0 引言

在抽水蓄能電站中，抽水蓄能機(jī)組在對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)峰填谷、調(diào)頻調(diào)相和保證電網(wǎng)安全運(yùn)行方面發(fā)揮著重大的作用。但是抽水蓄能機(jī)組運(yùn)行的主要特點(diǎn)是起停頻繁，當(dāng)抽水蓄能機(jī)組工作在水泵工況時(shí)，機(jī)組為同步電動(dòng)機(jī)，如何起動(dòng)抽水蓄能

機(jī)組(同步電動(dòng)機(jī))就變得尤為關(guān)鍵。目前在大型抽水蓄能電站中，靜止變頻器(SFC)起動(dòng)是抽水蓄能機(jī)組最主要的起動(dòng)方式，它利用晶閘管產(chǎn)生頻率可調(diào)的交流電來起動(dòng)抽水蓄能機(jī)組。本文在整理國內(nèi)外一些資料[1][4]的基礎(chǔ)上，從同步電動(dòng)機(jī)變頻起動(dòng)的特點(diǎn)出發(fā)，分析和研究了同步電動(dòng)機(jī)靜止變頻器起動(dòng)過程的控制策略。

1 同步電動(dòng)機(jī)SFC起動(dòng)的基本原理

靜止變頻器的主回路結(jié)構(gòu)如圖1 所示。它的主回路是由電網(wǎng)側(cè)晶閘管換流橋(SRN)和電機(jī)側(cè)晶閘管換流橋(SRM)以及平波電抗器Ld1，Ld2 組成。SRN 和SRM 通過平波電抗器Ld1，Ld2 連接起來，Ld1，Ld2 限制直流回路的電流上升率，起著平波扼流的作用。整流橋SRN 直接接入電網(wǎng)，由電網(wǎng)電壓提供換相電流;SRM 直接與電動(dòng)機(jī)相連，它靠電動(dòng)機(jī)的感應(yīng)電勢提供換相電流，電動(dòng)機(jī)在不同的轉(zhuǎn)速下其感應(yīng)的電壓頻率也不同。因此，SRM的換相頻率是隨電機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速而變化的。靜止變頻器起動(dòng)的工作原理就是三相50 Hz的交流電經(jīng)整流橋變?yōu)橹绷麟姡缓笥赡孀儤驅(qū)⑵渥優(yōu)轭l率可調(diào)的交流電輸入到同步電動(dòng)機(jī)，同步電動(dòng)機(jī)由靜止逐漸上升到額定轉(zhuǎn)速[1][2]。

2 靜止變頻器的起動(dòng)過程

靜止變頻器實(shí)現(xiàn)抽水蓄能機(jī)組由靜止?fàn)顟B(tài)加速起動(dòng)，直至并網(wǎng)的全部過程。靜止變頻器起動(dòng)的流程圖如圖2所示，主要包括勵(lì)磁投入、脈沖運(yùn)行、換相方式切換、自然換相、同期和并網(wǎng)六個(gè)階段。

1)在機(jī)組處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，首先投入具有一定變化率的勵(lì)磁電流，以便根據(jù)在定子中感應(yīng)的三相電壓計(jì)算轉(zhuǎn)子初始位置，從而選擇首先給哪兩相定子繞組通以電流。

2)勵(lì)磁電流穩(wěn)定在額定值，變頻器解鎖，進(jìn)入脈沖方式運(yùn)行。

3)當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速加速到換流切換值時(shí)，進(jìn)行換相方式切換，靜止變頻器由脈沖運(yùn)行轉(zhuǎn)入自然換相運(yùn)行。

4)自然換相運(yùn)行時(shí)，靜止變頻器靠電機(jī)反電動(dòng)勢進(jìn)行自然換相，機(jī)組全功率加速運(yùn)行。

5)當(dāng)機(jī)組加速到額定轉(zhuǎn)速時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入同期運(yùn)行階段。

6)在同期控制過程中，一旦符合并網(wǎng)條件，則合上同期斷路器，然后切除靜止變頻器裝置，機(jī)組與電網(wǎng)并列運(yùn)行。

3 靜止電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置檢測

機(jī)組在變頻起動(dòng)前，由于轉(zhuǎn)子處于靜止?fàn)顟B(tài)，所以其相對位置是不定的，因此為了提高機(jī)組起動(dòng)的成功率，必須首先判定轉(zhuǎn)子的初始位置，以便選擇首先給哪兩相定子繞組通以電流，保證產(chǎn)生最大的正向加速力矩。

首先給轉(zhuǎn)子通入一定上升率變化著的勵(lì)磁電流If，根據(jù)電磁感應(yīng)的原理，電機(jī)的三相定子繞組能夠感應(yīng)出電勢，三相感應(yīng)電勢的幅值不等，越接近勵(lì)磁繞組磁場的定子繞組感應(yīng)出的電勢越高，反之則低。因此，在機(jī)組靜止?fàn)顟B(tài)，可以根據(jù)給轉(zhuǎn)子通以勵(lì)磁電流的方法，計(jì)算轉(zhuǎn)子的初始位置茲0，并從中判定電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)刻給能夠產(chǎn)生最大加速力矩的兩相定子繞組通以電流。

4 靜止變頻器起動(dòng)的控制原理

靜止變頻器可以實(shí)現(xiàn)抽水蓄能機(jī)組從靜止到機(jī)組并網(wǎng)的全過程，圖3 給出了靜止變頻器的控制原理圖，它主要包括蓄能機(jī)組起動(dòng)過程的電機(jī)轉(zhuǎn)速運(yùn)行控制，機(jī)組端電壓控制和機(jī)組同期并網(wǎng)控制。考慮到機(jī)組在加速起動(dòng)過程所采取控制策略的不同，轉(zhuǎn)速運(yùn)行控制其實(shí)包含兩個(gè)控制階段，即脈沖運(yùn)行控制和自然換相控制。

4.1 機(jī)組起動(dòng)初期的脈沖運(yùn)行控制

在起動(dòng)初期，由于機(jī)組處于低速運(yùn)行，反電動(dòng)勢比較小，不足以使換流橋SRM 中的晶閘管實(shí)現(xiàn)自然換相，故采用脈沖運(yùn)行控制。機(jī)組變頻起動(dòng)開始時(shí)，變頻器解鎖，根據(jù)轉(zhuǎn)子初始位置測定的結(jié)果給能夠產(chǎn)生最大正向加速力矩的兩相定子繞組通以電流，此時(shí)，SRN 工作在恒電流的整流控制狀態(tài)，SRM 工作在觸發(fā)角琢SRM 為180毅的控制狀態(tài);當(dāng)電動(dòng)機(jī)在這一力矩作用下，由靜止開始轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，

為了保證電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)后仍能繼續(xù)得到正向加速力矩，在該兩相繞組電壓過零時(shí)刻，使SRN 觸發(fā)角琢SRN移至逆變狀態(tài)[3(] 琢SRN>90毅)，使變頻器的直流回

路電流Id=0，SRM 所有的晶閘管均關(guān)斷，當(dāng)變頻器檢測到直流電流Id為零時(shí)，給下一組晶閘管施加觸發(fā)脈沖，取消SRN 的全逆變功能，重新建立直流回路電流Id，定子電流轉(zhuǎn)移到另兩相繞組。

如圖4 所示，機(jī)組變頻起動(dòng)的脈沖運(yùn)行期間，SRM 各個(gè)橋臂的換相順序：(1-2)(2-3)(3-4)(4-5)，(5-6)(6-1)，(1-2)，(3-4)，……，電動(dòng)機(jī)總是處于兩相通流狀態(tài)，機(jī)組通過不斷的換相來獲得加速力矩，隨著機(jī)組轉(zhuǎn)速的增加，SRM的換相操作也越來越頻繁，而且，每兩相繞組的通流時(shí)間也越來越短。

當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速達(dá)到一定值，定子繞組的感應(yīng)電壓增加到能夠提供換相電流能力時(shí)，SRM 將會(huì)自動(dòng)從脈沖運(yùn)行控制轉(zhuǎn)換到電機(jī)電壓的自然換相運(yùn)行控制。

4.2 機(jī)組的自然換相運(yùn)行控制

在機(jī)組起動(dòng)過程中，換流橋SRM 采用變角度開環(huán)控制，觸發(fā)角給定環(huán)節(jié)給定的琢SRM是變頻器運(yùn)行電流的函數(shù)，角度給定范圍是150毅~120毅，電機(jī)轉(zhuǎn)速愈高，對應(yīng)的電流愈大，給定的角度愈小，以防止逆變失敗。換流橋SRN是由電流和轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)來控制的，當(dāng)進(jìn)行機(jī)組起動(dòng)時(shí)，靜止變頻器控制系統(tǒng)預(yù)先給定一條轉(zhuǎn)速上升曲線，然后在轉(zhuǎn)速給定和dn /dt 的作用下，產(chǎn)生轉(zhuǎn)速整定值nw，并把它與轉(zhuǎn)速的實(shí)際值nx 比較，其偏差量作為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器(外閉環(huán))和電流調(diào)節(jié)器(內(nèi)閉環(huán))的輸入信號，來調(diào)節(jié)觸發(fā)角琢SRN以控制變頻器的電網(wǎng)側(cè)電流，使機(jī)組轉(zhuǎn)速跟蹤預(yù)先給定轉(zhuǎn)速曲線的變化。

當(dāng)電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速nx 與轉(zhuǎn)速給定環(huán)節(jié)給出的nw最終相等時(shí)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸入偏差量為零，變頻器保持原有的運(yùn)行狀態(tài)，機(jī)組維持在額定轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。

4.3 機(jī)組端電壓控制

在變速范圍內(nèi)，機(jī)組端電壓與轉(zhuǎn)速成正比，即為恒磁通控制;當(dāng)機(jī)組端電壓達(dá)到額定值后，將不再隨轉(zhuǎn)速變化，即為弱磁通控制。機(jī)組在起動(dòng)初期的運(yùn)行過程中，為了盡快建立電機(jī)的端電壓，采用的是強(qiáng)磁通控制。圖5 為機(jī)組端電壓控制圖，機(jī)組起動(dòng)過程中的機(jī)組端電壓控制是由變頻器和機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)共同來完成的。

在機(jī)組起動(dòng)初期，為了使機(jī)組盡快感應(yīng)出端電壓以便使SRM實(shí)現(xiàn)正常電壓換相，在機(jī)組頻率低于3.8 Hz以前，機(jī)組端電壓的整定值Umw設(shè)為1 kV，采取的是強(qiáng)磁通控制。在此期間，由于電壓調(diào)節(jié)器的正偏差總是存在，勵(lì)磁電流整定值將會(huì)增大，超出電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)的勵(lì)磁電流，甚至超過電機(jī)的最大允許勵(lì)磁電流，為了避免可能出現(xiàn)的過磁通現(xiàn)象，在電壓調(diào)節(jié)器的輸出回路加入了限制環(huán)節(jié)，

以限制勵(lì)磁電流超過最大允許的勵(lì)磁電流值。

機(jī)組運(yùn)行頻率>3.8 Hz 后，采用恒磁通控制，此過程中機(jī)組的端電壓與轉(zhuǎn)速成正比例增加。變頻器給出預(yù)先設(shè)定的機(jī)組端電壓曲線(參見圖5)，電壓給定值Umw 與機(jī)組實(shí)際電壓Umx 比較，其偏差量在電壓調(diào)節(jié)器的作用下，向機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)的電流調(diào)節(jié)器給出滿足機(jī)組端電壓所需要的勵(lì)磁電流整定值Ie ref，電流調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)對勵(lì)磁電流的調(diào)整，最終達(dá)到控制機(jī)組端電壓的目的。

隨著轉(zhuǎn)速的上升，當(dāng)機(jī)組端電壓上升到額定電壓值后，采取的是弱磁通控制。將機(jī)組端電壓的給定值Umw 設(shè)為當(dāng)前的電網(wǎng)額定電壓值，通過電壓調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器使機(jī)組端電壓跟蹤電網(wǎng)電壓，配合機(jī)組同期并網(wǎng)的進(jìn)行。

4.4 機(jī)組的同期并網(wǎng)控制

同期并網(wǎng)是機(jī)組變頻起動(dòng)過程中一個(gè)重要的控制步驟，它實(shí)現(xiàn)機(jī)組從加速運(yùn)行到與電網(wǎng)同期運(yùn)行的過渡，從而結(jié)束機(jī)組起動(dòng)的全部過程。變頻器的同期控制系統(tǒng)包括兩部分，一是同期測定裝置，二是同期調(diào)節(jié)部分。首先由同期測定裝置根據(jù)

機(jī)組端電壓USRM 和電網(wǎng)電壓USRN 間的頻率偏差吟f及電壓幅值的偏差吟U，指令同期調(diào)節(jié)部分作相應(yīng)的調(diào)整，將頻率偏差吟f取代轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器采用的轉(zhuǎn)速偏差，直接送入轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，同時(shí)將電網(wǎng)電壓USRN作為機(jī)組電壓調(diào)節(jié)器的給定值。當(dāng)頻率和電壓偏差都滿足同期條件時(shí)，同期測定的并列部分投入，并按照相位角相等的原則發(fā)出同期命令，變頻器立即閉鎖，同期斷路器RCB 閉合，輸出斷路器OCB 和輸入斷路器ICB斷開，機(jī)組的同期并網(wǎng)過程結(jié)束。從理論上說，機(jī)組的同期并網(wǎng)要同時(shí)滿足：USRM=USRN，fSRM=fSRN，漬SRM= 漬SRN。但是在實(shí)際的工程應(yīng)用中，不可能同時(shí)滿足，一般來說只要求吟f依0.25 Hz，吟U依5%UN(電網(wǎng)額定電壓)，吟茲依10毅[4]同時(shí)成立，就可以進(jìn)行同期并網(wǎng)。

5 結(jié)語

靜止變頻器以無級調(diào)速、反應(yīng)速度快、起動(dòng)平穩(wěn)、起動(dòng)成功率高和維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在我國大型抽水蓄能電站中得到廣泛的應(yīng)用。本文結(jié)合靜止變頻器相關(guān)技術(shù)，對抽水蓄能機(jī)組靜止變頻器起動(dòng)的過程和控制策略作了分析與研究，實(shí)際

的靜止變頻器設(shè)備還需要用到很多的技術(shù)，如晶閘管的串聯(lián)，晶閘管閥的觸發(fā)和強(qiáng)弱電的隔離等。目前，我國幾個(gè)大型抽水蓄能電站靜止變頻器設(shè)備主要依靠進(jìn)口，不過，國內(nèi)已經(jīng)有科研單位在從事大型抽水蓄能電站靜止變頻器的國產(chǎn)化工作，相信不久的將來國產(chǎn)化靜止變頻器在我國抽水蓄能電站中會(huì)得到越來越多的應(yīng)用。