（电力电子与电力传动专业论文）抽水蓄能电站静止变频器sfc启动的控制策略及其装置实现.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t p u m p e d - s t o r a g ep l a n tc a nt a k eo nt h et a s k so fr e d u c i n gp e a l ( a n df i l l i n gv a l l e y ，e m e r g e n c yr e s e r v e ， f r e q u e n c ym o d u l a t i o n , p h a s em o d u l a t i o n , e t c i np o w e rs y s t e m w h e np u m p e d - s t o r a g ep l a n tw o r k sa sm o t o r , i th a v et ou s es p e f i ce l e c t r i c a le q u i p m e n ta n do p e r a t i n gm e t h o d s ，a ss m o o t h l ya sp o s s i b l et os t a r t s y n c h r o n o u sm o t o r , m a k et h es t a r t i n gc u r r e n tn o t t o ol a r g e ，a n dd i d n tp r o d u c ee x c e s s i v ed i s t u r b a n c ef o r t h eg r i d a tp r e s e n t , v a r i a b l ef r e q u e n c yo fs t a t i cf r e q u e n c yc o n v e r t e r ( s f c ) i st h ep r e f e r r e ds t a r t i n gm o d ei n p u m p e d - s t o r a g ep l a n t , i tm a k eu s eo ft h y r i s t o rt op r o d u c eaf r e q u e n c y - v a r i a b l ea cp o w e rt os r a r t p u m p e d - s t o r a g eu n i t s , w i t ht h es o f t - s t a r tf u n c t i o n , i sv e r yi m p o r t a n tf o rt h ef a s ts t a r t i n go ft h el a r g e s i z e d p u m p e ds t o r a g es e t sa n dt h es t a b l eo p e r a t i o no fp u m p e d s t o r a g ep l a n t a tt h eb e g i n n i n go ft h et h e s i s ，t h et o p o l o g i c a ls t r u c t u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l ei si n t r o d u c e d ，a n a l y s i s t w oc o m m u t a t e dm e t h o do fs f ct h y r i s t o r ：p u l s ec o m m u t a t i o na n dn a t u r ec o m m u t a t i o n ，p r e s e n tac o n t r o l s c h e m eu s i n gt h ec o n s t a n ta h e a d - c o m m u t a t e da n g l eya tt h ei n v e r t i n gs i d et oc o n t i n u o u s l yc o n t r o lt h e c o n t r o l l i n ga n g l eaa tt h er e c t i f y i n gs i d e a n dh a v er e s e a r c ho nt h eo p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c so fs f c n e x t , a c c o r d i n gt ot h ea c t u a ls i t u a t i o no ft h ep u m p e d s t o r a g eu n i t , g i v et h es t a r t i n gp r o c e s so fs f c ，a n dp r e s e n t t h ec o n t r o ls t r a t e g i e sf o rt h ev a r i a b l e - f r e q u e n c ys t a r t i n go fp u m p e d - s t o r a g eu n i tw h i c hi n c l u d eu n i t r o t a t i o n l - s p e e dc o n t r o l ，u n i tv o l t a g ec o n t r o l ，s y n c h r o n i z a t i o na n dd i d - c o n n e c t i o nc o n t r o l ，a n ds o o n a c c o r d i n gt ot h ec o n t r o ls t r a t e g i e so f t h ev a r i a b l e - f r e q u e n c ys t a r t i n g , as f cc o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e dt h a t t m s 3 2 0 f 2 8 1 2i st h ec o r ea n df i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a yx c 3 s d l 8 0 0 ai sa u x i l i a r y ，a l s og i v e s t h ed e s i g no fh a r d w a r ea n ds o f t w a r e h a r d w a r ec i r c u i ta d o p tam o d u l a rd e s i g nm e t h o d ，i tc a nb ed i v i d e d i n t os i xp a r t s ，w h i c ha r ec p um o d u l e ，p o w e rm o d u l e ，o p t i c a lf i b e rm o d u l e ，i om o d u l e ，a n a l o gm o d u l ea n d e x p a n s i o nm o d u l e ，a n dt h e nw i t ht h em o d u l a rm e t h o dd e s i g nt h eh a r d w a r ec i r c u i t i ns o f t w a r e ，a c c o r d i n g t ot h ec o n t r o ls t r a t e g i e sa n ds t r a t i n gp r o c e s so fv a r i a b l e f r e q u e n c y ，t h es o f t w a r ef l o wd i a g r a ma n d i m p l e m e n t a t i o no fs f cc o n t r o ls y s t e mi sp r o v i d e d f i n a l l y ，f o rt h ev a r i a b l e - f r e q u e n c ys t a r t i n go fp a n j i a k o up u m p e d - s t o r a g ep l a n t , ar e a l t i m ed i g i t a l s i m u l a t i o np l a t f o r mi ss e tu pw i t hr e a l - t i m ed i g i t a ls i m u l a t o ro fp o w e rs y s t e m t h ec o n t r o ls t r a t e g i e so f v a r i a b l e f r e q u e n c ys t a r t i n ga l ep r o v e dt ob et r u eb yt h es i m u l a t i o np l a t f o r mw h i c hm a yp r o v i d et h e o r e t i c a l b a s i sf o rs f cc o n t r o ls y s t e md e s i g n k e y w o r d s ：p u m p e d - s t o r a g ep l a n t ；s t a t i cf r e q u e n c yc o n v e r t e r ；c o n t r o ls t r a t e g i e s ；s f cc o n t r o ls y s t e m ； r e a l - t i m ed i g i t a ls i m u l a t o r l i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，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，也不包含为获得东南大学或其它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。 ) - 一 研究生签名：1 蕴垦撕：垒翌i ：l 东南大学学位论文使用授权的说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生 院办理。 研究生虢亿妒燧名：丑饼期：冽小 第一章绪论 1 1 课题背景及意义 第一章绪论 本课题所作的工作属于国家电网电力科学研究院电控所科研项目“抽水蓄能机组静止变频器启 动装置国产化研制”中的控制系统部分。同时，该系统将在潘家口抽水蓄能电站的启动变频器项目 中得到实际应用。 近年来，随着我国国民经济的增长，社会的进步和人民生活水平的提高，电力需求和电力系统 的装机容量不断增加，电力供需的矛盾也日益显现，电网内的峰谷差越来越大，而一般的火电厂开 闭机组周期比较长，难以满足调峰和填谷，抽水蓄能电站的出现正好解决了这一问题。抽水蓄能电 站又称蓄能式水电站，它设有上、下两个水库，利用电力负荷低谷时的电能抽水至上水库，在电力 负荷高峰期再放水至下水库发电的水电站。它可将电网负荷低时的多余电能，转变为电网高峰时期 的高价值电能，在电网负荷重，电力严重不足，峰谷差很大，缺乏调峰电源的情况下，对系统进行 调峰填谷，提高错峰效益和保证电网安全运行等方面发挥重大的作用。除此之外，抽水蓄能电站还 适合于调频、调相，稳定电力系统的周波和电压，且宜为事故备用，还可提高系统中火电站和核电 站的效率1 1 。 世界上最早的抽水蓄能电站建于1 8 8 2 年，是瑞士苏黎世的奈特拉电站，至今有一百二十五年的 历史，此后1 0 0 多年进展并不是很快，到上世纪6 0 7 0 年代才迅速发展。至1 9 7 0 、1 9 8 0 、1 9 9 0 年 分别达到1 6 0 4 万千瓦、4 6 0 0 万千瓦和8 3 0 0 万千瓦。目前国际上抽水蓄能电站的发展十分迅猛，据 不完全统计，全世界抽水蓄能电站共超过4 0 0 座，总发电容量超过2 亿千瓦。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。至2 0 0 5 年底，全国建成投产的抽水蓄能电站共1 3 座，装 机容量6 1 2 2 万千瓦，仅占全国总发电装机容量的1 1 5 ；在建抽水蓄能电站l l 座装机规模为1 2 3 0 万千瓦。预计到2 0 1 0 年我国抽水蓄能电站占全国发电装机容量的比例将提高到2 6 左右j 。当前我 国抽水蓄能电站装机容量的比重偏低，远远不能满足电网安全稳定经济运行的需要。国内有专家学 者认为，从我国的电源构成和电网布局来看，我国抽水蓄能电站的比重达到5 是符合我国基本国情 的。按照当前常规火电、核电、风电的发展速度，抽水蓄能电站将来仍有广阔的发展前景。 由于抽水蓄能电站在我国的起步比较晚，目前抽水蓄能电站的主要设备儿乎全部依赖进口，国 内的设备厂商参与甚少。因此，加快研究开发和应用抽水蓄能技术已经成为共识。发电设备“十一 五”规划中也明确要求：完成3 0 0 m w 级抽水蓄能机组国产化设计并实现8 0 以上的国产化制造 率。国家电网公司“十一五”科技发展规划关于“提高电网运行管理控制水平的六个重点技术领域” 一项，针对“抽水蓄能电站控制和运行技术”明确指出了要“重点开展抽水蓄能电站机组控制系统 设备的国产化研究与开发”。 因此，为了打破国外的技术垄断，降低抽水蓄能电站的建设投资，新源控股有限公司、华北电 网有限公司和国家电网电力科学研究于2 0 0 7 年向国家电网公司申请了课题“抽水蓄能电站静止变频 启动装置国产化研究”。该课题项目依托于潘家口抽水蓄能电厂机组配套设备的改造，潘家口抽水 蓄能电厂是华北电网骨干调峰调频和事故备用厂，也是国内首座全套引进国外机电设备的大型抽水 蓄能电厂，安装有意大利a b b 生产的三台9 0 m w 可逆式抽水蓄能变极机组( 4 8 极，4 2 极) 和l 台起动 兼变速运行用的6 0 m w 变频器。经过1 0 余年运行，随着机组配套的各个系统( 如控制、励磁、保护 和变频器等) 设备已逐渐老化；原设备的备品、配件国内短缺，维护及维修困难，给安全稳定的生 产带来隐患。0 7 年由国家电网公司立项，潘家口抽水蓄能电厂和国家电网电力科学院共同承担潘家 口抽水蓄能电厂启动变频器国产化研制的科研项目。新改造的启动变频器只负责蓄能机组的启动过 程，没有变速运行的功能。 本课题就是来源于抽水蓄能电站静止变频器( s f c ) 启动装置的国产化研究，并针对s f c 的关键 控制技术和策略进行了研究，并在此基础上对s f c 的控制装置进行了实现。 东南大学硕士学位论文 1 2 静止变频器的国内外研究现状 静止变频器是大型蓄能电站的关键设备，担负所有蓄能机组抽水工况下的电动机启动任务。抽 水蓄能机组启动变频器大多采用交直一交电流源型变流器，其主要元件为高压电力晶闸管，工作 原理与无换向器电机相同，电机侧逆变桥在低速时采用强迫换相，高速时转为反电势自然换相，待 接近同步转速时投入整步调节环节，进行整步并网。 这种变频器是大容量同步电机专用的交直交电流型自控式变频启动器，其额定容量取决于负载 对象，特别是要求的启动时间和机组的阻力矩，以及机组转动部分的飞轮惯性。对于转轮在空气中 旋转起动的抽水蓄能可逆机组，一般为其机组额定容量的5 - 8 ；对于高炉鼓风机，其启动容量约为 电动机额定容量的大约2 5 以上。其同步电动机组的电压等级，一般在2 3 6 k v 之间，属于中压变 流器范畴，因此其系统方案应有别于一般的低压变频器( 额定电压4 0 0 - - 6 9 0 v ) ，同时也不同于高压 直流输电h v d c 系统。 1 2 1 国外研究现状 由于特大容量变频器不仅设备容量大，而且自身系统复杂、技术难度高，是现代电力电子技术 和计算机自动控制技术相结合的高度机电一体化的产物，所以目前只有发达国家中世界顶尖的著名 公司，如a b b 、西门子、东芝、阿尔斯通等少数公司掌握核心生产技术，并且全世界1 0 m w 级特大 容量变频器生产的总数量也不过数以百计。不过，国外著名大公司的技术成熟的变频器，虽然技术性 能好，但是价格昂贵，设备费用估价在数百万美元以上。以全套引进a b b 标准型产品为例， m e g a d r i v e l c i b r1 a 0 6 0 6 6 0 4 n 4 5 2 或m e g a d r i v e l c i b r1 a1212 3 0 2 n 4 5 2 ，变频器自身估 价约2 5 0 万美元，而且还不包括与之相关联的辅助设备。 特大容量变频器的技术难点主要在于高压大电流变流阀体和变频器的控制系统。对于变流阀体， 其难点在于晶闸管要承受十几千伏的高压和数干安的大电流，这要借助于类似直流输电的技术，采 用晶闸管串联、均压保护以及高效热管散热器等技术加以解决。对于变频器的控制系统，它是整个 变频器的核心，国外著名厂商主要拥有以下三大核心技术： 1 全数字化软件集成控制技术。 进入2 0 世纪8 0 年代以来，控制系统由模拟转向数字化方向发展。美国g e 公司，日本东芝公 司，a b b 跨国公司，德国西门子公司，a e g 公司等先后推出了数字控制系统。以西门子公司的 s i m a d y nd 系统为例【3 j ，该系统通用性强，可用于变流器供电的交直流传动系统、h v d c 以及无 功电流补偿系统的快速开环、闭环控制、算术运算、控制和监视信号的显示、记录等。系统高度的 模块化、标准的硬件和软件结构增加了系统设计、调试和运行的灵活性。同时，数字化也为改进系 统的电气性能创造了条件，如采用无位置传感器启动和高速运行时实现换相余度角恒定控制等。总 之，控制系统数字化软件集成后，不仅增加了系统的控制功能，提高了系统运行的可靠性和稳定性， 而且缩小了控制装置体积，增加了设计和使用的灵活性，减小了寻找故障和停机维修时间，极大地 提高了经济效益。 2 无位置传感器的启动控制技术。 抽水蓄能电站静止变频启动过程主要分为人工强迫换相和基于机端电压的自然换相两个阶段 1 4 j 。在自然换相阶段，机端电压已较高，完全可以利用电压互感器测量得到的机端电压信号过零点 作逆变桥换相依据，但是抽水蓄能机组作水泵方式变频启动前，转子处于静l e 状态，由于在磁通一 定的情况下，机端电压和频率成正比，所以机组端电压的幅值为零，并且低速阶段，机端电压也非 常微弱，导致定予或转子侧电流因转子位置变化而引起的变化量也非常微弱，很难从相关电气测量 量得到转角位置信号。因此，变频启动低速阶段无位置传感器的启动控制技术成为取消位置传感器 的一个技术难点。而国外的成熟产品已经取消了转子位置检测装置，其控制系统可以利用p t 的信息 实时估计出相应的转子位置，从而正确地发出晶闸管触发和换相指令。这种技术不仅在硬件结构上 简单可靠，节约了成本，而且减少了静止变频器维护的工作量，提高了整套控制系统的稳定性。 2 第一章绪论 3 变频及谐波治理技术1 5 1 1 6 1 。 抽水蓄能电站静止变频启动装置采用六脉波晶闸管变频器时，特征谐波为( 6 k + 1 ，k = i 、2 、3 ) 次，即5 次、7 次、1 1 次、1 3 次等，其中5 次和7 次谐波幅值较大，危害也较大；采用1 2 脉波晶 闸管变频器时，其特征谐波为( 1 2 k l ，k = i 、2 、3 ) 次，有效消除了5 次和7 次谐波，但1 1 次和1 3 次谐波仍较大，对电力系统和电站其它设备仍将产生许多不良影响。目前，对国外厂商对静 止变频器系统谐波治理的一般措施为：在谐波源处就近装设滤波器 3 8 1 ，将谐波分流，从而吸收一定 比例的高次谐波，将流入电网的谐波限制到允许范围内。我国大部分大型抽水蓄能电站都随变频装 置配套安装了滤波器，如广蓄二期抽水蓄能电站针对1 8 k v 系统添加了6 组滤波器，分别对5 次、7 次、1 1 次、1 3 次、1 7 次和1 9 次谐波进行滤波【j j 。 1 2 2 国内研究现状 由于长期以来，我国大型抽水蓄能电站启动变频装置一般采用与主机捆绑的方式从国外引进， 比如9 0 年代初的潘家口抽水蓄能电站使用的变频系统由瑞士a b b 公司引进，十三陵机组则是由美国 v o i t h 公司引进。即使到了2 l 世纪初，国内厂家自行设计制造白山回龙机组时，其推力轴承还要从 国外进口：广州蓄能电站a 厂四台机组共用一套由法国a l s t o m 公司生产的静止变频启动装置，b 厂 四台机组共用一套由德国s i e m e n s 公司生产的静止变频启动装置。而国内的研究单位和设备厂商参 与甚少，国内文献对此方面的研究也很少，使得国内抽水蓄能电站迅猛的发展态势与国产设备极低 的市场占有率很不相称。 不过，由于抽水蓄能电站静止变频启动系统与无换向器电机的工作原理有诸多相似之处，而对 于无换向器电机的基本工作原理，我国已有许多著名专家对此进行了论述，如论著【7 】【l o 】。其中 论著 1 0 】第四章详细论述了自控式同步电机启动过程的数学模型、控制方式和应用领域，并列举了潘 家口抽水蓄能机组6 0 m w 启动以及低水头变速运行的变频器和上海宝钢高炉鼓风机1 2 m w 的启动变 频器。 目前国内部分制造厂家和研究所对静止变频器有过多年的研究，引进和吸收了国外的先进技术， 具备研制中、低容量变频器的能力。国产的用于同步电动机启动的最大容量的静止变频器是由天津 电气传动研究所为宝钢研制的一套高炉鼓风机变频启动装置，该装置额定容量为1 2 m w ，额定电压 1 0 k v ，该装置已经投入运行并通过验收。该装置填补了国内的空白，且价格仅为进口产品的l 3 。 另外在抽水蓄能电站中，天津电气传动研究所还研制了响洪甸抽水蓄能机组启动变频器的整流逆变 桥以及外围配套设备( 额定容量6 6 m w ) ，而自动控制和保护系统是从西门子进口，设备运行情况 基本正常。 因此，我国在抽水蓄能电站1 0 m w 级特大容量变频器这一领域尚属空白，故国家电网总公司特 将抽水蓄能电站静止变频启动技术研究列入国家电网公司电力电子关键技术研究框架之中，目的在 于重点解决主回路的拓扑结构、特大容量交直交电流型变流器的设计、开发及制造、变频器启动的 控制策略和调节算法等一系列关键技术问题，打破世界著名公司对特大容量变频器高科技核心生产 技术的垄断，不仅解决我国现有抽水蓄能电厂启动变频器的改造以及设备更新的难题，而且能使我 国在抽水蓄能机组静止启动变频器的设计、开发和应用等方面达到国际同期先进水平。 1 3 抽水蓄能机组电动机工况下的启动方式与选择 抽水蓄能机组的电动机工况有很多种启动方式，根据具体条件的情形选择选择恰当的启动方式 是抽水蓄能电站设计的一个重要课题。它不仅涉及机组的结构、电站的电气的主接线和厂房布置、 而且还影响到机电设备的工程投资和使片j 寿命。 3 东南大学硕士学位论文 1 3 1 抽水蓄能机组电动机工况启动方式概述 抽水蓄能电站中，抽水蓄能机组作为同步电动机运行时，必须采用专门的电气设备及操作方法， 以尽可能平稳地启动同步电机，使启动电流不致使过大，并对电网不产生过大的扰动。常用的电气 启动方法大致有5 种：即异步启动、同轴电动机启动、同步启动( 背靠背启动) 、半同步起动和变 频启动掣1 1 l 。除同轴电动机启动方法外，其他启动方法均需同时向水泵水轮机的转轮室充气压水， 以减少启动力矩。一一概述如下。 1 异步起动 异步起动就是在机组励磁绕组( 经限流电阻) 短接情况下，直接将电机并入电网，利用转子磁极 内阻尼绕组的感应电流和定子旋转磁场的作用，产生异步力矩，使机组启动并加速至亚同步转速， 投入励磁，即拉入同步，从而完成起动过程。在采取异步起动时，要考虑起动力矩、起动电流、起 动压降、起动时间等诸多约束条件，为了满足其中某些约束条件，异步起动又可以分为全电压起动 和降压起动2 种方式。全压起动接线简单、起动力矩大、起动时间短，但它对电力系统的冲击却比 较大，而且阻尼绕组或实心整体磁极表面所产生的大量热量来不及散发还会引起较大的热应力。降 压起动包括电抗器降压起动、部分定子绕组起动、变压器降压起动三种情况。降压起动与全压起动 相比，它的起动电流变小，降低了起动对电网造成的影响，但是在一定程度上使起动的时间延长， 需要增加一些辅助的设备。 2 同轴电动机起动 通过装在电动发电机项部的一台小容量绕线式感应电动机进行启动加速，其同步转速比主机额 定转速要高，即磁极数比主机少2 4 个。为了调节转速，在小电机的绕线式转子回路中接入液体型 可变电阻器，并有独立的循环冷却系统供起动过程冷却。在启动过程中调节液体电阻器，使小电机 保持一定的出力转矩，当接近主机同步转速时，调节电阻器使之等速，并进行同期并网，然后切断 小电机电源回路，完成启动过程。它是最早期常用的起动方法，但同轴电机的设置会增加主机高度 和，可能需要增加主厂房的高度，随着机组容量的不断提高，这种起动方法的附加成本和工程费用 就变得非常昂贵，而且起动时间比较长。5 0 6 0 年代后，这种起动方法在实际中用到得越来越少。 3 同步( 背靠背) 启动 以本电站或邻近电站的一台机组( 常规机组或蓄能机组均可) 作为启动电源，启动前，将启动机组 与被启动机组均连接在启动母线上，并分别加适当的励磁。启动时，打开启动机组的导水叶，其定 子出口产生的低频电流经启动母线施于被启动机组，使被启动机组随启动机组同步旋转。随着导水 叶渐渐开启，转速徐徐上升，当加速到约8 0 额定转速时投入各自的励磁调节器，而后继续同步升 至额定值后同期并网。 同步启动方式有以下几个特点：( 1 ) 启动过程不从系统受电，对系统基本上也无影响。 ( 2 ) 采用转轮室压水启动时，只要启动机组的容量足够，可同时启动2 台同类机组。( 3 ) 启动前需要先 加励磁，所以励磁变压器要求接在发电机断路器外由厂用电源供电。( 4 ) 同步启动需要一台机组作 发电机启动其余机组，故当全部机组投入抽水工况时，还要与其它启动方式配合使用。 4 半同步起动 半同步启动，又称异步同步启动或低频启动，是一种异步启动和同步启动组合的启动方式。在 未加励磁状态下启动发电机，当转速升到约8 0 额定转速时，给发电机加励磁，使其端电压上升到 额定电压的6 0 7 0 ，通过电气连接将此电压加在被启动的机组上，产生的异步转矩使电动机启动、 加速，发电机减速到两机转速接近时，给电动机加励磁，使之与发电机同步，随后逐步开大发电机 的水轮机导叶，电动机在发电机驱动下同步加速到额定状态，电动机同期并网后，即断开发电机。 5 变频启动 变频启动也就是静止变频器启动，它利用晶闸管变频装置产生频率由零到额定频率值的交流电 源，同步地将机组拖动起动，当机组逐渐升至额定转速，满足同期条件时，将机组并入电网，同时 切除变频装置，完成启动过程。静止变频器( s f c ) 包括两组三相桥式晶闸管，其中一组用于整流， 另一组用于逆变。通过转子位置检测装置输出转速以及位置信号，由变频装置控制调整晶闸管的导 4 第一章绪论 通角，用此来进行转速和整流控制。静止变频器( s f c ) 启动有以下几个特点： 1 ) 静止变频器的调速范围可以从电机的静止状态到额定转速，在此工作范围内静止变频器工作 效率不会降低。 2 ) 静止变频器启动可以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 ) 静止变频器满足抽水蓄能电站的抽水蓄能机组在电网电力调峰过程中频繁启动的要求。 1 3 2 抽水蓄能机组电动机工况启动方式的选择 根据电力系统和抽水蓄能电站的具体条件，应选用简单而可靠的启动方式。中、小容量机组应 优先考虑采用全压异步启动或降压异步启动；大、中容量电站应优先考虑利用邻近常规机组进行背 靠背启动的可能性；考虑到背靠背启动需要额外提供启动电源，在有多台大容量机组的情况下，可 采用2 台同轴小电机加同步启动或变频装置加同步启动方式。抽水蓄能机组在电动机工况时的各种 启动方式综合比较见表1 1 。 表1 1 抽水蓄能机组电气启动方式比较 上述各种启动方式各有自己的优缺点，每种方式在某些特定条件下都得到了应用。对于多台机 组电站，为获得更高的可靠性和经济性，往往采用两两组合的启动方式。最常见的有以下三种组合： 变频器启动为主，同步启动作备用；同步启动与同轴小电机启动的混合；同步启动或半同步启动与 降压启动的混合。国内大容量抽水蓄能电站( 可逆式机组) 启动方式见表1 2 。 表1 2国内抽水蓄能电站机组启动方式 启动方式作为大型抽水蓄能机组运行的关键技术之一，是电厂在抽水蓄能电站设计过程中首先 要考虑的问题。从技术发展发展来看，变频装置启动方式早期因晶闸管元件的性能差、价格高昂， 故使用不多，但随着电力电子技术水平的提高，变频装置不仅可靠性不断提高，而且造价也逐渐降 5 东南大学硕士学位论文 低，因而使用范围不断扩大，在抽水蓄能机组启动方式中占据了主导地位。在已建、新建和待建的 我国抽水蓄能电站中，1 0 m w 级抽水蓄能机组采用变频器约占八成，尤其是二十世纪九十年代以后 兴建的抽水蓄能机组，几乎毫无例外地全部都采用了启动变频器，它具有起动容量大、起动平稳、 反应速度快、维护工作量小、可靠性高以及具有很强的自我诊断能力，能够满足抽水蓄能机组在调 峰填谷中频繁启动的要求等优点。考虑到静止变频启动的各种优点，在改造的过程中，潘家口抽水 蓄能电厂仍延续采用变频启动作为抽水蓄能机组的启动方式。 1 4 本文主要研究工作与内容安排 抽水蓄能作为现代电力系统的一种先进调节手段，近年来得到快速发展。抽水蓄能机组的起动 是蓄能机组水泵工况下运行控制的关键技术，本文对目前抽水蓄能机组运行抽水工况下的静止变频 变频起动问题进行了深入研究，并在此基础上对静止变频器的控制装置进行了实现。本文内容安排 如下： 第一章首先介绍了抽水蓄能电站中静止变频器的国内外研究现状，对抽水蓄能机组的主要启 动方式做了概要性的论述，指出了静止变频启动是大容量抽水蓄能机组的首选启动方式，并阐明了 本文研究的目的和意义。 第二章对静止变频器进行阐述，在全面分析静止变频器的工作原理的基础上，提出静止变频 器脉冲换相和自然换相阶段匾逆变器定角度v 的处理方法。 第三章建立了同步电动机的数学模型，分析了同步电动机静止变频器启动的过程，给出了转 子初始位置角的计算方法，提出了静止变频启动的控制策略。 第四章s f c 控制系统的硬件设计和实现。从s f c 控制系统的对外接口出发，结合要实现的功 能，采用模块化的设计思想，并以此为基础详细介绍了整个控制系统的电路设计过程。 第五章介绍了s f c 控制系统的软件设计和实现，给出了软件设计和流程。 第六章仿真试验结果与分析。 第七章对全文进行了总结，分析了继续研究的方向。 6 第二章抽水蓄能机组静止变频器( s f c ) 启动的工作原理 第二章抽水蓄能机组静止变频器( s f c ) 启动的工作原理 2 1 概述 抽水蓄能机组抽水工况时，可逆式机组运行在同步电动机状态，电机由零到额定转速的启动过 程，可以看成为由零到额定转速的调速过程，根据同步电机转速计算公式刀26 u ，p 妒n u n ) ， 在极对数不变的情况下，同步电机的转速与电压频率保持严格的同步关系，可以通过改变电源频率 ，的方法来改变同步电动机的转速。 根据逆变输出频率控制方式，同步电机变频调速系统可分为自控式和它控式两种。它控式变频 调速指的是给同步电机供电的逆变桥是独立的，逆变桥输出频率由转速给定信号决定。这种控制方 式多用于转速开环调速系统，适于多台机组并联运行的场合，但存在转子振荡及失步的问题。自控 式变频调速系统，不同于它控式变频调速系统，它是变频器输出频率受转子位置( 也是转子转速) 信 号的严格控制，而不是由外部给定信号控制。每当电动机转过一对磁极，变频器的交流电输出相应 地交变个周期，这样变频器的输出频率和电动机的转速始终保持同步，由此保证了在启动过程中不 会产生失步现象。它用变频启动方法起动，改善了原来同步电动机的起动特性，同时兼有同步电动 机功率因数好的特点。 在同步电动机调速系统中，静止变频器所采用的功率器件可为全控型器件，如p m o s f e t 、 i g b t 、g t o 、i g c t 等。由于受到开关器件额定电压和电流的限制，对于大容量交流调速系统，变 频器多采用半控型电力电子器件普通晶闸管( s c r ) 。由于这种器件的开通可控、关断不可控， 在逆变桥中，需要采用特殊的关断措施才能达到变频的目的，因此由晶闸管组成的变频器要比自关 断器件复杂得多。但如果把交直交晶闸管电流型变频器与同步电机相结合，利用同步电动机的交 流反电动势( 电压) 来关断逆变桥中的晶闸管，将省掉强迫换流装置，使此变频器和由自关断器件 组成的交直交变频器同样简单。这种同步电动机调速系统在工作原理、特性及调速方式上类似于 直流电动机系统【l 。因此，采用普通晶闸管组成的静l 二变频器给同步电动机供电，在要求大容量、 高转速、高性能的可调速领域，获得了广泛应用，尤其在大型抽水蓄能电站蓄能机组软起动方面发 挥了重要作用。 2 2 静止变频器拓扑结构 2 2 1 拓扑结构分类 根据目前各主要变频器制造厂家的不同研制和开发，现有高压静止变频器的拓扑结构不尽相同： 根据采用的电压的不同，可分为直接高压的“高一高”型和通过降、升压变压器的“高低高”型( 实 际为低压变频器) ；根据中间的耦合形式，分为交一交型和交直交型。 对于交一直一交的变频器，义可根据中间直流耦合环节组合的不同( 采用电抗器或电容器的耦合方 式) 分为电压源型和电流源型的变频器。目前国内抽水蓄能电站静止变频器的主回路构成方式中，普 遍采用由可控硅、平波电抗器构成的交直交电流源型变频器。 由于通用高压变频器一般为六脉波整流桥，产生的谐波较大，而利用变压器二次绕组接法的不 同，二次绕组分别采用星形和三角形接法，使两组三相交流电源间相位错开3 0 0 ，整流电路的脉波 数由6 脉波提高到1 2 脉波，可有效抑制低次谐波，因此，上述“高高”和“高低高”两种型式的 静止变频器主回路中，又各有六脉波和十二脉波两种方案，即共有4 种拓扑结构：“6 脉波高一高” 结构、“1 2 脉波高高”结构、“6 脉波高一低一高”结构和“1 2 脉波高低高”结构，如图2 - l 所示。 7 东南大学硕士学位论文 图2 1 a“6 脉波高高”结构 图2 1 b“1 2 脉波高高”结构 图2 1 c “6 脉波高低高”结构 a x 眦 之之 专 事彳 c z 图2 1 d“1 2 脉波高低高”结构 2 2 2 本课题静止变频器拓扑结构 为了确定潘家口抽水蓄能电站静止变频器的主电路的拓扑结构，首先必须深入分析每一种拓扑 结构的优缺点： 1 “6 脉波高高”结构：优点是线路简单；缺点是线路对地电压高，晶闸管多串，要求均压及触 发电路复杂，并且变频器低速阶段工作效率不高。 2 “1 2 脉波高高”结构：优点：电源侧无5 、7 次谐波，电网电流波形好，变流器数量增多， 但每个桥臂上的元件数可减少5 0 ，有利于元件间的均压，当主回路中间同路接地或交叉方式 时对地电压可减少5 0 ；缺点：电源侧需设置三绕组变压器，增加成本，负载侧的电机定子 绕组，不能接成y 连接，电机绕组额定电压比y 连接提高( 相当于电源的线电压有效值) 。 3 “6 脉波高低高”结构：优点：中问回路电压低，适用于当前晶闸管供应情况( 阻断电压 8 第二章抽水蓄能机组静止变频器( s f c ) 启动的工作原理 6 5 k v ) ，元件串联数量少，易于均压和电压保护，可应用大功率晶闸管元件( 4 寸元件、电 流3 0 0 0 a 以上) ，晶闸管数量少，可靠性高，线路简单由于增加旁路开关，提高了逆变桥工 作效率；缺点：变压器成本高，变压器保护及放火技术复杂，成本大，电源侧变压器t 为5 0 h z 恒频，电机侧变压器为0 - 5 0 h z 变压变频，且含有一定的直流磁化，制造上需特殊考虑。 4 “1 2 脉波高低高”结构：优点是谐波少，电源侧无5 、7 次谐波，电网电流波形好，并且容量 较6 脉波方式可增大一倍，可用于大功率同步电机系统( 如2 0 m w 以上同步机方案) ：缺点是 变压器成本高，需要三绕组变压器，为限制两个次边问的影响，通常采用裂接方式； 从上述分析可见，高低高型静止变频器实际上采用输入侧降压变压器和输出侧升压变压器以 便使逆变桥电压与电网和发电电动机定子侧相匹配。由于抽水蓄能电站的发电电动机容量大都比较 大，考虑到系统的变压器、电抗器配置和导线配备等因素，高低高型静止变频器投资较大。但主 要考虑到电力电子元器件的电压承受能力和一个桥臂所能串联的晶闸管的个数，当前不少系统仍采 用这种高低高型静止变频器。不过随着晶闸管等电力电子器件的开发和发展，静止变频器在承受 的电压和电流能力上都将有很大的提高，则六脉波高高型静止变频器必将成为今后发展的主流。原 因主要有以下两点： 1 从经济性方面考虑，其余三种型式在输入侧都必须配置有大容量的隔离变压器，高一低一高型静 止变频器主回路还必须配置大容量的升压变压器，电抗器和导线设备等，电流容量也相对加大， 而六脉波高高型静止变频器只需配置有5 、7 、ll 、1 3 次谐波滤波器组，价格成本上有很大优 势，即使与“1 2 脉波高高”结构相比，虽然需多增加5 、7 次谐波滤波器组，但是滤波器的价 格相比一套6 脉整流桥装置来说，是微不足道的，因此可以极大地降低成本； 2 从可靠性方面考虑，由于设备的减少，拓扑结构非常简单，运行维护成本都较低，可靠性相对 也较高。 综上所述，综合考虑经济性、可靠性两方面的因素，推荐采用“6 脉波高高”结构，变频器主 回路为晶闸管“交直交”电流源型。本文针对潘家口抽水蓄能电站4 2 4 8 极机组变频启动，采用“六 脉波高一高”方案进行静止变频器( s f c ) 的设计。 2 3 抽水蓄能机组变频启动的基本工作原理 抽水蓄能电站中的变频装置采用的是自控式变频调速系统，它通过半导体变流器把电源功率变 成可变频率的交流电功率。对同步电机进行变频调速，和一般的异步电机或同步电机变频调速不同， 它的输出频率不是独立的，而是受同步电机转子位置所控制的，每当电机转过一对磁极，变流器的 交流电输出相应地交变一个周期，它能保证变频器的输出频率和电机转速始终保持同步，而不产生 失步和振荡，这是自控式同步电机的重要优点之一。 2 3 1 抽水蓄能机组静止变频器启动的原理结构 将待起动的大型同步电动机( 抽水蓄能机组) 与静止变频器相联，由变频器提供给电机一频率 可调的电源，同步电动机加适当的励磁，当变频器的频率由零逐渐额定频率时，同步电动机便会由 静止逐渐升到额定转速。静止变频器启动装置就是利用变频的方法，实现抽水蓄能机组由零到额定 转速的启动过程。 前面已经讲到本课题静止变频器采用“六脉波高高”的拓扑结构以及变频器主回路为晶闸管“交 直交”电流源型的设计方案。图2 2 给出了抽水蓄能机组变频器系统的结构示意图。当蓄能机组带 变频器运行时，同期断路器r c b 为分离状态，变频器串接在机组与电网之间，起着两交流系统之间 的频率隔离作用。变频启动装置的基本构成：三相全控整流桥与逆变桥组成的交直- 交电流型变频器、 与电网及机端电压匹配的变压器、限流电抗器、平波电抗器、相应的高压开关设备以及控制保护系 统等。 9 东南大学硕士学位论文 图2 2 静止变频器系统的结构原理图 图2 3 是静止变频器主回路的接线原理图，它由三相网侧晶闸管桥( s r n ) 和机侧晶闸管桥( s r m ) 以及平波电抗器l d 组成。由于抽水蓄能机组在水泵工况下，机组作同步电动机运行。因此，s r n 为 整流桥，从电网中将交流电能转换为中间回路的直流电能；s r m 为逆变桥，将中间回路的直流电转 化为交流电能。s r n 和s r m 通过平波电抗器l d 连接起来，l d 限制直流回路的电流上升率，起着平波 限流的作用。与一般意义上的晶闸管交直交电流型逆变桥不同，该主回路无强迫换相电容和串联二 极管，靠抽水蓄能机组的反电动势进行换相。启动电机时，电网侧整流桥将恒频、恒压的交流电变 成电压可调的直流电然后通过电机侧逆变桥逆变成与电机转速相对应的频率和电压逆变桥输出 的可变频率的电流送至定子绕组，与此同时，电站的励磁系统对被启动机组供给励磁电流，已励磁 的转子与定子电流产生的旋转磁场相互作用，使转子产生转动力矩而启动。 s r n l d s r m 一 一 i35 2z土zi 5z5z57 a b 、 cj ， ， 462 z2z ； z5乙57 j 一 图2 3静止变频器主回路的接线原理图 控制系统的主要作用是把来自转子位置检测器( p s ) 的信号进行分析，判明转子真实位置和转 速后，按一定的控制策略产生控制信号，控制变频器输山三相电流( 电压) 的频率、幅值和相位大小， 达到电机转速跟踪转子转速的目的。机组在低速运行阶段，采用的是机械式位置传感器来判明转二f 真实位置和转速，高速阶段利用转速和频率正比关系来间接测量转子转速。 上述同步电机变频调速系统与一般直流电动机具有基本相同的调速特性，即只要改变电动机的 输入端电压或励磁电流的大小，就可方便地在广阔的范围内进行无级调速。这主要是因为二者在原 理上具有基本相似的结构，在直流电动机的情况下，换向器起着逆变的作用，把电源的直流电逆变 交流电送入电枢绕组；在直流发电机的情况下，换向器起着整流桥的作用，把电枢中发出的交流电 转变成直流电