（电气工程专业论文）发电机静态启动技术研究.pdf

浙江大学硕士学位论文摘要 a b s t r a c t i nt h er e c e n ty e a r s ，t h eg e n e r a t o rs t a t i cs t a r t i n gt e c h n 0 1 0 9 yisw i d e l y u s e di n h u g e g a s t u r b i n e g e n e r a t o t u n i ta n d p u m p e d _ 。s t o r a g e g e n e r a t o r s p e c i a ll yf o rh u g eg a st u r b i n eg e n e r a t o r ，c o m p a r e dw it ho t h e r s t a r t i n gt e c h n 0 1 0 9 i e sa sa cm o t o rs t a r t i n g ，d i e s e le n g i n e s t a r t i n ga n d s t e a m e rs t a r t i n gi ns i n g l es h a f tc o m b i n e dc y c l ep o w e rg e n e r a t i o nu n i t ，t h e c h a r a c t e r is t i c ss u c ha sf l e x i b i l i t yi nu s e 、e a s yo p e r a t i o n 、l e s si n v e s t m e n t a n dl o w e ro p e r a t i o nc o s to ft h es t a t i cs t a r t i n gt e c h n o l o g ym a k ei th a s c o m p e titi r ea d v a n t a g e a n dm a k eitb e c o m et h eh o tf i e i di nr e s e a r c h b u t w ea 1 s o f i n dt h a tt h es t a t i cs t a r ti n ge q u i p m e n ts h o u l d u s e dw it ho t h e r s y s t e ms u c ha st u i b i n ec e n t r e la n de x c i t a t i o nc e n t r e l s ot h et e c h n o l o g y b a r r i e re x is t ，w h i c hm a k eu st ou s et h ee q u i p m e n td e p e n d i n go ni m p o r t a n d a 1s om a k et h eo p e r a t i o nc o s th i g h e ra n dd i f f i c u l tt or e b u i l t s ot h i s a r t i c l ew i l la n a l y z e a n dr e s e a r c ht h es t a t i cs t a r t i n gt e c h n o l o g y ，w h i c h g i v er e f e r e n c ef o rn a ti o n a li z a t i o nr e f o r m t i o no f t h ee q u i p m e n t i nt h isa r t i c l e ，w ew i l lf is ta n a l y z et h et h e o r y ，c h a r a c t e r is t i c ， t e c h n o l o g yo ft h ee q u i p m e n tb a s e do np r a c ti c ee x p e r i e n c e s e c o n dw ew i1 1 a n a l y z et h ec e n t r e lp o l i c y ，1 0 9 i ca n dp r o t e c t i o nb a s e do ng el s 2 1 0 0s t a t i c s t a r t o r t h i r dw ew i l lg i v et h ew a yt on a t i o n a l i z et h es t a t i cs t a r t o ra n d e x i t a t i o n a n df i n a l l yw ei n t r e d u c et h ea p p l i c a t i o no ft h ist e c h n o l o g yi n o t h e rf i e l dl i k ep u m p e d s t o r a g ep 1 a n ts ，w i n dp o w e ra n dv a r i a b l ef r e q u e n c y s y n c h r o n o u sm o t o r w ed oh o p et h isa r t i c l ew i l1b eau s e f u ld a t u mf o ro t h e rp e o p l et o r e a li z ea n dl e a r nt h es t a t i cs t a r t i n gt e c h n o l o g y ，a n dg i v ea n yr e f e r e n c e f o r e q u i p m e n tu p g r a d i n g n a ti o n a li z a ti o nr e f o r m a ti o no f g e n e r a t o r e q u i p m e n tisal o n gw a yt og o ，i tn e e du st ow o r k h a r dc e n t i n u a l l y k e y w o r d s ：s t a t i cs t a r t ，h i g h v o l t a g ei n v e r t e r ，g a st u r b i n e ，t u r b i n e c e n t r e ls y s t e m ，e x c i t a ti o ns y s t e m ，s y n c h r o n o u sm o t o r m 浙江大学硕士学位论文 浙江大学研究生学位论文独创性声明 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及取得的研 究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝姿盘堂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己在论文中作 了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：韵司百签字日期：乡嗣刁年，月夕日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝鎏盘堂有权保留并向国家有关部门或机构 送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿盘堂可以 将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：磊j 习可 导师签名： 签字日期：卅引明| 日 杨莉 签字日期：呷年嗍，日 浙江大学硕士学位论文 致谢 致谢 本论文的写作历时半年，在此期间得到了我的导师杨莉副教授的悉心指导， 在此首先表示衷心的感谢。杨老师严谨踏实的治学态度、积极进取的开拓精神、 诲人不倦的教学作风给我留下了深刻的印象，将使我终生受益。 感谢我的企业导师李浩锋高级工程师，是他在论文写作期间给予我给予我极 大的支持和鼓励，同时给予我在实际工作中的有益指导。 感谢浙江大学电机工程学系为我提供了良好的学习环境。 感谢我的同事余俊，帮我下载了多篇i e e e 论文和相关资料，感谢镇海电厂设 备管理部黄旭东及维修部的韩航杰向我提供有关l s 2 1 0 0 的资料。 感谢我的同事和同学朱继峰、孙杰、陈平等给了我许多热情的鼓励和无私的 帮助。 感谢我的家人在我写论文期间给我的无微不至的关怀和大力支持，没有他们 的牺牲精神，我是无法完成学业的。 借此机会向上述及所有关心和帮助过我的人表示深深的谢意! 希望他们工作 顺利，生活美好，万事如意。 李国东 2 0 0 9 - 1 0 - 2 2 于镇海电厂 浙江大学硕士学位论文前言 第一章前言 近年来，随着世界能源结构的调整，发电机组的结构也发生了相应的变化，由 原来的煤电一统天下的格局逐渐向多样化发展，其中抽水蓄能电站及大型燃气轮 机发电近年来呈上升趋势。随着这些电站的建设和推广使用，相关的技术研究也 不断展开。与抽水蓄能电站有所不同，燃气轮机存在多种启动方式，如交流电动 机启动、柴油机启动、静态变频启动及单轴联合循环机组汽轮机启动等方式。 交流电动机启动方式，其控制相对简单，但其必须配合液离变矩器使用，这增加 了发电机组轴系长度，使发电机大轴更易发生扭振，从而降低一次设备的使用寿 命；另外随着发电机容量的增加，启动马达的容量也相应增加，一方面使设备投 资随之增加，另一方面，提高了设备的运行能耗，同时大容量的马达势必占用大 量的空间，这也与燃气轮机的优势特点相违背。柴油机启动方式，由于无须外界 电网配合，所以其具有完全独立启动的特点，往往成为电网黑启动的首启机组， 同时也使该启动方式的机组适用于偏远地区。但其也存在同交流电动机启动一样 的问题，同时其结构较为复杂，冷天启动困难。单轴联合循环机组汽轮机启动方 式则具有结构简单，投资成本低等优势，但其需要外来的蒸汽源，因此使用上受 到限制。而静态变频启动方式由于使用灵活，维护量小，投资较少，技术先进， 因此目前这种启动方式已经在许多大功率的燃气轮机中使用。 纵观国内近年来投产的一些大型燃气轮机组，如华电( 北京) 热电有限公司郑 常庄燃气热电工程新建2 2 5 4m w 燃气一蒸汽联合循环供热机组，其启动装置配 套使用a b b 的s f c ( 静态变频器) ；深圳前湾电厂发电一期工程为3 3 9 0 m w 单轴燃 气蒸汽联合循环机组，其m 7 0 1 f 型燃气轮机启动装置配套使用日本三菱电机的s f c ； 上海漕泾热电厂2 套3 0 0 m w9 f a 燃气一蒸汽联合循环机组，国华余姚燃气发电机组， 浙能镇海发电厂及杭州半山发电厂的s 1 0 9 f a 燃气一蒸汽联合循环机组的启动装置 配套使用g e 公司的静态变频启动装置。由此可见，在大型的燃气轮机上，静态交 频启动技术已经成为机组启动的首选方式。 但是我们也不难发现，一些大型燃气轮机的生产厂商如通用电气，西门子，三 菱，a b b 等都有自己的发电机静态启动装置并已在相关电站投入运行。由于这些装 置大都与相关机组配套使用，因此在机组的投产之初就存在着技术壁垒。相关的 浙江大学硕士学位论文翮舌 设备厂家经过多年的研发与运行实践，在技术上已相当成熟。再加上由于其运行 维护简单，运行成本低等优势，该类型设备已得到广泛认可。相比较于国外该装 置的大量生产并投运，国内的现状却是：国内大量使用静态启动装置都来自于国 外进口，国内相关的成熟产品比较少见，所以在设备上对国外技术的依赖性较强， 这一方面严重制约了技术的更新换代，同时高昂的技术维护费用及备品备件费用 都极大地提高发电成本，从而为各设备使用单位所着重关注的问题之一。 笔者长期在镇海电厂从事然汽轮机组工作，多年来早已感受到进口设备国产化 的必要性和迫切性。因此，对于发电机静态启动这样一种目前已开始广泛应用且 具有良好的发展前景的技术，我想就借这篇论文来系统阐述发电机静态启动技术。 在本论文的第二章，将详细分析发电机静态启动技术的基本原理，特别是变频启 动装置的原理、结构。第三章将基于g e 的静态启动装置l c i 结合实际工作经验分 析变频启动控制策略及控制方法，其中包括发电机初始启动策略、加速策略、稳 定运行策略。在控制方法上包括静态启动装置与透平控制系统及励磁系统的交互 控制。第四章将在前两章分析的基础上提出相关设备国产化改造的可行性及具体 的方案，其中包括静态启动装置国产化及励磁系统国产化。文章的第五章将介绍 发电机静态启动技术的延伸应用。 2 浙江大学硕士学位论文 发电机静态启动技术介绍 第二章发电机静态启动技术介绍 2 1 发电机静态启动技术的基本原理 2 1 1燃气轮机的启动方式 燃气轮机从盘车转速开始启动时，必须先利用外界动力源( 启动装置) 带动转子 达到一定转速。当转子转速很低时，即使在燃烧室中喷油点火燃烧，并保持燃气 温度为启动过程最大允许值时，燃气轮机还是不能正常启动。因为当转速很低时， 燃气轮机压气机增压比很低，压气机和透平的效率都很低，透平产生的功率小于 压气机所需要的功率。因此只有当燃气轮机的转速达到某个特定转速，透平前燃 气温度保持启动过程最大允许值，压气机所需要的功率与透平产生的功率相等时， 燃气轮机才能稳定地工作，这个转速称为最小稳定工作转速或自持转速1 。 大型燃气轮机存在多种启动方式，如交流电动机启动、柴油机启动静态变频 启动及单轴联合循环机组汽轮机启动等。与众多的启动方式相比教，静态启动技 术有着明显的技术优势。首先它的使用减少了一次设备中的转动部件的数量，从 而大大减少了设备维护量；其次它可以有效节约空间，减少投资，特别是在多台 机组共同使用一套启动装置的情况下，优势尤其明显。再者它可以缩短发电机轴 系长度，从而减少发电机转子扭振，提高稳定性和机组的使用寿命。 2 1 2静态启动方式介绍 发电机静态启动技术的基本原理就是使发电机作为同步电机运行，并利用同步 电机的调速控制原理，从而达到启动的目的。要实现这一目的，需要借助变频装 置向电机定子提供电源，通过发电机定子三相电路的按序导通，产生可旋转的定 子磁场，参见图2 1 ，根据图中逆变器开关分合顺序，定子磁场将按逆时针方向旋 转；同时需要励磁系统向电机转子提供转子电流建立转子磁场，参见图2 2 。在定 子与转子的磁场建立后，旋转的定子磁场带动转子旋转。由于变频器的作用，定 子磁场的旋转速度可交。交频调速的依据是公式h = 6 0 f p ( h 一同步速度，f 一一 电源频率，p 一一电机极对数) ，即电机的转速同频率成比例，因此可以利用变频 浙江大学硕士学位论文发电机静态启动技术介绍 器输出的频率来决定转子的旋转速度，从而满足燃气轮发电机从启动加速到清吹、 暖机等不同转速要求。 o d 矶m 冒碱 图2 1 静态启动示意图 图2 2 发电机转子运动示意图 为满足发电机转换为同步电机运行，在发电机的一次连接上必须做相应的改 变。首先，在发电机的出口装设出口开关，使发电机在作为同步电机启动时与所 带主变及高压厂变等隔离，同时对于发电机中性点经配电变压器接地的发电机， 发电机中性点需装设隔离闸刀，在发电机作同步电机启动时断开与接地回路( 包 括接地变压器) 的连接。但我们也发现有不同的设计思路，如三菱公司的燃气轮 机发电机接地方式上有直接经高阻接地，同时不装设发电机中性点隔离闸刀，目 的是为了增加启动阶段静态启动装置直流回路接地故障保护和发电机主回路交流 接地故障保护。但同时这种设计无法实现发电机在正常运行时的10 0 定子接地保 护，而这是与我们国家的相关规程相违背的。综合考虑发电机启动过程的时间及 发生各种接地故障的危害，在国内一般不采用三菱公司的这种设计思路n1 。由此 4 大学硕学位论文发电机静态自动技术卉镕 可见，在发电机静态启动过程中，梅有发电机出口开关、中性点闸刀，励磁系统、 透平控制系统，静志启动装置进行交互控制。常规的布置见图23 ，图中l c i 为静 态启动装置。当利用一套启动装置启动多台发电机时，则可以利用静态启动装置 出口闸刀作输出切换，同时静态启动装置与多台机组的透平控制系统和励磁系统 实现控制联络，启动机组的选择一般由相应的人机交互装置( 删i ) 实现。当发电 机开始启动前，必须满足发电机出口开关断开，当透平控制系统发令启动后，静 态启动装置接受来自透平控制系统的开机指令，并控制励磁系统启动向发电机转 子提供励磁电源。在转子磁场建立后，断开发电机中性点闸刀，同时合上静态岩 动装置出口闸刀，静态启动装置开始触发启动向发电机定子提供电源，开始启动 过程。在启动过程中，对于励磁的控制有两种模式：一种为恒磁通控制模式，即 在电机转速低于一定的转速( 三菱的启动装置设定为额定转速的1 7 ) 时，为防止 过激碰，需要维持v h 不变；另一种为恒电压模式，印当电机转速高于一定转速 时( 三菱的启动装置设定为额定转速的17 ) 时，为防止过电压，需要维持极端电 压恒定 图23 静态启动装置基本布局 静态启动装置与发电机的配置可以根据实际的需要和整个电站燃气轮机的数 量来加以头定，其中常见的配置有：单对单，即一台发电机配一套静态启动装置； 单对拳，单多台发电机共用一垂静态启动装置，启动装置出口到启封母线，再由 不同的隔离司刀柳换至需要启动的发电机，一般最多配置成一对四，即四台发电 机机共有一套启动装置，参见图24 。这样配置的优点是可以有效节约投资，但缺 点时由于需要利用启动装置来逐台启动，故整个电站的启动时间会延长，同时可 浙江大学硕士学位论文 发电机静态启动技术介绍 靠性不高；二对多，即用两套启动装置来启动多台发电机，一般最多配置成二对 八，每套启动装置出口至各自的启动母线，启动母线之间装设隔离开关。参见图 2 5 。当然二对三的配置也可以按图2 6 连接。这样配置一方面可以节约投资，另 外可以利用两套启动装置同时工作一次启动两台机组，另外也可以一套工作，一 套备用的方式，从而提高可靠性。 图2 4 一拖四配置方式 图2 5 二拖四配置方式 6 浙江大学硕士学位论文发电机静态启动技术介绍 图2 6 二拖三配置方式 2 1 3 静态启动对励磁系统的要求 针对利用静态启动装置来启动发电机，我们不难发现，其配套的励磁系统适用 静态励磁。即任何带有随发电机大轴旋转的励磁机的励磁系统及无刷励磁系统是 不适用的。究其原因是由于，当发电机要作为同步电机启动时，在启砂阶段需要 励磁系统提供转子磁场，任何带有随发电机大轴旋转的励磁机的励磁系统及无刷 励磁系统在启动阶段由于发电机的转速较低，无法满足相应的励磁机及无刷励磁 系统的要求，故无法向转子提供正常的转子电源，从而使整个启动过程无法完成。 对于静态自并励系统，由于励磁系统的一次电源来自发电机出口，在发电机的启 动阶段，发电机的出口电压无法满足励磁系统的要求，其次在发电机静态启动过 程中是不适合带变压器运行，故该励磁方式也不适用。可见，利用静态启动方式， 在机组的励磁系统的选配上受到了很大的限制，随着机组容量的增大，励磁系统 的容量也随之增大，这要求静态励磁系统选用大容量高电压功率单元，这在无形 之中也增加了设备占有的空间，增加了设备的复杂性，这是静态启动技术的不足 之处。 2 1 4静态启动对发电机保护及p t 、c t 的影响 当发电机由静态启动装置启动时，它由发电机模式转换成同步电机模式。同时 由于在发电机一次接线上的改变( 如对于常用的利用变压器接地的发电机，在启 动阶段中性点闸刀断开，发电机由接地系统转换为不接地系统；发电机出口开关 断开) ，这些都要求对发电机的保护作相应的调整。 浙江大学硕士学位论文 发电机静态启动技术介绍 2 1 4 1 对逆功率保护的影响 当发电机转换为同步电机时，它的功率流向将发生改变，由原来的输出功率转 换为输入功率，因此功率流向的改变将导致逆功率继电器动作。故需要退出该继 电器的运行。退出方式可以利用发动机出口开关辅助接点。 2 1 4 2 对发电机接地保护的影响 当发电机作同步电机静态启动时，中性点接地配电变压器被中性点隔离闸刀断 开，这一改变不影响零序电压定子接地保护，但由于发电机在启动阶段静态启动 装置输出电压不会超过发电机额定电压的3 0 ，即发电机出口处单相接地零序电 压ud 。将不会大于3 0 v 。而零序电压定子接地保护动作定值设定一般为1 5 v 一3 0 v ， 因此零序电压接地保护基本失去保护区域。同时由于保护装置无法采集中性点三 次谐波电压，即发动机中性点三次谐波电压始终为0 。因此无论1 0 0 定子接 地保护是采用矽。 l 2 ，设f = 告，设一次侧电流为基波：i l = i c o s w t ，则可以解 2 得式2 5 ： 扣丽b c o s ( c o t - a r c t a n a ，t ) 一丢与童2 5 ， 针对式2 5 的分析可以知道，c t 的励磁电流i m 存在两个分量，一个为周期分量， 一个为衰减直流分量。频率降低，则国变小，导致两个分量幅值增大，导致c t 饱 和。导致测量不准确。同时发动机差动保护都是基于工频而研制的。当发动机在 低于工频的变频条件下工作时，若维持采样频率不变，将直接增加微机保护装置 的计算工作量；若维持每周波采样点数不变，由于低通滤波器的作用，使采样电 流幅值大大降低。故在相关文献中，推荐使用采样值差动方式h 1 。 2 1 4 4 对p t 及电压相关保护的影响 在发电机升速过程中，启动装置输出电源的频率逐步升高。在工频条件下，电 磁式电压互感器的感抗远远大于系统的容抗，但在低频条件下，电磁式电压互感 器的感抗j a i l 下降，系统容抗1 j i 以上升，为两参数的匹配提供了可能。回路一 浙江大学硕士学位论文发电机静态启动技术介绍 旦发生谐振，所产生的谐振过电压将直接影响与电压有关的保护。同时可能会直 接烧毁电压互感器。当启动回路的谐振频率不在启动维持频率( 即燃气轮机清吹、 暖机转速) 时，谐振的发生一般都是瞬时的，除对保护的瞬时影响外，一般不会 导致电压互感器的损坏，但如果谐振频率刚好在启动维持频率，则由于谐振发生 的时间长，将可能导致中性点接地的电压互感器烧毁1 。因此，对于静态启动的 发电机回路，有必要对电磁式电压互感器的感抗及系统容抗进行计算分析，一旦 发现有发生谐振的可能，需要采取必要的措施加以防范，如可以在p t 回路加装消 谐器，或通过调整启动装置输出电缆的走向及长度来改变系统容抗等。 2 2 发电机静态启动装置 发电机静态启动技术的一个重要环节就是静态启动装置，该装置是利用现代 电力电子技术发展而来的高压变频设备，作为启动装置，它具备与其他多套系统 如透平控制系统、励磁系统的交互控制能力。 2 2 1 发电机静态启动装置的基本原理及基本构成 现在比较常用的静态启动装置为交一直一交变频装置。即通过三相整流装置 把三相交流电源转换为直流，再通过逆变装置来产生所需频率的三相交流电源提 供给同步电机。该装置一般可以分为两部分，即源侧桥路与负载侧桥路。源侧桥 路即装置输入侧整流回路，由于有些装置的整流回路还可工作于逆变工作状态以 便于向系统反向输送功率，故源侧电路也可称为变流电路。负载侧桥路则是逆变 电路即把直流逆变为可变频率的交流电。而源侧桥路与负载侧桥路的连接方式不 同，使逆变电路又可以分为：电流源型逆变电路( 直流回路串联电感) 、电压源型 逆变电路( 直流回路并联电容) 。与其他的高压变频装置相比，发电机静态启动装 置具备这样几个特点：首先其逆变输出的频率较低，由于作为同步电机的启动使 用，故其输出频率一般不会高于电机的额定频率( 5 0 h z ) ；其次，它作为启动装置， 运行时间较短，无需长时间带负荷运行；再者，对它的动态性能的要求不高；最 后，它具备多系统交互控制的能力，对于燃气轮机而言，在启动阶段涉及透平控 制、励磁控制和人机交互控制( h m i ) 等，故在控制上要来得复杂。 无论何种类型的启动装置，都面临着一个问题，那就是如何实现初始启动， 1 0 浙江大学硕士学位论文发电机静态启动技术介绍 对于现在常用的静态启动可以有两种模式，一种是不带转速或转子位置信号启动 模式；一种是带转速或转子位置信号启动模式。对于前一种模式，启动装置向同 步电机的电枢绕组施加一定的电压，产生一定的定子电流，驱动电机转子旋转。 当启动装置可以检测到发电机的磁通量时，利用磁通量来作为逆变器的同步信号， 以一定量的转角对逆变器的触发进行步进控制。同时由于电机磁通量的反馈可以 分离出电机转速，故在这个时段，转速控制可以有效应用；对于后一种模式，启 动装置斜升定子电流，直到检测到轴旋转为止。此时，固定电流并根据反馈的转 子位置启动可控硅整流器。这种情况持续几次启动，确保马达旋转。而后启用速 度调节器。速度调节器而后控制定子电流，产生正确的转矩来按要求加速马达。 一般的静态启动装置有以下几部分构成：功率单元部分，主要包括输入变压 器、整流及逆交桥路、串联电感( 电流源型逆变器) 、并联电容( 电压源型逆交 器) 、滤波回路及相关的辅助设备如电压电流反馈板、门极脉冲放大器接线板等； 控制单元部分，主要包括中央控制单元、桥路的触发脉冲单元，输入输出单元、 通讯连接单元、电源单元等；整流及逆交器件冷却系统部分，由于冷却方式的不 同，其结构和设备也有所不同。冷却方式一般有去离子水循环冷却方式和强迫水 循环冷却方式。 2 2 2静态启动装置功率单元的研究与设计 2 2 2 1 源侧整流桥的研究与设计 对于源侧整流的原理，在相关的文献中都有详尽的介绍与分析。现在对源侧 桥路的研究主要集中在提高其容量与输出电压，减少谐波对系统的影响等方面。 相关的研究发现，常用的六脉冲整流器将产生6 k 1 ，k = 1 ，2 ，3 ，次谐波电 流，相应产生的谐波电压则满足公式2 6 。 ， v 。= ，zz ，10 0 ( 2 6 ) 6 式中： v 。：为甩次谐波电压 i 。：为，z 次谐波电流( a ) ，。：为基准电流( a ) 浙江太学砸学位论立发电机静志自动技术舟镕 月：为谐波次数 z ，为静态启动装置输入母线系统短路阻抗( 表么值) 在对一个启动电流约为7 0 0 a ( 2 0 m v a ，1 6 5 k v ，0 6 8 滞后功率因素) 启动装置的研 究中发现，在启动装置隔离变压器一次侧谐波电流总畸变率t h d ( t o t a lh a r m o n i c d 1s t o r t i o n ) t h d ：生1 0 0 ( 27 ) ， 式中： ，：为总谐波电流有效值 ：为基波电流有效值 将从启毋前的333 上升到启动后的2 45 ，相应的谐波电压总畸变率将从14 上升到126 。而与该踊离变压器处于同一母线的降压变压器低压倒的谐波电 流总畸变率更是从827 上升到18 4 ，谐波电压总畸变率从1 0 1 上升到1 27 。启动装置电源侧的具体各次谐波电流电压参见图27 。其中5 次，7 次谐波 分量为主要的分量 叵虱垂匝互亘亘叵亘口 _ - l l _ _ _ 一一 l l t i n - jj j j j j 5y 01 y 2 5 y 3 链长t 图27 装置电源侧的各次谐波电流电压 鉴于整流器谐波、无功功率等对系统的严重影响，现在的整流器一般都采用 移相多重整流整流的方式印多脉渡整流方式。根据负载侧逆变器类型的不同，采 样不同的整流方式，如电压源型逆变器一般采用多脉渡二极管整流器；电流源型 逆变器采用多脉渡晶闸曾整流墨”。由于脉冲数量的增加，有效降低了谐波分量。 浙江大学硕士学位论文 发电机静态启动技术介绍 如1 2 脉冲方式将只产生1 2 k 1 ，k = 1 ，2 ，3 ，次谐波，1 8 脉冲方式将只产 生1 8 k + 1 ，k = 1 ，2 ，3 ，次谐波。鉴于当前普遍使用电流源型逆变器作为静 态启动装置的设计方案，在此就以多脉波晶闸管整流来分析相关问题。多脉波晶 闸管整流联结方式包括并联多重联结和串联多重联结。他们的实际效果是相同的 噶1 。以串联多重联结为例加以说明，该联结常见的有移相3 0 。串联2 重联结、移 相2 0 。串联3 重联结和移相1 5 0 串联4 重联结等。以2 重联结而言，静态启动器 的隔离变压器有两组三相副绕组，其中每一组额定电压为负荷逆变器额定电压的 一半。由连接法变压器的次级向一套源转换器供电，另一套通过y 连接法变压 器次级供电。两者的三相交流输入电压相位偏移了3 0 。这样的配置将能把因启 动装置所产生的谐波电流消除一半，其中最明显的就是第5 和第7 谐波”1 ，详见 图2 8 。同时在启动装置的电源侧，装设相应的滤波装置来有效减少相应的谐波分 量，主要是5 、7 次谐波分量。 lk1 t 譬。l l 鞠 r 科 土量殚4 j ； 觑 霉捌 ； 赢 1 一_ 萼j | 土胖 k 图2 81 2 脉冲整流器接线及相关电流波形 从图中，我们也可以清楚地了解输入侧电源谐波产生的原因及应用多脉波方 式消除谐波的机理。理想的1 2 脉波晶闸管整流器一次侧线电流i 的t h d 相对于二 次侧线电流i 。的t h d 大约减少了5 0 。同时，考虑到变压器漏电感的存在，使二次 侧线电流的波形接近梯形波，而非理想状态的矩形波，它所包含的5 次和7 次谐 波由于变压器的相移而抵消，因此，漏电感的影响使以的t h d 较之理想整流器也 有大幅的下降n 1 。尽管1 2 脉波整流器较6 脉波整流器在t h d 性能上有了大幅的提 高，但它依然无法满足i e e e5 1 9 - 1 9 9 2 标准的要求，因此出现了1 8 脉波甚至2 4 浙江大学硕士学位论文发电机静态启动技术介绍 脉波的设计方案，同时，基于g c t 的p w m 电流源整流器，以其更高的输入p f 和更 好的动态性能，也开始在一些应用中崭露头角。但考虑到在静态启动装置上的实 际应用要求及成本问题，当前，1 2 脉波的设计方案依然是主流。 2 2 2 2负载侧逆变桥的研究与设计 负载侧桥路即逆变器的作用是把直流电源转换为相应频率的交流电源。其基 本的原理在此也不再详细分析。当前研究关注的主要是逆变器的选型、逆变回路 输出波形的优劣及输出功率及电压的大小。当前使用的静态启动装置大都采用电 流源型负载换相逆变器( l c i ) ，但是随着各种全控型器件的诞生及发展、各种高 压变频装置的研发与应用 1 0 1 , 对于静态启动装置的逆变器该采用何种类型也开始 有不同的思路。国内有厂家曾提出h 一桥级串联式电压源型逆变器作为静态启动装 置的逆交回路1 1 。 对于逆变器如何选型，首先必须分析电压源型逆变器( v s i ) 与电流源型逆变 器( c s i ) 的区别与各自的特点。一个基本的概念是，电压源型由于直流回路并联电 容的存在，使得直流电压比较稳定，其交流侧输出电压为矩形波，而电流的波形 与负载的阻抗特性有关；电流源型由于直流回路串联电感的存在，使得直流电流 比较稳定，其交流侧输出电流为矩形波，其电压波形与负载的阻抗特性有关。应 用于大功率交流传动系统的逆变器虽然在基本类型上只有电压源与电流源两种， 但在实际的应用中由于各自的选用器件不同、拓扑结构不同、调制方式不同，又 派生出多种类型的逆变器设计方案，当然其性能与特点又各不相同。具体参见表 2 1 。 1 4 浙江大学硕士学位论文发电机静态启动技术介绍 表2 1 各种类型逆变器性能比较 姗 所用器最大容量优点缺点 类型 件 电压 两电i g b t 或中压，数 1 、基于模块化结构，便于组1 、输出咖出较 平逆 g c t 兆瓦装和规模化生产高 源 变器2 、p w m 方案简单2 、电动机谐波损 型逆 3 、对串联i g b t 的有源过电耗大 压箝位作用 3 、共模电压高 变器 4 、便于实现高可靠性n + i 冗 余方案 5 、提供四象限运行和再生 制动能力 中点i g b t 或 g c t ：4 1 6 0 1 、咖出及谐波畸变较小1 、需要额外的箝 箝位 g c t v ，5 1 0 2 、无需器件串联就可以应位二极管 式逆 i g b t ：4 1 6 用于一定电压等级的中2 、较为复杂的p w m 变器压传动系统开关模式设计 0 v 7 2 m w 3 、器件较少，成本较低，可 3 、中点电压存在 靠性较高漂移 4 、没有动态均压问题 多电低压 6 6 k v ，6 m 1 、模块化结构，易于降低成 1 、移相变压器成 平串 t g b t 本和维修本高 联h w 2 、几乎正弦的输出波形，2 、需要大量电缆 桥逆 4 1 6 k v 1 咖出很小，无需输出滤3 、需要大量的开 变器 o m w 波器关器件，降低了 3 、旁路功能提高了系统的系统可靠性 可靠性 4 、易于实现n + i 冗余运行 5 、网侧电流接近正弦 n p c hi g b t 或 4 8 m w ，电 1 、输入电流畸变极低1 、移相变压器结 桥逆 g c t 2 、无需开关器件串联构太过复杂 变器 压类似中 3 、电机电流t h d 低2 、用于电压较高 点箝位式 场合，输出需增 加咖出滤波 器 1 5 浙江大学硕士学位论文 发电机静态启动技术介绍 表2 1 各种类型逆变器性能比较( 续1 ) i = i 较项目所用器 最大容量 优点 缺点 类型 件 电流 采用 g c t 6 6 k v ，1 0 l 、拓扑结构简单，器件数目 1 、动态性能差 p w m 少2 、电网侧和电机 源 整流 m w 2 、输出波形好，电压，电流侧会发生l c 谐 型逆 器的接近于正弦波 振 逆变3 、高输出功率因素 变器 器 4 、p w m 方法简单 5 、可靠的无熔断器短路保 护 6 、可提供高可靠性n + i 冗余 方式 7 、输入输出电缆长度不受 限制 8 、具有四象限运行和再生 制动能力 无变 g c t 同上 1 、同上 1 、同上 压器2 、减少了变压器，降低成 2 、需要特殊的一 逆变 本，减少体积和损耗体化直流电抗 器器 采用 g c t同上 1 、拓扑结构简单，器件数目1 、动态性能差 多脉爹2 、电网侧和电机 波2 、输出波形好，电压，电流 侧会发生l c 谐 s c r 接近于正弦波 振 整流 3 、可靠的无熔断器短路保3 、输入功率因素 器的 护随传动系统的 p w m 4 、可提供高可靠性n + i 冗余运行工况而改 逆变方式变 器5 、具有四象限运行和再生 制动能力 负载 s c r 1 0 0 m w 1 、成本低，效率高，运行可 1 、转矩脉动大 换相靠 2 、动态响应慢 逆变 2 、超大功率3 、输入功率因素 器 3 、具有固有的再生制动能不固定 力 4 、拓扑结构简单，器件数目 少 上表粗略归纳了当前的大功率交流传动系统所使用的变频装置的基本情况，分析 可知，电流源型逆变器在容量上要大于电压源型逆变器，特别是负载换相逆变器 ( l c i ) ，其最大功率可以超过i o o m w 。同时，在拓扑结构上，电流源型也要相对简 1 6 浙江大学硕士学位论文发电机静态启动技术介绍 单，且由于直流电感的作用可以实现可靠的无熔断器短路保护功能。电流源型经 过p w m 调制后所产生咖d t 和硪出问题也因为受到大的等效电源内电抗( 直流平 波电抗器的电抗) 的限制作用，使得两者都有大幅度的降低，而因p w m 调制产生 的高频波则较容易地由输出端并联电容器滤掉川。但电压源型则普遍存在输出 d v d t 较高的问题，需要通过复杂的拓扑结构设计及专门的回路来优化，从而防止 较高的咖出所产生的应力对电机绝缘的影响。尽管相较于电压源型逆变器，电流 源型由于直流电抗器的存在限制了输出电流的上升速率，使得无论是在逆变侧通 过提高直流电压利用率还是在交流输入侧提高中间直流电压值都无法实现快速的 动态响应1 1 3 1 ，但由于静态启动装置对动态响应要求不高，使得电流源型在静态启 动装置上的应用要优于电压源型。而在电流源型逆变器中，l c i 之所以能在当前的 静态启动装置的应用中独占鳌头，究其原因是由于其能达到的较高容量、应用s c r 元件所带来的较低的成本、较为简单及适用于同步电机调速的拓扑结构、较高的 效率及运行可靠性；同时尽管其输出波形无法与其他一些类型变频器相媲美，但 仍能满足相应要求。 分析静态启动装置的发展趋势，结合图2 9 将给出的2 0 0 0 年所统计的大功率 变频器主要采用的一些商用开关器件的电压电流等级，其中包括了s c r 、 g t o g c t 、t g b t 、i e g t 等常用大功率器件。本人认为，随着功率器件的发展现状和 趋势，伴随着全控型器件价格的下降，随着用户对启动装置输入输出波形及谐波 影响的要求进一步提高，基于g c t 的p w m 调制方式的电流源型逆变器将具备发展 的潜力。但现阶段实现设备国产化的重点仍应放在l c i 上面。而不必一味强求高 性能，而在商业竞争中由于价格问题而处于劣势。 浙江大学硕士学位论文发电机静态启动技术介绍 1 2 1 0 8 萼6 4 2 i 翘 图2 9 大功率半导体器件的电压电流等级分布 2 2 3 负载换相逆变器( l c i ) 型静态启动装置 鉴于以上的分析，负载换相逆变器( l c i ) 是当前静态启动装置的首选配置， 同时，当前所使用的发电机静态启动装置大都使用该类型的变频装置，故有必要 对此类启动装置作详细的说明。 负载换相逆变器型静态启动装置，无论是源侧还是负荷侧都采用非全控型晶 闸管作为功率器件。在源侧，考虑到输入谐波的影响，一般采用1 2 或1 8 脉冲移 相整流，尤其是1 2 脉冲以其成本优势占多数。对于非全控型功率器件，由于无法 利用器件本身的门极脉冲实现关断，故其换相必须借助于如电网换相、负载换相、 强迫换相等方式。而其中的负载换相就是利用负载提供换相电压，其使用条件就 是负载的电流相位必须超前于负载电压相位。由于静态启动装置的负载为同步电 机，它可以通过控制励磁电流来调节其特性( 使同步电机工作于过励状态，从而 使其电流超前电压向量) 从而可以较方便地满足负载换相要求，因此适用于负载 换相方式。这也是负载换相逆变器得以在静态启动装置中大量应用的一个重要原 因。 l c i 作为静态启动装置而言，其换相还存在一个重要的问题，那就是当发电 机由静止启动或在盘车转速下启动初期，由于发电机无转速或转速很低( 盘车转 浙江大学硕士学位论文发电机静态启动技术介绍 速一般为每分钟6 转) ，发电机出口电压太低以至于无法利用该负载电压来使晶闸 管换相，故必须借助于其他的方式来使其强迫换相。一个较常用的方式就是脉冲 强迫换相。具体的过程就是，当需要逆变器换相时，首先使源侧整流器逆变将主 回路断流，从而使逆变器中的晶闸管全部关断，接着它再减少整流延迟角，转入 整流方式，同时逆变控制将门极触发脉冲送到下一组需要触发的逆变器的晶闸管 上。因此，初始启动其实就是在一个换相周期( 6 0 0 ) 内，利用静止的定子磁场 ( 印发电机气隙磁场) 对转子磁场的电磁力矩使转子转动，同时随着转子的运行， 定子与转子磁场间的夹角逐渐减小，一个换相周期结束后，定子电流换相，相应 地定子磁场向转子旋转方向步进6 0 0 。定子与转子磁场间的夹角再次增大，然后重 复以上过程实现启动。那么为什么是6 0 0 的定子磁场步进角度呢，因为当逆变器在 启动发电机时，依次触发晶闸管使得任一时刻发电机定子两相通电，其顺序依次 为a b a c b c j b a c a c b ，则每次定子通电相序的调整，根据电机学的原理及发 电机的结构可以知道都将使定子磁场依次旋转6 0 0 ( 电度角) 。因此该启动方法也 被称为6 0o 脉冲强迫换相启动。具体的启动原理图参见图2 10 。由于强迫换相需要 整理回路切断直流电流，这最少需要4 m s ，同时器件换相和整流恢复也需要一定的 时间，故当频率越来越高，可用于切断和恢复的时间也越来越短，最终无法继续 强制脉冲换相，因此强制脉冲换相必然存在一个上限频率 1 5 i 。但是由于静态启动 装置在发电机到达1 0 的额定转速后可以转入负载自然换相，因此，该上限频率对 其不会有影响。 接下来的问题是，在初始启动时，启动装置如何去确定该触发那一组晶闸管 回路，从而使得发电机转子按正常的方向作出旋转和加速。这就牵涉到两种控制 模式，即本文已分析过的带转子位置检测器及转速器模式和不带转子位置检测器 及转速器模式。在没有转速和转子位置检测装置的情况下，逆变器的同步是利用 发电机磁通量的过零点来作为基准的，故要确保在静止启动时，在逆变器的第一、 二个触发周期使电机加速到可以检测到有效磁通的转速，对于装设有转速和转子 位置检测装置的模式，逆变触发利用转子位置作为同步信号，而无需利用发电机 的磁通量。 当发电机的转速上升，使发电机出口反电动势足以实现负载换相后，l c i 进 入到真正的负载换相阶段。进入负载换相阶段后，逆变器的频率将自动跟踪电机 1 9 浙江大学硕士学位论文发电机静态启动技术介绍 ，一。型二 二 3 4 5 墨 2 3 图2 1 0 强迫换相触发模式 的频率。电机的加速度只与电机上所加的电流( 幅值与角度) 有关，同时需考虑 晶闸管的热容量限制及安全换相 1 63 。在负载换相阶段的触发模式参见图2 1 1 。 电机的启动还需要研究的一个重要问题就是转矩控制，对于l c i 而言，转矩 控制不单单是负载侧逆变器的控制，还牵涉到源侧整流回路的控制，这是由于电 机的转矩满足公式2 8 所示函数关系： 一 浙江大学硕士学位论文 发电机静态启动技术介绍 式中： 丁d = k ，f 。s i1 19 ( 2 8 ) 乃：为电磁转矩 c ：为比例系数 c ：为定子合成磁动势幅值 凡：为转子磁动势幅值 秒：为r 与只之间的夹角 p o w e rf a c t o ra n g l ， 弓t 弹e 三nc e n 丁e r so f v o a g e 五c 螈r 副tw a 、，e s a n g l e