逆变电路的换相过程，则逆变电路输出的三相电流波形如图2所示。

如图1所示，当触发晶闸管T1′、T2′时，直流电流ID流经晶闸管T1′、A相定子绕组、C相定子绕组和晶闸管T2′，注入定子绕组的电流IAC的基波分量产生磁动势AC。当转子转过一定的角度后，逆变电路导通T2′、T3′，此时注入定子绕组的电流IBC的基波分量产生磁动势■BC。根据交流发电机电枢反应理论，励磁磁动势Ff与电枢磁动势Fa相互作用产生电磁转矩Te：

式中：K为电磁转矩常数[Wb·（At）-1];Ff、Fa分别为励磁磁动势、电枢磁动势（At）;θ为两个磁动势的夹角（°）。

由式（1）可知，当电枢磁动势超前励磁磁动势90°时，正向电磁转矩最大，根据励磁磁动势的位置，将转子位置平面分为6个扇区，当励磁磁动势进入第1扇区，应导通T1′、T6′，当励磁磁动势进入第2扇区，应导通T1′、T2′，以此类推。采用这种导通策略，静止变频器输出的平均电磁转矩最大。

静止变频器输出的电磁转矩与直流电流、逆变电路触发角和电机的磁通成正比，具体关系如下：

式中：Tem为拖动电磁转矩（N·m）;C为系数，与机组特性相关;ID为静止变频器直流回路电流值（A）;cos φ为静止变频器功率因数;？准为磁通（Wb）。

当逆变电路的触发角保持不变时，直流电流的大小由整流电路的闭环控制调节。电机的励磁控制磁通的大小，而在启动过程中，根据不同阶段的控制策略，电机转子励磁由静止变频器的控制器控制。在实际工作时，逆变电路的触发角一般保持恒定。当需要控制电机转速时，通过控制直流电流的大小实现控制加速转矩的目标。

2    晶闸管换流方式及控制

2.1    中高速阶段的负载换流法

在晶闸管需要换相时，使流过晶闸管电流过零后再施加一定时间的反向电压，原来导通的晶闸管才能可靠关断，在此期间触发另一支路的晶闸管，该晶闸管因承受正向电压而被导通，从而实现逆变电路的可靠换流。负载换流原理图如图3所示，其中图3（a）为逆变桥A、B相换流过程示意图。在换流之前，晶闸管T1′、T2′导通，直流电流ID以A、C相绕组为回路，现在要使电流从AC相换流到BC相，要使待关断的晶闸管T1′承受反向电压，应在自然换相点k之前导通晶闸管T3′，T1′电流减小为零并承受一段时间反压后关断。观察图3（b）电机A、B相机端电压，如果在k点触发晶闸管T3′，此后电压uA

为了使晶闸管T1′关断，同时晶闸管T3′导通，必须在自然换相点提前一个角度触发晶闸管T3′，如图3（b）所示s点，由于0<ωt<β，机端电压uA>uB，该电压以晶闸管T1′、T3′和定子A、B相绕组为回路形成环流ik，使得A相电流幅值从ID逐渐变为零，T1′关断而T3′导通，从而实现负载换流。

根据负载换相机端三相电压/电流及励磁电动势示意图（图4），触发晶闸管的相位超前于励磁电动势自然换相的相位角称为空载超前触发角β0，而由于电枢反应的影响，机端电压超前励磁电动势相位δ，触发晶闸管的相位超前于机端电压自然换相点的相位角称为超前触发角β，所以空载超前触发角β0和超前触发角β相差相位角δ。由于换相电感的存在，环流ik不能突变，所以换相过程必然需要一段时间，通常把这段时间对应的电角度称为换相重叠角μi，這些角度与逆变电路的电压/电流及励磁电动势相位关系如图4所示。为了防止换相失败，要被关断的晶闸管的电流下降到零后，加在该管上的反压要保持一段时间，这段时间对应的电角度称为换流剩余角γc，其表达式为：

一方面，空载超前触发角β0需整定得足够大，但随着β0的增大，逆变电路输出的功率因数降低，输出的电磁转矩下降，故一般将β0整定为60°;另一方面，通过控制换相重叠角μi的大小来降低逆变电路对空载超前触发角β0的要求。

2.2    低速阶段的脉冲换流法

当电机转子处于静止或低速状态时，励磁电动势和机端电压均非常小，不能利用电机的机端电压实现负载换流，最常用的方法是采用脉冲换流法来实现逆变电路的换流。脉冲换流法的原理是当逆变电路需要换相时，通过闭锁整流电路使直流电流快速下降为零，逆变电路的晶闸管全部关断后，触发下一组开关组合，从而实现换流。由于采用脉冲换流法时，超前导通角的大小不会影响逆变电路换流，为了最大限度地提升转矩，一般初始导通设置β0=0°。

静止变频系统的逆变电路可靠换流是同步电机变频启动的关键，常见的晶闸管逆变电路控制方法主要有3种：空载超前触发角β0恒定控制、超前触发角β恒定控制和换流剩余角γc恒定控制，这3种控制方法各有优势。

对于空载超前触发角β0恒定控制，由图4可以看出，β0是以电机的励磁电动势为参考，同时如果忽略换相重叠角的影响，就可以通过控制空载超前触发角β0控制同步发电机的功率因数角，而同步电动机的电磁转矩和功率因数角的余弦值成正比，从而达到了控制变频启动转矩控制的目的。但是，当负载增大时，励磁电动势和机端电压之间的夹角即功角δ将增大，如果继续控制β0恒定，导致β=β0-δ减小，就会造成换相的裕量角不足，引起换相失败。根据三相桥式逆变全控电路换相重叠角的计算公式：

随着同步电机转速的上升，XB、U2不断增大，逆变电路的换相重叠角也将发生变化，此时如果保持超前触发角β恒定仍然无法保证晶闸管逆变电路能够可靠换流，而保持换流剩余角γc恒定则能够最大程度利用静止变频器的容量，输出较大的电磁功率，缩短同步电机的启动时间，同时保证逆变电路的运行有足够的安全裕量。

3    結语

本文在介绍系统主电路的连接方式及控制系统功能的基础上，进一步分析了静止变频器的转矩控制原理，并提出了同步电机启动过程中静止变频器逆变电路的换流方式，即在低速阶段采用脉冲换流法，在中高速阶段采用负载换流法，为高压大容量静止变频器的控制技术研究开发提供了技术见解和新思路。

[参考文献]

[1] 崔一铂，胡鹏，凌在汛，等.新型大容量同步调相机组技术特点分析[J].大电机技术，2019（2）：36-38.

[2] 金一丁，于钊，李明节，等.新一代调相机与电力电子无功补偿装置在特高压交直流电网中应用的比较[J].电网技术，2018，42（7）：2095-2102.

[3] 汪一.应用于特高压直流输电的同步调相机控制系统研究[D].北京：华北电力大学，2017.

[4] 杨合民，郑玉平，王小红，等.大型同步调相机惰转并网成功率计算方法[J].电力系统自动化，2018，42（24）：74-78.

收稿日期：2021-11-26

作者简介：史伟（1980—），男，江苏人，工程师，研究方向：变电站检修。