（电机与电器专业论文）基于静止变频调速系统的抽水蓄能机组起动研究.pdf

a b s t r a c t t a k i n gt h et h r e e p h a s eb r i d g es t a t i cf r e q u e n c yc o n v e r t e r ( s f c ) s y s t e ma st h e r e s e a r c ho b j e c t ，a s s i m i l a t i n gt h en o v e ld e v e l o p m e n t sa n de n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n si n t h er e c e n ty e a r s ，t h i sp a p e rd e a l sw i t ht h es t a r to ft h es f cs y s t e ma n dt h e p u m p e d s t o r a g ep o w e rs t a t i o n t h es y s t e mi sc o m p o s e do fa c d c - a cc u r r e n tc o n v e r t e r , s y n c h r o n o u sm o t o r , r o t o rp o s i t i o nd e t e c t o ra n dc o n t r o lc i r c u i t t h es y s t e mh a st h e a d v a n t a g e so fb o t ht h e d cm o t o rs p e e dr e g u l a t i o nf u n c t i o na n dt h es y n c h r o n o u sm o t o rs i m p l em a i n t e n a n c e s oi ti sb r o a d l yu s e di na i rc o m p r e s s o r , w a t e rp u m p ，p a p e rm a k i n g ，e x a l t a t i o n ，m i l l ， p u m p e d - s t o r a g ep o w e rs t a t i o na n do t h e rs p e e dr e g u l a t i o no c c a s i o n s t h em a i n c o n t e n t si nt h ep a p e ra r es h o w e di nt h ef o l l o w i n gp a r a g r a p h ( 1 ) c o m b i n e dw i t ht h el a r g e c a p a c i t ys f cs y s t e m ，t h ec o n v e r t e rc o n t r o lm e t h o d o ft h ec o n s t a n tm a r g i n a n g l ei sa n a l y z e d a n dt h eu n s t a b l ep r o b l e mi ss o l v e db yu s i n g t h ep a p e rm e t h o d t h er e l i a b i l i t yo ft h ec o n t r o lm e t h o di sp r o v e db ye n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n ( 2 ) t h ec a l c u l a t i o nm e t h o do fe a c hp a r to fs f cs y s t e mi sp r o p o s e d ，w h i c hi s m o s t l yi n c l u d e st h em a i nc i r c u i tp a r a m e t e r , s t a r tt i m e ，c a l c u l a t i o no fm a i nc i r c u i t e q u a l - v o l t a g ep a r a m e t e ra n ds oo n i tp r o v i d e sb e t t e rb a s i ca n dr e f e r e n c ep l a t f o r mf o r o t h e ra p p l i c a t i o n s 。 ( 3 ) t h ee x p e r i m e n tc i r c u i to fh i g hv o l t a g es f cs y s t e mt h y r i s t o r - v a l v ei s d e s i g n e d ，a n dt h el o a do nt h et h y r i s t o r - v a l v ei sr e v e a l e dc o r r e c t l y i t sa p p l i c a t i o n a p p a r e n t l yr e d u c e st h ee q u i p m e n tc a p a c i t yw h i c hi sn e e d e dw h e nt h ee x p e r i m e n t w o r k i n g ，a n dp r o v e dt ob eg o o dt e s te q u i v a l e n c eb ye n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n s ( 4 ) t h eb a s i cp r i n c i p l ea n da u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mo fx i a n g h o n g d i a n p u m p e d 。s t o r a g ep o w e rs t a t i o ni si n t r o d u c e d ，t h e nt h es y s t e mr e g u l a t i o np r o b l e m sa r e a n a l y z e d ( 5 ) ah a r m o n i cc u r r e n ta n dv o l t a g ec a l c u l a t i o nm e t h o d ，a n dt h eb r a n c ho fp a s s i v e f i l t e ra r ep r o p o s e d ，a n dt h es i m u l a t i o no fl i m i t e dh a r m o n i ci sa n a l y z e d ( 6 ) a s s o c i a t ew i t ht h ef a c tt h a tt h ep u m p e d s t o r a g ep o w e rs t a t i o no fp a n j a k ow i l l i i b er e f o r m e d ，t h es t a r t i n gi ss i m u l a t e d k e yw o r d s ：c o n v e r t e rc o n t r o l ，o v e r - l o a da b i l i t y , t h y r i s t o r - v a l v e ，e q u i v a l e n t l o a d ，p a s s i v ef i l t e r , w o r kc h a r a c t e r i s t i c n i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得丕鲞盘鲎或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：事i 躯 + f tj j y l ： 叫年7 月& 口日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤叠盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字嗍叩年7 月山曰 导师签名： 在沈 签字同期：o 一刁哞7 月& 口f 7 t ， 第章绪论 1 1 目的和意义 第一章绪论 目前，随着我国国民经济的快速发展，供电已不能满足用电的需求。2 0 0 4 年底全国总装机容量达4 4 1 亿k w 。2 0 0 4 年新装机5 0 0 0 0 m w ，2 0 0 5 年新装机 6 0 0 0 0 m w 。国家“十一五”规划，到2 0 1 0 年全国发电装机容量将达到5 8 - 4 5 亿 k w 。近几年我国电力一度出现频频告急的局面，特别是在某一时间段发生局部 电网拉闸限电的情况。究其原因主要是我国的发电能力尚需提高；另一主要原 因是我们的电网调峰能力很有限，电网的安全性有待改善。 根据国家发展规划，到2 0 1 0 年、2 0 1 5 年和2 0 2 0 年，抽水蓄能电站装机容 量将分别达到1 7 5 0 0 m w 、3 0 0 0 0 m w 和3 5 0 0 0 m w 。抽水蓄能电站的运行特征为 保障电网的安全稳定经济运行提供了有效手段，也决定了其在电力系统中的重 要作用，并因此受到青喇卜3 j ： 一是调峰作用。抽水蓄能电站能够利用电网用电系统低谷时段的富裕电量 抽水，在系统高峰时发电，来提高火电和核电机组的负荷率，有利于系统的安 全稳定经济运行。 二是事故备用。抽水蓄能电站起动灵活迅速，适宜作为电力系统的事故备 用电源。 三是调频作用。抽水蓄能电站能够适应负荷急剧变化，调频性能好，可以 作为灵活可靠的调频电源。1 9 9 3 年以前，京津唐电网周波的合格率在9 8 左右， 1 9 9 3 年以后潘家口和十三陵抽水蓄能电站相继建成，由于调整负荷快，调整范 围大，使华北电网周波合格率达到9 9 9 9 。 四是调相作用。抽水蓄能电站站址一般距负荷中心较近，控制方便，可以 作为调相机组使用。以十三陵抽水蓄能电站为例，其机组调相容量在发电工况 时为1 5 4 m v a ，在抽水工况时为1 0 0 m v a 。 五是经济效益突出。抽水蓄能电站能够替代一定容量的燃煤火电机组，发 挥容量效益。统计资料显示，华北电网3 0 0 m w 燃煤机组负荷率每变动1 0 可增 加煤耗5 3 9 k w ，由于抽水蓄能电站的投运，大致可使3 0 0 m w 燃煤机组负荷率 由6 0 提高到9 0 ，全网供电煤耗可下降5 8 9 k w 。 我国抽水蓄能电站的开发建设，起步于2 0 世纪6 0 年代后期，但自1 9 6 8 年 天津大学博：i ：学位论文 5 月河北省岗南抽水蓄能电站投产后的近3 0 年时间内几乎处于停顿状态。随着 改革开放的日益深化和扩大，以及国民经济的持续发展，直至潘家口( 2 7 0 m w ) 和广蓄一期( 1 2 0 0 m w ) 两座大型抽水蓄能电站分别于1 9 9 2 、1 9 9 4 年陆续建成 后才有了较快的发展。表1 1 为目前国内运行的抽水蓄能电站情况。 表1 1 目前国内运行的抽水蓄能电站 发电机组 地点容最 s f c 容量 结构形式 s f c 入口侧s f c 出口侧电 ( m w ) 电压( k v ) 压( k v ) ( m v a ) 广州4 x 3 3 32 0 高一低一l 岛 4 21 8 十三陵 4 x 2 4 0 2 1 5i 口j i 口|1 6 51 6 5 沙河2 5 93 高一低一高 1 4l o 5 天荒坪6 3 3 32 2 。占一i = k l 1 81 8 j 叫一j 日j 桐柏2 x 3 5 01 7 i 苛一低一高 2 x 2 11 5 7 5 狼牙山 2 1 7 82 0 高一低一高 3 61 5 7 5 由表中可以看出，目前国内运行的抽水蓄能电站机组大都以静止变频调速 系统，也简称为静止变频器( s f c s t a t i cf r e q u e n c yc o n v e r t e r ) ，作为主要起动方 式，但都是从国外引进的【】。设备进口加大了抽水蓄能电站的投资，影响了抽 水蓄能电站的发展。 正在筹建抽水蓄能电站的机组及其附属设备的国产化是当务之急。国家已 将辽宁蒲石河、桓仁、广东深圳等抽水蓄能电站作为实现抽水蓄能电站机组及 关键辅机设备的国产化爿标。 本文结合宝钢大型静止变频调速系统、响洪甸抽水蓄能电站的研究成果及 拟改造潘家口蓄能电厂实际，进行静止变频调速系统及抽水蓄能机组起动研究， 为类似工程和其它使用静止变频调速系统的工业应用场合提供参考，使抽水蓄 能电站静止变频调速系统这一重大装备逐渐实现国产化，替代同类产品的进口。 1 2 抽水蓄能机组起动方式 抽水蓄能机组通常有发电、发电调相、水泵、水泵调相以及停机五种稳态 运行方式。作为水泵电动机运行方式，必须由外部电源予以起动。 为使抽水蓄能机组运行时起动电流不致过大，并对电网不产生过大扰动， 2 第。一章绪论 需用专门的电气设备及操作方法。常用的电气起动方法大致有异步起动、同步 起动、同轴电动机起动、变频起动等4 种。起动方式的综合比较见表1 - 2 1 1 7 1 。 表l 一2 各种起动方式的综合比较 起动方i 异步起动h 步起动i 州轴电动机起动变频器起动 适川的单机容帚 中、小大、中、小大 大 适用的机组台数疆i 限多少多 起动设备相对单机容 景( ) 6 0 - , 1 2 01 5 2 06 喝6 , - , 8 起动时m ( m i n )l 3 2 4 3 73 7 对系统的影响 大无小小 降乐时起动 起动发电机：起动起动电动机：液体变频装置：起动用 所需起动设备 j f j 励磁设备：起动变阻器：起动用配励磁设备：起动僻 需降压设备 研线发j r 夫设备 电装置线及”关设备 异步起动是在机组励磁绕组短接情况下，直接将发电电动机并入电网，利 用转子磁极上阻尼绕组产生的异步力矩使机组起动并加速，在接近同步转速时 加上励磁拉入同步。异步起动方式有全电压起动、降压起动和部分绕组起动等。 这种起动方式的起动力矩大，起动电流也大，在起动瞬问会对电网造成较大冲 击，同时起动过程中，阻尼绕组还将产生较大发热和热应力，因而通常适用于 中小型蓄能机组。 同步起动是用一台常规发电机组或蓄能机组运行来起动其他蓄能机组。开 机前将被起动机组( 发电电动机) 与起动机组( 发电机) 在电气上连接，并分 别加上励磁，用转动起来的发电机产生的低频电源直接加在发电电动机定子 上，发电电动机在同步转矩作用下随发电机逐步升速。 同轴电动机起动通常选用一台专用的电动机直接与主机轴连接，以起动主 机。这种同轴电动机一般为比主机少一对或几对极数的小容量感应电动机，相 应的同步转速比主机高一些，容量一般为主机容量的6 - 8 。起动时，先用辅助 电动机将主机拖到接近同步转速，然后用自整步法将其投入电网，再切断辅助 电动机电源。 大型蓄能电站最常用的起动方式是以静止变频起动为主。变频调速系统具 有软起动性能，对电网干扰小，速度上升平滑，自动化、可靠性程度高。一套 变频系统可对多台机组进行起动操作，因而得到广泛应用。同步起动作为静止 变频器起动的一种辅助备用方式，仍是不可缺少的。在电网或变频系统出现故 障时，采用同步起动可保证机组的正常运行，提高电站运行的可靠性与经济性。 天津大学博士学位论文 变频起动方式在早期因晶闸管元件的性能差，投资高昂，故使用得不多疆 1 。 近年来技术发展已日臻完善，变频起动方法遂在蓄能电站中得到广泛应用，在 新建的蓄能电站中也大都采用这一方式。 抽水蓄能电站静止变频调速系统技术特点如下： ( 1 ) 调速范围可以从电机的静止状态到1 1 0 额定转速； ( 2 ) 可使起动电流维持在同步电机要求的额定电流以下运行，对电网无任 何冲击，具有软起动性能； ( 3 ) 可以满足抽水蓄能电站的多台水泵一水轮发电机组在电网电力调峰过 程中频繁起动的要求。 根据静止变频调速系统主回路供电方式的不同，有经过降压变压器供电的 高一低一高型和无降压变压器的高一高型。 对于高一低一高型，在输入侧采用降压变压器和输出侧采用升压变压器，其 目的是使静止变频调速系统电压与电网和发电电动机定子侧电压相匹配。由于 抽水蓄能电站的发电电动机容量较大，如计及到变压器、电抗器和连接导线等 费用，高一低一高型的投资较大。 为了抑制高一高型的谐波分量，在输入侧一般采用隔离变压器，或加装谐波 滤波器，输出侧不经升压变压器直接与发电电动机组定子侧相连接。与高一低一 高型相比，该方案设备投资及运行维护成本均较低，可靠性相对也较高。 静止变频调速系统一般为6 脉波整流器，产生的谐波分量较大。利用变压 器二次绕组接线方式的不同，例如二次绕组分别采用y 和接法，使两组二次 绕组的三相交流电源问相同相位差为3 0 0 电角度。由此可将整流电路的脉波数由 6 脉波提高到1 2 脉波，从而可减小低次谐波电流分量。因此，在上述两种型式 的主回路中，又可分为6 脉波和1 2 脉波方案。图1 1 为静止变频调速系统典型 接线方式。 a ) 高低一高型6 脉波方案 。 4 第。一章绪论 b ) 高一低高型1 2 脉波方案 c ) 高高型6 脉波方案 d ) 高高型1 2 脉波方案 图1 - 1 静止变频调速系统典型接线图 5 天津大学博士学位论文 1 3 静止变频调速系统的发展及研究现状 1 3 1 静止变频调速系统的发展 静止变频调速系统作为一种同步电动机调速方式，由交直交电流型晶闸管 变流器、同步电动机、转子位置检测器及控制回路构成，利用同步电机过激磁 时定子电流超前电压的特性，兼具直流电机调速特性以及同步电机易于维护的 优点，被广泛应用于风机、水泵、造纸、提升、碾磨、抽水蓄能等场合的调速 运行。大型静止变频调速系统仅在起动过程中使用，其容量只有风机、水泵电 动机容量的l 4 ，是抽水蓄能机组的1 1 0 左右f l o 】。 由于晶闸管的关断是靠同步电动机旋转时，在转子励磁作用下定子回路产 生的感应电动势关断处于导通的晶闸管，而实现可靠换流，又被称作直流无换 向器电动机、自控式同步电机及负载换向同步电机变频调速系统等【1 1 1 。 在上世纪3 0 年代人们就开始对其进行了系统研究，并研制了一些样机。但 由于当时大功率整流器件是水银整流器，器件庞大、维护困难、价格昂贵，只 是处于实验室研究阶段。1 9 4 7 年美国贝尔实验室发明晶体管，引发了电力电子 技术的一场革命。1 9 5 7 年美国通用电气公司研制出世界第一只晶闸管，1 9 6 2 年 我国也研究成功了晶闸管。这为静止变频调速系统的发展提供了现实，到了上 世纪8 0 年代逐渐成熟，并得到广泛应用。近年来，全控型电力开关元件制造水 平的提高和现代控制技术的实现，也为这种调速系统的进一步发展提供了可能 【1 2 1 3 】 o 上世纪7 0 年代中期，浙江大学、天津电气传动设计研究所、南京调速电机 厂等单位开始进行静止变频调速系统的理论研究和小型样机的试制工作。目前 只有少数科研单位有能力制造，如天津电气传动设计研究所的1 2 m w 、6 m w 静 止变频调速系统已分别在宝钢、响洪甸抽水蓄能电站成功地投入运行【l4 】。虽然 清华大学、东北大学、华南理工大学、西南交通大学、西安交通大学等院校相 继进行研究，并在上世纪8 0 年代末期进入了一个研究高潮，但9 0 年代至今又 陷入低潮d 5 - 2 0 。而国外许多大公司能够提供成熟的大容量产品，如a b b 、s i e m e n s 公司。1 9 8 6 年以前，a b b 公司生产并投入使用的静止变频调速系统已达4 0 多 台。1 9 9 2 年a b b 公司提供了单机容量6 0 m w 的设备用于潘家口抽水蓄能电站， 1 9 9 7 年为美国弗吉尼亚国立超音速研究所风洞实验室成功制造了1 0 0 m w 当今 世界功率最大的静止变频调速系绀2 1 】。 6 第。一章绪论 从1 9 8 4 年开始，宝钢及开滦煤矿等大型企业相继从国外进口了十几台 1 0 m w 级的静止变频调速系统。我国的一些大型企业还装有数十台通过中外合 作生产的1 0 m w 级静止变频调速系统，其中的变频器为进口，同步电机为国内 制造【2 1 1 。 随着全控功率器件的成熟及矢量控制、转矩控制等控制理论的发展 2 2 - 2 4 】， 异步电动机变频调速发展很快，在中小容量领域取得了市场领导地位，静止变 频调速系统技术的研究陷入低潮。对于同步电动机调速系统，只是在小功率方 面受到人们的重视，如永磁电机和磁阻电机【2 5 删；大功率方面，静止变频调速 系统还是主要的调速方式 2 7 。2 8 】。 1 3 2 静止变频调速系统研究现状 随着电机控制理论发展、大功率器件应用及国民经济发展的需要，静止变 频调速系统重新受到人们重视。静止变频调速系统是一项综合性技术，既要处 理巨大电能的转换( 整流、逆变) ，又要进行信息采集、变换和传输。因此，它 的共性技术分为功率和控制两部分【2 9 】。功率部分解决与高压大电流有关的技术 问题和新型电力电子器件的应用技术问题，控制部分基于现代控制理论和智能 控制策略解决硬、软件开发问题【3 m 3 1 】。其主要的研究方向是高电压大功率技术、 过载能力、转子位置检测方法、控制策略、谐波补偿技术等几个方面。 1 高压大功率技术 我国高压电机电压等级一般为6 k v 和1 0 k v ，虽然目前大功率晶闸管已达额 定电压6 k v 额定电流4 k a 以上，但工业现场若采用高高方案，只能采用晶闸管 串联方式。晶闸管阀的元件均压是研制高压晶闸管阀中遇到的技术难题。文献 3 2 1 介绍了高压直流输电技术及直流晶闸管阀技术，文献3 3 3 4 介绍了高压直流输 电中直流晶闸管阀技术的发展。晶闸管阀中影响串联元件静态均压的参数是晶 闸管的断态( 反向) 重复峰值电流m ( k 肘) 。决定元件开通和关断瞬态均压 的因素主要是开通时间白和关断恢复电荷鲸。为了排除因串联元件门极特性参 差不齐而引起开通过程的电压分担不均匀问题，除了必须对门极进行强触发和 提供波前高陡度外，从保证强触发倍数和抗干扰需要出发，还应该规定门极触 发电流的上下限。另外，元件的通态压降在负载和散热条件一定情况下又直接 决定元件的结温，从而影响断态( 反向) 电流、关断恢复电荷、门极特性等参 数的变化。因此，同晶闸管阀元件的通态压降的分散性也必须控制在适当范围。 7 天津大学博士学位论文 2 晶闸管阀的元件均压试验 研制大型静止变频调速系统的一个重要问题是晶闸管阀的元件均压试验。 随着晶闸管等电力电子元器件的开发和发展，静止变频调速系统在承受的电压 和电流能力上有了很大提高。高压晶闸管阀的运行试验传统上采用背靠背直接 试验电路。由于目前晶闸管的容量大幅增加，使得直接试验电路的容量也成比 例增加，而增加直接试验电路的容量既不经济也不实际【3 5 1 。等效负荷试验电路 的应用显著地降低了运行试验所需的设备容量，但其试验等价性是一个值得讨 论的问题。等效负荷试验电路等价性的核心在于其是否正确再现作用在晶闸管 阀的负荷【3 7 】。因此，在过去十年中，一些等效负荷试验电路应用于高压直流 输电( h v d c ) 工程中。其中最具代表性的有t o s h i b a 试验回路、s i e m e n s 和a b b 等效负荷试验电路。文献 3 8 3 9 给出了一种等效负荷试验实现方法，基本原理 是考核晶闸管阀运行时的电压和电流负荷，特别是晶闸管阀在触发导通、导通 态、关断3 种工作状态下的一些关键负荷。 3 过载能力及稳定性问题。 静止变频调速系统的过载能力及稳定性和所采用的逆变器换流控制方法有 关。逆变器控制的核心问题是如何确保安全换流，避免换流失败。为了保持一 定的换流剩余角实现可靠换相，应保持一定的换流超前角。换流超前角越大平 均转矩越小，换流超前角越小换流失败的可能性越大，所以过载能力与逆变桥 可靠换相始终是一对矛盾。文献 3 】对过载能力进行了全面的分析，后来发表的 文献没有提出突破性的方法 4 0 4 2 】。 人们提出了恒定换流剩余角控制、改进电机结构以减小电机的空间相位超 前角和换流重叠角等改善措施【4 3 埘】。但恒定换流剩余角控制所固有的特性是由 于直流侧电压随逆变器直流侧电流的增大而减小，易发生不稳定现象。消除这 种不稳定性的办法是随着直流侧电流的增大，对减小的直流侧电压加以补偿。 一种可行的补偿方法是向整流器电压控制环节加入一个负反馈以便适当减小整 流器的输出电压。 上述措施只能改善但不能从根本上解决过载能力及稳定性问题，这是由晶 闸管的关断特性决定的【”- 4 6 。最根本的方法是采用全控型器件代替晶闸管及采 用多电平变换器【4 7 舶】，文献1 4 9 1 采用g t o ，使调速性能、调速效率以及可靠性有 了进一步的提高。 第一章绪论 4 转子位置信号的生成 静止变频调速系统逆变器是根据转子位置信号进行换流而实现白同步的， 一旦转子位置信号出错，逆变器就会换流失败【l 。获得转子位置信号的最常用 方法是在电机上安装机械位置检测器【5 0 - 5 。近年来，永磁同步电机的无位置传 感器技术得到了广泛研究 5 2 - 5 4 ，提出反电势积分、状态观测器等基于现代控制 理论和微处理器实现的一系列方法，但这些方法在达到一定转速后才具有较好 效果。永磁电机大多用于低压小容量场合，可以采用开环起动，但大功率静止 变频调速系统开环起动比较困难。所以基于永磁电机提出的无位置传感器方法 基本不适用于静止变频调速系统。 全程式的转子电气位置检测器虽然很受重视，但这一问题始终没有很好解 决。文献 1 5 】介绍了一种电流反馈式步进起动策略，文献【5 4 是根据测出的反电 势计算出转子位置。 静止变频调速系统一般运行在低速段，使用机械式转子位置检测器，高速 段才切换为电气位置检测方式。文献 6 】中，在起动机组时，尽管机组的实际转 速很低，但因发电电动机电压中谐波分量较高，导致测速装置在残压测频和齿 盘测速通道间来回切换。解决办法是，在机组起动初期依靠机械式测速，当通 过机械式测速测得机组转速大于3 0 额定转速后，才切换到电气位置测速方式。 。5 控制策略 微处理器技术、微电子技术发展迅速，适用于电机控制的新型芯片层出不 穷。数字信号处理器( d s p ) 无疑是实现控制策略功能和速度最完善的产品【5 5 。5 7 1 。 s i e m e n s 公司生产的组态化全数字控制系统s i m a d y n d 在电机调速系统中有很 多应用【5 5 - 5 9 1 。 为提高静止变频调速系统的调速性能，将基于电机模型方法与现代控制、 智能控制理论相结合。文献 6 0 6 1 1 讨论了直接转矩控制策略现状及应用，文献 【6 2 6 3 讨论了矢量控制系统无速度传感器控制方案的系统设计，文献 6 4 6 7 讨 论了现代控制理论用于解决电气传动非线性系统的实现，文献 6 8 】中系统分析了 自适应控制用于交直流传动的理论和方法。由于电机在静态和动态运行过程中 参数不断变化，文献 6 9 7 0 通过参数估计和参数辨识，使得调节器参数设计适 应电机参数变化，以提高控制性能。文献 7 1 7 2 1 q b 介绍了智能控制理论与技术 在电机调速系统中的应用。总之，电机控制理论与现代控制理论( 如变结构控 制、自适应控制) 、智能控制理论( 如模糊控制、神经网络控制) 、传统控制 9 天津大学博士学位论文 方法( 如p i d 控制) 结合使用是静止变频调速系统及电气传动领域控制策略的发 展方向。 人们已经对静止变频调速系统的控制策略进行了深入研究 7 3 - 7 5 ，在这些研 究的基础上利用一些硬件电路对控制系统进行全新设计 7 6 - 7 7 1 ，提高其可靠性和 抗干扰性能。 6 谐波抑制 当前电网对静止变频调速系统的要求越来越严格 7 8 】。由于它自身的晶闸管 换相和脉宽调制，会产生一些高次谐波：在控制系统触发角的控制当中也会使 系统的功率因数值降低而可能达不到我国电网要求的技术指标。解决这个问题 的办法有两种。一是在系统中加入谐波补偿装型7 9 培1 1 。文献 8 2 】讨论了适当地选 择滤波器的类型、阶数和滤波器的参数，可以使瞬时检测法对谐波分量的检测 有比较高的精度，同时又有较快的动态响应特性。文献 8 3 】提出了一种具有功率 因数校正、滤除谐波电流和抑制谐波谐振的电力系统综合补偿系统电路结构并 成功应用。二是在调速系统主回路采用1 2 脉冲或更多脉冲数的电路结构形式以 使输出给电机的电流和电压更接近于正弦波的波形。文献 8 4 通过建立的仿真模 型对其6 脉波低压、6 脉波高压、1 2 脉波低压、1 2 脉波高压仿真并给出仿真结 果。人们还提出了系统谐波电流与电压简单计算方法。文献 8 6 8 9 就谐波分解 的估算提出了不同应用方法。 将逆变器多重化、电机多相化和滤波器技术相结合，使高次谐波干扰以及 电机的转矩脉动降到了最低限度1 9 0 - 9 。此外，多电平变换器( 器件串联、单元 串联) 和变结构拓扑的技术也是研究热点，如文献 9 2 】介绍了一种新型的大功率 晶闸管变频器，它把交交变频器和交直交变频器的优点结合在一起，在低速 段以交交变频器方式工作，而在高速段以交直交变频器方式工作，克服了传 统变频器的一些缺点。 7 仿真技术 进行系统设计时，采用仿真手段可缩短开发周期，并可深入探讨各种控制 规律、主回路和控制回路结构及参数选择。首先建立同步电动机调速系统数学 模型，然后进行数值计算，给出数字仿真结果 9 3 - 9 5 】。文献【9 6 】就抽水蓄能电站同 步起动过程进行了数字仿真，文献 9 7 9 8 对抽水蓄能电机静止变频器起动过程 进行了数字仿真分析。 过去多采用f o r t r a n 编制仿真软件包，很不方便。现由m a t h w o r k s 公司 1 0 第一章绪论 推出的m a t l a b 软件包提供了一套电气系统模块库【9 9 o o ，包括电源模块、电 力电子模块、基本电器元件及电机模块等，可方便地用于系统仿真。文献 1 0 l 】 针对静止变频器起动的抽水蓄能电动发电机，采用数值方法对其起动过程进行 了数字仿真，获得了起动过程主要物理量的变化规律，特别是电流、电压波形 及频率变化曲线，并对电流、电压波形进行了频谱分析。文献 1 0 2 从m a t l a b 语言的特点入手，探讨了m a t l a b 在同步电机动态仿真中的应用，并给出了仿 真计算结果。 1 4 本文的主要工作 针对静止变频调速系统存在的问题，本文结合宝钢大型静止变频调速系统、 响洪甸抽水蓄能电站及拟改造潘家口蓄能电厂实际，进行了如下研究工作： ( 1 ) 静止变频调速系统由交直一交电流型晶闸管变流器、同步电动机、转 子位置检测器及控制回路构成。目前，普遍采用晶闸管作为主电路开关元件， 由此引出了逆变器换流控制及稳定性等方面的问题。本文以晶闸管构成的静止 变频调速系统为对象，对换流基本方法及工作控制原理进行探讨。 ( 2 ) 结合宝钢高炉4 8 m w 鼓风机静止变频调速系统，对恒定换流剩余角控 制方式进行分析。由于采用恒定换流剩余角控制方法时，可以在保证逆变器安 全换流的前提下获得比恒定空载换流超前角控制方法时更大的电磁转矩，因此 要减小起动电流并缩短起动时间，应采用恒定换流剩余角控制方法。本文提出 了应用恒定换流剩余角控制的固有不稳定性问题解决方法，工程应用证明了恒 定换流剩余角控制方式的可靠性。 ( 3 ) 结合工程应用，给出各电量的计算，主要包括主回路参数计算、起动 时间计算、主回路均压参数计算等。主回路参数计算主要包括变流器功率、a c - l 电感、d c - l 电感、起动变压器瓦容量。起动时间计算，是设计调速系统的依据， 关系到满足工况实际最佳要求，需额定转矩、阻转矩曲线作为计算基础。晶闸 管阀的元件均压是研制高压晶闸管阀中遇到的技术难题。静态均压参数、动态 均压参数设计是调速系统安全可靠的关键。这为其他工程应用提供了较好的参 考基础和借鉴平台。 ( 4 ) 随着高压静止变频调速系统技术的发展，其晶闸管阀等效负荷试验的 应用越来越多。等效负荷试验电路的应用显著地降低了运行试验所需的设备容 天津大学博士学位论文 量，但其试验等价性是一个值得讨论的问题。等效负荷试验电路的等价性的核 心在于其是否正确再现晶闸管阀上的负荷。设计的试验回路在工程应用中证明 具有较好的试验等价性。 ( 5 ) 响洪甸抽水蓄能电站是国内自行研制的静止变频调速系统首次应用。 本文对响洪甸抽水蓄能电站静止变频调速系统原理及自动控制系统进行了介 绍，并对静止变频调速系统调试起动时出现的问题进行了分析。正确的转子位 置信号是安全换流所必需的，因此电气位置检测器是控制电路中需要仔细设计、 调试和特别注意的重要环节。 ( 6 ) 大型静止变频调速系统是短时制工作的，它所产生的谐波也是短时的。 工作时会在电网中产生谐波，从而对电网造成污染。为了进行初步估算，本文 给出谐波电流与电压计算方法，可以对产生的谐波进行简化计算。给出1 2 脉波 与6 脉波相比电压谐波和电流谐波仿真结果，采用1 2 脉波方案时，可以有效地去 除5 、7 次谐波。 ( 7 ) 对谐波时域法和频域法两种分析方法的优缺点进行了分析。无源滤波 补偿装置结构简单，成本低廉，有推广前景。结合国家科技部研究院所专项资 金项目“低压电网智能化滤波补偿装置产业化研究”( c s t e 2 0 0 6 j k z x 1 1 9 ) ， 给出了滤波支路的基本形式和计算方法，并就常用的单调谐滤波器和二阶高通 滤波器支路电器元件的选择进行了详细论述。 ( 8 ) 结合拟改造潘家口蓄能电厂项目，进行了抽水蓄能机组的数学模型及 起动研究。 1 2 第二章静止变频调速系统工作原理 第二章静止变频调速系统工作原理 静止变频调速系统利用同步电机过激磁时定子电流超前电压的特性，使变 流器晶闸管靠同步电机反电势自然换流，具有结构简单、维修方便和无级调速 性能宽广等优点。晶闸管的关断是靠在转子励磁作用下定子回路产生的感应电 动势关断处于导通的晶闸管，而实现可靠换流。同步电动机的静止变频调速兼 具直流电机的调速特性以及同步电机易于维护的优点，被广泛应用于风机、水 泵、造纸、提升、碾磨、抽水蓄能等场合的调速运行。 2 1 系统构成 。静止变频调速系统由交直交电流型晶闸管变流器、同步电动机、转子位置 检测器及控制回路构成，如图2 1 所示。 图2 1 静止变频调速系统结构图 变流器主电路由整流桥、逆变桥和直流平波电抗器组成。整流器把来自供 电电网的交流电整流为直流电，经平波电抗器滤波后，再由逆变器变换成频率 可调的交流电，供给同步电动机。逆变器的输出频率受电机转速控制，其中开 关元件的触发又受装在电机上的位置检测器控制，从而实现自同步。此外，对 于正常工作时不需要调节转速的场合，还需要一套用于并网的整步调节装置。 天津大学博士学位论文 目前，静止变频调速系统普遍采用晶闸管作为主电路开关元件，由此引出 了逆变器换流控制及稳定性等方面的问题。本章以晶闸管构成的静止变频调速 系统为对象，对换流基本方法及工作原理进行介绍。 2 2 逆变桥晶闸管换流的基本方法 静止变频调速系统中，晶闸管变流器的换流，是通过触发和关断相应的晶 闸管把正在导通相的电流切换到欲导通相的过程。由于晶闸管一旦触发导通后， 门极就失去了控制作用，要想关断它必须给晶闸管施加反向电压，使其电流减 少到晶闸管维持电流以下，并把反向电压保持一段时间后晶闸管才能可靠地关 断。静止变频调速系统常用两种方式解决晶闸管逆变桥的换相问题，一是反电 势换流法，二是电流断续换流法。 2 2 1 反电势换流 在静止变频调速系统晶闸管变流器逆变桥的换流过程中，由于逆变器的负 载是一台能产生反电势的同步电机，晶闸管直接利用产生的反电势进行换流， 通常称这种方法为反电势换流或自然换流。图2 - 2 为反电势换流原理图。 + c 7 ，l门一 e a a k 火。 - a ) a 、b 相换相电路b ) 反电势波形 图2 - 2 反电势换流原理图 在负载换流同步电机中，只要转子有激磁电流并在空问旋转，就会在电枢 绕组中感应出反电势。如图2 - 2 所示，假设在k 点换流以前晶闸管v l 、v 2 导通， 此时电流由电源正极开始经由v l a 相绕组一c 相绕组_ v 2 一电源负极。若在 1 4 第二章静j ：变频调速系统工作原理 k 点直接要使电流由a 相流通切换到b 相流通，则应触发晶闸管v 3 导通，并关 断晶闸管v 1 。从图2 2b ) 中可知，如果按正常位置换流，应在k 点触发晶闸管 v 3 进行换流，但当晶闸管v 3 导通瞬问，v 1 将不承受反压而继续导通，结果造成 换流失败。所以反电势换流时，a 、b 两相反电势波形的交点k 应保持一定的空 载换流超前角翔。例如，在图2 2b ) 中的s 点换流( 7 0 = 6 0 0 ) 。当在此时触发 v 3 时，反电势e a e b ，加在晶闸管v 1 上的反向电压u a b = e a e b o ，则在两个导 通的晶闸管v 1 、v 3 和电机a 、b 两相绕组之间出现一个短路电流垃，其方向如 图2 2a ) 所示。当短路电流垃达到原来通过晶闸管v l 的负载电流历时，晶闸 管v 1 就因流过的实际电流下降至零而开始关断，负载电流厶就全部转移到晶闸 管v 3 。至此，a 、b 两相之间的换流全部结束，v 1 、v 3 两管正常导通运行。 换流过程中短路电流流经电机两相绕组，由于同步电机的定子绕组、激磁 绕组和阻尼绕组的电感作用，换流必然需要经历一段时问。通常把要换流的两 个晶闸管同时导通所经历的时问称为换流重叠角，用u 表示，如图2 3 所示。换 流重叠角u 与负载电流大小有关，负载电流大，换流重叠角就越大；反之负 载电流小，换流重叠角也就越小。 a ) a 、b 换相时的电流波形b ) 一相电流波形( 一个周期) 图2 - 3 ) ，o o 。时反电势换流的电流波形 为了保证换流的可靠进行，通常换流剩余角压少应保持在l o o 1 5 。要满 足这个条件，一方面应适当增大空载换流超前角如，但是随着如的增大，电机 转矩会减小，并加大了转矩脉动分量，一般取7 0 = 6 0 0 ( 如图2 3 ) ；另一方面要 限制电机负载电流以减小重叠角u 。 反电势换流有它自身的优点，即逆变桥结构简单、经济可靠。但是同步电 机起动和低速运行时反电势很小，甚至没有反电势。在这种情况下利用反电势 换流是不可靠的，必须寻找其他的解决办法。 天津大学博士学位论文 2 2 。2 电流断续换流 静止变频调速系统逆变桥采用电流断续换流，是解决同步电机晶闸管逆变 器换流问题最简单、经济的办法。每当晶闸管需要换流时，先使整流桥逆变运 行，使逆变器的输入电流下降到零，让逆变器的所有晶闸管均暂时关断，然后 触发换相后应该导通的晶闸管，同时使整流桥回到整流状态，从而实现从一相 到另一相的换流。由于断续换流只是在起动和低速时使用，逆变器输出的频率 较低，电流断续的时间对同步电机的运行影响不大。静止变频调速系统中，为 了抑制电流脉动，在直流回路中通常都接有滤波电抗器。它在断流过程中会产 生过电压，危及晶闸管变流器的安全，通常在平波电抗器的两端接一个续流晶 闸管v 0 ，如图2 _ 4 所示。当回路电流衰减时，电抗器的续流作用产生感应电压 的极性，这时触发晶闸管v o 可使其导通，释放电抗器中原来储存的能量。一旦 整流器的封锁解除，电抗器两端电压的极性发生变化，续流晶闸管v o 会自动关 断，不影响电抗器正常工作时的滤波功能。 ， 图2 - 4 电流断续换流的主电路 当同步电机采用电流断续换流时，逆变器晶闸管的触发相位对换流已不起 作用。为了增大起动转矩，减小转矩脉动，般取7 0 = 0 0 。 2 2 3 电流断续换流到反电势换流的过渡 静止变频调速系统在低速运行时，由于反电势较小，换流有困难，采用电 流断续换流，而使= o 。当电机转速升高到一定数值以后( 通常为额定转速的 5 1 0 ) ，反电势的大小足以满足自然换流的要求时，通过速度检测器和逻辑 控制系统自动地切换到反电势自然换流。此时，把换流超前角殉由0 。变到6 0 。 两种换流方法切换需平滑过渡，且不能发生逆变桥换流失败的现象。这里 1 6 第二章静止变频调速系统工作原理 存在着换流超前角的切换信号和断续电流控制信号的封锁顺序问题。图2 5a ) 为同步电机的反电动势波形；图2 5b ) 为7 0 = = 0 0 时各晶闸管的触发信号( 略去脉 冲列信号) ；图2 5c ) 为7 0 = 6 0 。时各晶闸管的触发信号。当电机以电流断续换流 进行工作时，按图2 5b ) 的触发顺序触发晶闸管，如果这时电机的转速己升高 到额定转速的1 0 左右，逆变器可切换到反电势换流。但这之前控制系统仍应 坚持电流断续到k 点，在k 点进行断流，使逆变器的六个晶闸管全部可靠关断。 然后按反电势换流要求的换流超前角y o = 6 0 0 的触发顺序触发相应的晶闸管，k 点 时应触发v 3 、v 4 ，待触发v 3 、v 4 后，应立刻封锁断流信号，使系统切换到反 电势换流。 t轮 一b 、- _ ，, oa 州一 a ) 同步电动机的反电势波形 b