浅谈抽水蓄能电站静止变频装置(SFC)

摘要:抽水蓄能机组运行的主要特点是起停频繁,当抽水蓄能机组工作在水泵工况时,如何起动抽水蓄能机组(同步电动机)就变得尤为关键。目前在大型抽水蓄能电站中,静止变频器(SFC)起动是抽水蓄能机组最主要的起动方式。

关键词:抽水蓄能电站 静止变频启动 低速运行 高速运行 谐波分量 启动失败

DOI:10.3969/j.issn.1672-8289.2010.10.042

1 前言

山西西龙池抽水蓄能电站位于山西省五台县境内的滹沱河旁,电站总装机容量1200MW,安装4台单机容量300MW的可逆式水泵水轮机组,它对供电系统的调峰填谷、调频调相和电网的安全运行方面发挥着重要的作用。由于抽水蓄能机组运行的主要特点是起停频繁,当抽水蓄能机组工作在水泵工况时,如何起动抽水蓄能机组(同步电动机)就变得尤为关键。目前在大型抽水蓄能电站中,静止变频器(SFC)起动是抽水蓄能机组最主要的起动方式。西龙池电站所使用的静止变频启动装置(sfc)由瑞士ABB厂家提供,它利用晶闸管产生频率可调的交流电来起动抽水蓄能机组,是大型泵组启动及抽水蓄能电站的关键设备。

2 SFC的构成

SFC装置主要设备由输入/输出电抗器(额定压降528V,额定持续电流1200A,热稳定电流23.6KA/2S,动稳态电流60.2KA/0.5S),输入变压器(三绕组,接线组别为Dyn1d0,额定容量26248KVA,阻抗电压14%,额定电压18KV/4.88KV)、晶闸管整流器、直流平波电抗器(感应系数2.5MH,额定直流电压7604V,额定直流电流2677A,谐波电流161A)、晶闸管逆变器、输出变压器(三绕组,接线组别为Dyn5,额定容量22105KVA,阻抗电压12%,额定电压18KV/4.88KV)、旁路隔离开关等组成,见图1-1

图1-1

2.1输入、输出电抗器

输入限流电抗器的作用是稳定和限制SFC输入电流,保护SFC的元件;输出电抗器的作用是防止逆变器环流时电流增长过快、损坏可控硅元件,同时也限制短路电流。

2.2输入、输出变压器

输入、输出变压器的作用一方面是使电网电压与发电电动机电压相匹配,降低SFC输入和输出电压,减少可控硅串联数目;另一方面是通过变压器漏抗起到限制可控硅短路时的短路电流。在变频器SFC工作时,其输入和输出端会出现较高的直流电压差和3倍工频的交流电压差,它们会经过变频器电网侧和电机侧中性点接地的变压器、电压互感器以及电机自身中性点接地点,形成交、直流环流,设置输入、输出变压器可以隔断直流通路,此外,为防止3倍工频的交流电构成回路,在输入变压器到整流器的输入端,均不应安装接地元件。输入变压器接线组别采用Dd0/Yn1,它可以大幅度削弱整流器产生的3次及阶次为3的整数倍的谐波,并减弱其它阶次谐波对电站和电力系统的干扰。输出变压器的功能不是把逆变器的输出电压升高到机组电压,而是将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。变压器的容量可由下式计算:

S=S′/[a(1-b)cosφ] (1)

式中 S′――SFC的额定容量;

a――波形系数,3/π;

b――可能出现的最小电压降,14%;

cosφ――0.87。

2.3晶闸管整流器

SFC晶闸管整流器也称为网桥,为两个三相全控整流桥,每桥含6个桥臂,其作用是将来自电网的交流电流转换为直流电流,这种方案共有12个桥臂,相应的触发脉冲有12个,称为12脉冲方案,同时采用这种方案配合12个桥臂的导通脉冲在360°电空间的均匀分布。由于采用大功率晶闸管,不需要并联,根据网桥的工作电压和晶闸管反向电压的承受能力,每臂有3个晶闸管串联构成,采用两个三相全控整流桥器串联的方式,进一步减少了注入到电网的谐波含量。

每个晶闸管的触发及检测信号均采用光电耦合技术,即信号由SFC的控制单元将电信号转换成光信号,然后用光纤传输到各晶闸管,再经光电转换装置还原为电脉冲触发晶闸管,采用这种方式,有效的保证了高电压功率元件与控制元件之间的隔离。

晶闸管采用水冷方式,其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,热量由电站的冷却水排走。

2.4直流回路平波电抗器

平波电抗器用于整流桥输出后的平波和去耦,抑制直流回路中电压和电流的谐波分量及直流电流的上升速度,起电流稳定的作用,同时改善逆变器可控硅的工作条件,降低故障电流的起始增长率。平波电抗器的电感可由下式计算

Ld =Uvo2×(0.134/ε-Uccr)/Wr×Snr+Um2×(0.134cosφM/ε-Uccm)/Wm×Snm (2)

式中 ε――电流回路的纹波标幺值;

Snm――机桥(MB)的视在功率;

Wr――电网的脉动系数;

cosφM――电机功率因数;

Uccm――电机侧的短路电压百分比;

Snr――网桥(NB)的视在功率;

Uvo――输入变压器二次侧额定电压;

Wm――电机的脉动系数;

Uccr――电网侧的短路电压百分比。

2.5晶闸管逆变器

SFC的晶闸管逆变器也成为机桥,为三相全控逆变器,每个桥含6个桥臂,每臂由5个晶闸管构成,当全控桥的α> 90°时,电路就呈现逆变功能(电路工作于逆变状态时通常用逆变角β来表示),逆变角β= 180°-α。它的作用是将直流电流转换为频率可调的交流电流,其构成方式、触发方式、冷却方式与整流器类似。

2.6 旁路隔离开关

在0-5HZ低频阶段,为防止输出变压器运行在过低的频率,并保证机组有较大的初始启动电磁力矩,变压器的旁路开关投入运行;大于5HZ后,旁路开关断开,输出变压器投入。

2.7谐波滤波器 输入/输出开关

谐波滤波器由电阻、电容、电感串/并联构成,用来吸收在整流和逆变过程中所产生的多次谐波,防止SFC运行产生的谐波电压和电流影响发电机保护、励磁、调速器、自动准同期装置、中性点设备及其它设备的正常运行,或反送到电网中造成的谐波污染。

3 SFC的启动过程

SFC启动基本原理是提供给同步电机变化的频率和不变的磁场,把同步电机的速度从0拖至额定转速。SFC在启动过程中,网桥处于整流状态,机桥处于逆变工作状态,由于机桥在机组启动初期机端感应电压太低时不能自动换相,故SFC启动过程分为低速与高速运行两个阶段。为使SFC在整个频率范围内工作,低速运行阶段工作频率上限高于高速运行阶段的工作频率的下限。

3.1 低速运行阶段:SFC采用脉冲耦合工作方式

首先根据转子的位置检测装置检测出转子在空间的初始位置,通过对机桥可控硅的控制,首先合SFC旁路隔离开关于旁路侧(低速阶段其电压、电流和频率等都较低,输出回路无需通过输出变压器,直接由逆变回路送至同步机),给定子三相绕组通入电流(适当的电流值及相位),获得最大启动转矩,同时转子中也加入励磁,在同步电机定子与转子之间产生一个启动转矩,拖动同步电机转子开始转动;启动前同步电机静止,然后随着转子的转动,定子电流的频率若不发生改变,同步电机的电磁转矩会逐步减小至零,所以,必须在转子转动和加速的同时(后面为大家介绍一种关于加速启动的新技术在低速阶段启动控制中的运用),对机桥可控硅的脉冲进行调整,不断的改变同步电机定子三相电流的大小及频率,使得定子的磁势跟随转子同步旋转,从而保持同步电机电磁转矩的相对恒定;但机组正常启动初期下的电势太低,SFC的机桥不能自动换相,故采用强制换相。强制换相时,首先强制将整流桥转入逆变状态,截止回路中的电流Id,待Id为零时,逆变桥晶闸管全部被可靠截止,再次使整流桥转入整流工作状态的同时,发脉冲至下一组待触发的晶闸管,从新建立直流回路的电流,单次强迫换相结束;当频率为5HZ时,首先强制将整流桥转入逆变状态,截止回路中的电流Id,待Id为零时,在合SFC旁路隔离开关于变压器侧,低速运行阶段结束。

3.2 加速启动的新技术在低速阶段启动控制中的运用,其中包括以下步骤:

1)计算转子初始位置角λ;根据电磁感应原理,给定某一阶跃变化的励磁电压Uf,励磁电流If根据给定的Uf呈一定的变化曲线,对应产生的变化的磁场会在机组的定子三相绕组上感应出电动势Ea、Eb、Ec,且三相感应电压的相位、幅值与转子的空间位置有关,并从中判定出电动机启动时刻,控制其产生的最大正向加速力矩的两相定子绕组。根据机组励磁电流建立过程中检测到的三相定子电压,以及通过同步电机理论得到Eα、Eβ并输入到电压模型,利用电压模型对电动势进行积分等运算即得到气隙磁链ψ的大小和转子位置角λ。

电压模型对电动势积分等运算可得气隙磁链ψ的大小和转子位置角λ

Ψ=∫Eαdt

Ψβ=∫Eβdt

Ψ=√{(Ψ)2+(Ψβ)2}

则sinλ=Ψ/Ψ

cosλ=Ψβ/Ψ

为保证励磁与SFC检测程序之间严密同步,必须精确两者之间的时间配合,这是启动过程中最为关键的一步。

2)根据预设恒定加速度值估算低速阶段逆变桥强迫换相点时刻;

3)变频器解锁:整流桥进入整流运行方式,在变频器解锁时刻,根据转子初始位置角λ所属的区间,给能够使机组产生最大反向转矩的两相定子绕组所对应的晶闸管桥臂发触发脉冲,从而使得机组开始反向旋转;

4)在强迫换相点时刻,整流桥由整流运行方式转入逆变运行方式,待变频器回路断流,逆变桥各桥臂可靠关断后,根据此时转子位置角所属区间,给能够使机组产生最大反向转矩的两相绕组所对应的晶闸管桥臂发触发脉冲,同时整流桥转入到整流运行方式,单次强迫换相结束,转至步骤5);

5)如果转子速度大于或等于机组额定转速的5%,则低速运行阶段结束,切换到基于机端电压的自然换相阶段(即高速运行阶段),否则转至步骤4。

3.3 高速运行阶段

此阶段属于同步运行方式,由于电动机电压的自然交替,桥臂的电流会自控截止,由于此时可控硅可以自然换相,因而这一阶段将不需要转子位置传感器的信号,PLC根据力矩设定值和频率基准值,并通过测量机桥、网桥侧电压、电流来控制机桥、网桥的触发脉冲,以调节SFC输出的启动电流,从而将机组拖动到49HZ(频率基准值)。此时同期启动,同期测定装置根据机组电压和电网电压之间的频率偏差、幅值偏差相同期调节系统发送“增加”、“降低”机组转速和“增加”、“降低”机端电压的控制命令:在同期测定装置和同期调节系统的相互配合和协调的作用下,机组电压和电网电压趋于重合,此时,同期测定装置发出水泵同期并网的指令,要求闭合同期短路器GCB。并网后,整流器的可控硅运行于α= 120°全逆变状态,输出电流迅速降为零,关闭全控桥,闭锁整流器和逆变器的全部触发脉冲,SFC装置退出,完成整个启动过程。

4 谐波抑制

4.1谐波的来源及危害

在抽水蓄能电站中,主要的谐波源为SFC装置,SFC装置所产生的谐波将影响抽水蓄能电站中的其它电气设备,通过主变压器传递到高压侧,影响高压侧下其他用户的正常运行。SFC装置产生的谐波危害主要有:

(1)使电动机转矩产生脉动,特别是电动机低速运行时,可能产生机械共振现象;

(2)电压畸变、高频分量造成用电和输电设备的热过载,损耗加大;

(3)影响继电保护和自动化设备运行的可靠性;

(4)干扰通讯系统的信号;

(5)降低测量仪表的精度。

4.2 滤波措施

西龙池抽水蓄能电站SFC装置采用12脉波晶闸管变频器,特征谐波为(12k±1,k=1、2、3……)次,最低次谐波为11次,有效消除了5次和7次谐波,降低了谐波对电力系统的不良影响。

因此抽水蓄能电站必须采取有效的滤波措施,主要有以下两种方式:

(1)对谐波源采取措施:增加变流装置相数或脉冲数,即变频器电路的多重化,目前我国大多数抽水蓄能电站采用12脉波变频器。

(2)在谐波源处就近装设滤波器,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。

5 SFC启动过程中的总结与探索

5.1 SFC拖动机组失败故障原因及处理

在西龙池出现#4机组启动失败的问题,由于SFC在启动4#机失败时,转速都是7%左右,此时正好是SFC由脉冲耦合方式向同步拖动方式却换的过程,据推测是转子的位置有问题。

首先我们来了解SFC启动时转子位置传感器的工作原理,SFC转子位置传感器相当于一个三极管,由外部提供24VDC电压,当三极管基极B靠近大轴凸起的齿盘时,三极管导通,输出信号约为23V的直流电压;当三极管基极B靠近大轴凹下的齿盘时,三极管截止,输出信号为0V直流电压。转子位置传感器安装在大轴端部,3个传感器围绕大轴6齿盘的机械角为120°/P=20°(±60°)(P=发电机磁极对数6对),可得到3个180°宽,彼此相差120°的方波信号(即U、V、W的电压波形)。发现W传感器凸起的部分小于凹下的部分(理论上凸起部分与凹下的部分一样长),将U、V、W的电压波形叠加如图1-2,发现图中a段的长度比其他的长,由于每一个长度控制着可控硅桥臂的通断时间,故该部位的桥臂导通时间延长,SFC在该部位却换到同步拖动方式后,SFC的换流根据电压波形的交替变化,应该却换到下一组桥臂,但造成延时后,未被却换,造成整流桥机逆变桥电流出现短时不平衡,致使SFC整流桥及逆变桥差动保护动作,启动失败。

经过资料搜集,提出如下的解决方案:调整机组SFC测量W用的传感器与机组大轴凸起齿之间的间隙。

6 结束语

抽水蓄能机组静止启动变频器是抽水蓄能电站启动控制设备,担负蓄能机组抽水工况下电动机启动任务。该装置采用交―直―交电流型晶闸管变频启动,实现负荷换相方式变频,具备大型同步电机的变频调整和启动功能。由于该类产品生产技术难度大、成本高,长期以来,国内大容量抽水蓄能机组静止启动变频器一直依赖进口。

目前国家相关单位一直在研究SFC启动技术,并且解决了静止启动变频器的控制策略、主回路拓扑结构计算、高压阀串的触发和保护、转子全程无位置传感器等关键技术难题,完成了样机的研制和系统联调。并且试验完成了抽水蓄能机组静止变频器启动过程中的转子初始位置检测、转子低频位置估算、脉冲换相、同期调节、同期并网等关键技术的功能验证,测试结果完全符合大容量抽水蓄能机组启动的技术要求。这标志着我国已掌握抽水蓄能机组静止启动变频器的核心关键技术。

参考文献:

1.杨洪涛・天堂抽水蓄能电厂变频启动系统分析(1)。

2.胡雪琴・静止变频启动装置(SFC)总结与探索(2)。

3.王建忠・静止变频器(SFC)原理及设备・中国电力出版社。

作者简介:

郑元吉,男,1986年生、2009年毕业于宜昌三峡大学,现任中国水利水电第三工程局西龙池项目部电气队技术员。

王效安,男,现任中国水利水电第三工程局制造安装分局总工程师。