抽水蓄能电站静止变频器（SFC）容量设计研究

摘要：对抽水蓄能电站静止变频器（SFC）的容量计算方法进行了研究。分析了机组起动过程中风摩损耗、轴承摩擦损耗、定子绕组铜耗、定子铁耗产生的阻力损耗特性，研究了机组损耗对SFC容量设计的影响。根据损耗曲线及机组变频起动时间要求，计算SFC最小设计容量，选择合适的SFC设计容量，并对机组起动时间进行计算校核。依据大型抽水蓄能机组SFC容量设计需求，通过计算分析验证SFC容量设计及选择的正确性，旨在为大型抽水蓄能机组静止变频起动装置容量设计和选择提供参考。

关键词：抽水蓄能；静止变频器；机组损耗；SFC容量设计；机组起动时间

中图分类号：TV743" " 文献标志码：A" " 文章编号：1671-0797（2025）03-0048-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.03.013

0" " 引言

大容量抽水蓄能机组水泵工况起动时，需要采用辅助的起动设备将机组从静止拖动到同步转速，采用交-直-交电流源型静止变频器（SFC）设备是目前大容量抽水蓄能的主流泵工况起动方式。容量设计是开展SFC系统设计的关键和先决条件，SFC的容量和配置直接影响SFC设备的体积及造价，应合理选择SFC系统容量。本文结合工程实际，对SFC容量设计方法进行了研究。

1" " 基本原理

大型抽水蓄能机组泵工况起动时，通过充气压水系统使转轮与水脱离接触，大幅减小起动所需的力矩，降低对SFC设计容量的需求。SFC容量与机组容量成正比，一般为发电电动机额定容量的6%～8%[1]。

在起动机组过程中，SFC输出动力矩、抽蓄机组阻力矩及机组转速之间的关系为[2]：

TM-TR=J（1）

式中：TM为静止变频器的拖动转矩；TR为机组的阻力矩；J为机组转动部分的转动惯量；ω为机组的机械角速度。

ω与每分钟转速N的关系如下：

ω=（2）

求解上述微分方程得到：

t=dω=dω（3）

式中：PSFC为静止变频器的功率；PR为机组起动过程中的阻力损耗功率。

由公式（3）可见，静止变频器（SFC）容量设计与起动时间要求、机组旋转等效功率损耗（包含风摩损耗、摩擦损耗、电气损耗）以及机组的转动惯量等参数密切相关。在一定范围内提升SFC容量能够对缩短起动时间起较好的作用，当容量增加到一定程度时，起动时间不再明显缩短。SFC设备的造价与容量成正比，从经济性角度考虑，应选择合适的SFC容量以匹配机组起动需求[3]。克服抽蓄机组旋转产生的等效阻力损耗功率是SFC容量设计最低要求，在此基础上考虑加速功率（起动时间），即构成了SFC容量设计及选择的依据。

2" " 典型抽水蓄能机组SFC一次系统图

典型抽蓄机组SFC系统一次主接线如图1所示。SFC系统采用“12-6脉动” “高-低-高”拓扑结构，将两台主变低压接入系统作为输入电源，经输入断路器（ICB1、ICB2）、输入隔离变压器（TLS）至SFC整流侧，经整流桥（NB1、NB2）、直流平波电抗器（Ld）、逆变桥（MB）逆变后输出变频电源，输出侧经起动母线、被拖动开关等设备分配至不同机组。一套SFC系统具备轮流起动多台机组的能力。

SFC容量设计是SFC系统设计的关键，SFC系统中的电抗器、断路器、变压器及一次连接的设计参数、结构等均以SFC容量设计为前提。

3" " 机组损耗

某300 MW级抽水蓄能机组相关参数如表1所示。

对于机组的阻力损耗参数，输入值一般为额定工况下的损耗值，这与SFC拖动机组升速过程中的实际损耗并不一致。为了进行全转速过程的计算，对额定工况下的各分项损耗进行分析，以机组参数额定值为基值转换成标幺值后，用额定工况下的损耗值与标幺值的关系，拟合成损耗曲线。设n*为转速标幺值，I*为定子电流标幺值，U*为定子电压标幺值。

风摩损耗P1按与转速的3次方成正比进行工程计算[4]：

P1=（PGE+PRU）·n*3（4）

式中：PGE为发电电动机风摩损耗；PRU为转轮在空气中旋转时的损耗。

推力轴承摩擦损耗P2按与转速的1.5次方成正比进行工程计算：

P2=PTH·n*1.5（5）

式中：PTH为推力轴承摩擦损耗。

轴系导轴承摩擦损耗P3按与转速2次方成正比进行工程计算：

P3=PGU·n*2（6）

式中：PGU为导轴承摩擦损耗。

发电电动机的定子铁耗由磁滞铁芯损耗、涡流铁芯损耗和杂散铁芯损耗构成，均与频率和磁通密度相关。考虑到抽水蓄能机组泵工况SFC起动过程中采用恒磁通模式，一般控制机组励磁电流大小保持在机组空载额定励磁电流附近，整个过程基本稳定，只进行微调，定子电压与转速成正比[5]。工程计算中，可将定子铁耗按如下公式进行工程计算[6-7]：

P4=U*2·PFe·n*（7）

式中：PFe为定子铁耗。

电机铜损P5与定子电流2次方成正比：

P5=PCu·I*2（8）

式中：PCu为定子铜损。

由上述分析可得抽蓄机组泵工况SFC起动过程总等效功率损耗PΣ：

PΣ=P1+P2+P3+P4+P5（9）

分析表1的损耗参数，在额定工况下总损耗值为12 185 kW，其中风摩损耗8 600 kW。可以看出，风摩损耗占比远高于其他损耗，因此其对SFC容量设计的影响也相对最大。

根据上述过程可计算出机组在各个转速下的损耗，其曲线如图2所示，该曲线即为SFC在机组起动过程中需克服的阻力曲线。

4" " SFC最小容量计算

设计SFC容量前，需设定SFC工作电压及电流。SFC工作电压设计主要与晶闸管参数、器件串联级数以及电压裕量要求有关，原则如下：

U2≤（10）

式中：U2为SFC工作电压（交流侧）；n为每个桥臂晶闸管串联个数；VDRM为晶闸管断态重复峰值电压；k为电压裕度系数，一般为2～2.2。

SFC工作电流值主要与晶闸管电流参数、系统散热设计相关，也与工作电压设计相关。对同一容量下的SFC系统，不同的设计结构，其工作电压及电流设计也不相同。SFC工作电压的限值受限于晶闸管的耐压值，一般不会变化。所以，比较好的设计方法是对应晶闸管串联个数及耐压参数，充分利用电压裕度，将SFC工作电压设计序列化。在SFC容量设计时，选择工作电压档位后，调整工作电流值以满足设计需求。

对于大型抽水蓄能电站，SFC拖动机组升速时间通常要求不超过240 s，以最大升速时间要求对SFC的容量进行工程计算，即为SFC的最小设计容量。如前文所述，根据式（1）（2）（3）以及图2的机组阻力损耗功率曲线进行迭代计算，如图3～6所示。

根据上述计算结果：SFC工作输出电压0～8 100 V；SFC工作电流脉冲换相阶段设定在DC1 200 A，自然换相阶段设定在DC2 100 A，该台机组所需配置的SFC最小容量为19.2 MW。

5" " SFC容量的选择及起动时间校核

抽水蓄能机组前期设计阶段，机组参数存在一定的偏差。在选择SFC容量时，除起动时间、最小容量以外，应叠加一定的裕量，以兼顾机组转动惯量、轴系损耗等参数的适当变化。考虑上述因素后，选择SFC容量为21.0 MW。对该SFC容量下的机组起动时间进行计算校核，如图7～10所示。

根据上述计算结果，配置21 MW的SFC，SFC工作输出电压0～8 100 V；SFC工作电流脉冲换相阶段设定在DC1 200 A，自然换相阶段设定在DC2 300 A，起动机组至额定转速所需时间约212 s，满足最大起动时间不超过240 s的要求，并保留一定的裕度以适配机组参数的适当变化。

6" " 结束语

对于抽水蓄能机组的SFC容量设计，可根据机组额定点损耗数据拟合损耗与转速的曲线。按起动时间要求，计算最小容量要求。在此基础上保留一定裕度，合理设计SFC的容量，减少工程投资及设备占地。此外，不同应用场合的SFC容量设计的影响因素不同，本文仅对抽水蓄能机组SFC进行分析研究，可作为大型抽水蓄能机组SFC的容量设计参考。

[参考文献]

[1] 抽水蓄能电站设计规范：NB/T 10072—2018[S].

[2] 国网新源控股有限公司.抽水蓄能机组及其辅助设备技术：静止变频器[M].北京：中国电力出版社，2019.

[3] 严伟，石祥建，潘仁秋，等.抽水蓄能机组静止变频器（SFC）关键技术研究[C]//抽水蓄能电站工程建设文集2019：179-185.

[4] 郑辉，赖喜德，廖姣，等.水电机组推力轴承搅拌损耗计算方法[J].热能动力工程，2018，33（8）：74-79.

[5] 李基成.现代同步发电机励磁系统设计及应用[M].3版.北京：中国电力出版社，2017.

[6] 唐任远.现代永磁电机理论与设计[M].3版.北京：机械工业出版社，2016.

[7] 张冬冬，赵海森，王义龙，等.用于电机损耗精细化分析的分段变系数铁耗计算模型[J].电工技术学报，2016，31（15）：16-24.

收稿日期：2024-10-16

作者简介：黄海晏（1985—），男，江苏南京人，工程师，研究方向：电力电子产品工程设计及应用。