2024年-抽水蓄能机组抽水工况的启动SFC演示幻灯片

抽水蓄能机组抽水工况的启动（1）报告人姜树德11））1启动方式概述2024/5/621）主要启动方式对于多机式机组，由于抽水和发电的旋转方向一致，可以用水轮机或辅助的小水轮机将机组启动到同步转速，并入系统后，切换水路，使机组转为抽水工况运行。对于两机式的可逆机组，由于抽水和发电的旋转方向不同，必须采取另外的措施来启动机组。在抽水蓄能技术发展的过程中，曾经和正在采用的可逆式机组启动方式主要有以下几种：－全压启动－降压启动－同轴小电动机启动－变频启动装置启动－“背靠背”启动2024/5/631）其中前两种为异步启动方式，机组直接（全压）或经阻抗或变压器（半压）并入电网，转子的阻尼条相当于异步电动机的鼠笼条，机组作为异步电动机被驱动加速。转子转速接近于同步转速时，投入励磁，使机组拖入同步。这种方式适用于中小容量机组，如果机组容量大，则并网时对电网和机组自身的冲击都较大。采用同轴小电动机启动方式时，专用于启动的小电动机与主机同轴连接，小电动机的电源来自厂用电。小电动机将机组拖到同步转速后，机组并网，断开小电动机的电源。这种方式增加了机组总高度。正常运行时小电机随机组空转，降低机组的效率。这种方式过去在国外采用较多，但新建的蓄能电站已经较少采用，国内则从未用过。2024/5/641）同步电动机与异步电动机机械特性的比较2024/5/651）同步电机的起动——异步起动异步启动原理线路图同步电机的阻尼绕组2024/5/661）2SFC变频启动2024/5/671）2.1静态变频启动装置(SFC)简介

如果机组容量大，则必须采取减少冲击的“软”启动方式，国内外最常用的是采用静态变频启动装置(以下简称SFC)启动。SFC的功能是将工频50Hz的输入电压，转化为频率在0~50Hz范围可调的输出电压。SFC的容量，一般为被启动电机容量的6%～10%。机组转速、飞轮矩、额定容量和用户要求的启动时间及机组各部分损耗均会影响到SFC装置的容量选择。一般要求SFC装置的容量应满足在3.5～4.0min内将机组从静止状态加速到同步状态所需的最大功率要求。2024/5/681）机组在启动前，先要在转轮室内充入压缩空气排水，以减少启动过程中的阻力转矩。随着SFC输出频率的逐步上升，被驱动机组不断加速。待转速达到同步转速时，机组并入电网，断开与SFC之间的连接。然后撤除转轮室的压缩空气，注水造压，并依次打开进水阀和导叶，开始抽水。2024/5/691）

2.2SFC的分类

广义地讲，SFC可以分为电压源和电流源型。电流源型中又可以分为负载换相式和可关断元件式。蓄能电站的SFC属于负载换相式(LoadCommutatedInverter，LCI)，逆变器的换相依靠被拖动的同步电机的反电动势实现。与工业拖动中连续运行的SFC不同，抽水蓄能电站的SFC是一种短时工作制的设备，只在水泵工况启动的过程中运行，机组并网后即退出。的容量是按照招标时要求的工作和间歇时间来设计的。2024/5/6101）按照整流器和逆变器的工作电压，SFC可以分为高－高接线方案和高－低－高接线方案。高－低－高接线方案的SFC的整流器经降压变压器接到来自电力系统的电源，整流器的输入交流电压低于其电源电压（大多数情况下是主变压器的低压侧电压，亦即机组端电压）。输出侧经变压器升到机组电压。高－高接线方案的SFC的整流器经或电抗器或变比为1的隔离变压器接到其供电电源，整流器的输入交流电压与机组端电压相同。输出侧不需要接变压器，而是经电抗器输出。高－高接线方案的SFC的整流器桥臂的工作电压较高，需串联的晶闸管元件数量较多。高－低－高接线方案的SFC的整流器桥臂的工作电压较低，需串联的晶闸管元件数量较少。各种接线方案的构成见图1。2024/5/6111）高--高方案输入变的变比为1:1，主要起隔离作用2024/5/6121）高-低-高方案6脉波2024/5/6131）高-低-高方案12脉波2024/5/6141）2.3SFC的构成

SFC装置一般由输入变压器（或输入电抗器）、晶闸管整流器、平波电抗器、晶闸管逆变器、输出变压器（或输出电抗器）等组成，见图。该图为当前采用较多的高－低－高接线方案。2024/5/6151）

2024/5/6161）（1）输入变压器采用高－低－高接线方案，输入变压器为降压变压器，使来自系统的电压与整流器的工作电压相适配，减少各桥臂串联的晶闸管元件的数量。输入变压器接线组别多采用Yd或Dy，以削弱整流器产生的3次及阶次为3的整数倍的谐波，并减弱其他阶次谐波对电站和电力系统的干扰。设置输入变压器，对抑制谐波谐振有明显效果。网桥采用12脉波方案时，则采用双二次绕组的输入变压器。接线组别应当是Ddy,以配合12个桥臂的导通脉冲在360o电空间的均匀分布。如果变压器容量较大时，多采用油浸式。容量较小时，也可采用干式变压器。（2）输入电抗器有的工程中，SFC不设输入变压器，而是经由输入电抗器接到晶闸管整流器。输入电抗器可以限制可能发生的的短路电流。这种接线属于高－高方案，整流器和逆变器的工作电压较高，且不能阻断3次及阶次为3的整数倍的谐波。2024/5/6171）（3）晶闸管整流器SFC的晶闸管整流器也称为网桥，为一个或两个三相全控整流器，每个桥含6个桥臂，用于将来自电网的交流电流转换为直流电流。根据网桥的工作电压和晶闸管的反向电压承受能力，每臂可能由几个晶闸管串联构成，也可能只有一个晶闸管。如采用两个三相全控整流桥器串联的方式，可以进一步减少注入到电网的谐波含量。这种方案共有12个桥臂，相应的触发脉冲有12个，所以也称为12脉波方案。晶闸管有的门极触发单元，用电脉波触发，信号来自SFC的控制器。控制器将电信号转化为光信号用光纤传输到各晶闸管，保证了高电压功率元件与控制元件之间的隔离。2024/5/6181）晶闸管可以采用风/水冷却方式、水/水冷却方式或强迫风冷方式。采用风/水冷却方式时，晶闸管的热量由强迫循环的空气带走，空气的热量经冷却器即气水热交换器随冷却水排走。采用水/水冷却方式时，晶闸管的热量由强迫循环的去离子水带走，去离子水由绝缘性能良好的塑料管路引至冷却器即水/水热交换器，热量随电站冷却水排走。2024/5/6191）（4）平流电抗器对于电流源型的SFC，电抗器是必不可少的电流储能型设备，保证了SFC向负载提供稳定的电流。平流电抗器有空气芯和铁芯两种。空气芯电抗器采用自然风冷却或强迫风冷却，铁芯电抗器采用风冷却或水冷却。风冷却空气芯电抗器的体积较大，必须独立布置。采用水冷却的电抗器比较紧凑，可以安装在柜内，和SFC的整流柜、逆变柜等组装成一排，节省占地面积。装入柜内的电抗器的水冷却方式与晶闸管的水冷却方式相同，且与其组成统一的冷却系统。2024/5/6201）（5）晶闸管逆变器SFC的晶闸管逆变器也称为机桥，为三相全控逆变器，每个桥含6个桥臂，用于将直流电流转换为频率可调的交流电流。构成、触发方式、冷却方式与整流器相似。（6）输出变压器输出变压器使逆变桥的工作电压与机组电压相适配，减少各桥臂串联的晶闸管元件的数量。SFC是一个靠负载电压换相的电流源，输出变压器把机组电压降为与逆变器适配的工作电压，以保证逆变器的换相。输出变压器从5Hz开始就要投入运行。2024/5/6211）（7）输出电抗器输出电抗器可以限制可能出现的短路电流。（8）旁路开关当被拖动机组转速低于额定转速的10%时，由于电压和频率都很低，为了避免输出变压器运行在过低频率下，也为使机组得到较大的启动电流，通过旁路开关S2直接与发电电动机绕组相连，当机组转速大于额定转速的10%后，旁路开关S2断开，S1合上，输出变压器接入。2024/5/6221）9）控制器SFC控制系统的核心是其控制器。由处理单元、存贮器单元和各种输入/输出插板构成，用于监控和保护内部元件和相连的外部设备。检测到事故时，它将作出反应，包括立即或延时关断网桥和机桥，立即或延时跳闸和/或发出报警信号。各种事故信号通常经由串行通信传送到全厂的计算机监控系统，但作为后备，还有以开关量方式输出的硬接线综合信号。软件的功能包括SFC的调节，即根据外部输入，直接或经过计算获得机组的信息，包括当前转速和转子位置等。根据这些信息计算出应当采用的控制角的大小，以及应当导通的桥臂，从而控制机组的转速和转矩。控制命令最终转化为经由光缆向每个晶闸管输出的触发信号。2024/5/6231）2.4SFC的运行原理

1）简述SFC运行的关键是成功实现逆变，而逆变成功的关键是按照预订的顺序、实时实现闸管的换相，即一个桥臂晶闸管关断、另一个桥臂晶闸管开通，使电流从前者转移到后者。开通晶闸管必须同时具备两个条件：--在阳极和阴极之间施加正向电压，--在门极施加触发脉冲。晶闸管一旦开通，门极就失去控制作用，即使触发脉冲已经撤除，只要正向电压存在，晶闸管就会继续导通。关断晶闸管必须采取以下两条措施中的一条：--在阳极和阴极之间施加反向电压，--关断给晶闸管供电的电流源或电压源。2024/5/6241）由于SFC逆变器的供电对象是有源负载同步电机，在转速高于10％时（各工程取值略有差别，以10％即5Hz者居多，为了叙述的方便，以下均采用10％和5Hz），可以利用同步电机的三相交流电动势来关断逆变器中的晶闸管，即实现自然换相即同步换相。但是，在启动的初始阶段，当转速低于额定值的10%时，电机的电动势不足以关断逆变器中的晶闸管来维持换相，此时必须由SFC依次向电机定子各相绕组提供电流脉冲，实现所谓强制换相（即脉冲耦合换相）。2024/5/6251）2）转子位置的识别不论处于哪个启动阶段，采用哪种换相方式，控制系统都需要知道转子的位置，以便确定为使转子获得最大转矩应该通电的定子绕组相别，从而确定应该导通的桥臂。以往采用感应型或光电型的轴角传感器来测位，现在主流厂家采用的是计算电机电压矢量的办法确定转子位置，省去了传感器。以下的分析中均以无传感器的方案为例。为了分析的方便，假定电机的极对数为1，电角度与空间角度一致；假定逆变桥直接连接到电机。这个分析的结果很容易推广到多对极的电机和有输出变压器情况中去。2024/5/6261）（1）转子初始位置的识别启动之初，转子处于静止状态时，不能用定转子相对运动的机理来判断转子位置。但是在施加励磁电流的初瞬间，电机定子三相绕组中会感应出电动势，利用这些电动势，可以推算出转子的位置施加励磁电流时，定子三相绕组中因互感产生的磁通可以用式1表示。2024/5/6271）（1）转子初始位置的识别2024/5/6281）2024/5/6291）（1）转子初始位置的识别

2024/5/6301）（1）转子初始位置的识别定子三相绕组中感应出的电动势可以用式3表示：2024/5/6311）（1）转子初始位置的识别定子三相绕组感应电动势的最大值出现在转子绕组施加电压的初瞬间，即t为0时，见式4。2024/5/6321）（1）转子初始位置的识别根据三角函数公式对式4进行求解，得式5。式中最终只含三相电压，不含不易确定的自感L和互感M.2024/5/6331）（1）转子初始位置的识别定子绕组空载时，eu0=uu

、ev0=uv

、ew0=uw，而各相电压是可以测得的，所以γ可根据式5求得，转子初始位置从而可以确定。采用tgγ推算γ。转子的可能初始位置则有无限多个，但机桥可能的导通桥臂组合只有6种。所以，必须将转子的无限多个可能初始位置归并为6种，以适应对机桥控制要求。2024/5/6341）图3定子空间的6个扇形区将电机定子内的空间划分为6个60o的扇形区，每个扇形区的轴线都是定子某相绕组磁场的轴线，如图3所示，转子必然处于六个扇形区之一。转子绕组施加电流的瞬间，转子处于不同位置时（见图4的A行），相应的γ值的范围如图4的B行所示。反过来讲，可以从B行的结果反推出A行，即只要测得电机三相电压，算出γ角，便可推断出转子处于六个扇形区中的哪一个，实现了转子初始位置的识别。2024/5/6351）2024/5/6361）（2）频率低于1Hz时转子位置的识别

转子开始转动，但频率低于1Hz（即转子转速低于2%额定值）时，定子各相绕组感应电动势的幅值很低，尚不能利用后面讲到的高转速时将要采用的积分法求得转子位置。这时采用的转子位置识别方法为估算法，具体原理如下。转子的运动公式见式6.2024/5/6371）（2）频率低于1Hz时转子位置的识别

2024/5/6381）图4转子初始位置、获得最大转矩所需的电流方向及导通桥臂

2024/5/6391）（2）频率低于1Hz时转子位置的识别I为定子电流，由SFC提供，选择合适的控制角，可以使其为常数；Φ为转子磁通，由励磁系统提供的电流确定，在此转速范围内为常数；所以TM在此转速范围内为常数。转速从零到2%额定值的范围内，可以近似认为阻力矩TR是常数。2024/5/6401）2024/5/6411）（3）频率高于1Hz（转速高于2%额定值）

时转子位置的识别

转速高于2%额定值时，定子端电压的幅值已经足够大，可以利用更为精确的计算方法实现转子位置的识别。各相绕组端电压是由转子磁场运动产生的，其幅值与当时的转子空间位置直接相关，所以各相绕组端电压幅值的组合能够反映转子的位置。但利用三相坐标系直接推算转子位置并不方便，应另寻蹊径。回顾一下矢量分析方法中采用的电机两相静止坐标系，即α-β坐标系。这种坐标系的α轴与定子U相磁场轴线相重合，β轴滞后于α轴90o，见图5。2024/5/6421）（3）频率高于1Hz时转子位置的识别图5

2024/5/6431）2024/5/6441）（3）频率高于1Hz（转速高于2%额定值）

时转子位置的识别

根据交流电路基本公式，可以从uα、uβ、iα和iβ以及同步电机的R、Lα(α等效绕组的自感)Lβ(β等效绕组的自感)、M(α等效绕组与β等效绕组之间的互感)等已知参数，根据式13和14求得eα和eβ。2024/5/6451）（3）频率高于1Hz（转速高于2%额定值）

时转子位置的识别

2024/5/6461）（3）频率高于1Hz（转速高于2%额定值）

时转子位置的识别

2024/5/6471）（3）频率高于1Hz（转速高于2%额定值）

时转子位置的识别

2024/5/6481）转子位置识别小结（1）转子静止时，在转子绕组通以励磁电流。突然施加的电流在三相绕组感应出不同的电动势。利用三相电动势的数值可计算转子初始位置。（2）转子开始转动但转速低于2%额定转速时，利用转子运动方程，积分获得转子实时位置。（3）转子转速高于2%额定转速后，实测三相电压和电流，并转换为α－β坐标系的电压、电流，并据此求得eα和eβ。对eα和eβ积分获得Φα和Φβ。二者比值的反正切即是转子的位置角γ。2024/5/6491）2）逆变器的换相获得各个时刻的转子位置信号后，就可以根据此信号确定此刻应该导通的机桥桥臂，并发出相应的触发脉冲。触发脉冲应当使导通的绕组组合最为合理，以便获得最大的驱动转矩。转子位置必然处于6个扇区之一，可能的导通桥臂组合也有6种，从一种导通组合向另一种导通组合的过渡称为换相。换相过程中，有一个桥臂继续维持导通，还有一个桥臂关断、一个桥臂开通。有两种换相方式：强制换相和自然换相。2024/5/6501）（1）强制换相

如果被拖动电机电压足够高，换相期间，应关断的桥臂承受的电压由正向变为反向，换相自然完成。但在启动的初始阶段，当转速低于额定值的10%时，电机的电动势太低，不足以关断逆变器中应关断的晶闸管来维持换相，此时必须由SFC依次向各相绕组提供脉冲，实现所谓强制换相。按照表中D行的要求，控制器发出导通脉冲，使晶闸管轮流导通。2024/5/6511）逆变器的强制换相过程：①将整流器变为逆变方式，使其直流电流减到零。②逆变器因无电流供电，其所有的晶闸管必然关断。③确认直流回路中电流为零后，重新开通整流器，并向下一轮中应当导通的晶闸管发出导通脉冲。强制换相运行时必须反复关断、开通晶闸管，所以各相电流的波形是间断的。导通脉冲的发出时刻是根据转子的当前位置确定的，确定的原则是使转子获得最大的转矩。图4的D行列出了针对不同的转子位置，应当导通的逆变器桥臂。E行则列出了各相电流的波形。2024/5/6521）不难看出，每个周期中，电路被关断6次，重新开通6次，定子电流和驱动转矩都是断续的。由于转子的惯性，在驱动转矩为零期间，转子会继续转动，并逐步加速。在转速低时，周期较长，电路的关断和重新开通所需要的转换时间在一个周期内所占的比例不大，关断和重新开通得以顺利完成。随着转速的上升，周期变短，在一个周期内要完成6次转换就越来越困难。这种换相方式的频率上限约为8Hz。实际上，在频率达到5Hz后，就采用自然换相了。2024/5/6531）图4转子初始位置、获得最大转矩所需的电流方向及导通桥臂2024/5/6541）

导通桥臂从1和2转换为2和3时，电机绕组波形的变化。2024/5/6551）（2）自然换相

频率大于5Hz后，电机的电动势已经能够使逆变器实现自然换相。导通桥臂的组合仍然根据图4的A行、C行和D行的关系确定，以使转子获得最大转矩。图6说明了控制角a为150o时逆变自然换相的过程。2024/5/6561）

图6自然换相的实现在时刻D之前，桥臂6和5导通。桥臂1在时刻D收到触发命令而导通，桥臂1的导通使共阴极的电位与a点相等，桥臂5阴极的电位从而也等同于a的电位e1。而桥臂5阳极的电位为c点电位e5。由波形图可以看出，此时e1>e5，所以桥臂5承受反向电压关断，导通组合变成了桥臂1和6.

D2024/5/6571）转子位置的辨识方法和换相方法随频率的变化2024/5/6581）2.5SFC启动过程SFC的控制方式可以是：由计算机监控系统（CSCS）远方自动控制，或通过SFC控制器上的按键手动控制。两种方式的选择由SFC控制器上的现地/远方选择按键实现。SFC处于可用状态时，可投入运行。SFC可用的条件是：所有的控制和动力电源可用并已投入，无报警、无事故。以下以远方自动控制方式为例，介绍SFC的启动过程。2024/5/6591）2.5SFC启动过程

（1）CSCS的机组LCU合上被启动机组的被拖动隔离开关，做好主回路启动准备。（2）CSCS的启动用LCU（或公用LCU或开关站）向SFC发出“SFC辅助设备启动”的命令，SFC将自动启动辅助设备，如冷却风机（风/水冷却）、冷却单元去离子水泵（水/水冷却）、整流器和逆变器风机或冷却水阀门。（3）辅助设备启动后，SFC检测到输入/输出变压器风机正常、去离子水流和导电率正常（水/水冷却）、整流器和逆变器的空气温度正常（风/水冷却）。2024/5/6601）2.5SFC启动过程

（4）选择被拖动机组。（5）确认被拖动机组GCB断开、被拖动刀闸合上、输出断路器已合上后，自动合上输入断路器。（6）确认SFC输入断路器合闸且机组励磁已投入后，SFC发出“SFC已运行”的信号给LCU。控制器开始向整流桥、逆变桥发出导通脉冲，向励磁发出给定值。机组开始加速。2024/5/6611）（7）f<5Hz期间，SFC将合上隔离开关S2（将输出变旁路）。SFC以强制换相方式控制逆变器晶闸管。（8）转速上升到5Hz时，晶闸管桥被暂时闭锁，电流消失。隔离开关S2断开，隔离开关S1闭合。（9）转速将继续上升，f>5Hz后，SFC解除脉冲闭锁，重新建立电流回路，SFC以自然换相方式控制逆变器晶闸管，电机转速继续上升。（10）转速达到98%额定转速时，投入同期装置，调节SFC的输出频率和被拖动机组的励磁。（11）满足同期条件后，合上GCB，同时闭锁SFC所有晶闸管的触发脉冲。（12）断开SFC的输出断路器，停止辅助设备的运行。2024/5/6621）

机组定子电流机组电动势机组转子电流SFC输出功率随时间的变化曲线2024/5/6631）2.6SFC的保护

SFC应当配备从输入变压器到输出变压器范围的保护，保护种类见表1。保护配置情况见图8。

2024/5/6641）2024/5/6651）2024/5/6661）2.7

SFC的容量估算2024/5/6671）图9

2024/5/6681）2024/5/6691）SFC的容量PR是转速的函数，要求解上述积分比较复杂。如果近似认为PR为常数，则积分可得：t=0.5Jωn2/(PSFC-PR)PSFC=PR+0.5Jω

n2/t式中，J为转动惯量，ω

n为额定转速对应的角速度，t为0起加速到额定转速的时间。上式可以用于估算SFC的容量。2024/5/6701）2.8SFC的谐波问题及对策

SFC作为电网的非线性负荷，必然产生高次谐波，对厂用电造成一定的谐波污染，对电力系统也有一些影响。但是，蓄能电站的SFC是一种短时工作的设备，上述影响是短时的，不应该按照对连续运行的谐波源的限制条件来对它提出要求。近几年来，在招标工作中，未能区分抽水蓄能电站与公共电网谐波分布的不同特点以及二者谐波限制标准的差异，对电能质量国家标准的理解不够全面，国内的蓄能电站在确定SFC的技术条件时，往往提出过于苛刻的要求，造成部分国内蓄能电站的SFC设置5、7、11、13、15、17次等高次谐波滤波器，不仅增加了成本，而且增加了地下洞室的开挖量。2024/5/6711）2.8SFC的谐波问题及对策深入的研究已经证明，采用6脉波方案、不设谐波滤波器的情况下，谐波的影响完全可以限制在允许的范围内。如果要进一步消除蓄能电站的谐波污染，关键是合理选择接线方式，只要接线合理（增大高压厂用变与SFC的电气距离、设置输入变压器或隔离变压器等），就不会对系统和厂用电造成影响，高次谐波滤波器完全不必装设。事实上，欧美和日本的大量抽水蓄能电站都采用6脉波方案，且不设滤波器，从来没有因此造成危害。2024/5/6721）2.8SFC的谐波问题及对策合理的谐波限制指标应当只对针对SFC与电站厂用电的连接处提出，而且只提出该点的电压总畸变率THD