抽水蓄能機組靜止變頻器啟動（SFC）控制策略研究與諧波分析

王海濤

（華東天荒坪抽水蓄能有限責任公司，浙江 安吉313302）

0 引 言

抽水蓄能電站是對電力系統(tǒng)進行調(diào)峰填谷和保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定經(jīng)濟運行的一種有效手段，其在電力系統(tǒng)中的重要作用而備受青睞。抽水蓄能具有容量大、儲能單位容量經(jīng)濟性高、使用壽命長等優(yōu)點。抽水蓄能機組通常有五種穩(wěn)態(tài)運行方式：發(fā)電、發(fā)電調(diào)相、水泵、水泵調(diào)相以及停機，其中需要外部電源對其啟動的是水泵電動機啟動方式。對于大型的蓄能電站最常用的啟動方式是以靜止變頻器啟動為主。

靜止變頻器主要由交－直－交電流型變流器、同步電動機、轉(zhuǎn)子位置檢測器及控制回路構(gòu)成。其核心是由晶閘管組成的整流橋和逆變器，通過相控這些晶閘管組實現(xiàn)同步電動機的供電電源頻率變化，從而實現(xiàn)調(diào)速作用。同時靜止變頻器自身的晶閘管換相和脈寬調(diào)制，伴隨著諧波的產(chǎn)生，也影響電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量使其電壓畸變，導(dǎo)致一些變頻器和濾波器無法正常運行。因此，減小和消除諧波是十分必要的。

1 靜止變頻器工作原理

靜止變頻器主要是利用同步電機過激磁時定子電流超前電壓的特性，同步電機的反電勢使變流器晶閘管達到自然換流。靜止變頻器的逆變器產(chǎn)生的頻率變化的電源來控制著同步電機的轉(zhuǎn)速，同時同步電機的反電動勢又作用于逆變器的換相，因此構(gòu)成閉環(huán)負反饋系統(tǒng)。它有著魯棒性好，結(jié)構(gòu)較為簡單，對電網(wǎng)沖擊較小等特點，在大型抽水蓄能電站等場合有著廣泛應(yīng)用。

1．1 靜止變頻器啟動原理

靜止變頻器起動是利用同步電動機與靜止變頻器配合完成，靜止變頻器向電機提供頻率可調(diào)電源，同步電動機提供適當勵磁。當變頻器輸出頻率達到額定頻率時，同步電動機相應(yīng)運行在額定轉(zhuǎn)速下。靜止變頻器主要是由同步電動機、變頻器、轉(zhuǎn)子位置監(jiān)測其PS和控制單元構(gòu)成，從控制過程看屬于自控式變頻調(diào)速系統(tǒng)，整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，其主回路由整流橋、逆變橋及平波電抗器Ld組成，與普通的交－直－交變頻器不同的是它靠同步電動機的反電動勢進行晶閘管換相。先將三相交流整流后再逆變成頻率可調(diào)的交流，輸出至同步電機M，控制單元通過轉(zhuǎn)子位置檢測器檢測同步電動機的轉(zhuǎn)速信號，根據(jù)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速后按一定的控制策略產(chǎn)生反饋信號，控制變頻器輸出包括三相電流、電壓、頻率、幅值和相位等信號，從而達到控制電機轉(zhuǎn)速的目的。

1．2 逆變橋晶閘管換流過程

變頻器實現(xiàn)三相頻率的改變主要靠晶閘管的通斷，即換流。變頻器中的晶閘管多為半控型，通過門極導(dǎo)通。晶閘管在導(dǎo)通情況下，門極失去作用，如果要實現(xiàn)其關(guān)斷，必須施加以反向電壓，且保持一段時間后才能可靠關(guān)斷。變頻啟動時，不同的運行階段采用不同的換流方式。需要特別了解的是當電機的轉(zhuǎn)速達到一定值后，晶閘管的換流是通過電機的電樞繞組在轉(zhuǎn)子的勵磁電流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場而產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢完成的，也稱反電動勢。轉(zhuǎn)速達到額定轉(zhuǎn)速的10%左右，此時的反電動勢便可使得晶閘管換相，這種換相方法稱為反電動勢換相法或自然換相法。對于控制好換流剩余角δ與換流超前角γ0是實現(xiàn)可靠的自然換相的前提。換流超前角與平均轉(zhuǎn)矩呈反比，為了提高過載能力，換流超前角須小，但也增加了換流失敗的概率。為了保證滿載時可靠換流，一般γ0取60%。

換相時因換相電感、阻尼繞組、勵磁繞組等儲能器件，使得換相過程不可能瞬時完成，這樣產(chǎn)生兩個換相的晶閘管同時導(dǎo)通，其導(dǎo)通時間稱為換相重疊角μ：

式中，Id為整流器輸出直流電流；U為相電壓有效值；Lk稱為換相電感，換相時起作用。自然換流過程為一個閉環(huán)控制過程，輸出的定子電流頻率受轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制，定子電流的角頻率亦為ω，其定子電流如圖2所示。

圖2 自然換流階段的定子電流

2 靜止變頻器控制策略

2．1 靜止變頻器啟動過程

靜止變頻器啟動過程可分為以下幾個階段：

（1）盤車階段。這個階段為了使PS產(chǎn)生控制信號，讓異步電動機帶動同步電機轉(zhuǎn)速達到額定轉(zhuǎn)速的2%左右，使得檢測器能檢測位置信號控制晶閘管的換流。

（2）斷續(xù)換流階段。這個階段電機的反電勢很小，不能使逆變器中的晶閘管實現(xiàn)自然換流，此時需采用斷續(xù)換流。此階段電流沖擊較大，同時晶閘管導(dǎo)通工作時間長，因此需限制逆變橋的電流，不能超過其額定電流的2／3左右。

（3）反電勢換流階段。當電機轉(zhuǎn)速達到10%額定轉(zhuǎn)速時，電機產(chǎn)生的反電動勢可以實現(xiàn)晶閘管的自然換流，而不需要加反向電壓。

（4）并網(wǎng)階段。這一階段，電機轉(zhuǎn)速升到額定轉(zhuǎn)速的95%～97%。并網(wǎng)過程中，不斷調(diào)整使電動機的電壓、相位、頻率等與電網(wǎng)保持一致，達到并網(wǎng)的條件后關(guān)閉SFC裝置。

2．2 恒定換流剩余角控制

對恒定換流剩余角的控制是保證電機順利啟動的關(guān)鍵，主要靠位置檢測器和觸發(fā)控制電路完成。

（1）位置檢測器

位置檢測器接有電流互感器CT和電壓互感器PT，如圖3所示。主要是檢測同步電機的定子繞組電流和端電壓，然后根據(jù)其值計算得到同步電動機的反電勢的基波信號E，計算公式如下：

圖3 位置檢測器原理圖

位置檢測器輸出的反電勢基波為正弦波信號，這樣也可以進行相位上的補償。為了得到一個頻率正比轉(zhuǎn)速而幅值不變的正弦信號，在位置檢測器電路中串入了一個除法器。

（2）觸發(fā)控制電路

逆變橋在換流時必須保證一個最小逆變角。為了使逆變橋的晶閘管工作在理想狀態(tài)，這樣就要保證逆變角盡可能小。這個最小逆變角需要考慮兩個因素：隨電路參數(shù)變化的換流重疊角μ和反應(yīng)晶閘管元件固有關(guān)斷時間的換流剩余角δ。那么最小逆變角應(yīng)滿足：γmin≥μ＋δ。逆變器觸發(fā)角控制電路得到電氣位置檢測器的輸出信號，與經(jīng)過加法運算的電流基準信號與電壓信號和手動設(shè)定信號，相乘得到換流重疊角。換流重疊角計算比較困難，它與主回路的電流、漏感及頻率等參數(shù)密切相關(guān)而不易得到。在實際的電路設(shè)計時，采用靈活的補償方式，如圖4所示。

圖4 逆變控制角控制原理圖

3 靜止變頻器諧波分析

3．1 諧波分析

晶閘管換相和脈寬的調(diào)制，會產(chǎn)生一些高次諧波，這些諧波帶入電網(wǎng)中使電網(wǎng)的功率因數(shù)下降，整個電網(wǎng)電能質(zhì)量下降。解決高次諧波的辦法主要有兩種措施：裝配諧波補償裝置和在調(diào)速系統(tǒng)主回路采用12脈波或更多脈波數(shù)的電路結(jié)構(gòu)形式。目前普遍使用效果較好的為后一種方式。

電網(wǎng)中含有h次諧波電壓含有率為：

式中，Uh為h次諧波電壓（方均根值）；U1為基波電壓（方均根值）。也可以按以下公式計算：

式中，Ih為h次諧波電流值；UN為電網(wǎng)的標稱電壓；Zh為系統(tǒng)對h次諧波電流的阻抗，又有為公共連接點的三相短路容量。

3．212脈波換流器的電流分析

12脈波換流器采用兩個三相全控整流橋串連組成，每個全控整流橋有6個橋臂，所以一共12橋臂。兩個整流橋完成一次動作的時間定義為一個周期，一個基波周期內(nèi)各橋的直流電壓完成了6脈動，共12脈動。其中一個整流橋的各臂之間電壓相位差為30°。兩組換流器采用相同的控制角α和換相角γ。12脈動換流器的原理圖如圖5所示。經(jīng)12脈動換流器整流后的總電流基波和諧波分量為：

圖5 三相十二脈全控整流電路

式中，I（n）為六脈波換流器時的諧波電流分量

式中，KT為變壓器變比

由上式可知，12脈波變流器諧波電流有效值為2 KTI（n），諧波電流中含有12k士1次諧波分量，而在六脈波換流器的諧波電流分量中濾波去了5次、7次、17次、19次等諧波電流。

3．3 諧波抑制措施

諧波抑制一般采用無源濾波器或有源濾波器。有源濾波器具有跟蹤系統(tǒng)特性好，但成本高，而無源濾波器的濾波效果相對較差，但造價較便宜?；旌闲蜑V波器采用無源濾波器與有源濾波器并聯(lián)方式，結(jié)合兩者的優(yōu)點，部分諧波與無功功率主要由無源濾波器進行補償，無源濾波器未補償完的諧波由有源濾波器來補償，同時有源濾波器還起到抑制無源濾波器和電網(wǎng)可能發(fā)生的諧振的作用。這種設(shè)計使整個系統(tǒng)的造價和容量可大大降低，而且性能優(yōu)于無源濾波器。如圖6所示。

圖6 混合型濾波器

4 結(jié) 論

本文對大型抽水蓄能機組SFC裝置的構(gòu)成和工作原理進行闡述和分析的基礎(chǔ)上，介紹了SFC的控制策略，并提出了SFC裝置消除諧波的方案，采用12脈沖方法可有效地消除5、7次諧波。

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