惠州抽水蓄能电站静止变频器(SFC)

【摘 要】惠蓄电站A、B厂分别安装了2套法国ALSTOM供货的SFC设备，作为水轮发电机水泵工况起动机组的主设备，两套型号及功能完全相同，针对惠蓄电站SFC的参数、功能特点，以及SFC的工作原理对其进行介绍，可作为相似抽水蓄能电站SFC起动机组参考。

【关键词】SFC启动特点；SFC起动及工作原理

引言

惠州抽水蓄能电站A厂和B厂总共安装8台300MW水泵水轮机/发电电动机组，发电机组分别与主变压器组成单元接线，在发电机和主变压器之间接有换相开关（PRD）和发电机出口断路器（GCB），断路器前端（靠主变侧）安装有拖动刀，用于背靠背拖动其它机组，断路器后端（靠发电机侧）安装有起动刀，用于背靠背和SFC方式起动本台机组。

机组作抽水工况运行时，采用静止变频（SFC）起动作为主要的起动方式，A、B厂各用一套变频起动装置起动本厂的四台机组，并以背靠背起动作为备用起动方式，任一台机组均可以背靠背起动方式逐一起动其它三台机组。A厂变频起动装置的电源由1#、3#机端取得，B厂变频起动装置的电源由5#、7#机端取得。

1 SFC起动的特点

SFC静止变频器，变频起动器是利用晶闸管整流后再逆变产生频率可变的交流电源对蓄能机组从零转速开始起动。通过一个由0HZ到50HZ频率变化的电压加在定子上来获得一个转速变化的旋转磁场，转子绕组通过励磁系统加约1000A的直流励磁电流，从而使得转子、定子之间产生电磁转矩来驱动转子逆时针同步旋转。起动时电源的频率是从零逐步上升至工频，将转子起动至额定转速后，并网带上满负荷（约330MW）抽水。SFC起动时机组通过压水流程，转轮室充满高压空气，转子在空气中旋转，阻力很小，又是从0转速起动，所以起动力矩对机组和电网冲击影响很小，变频起动可以使起动电流维持在同步电机要求的额定电流下运行。

SFC用于四台机组的P或CP工况启动，允许正常运行热循环周期为120分钟，其中可以连续满载运行60分钟，另外60分钟静止。单机启动至并网时间约为5分钟。

2 SFC系统的工作原理

2.1 可逆全控桥（格里兹桥）的工作原理

图1是SFC的简化工作原理图。它的三个基本部件是：2个AC/DC转换器，分别称为网桥NB（NETWORK BRIDGE）和机网桥（MACHINE BRIDGE），一个直流过渡回路。全控桥的直流端可以等效为一个电动势（EMF）或反电动势（CEM）和一个二极管的串连回路，说明如下：

（1）二极管标定了直流电流的方向。

（2）直流电压Ud的大小和方向由闭环控制装置监控。当Ud为正时，它是一个整流器。由电网输入的交流电经整流后输入直流过渡回路。当Ud为负时，它是一个逆变器，由直流过渡回路输入的直流电经逆变后以相应频率交流电的形式送入电网。

（3）全控桥在自换向工作方式需要一个合适的交流电压，也就是说，当交流电压太低时，全控桥不能进行自动换向。在实际应用中，被拖动机器的端电压与其速度成正比，若机器在静止状态，则其端电压为零。所以SFC的运行不得不分为两个阶段，即起动初期（低速运行）阶段（0-5Hz）和起动高速运行阶段（5-55Hz）。

图1 SFC的简化工作原理图

2.2 低速运行阶段，又称脉冲耦合工作方式

这种工作方式的原理如下：在非换向周期，全控桥只有两个臂同时处于导通状态，它们将按1-2，2-3，3-4，4-5，5-6，6-1.....的顺序依次循环导通，每组导通相隔60度电角度，每360度为一个循环周期，控制每个周期的时间（即控制每组的导通时间）就可控制MB的输出频率，而从一个导通组（如1-2）瞬时切换到另一个导通组（如2-3）的过程称为换向。（参见图2）

图2 高速运行方式

由于此时机器端的电势太低无法确保MB工作在自换向方式，其实现过程将按如下方式：

首先设置NB在全逆变方式来截断回路的电流Id，当Id=0时，所有MB的可控硅可靠地被截止。一旦检测到回路的电流为零，即将脉冲送往下一组欲触发的可控硅（如2-3），同时取消NB的全逆变功能恢复回路的电流，使新的一组可控硅导通。这种脉冲耦合方式又称为MB的强制换向运行。在脉冲耦合方式，当MB换向时，回路电流从截断到再恢复所需时间的绝对值实际上是一个常数，而它的相对值与机器周期有关，当机器频率（转速）增加时，这个值就变得越来越短，也就是说，可用的换向时间越来越短。因此脉冲耦合方式有一个上限工作频率。

2.3 高速运行阶段，又称为同步运行方式

这种运行方式下，如欲从组1-2换向至组2-3，我们可以直接向臂3的控制极发脉冲，由于机器电压的自然交替，臂1的电流会被截止而由臂3续流。也就是说此时MB工作在自然换向方式，输出电流的频率始终取决于机器的转速，机器不可能因换向时间间隔而失步。在同步运行方式，由SFC控制可作为发电机或电动机运行（在两个旋转方向）。

2.4 同步并网运行阶段

当电机转速上升至99%额定转速时，SFC接收机组的同期装置命令进行速度微调。 当同步条件满足时，合上机组出口开关（GCB），此时置整流桥（NB）于全逆变状态，MB回路的电流迅速降为零，晶闸管关闭，NB、MB闭锁，SFC装置退出，完成整个拖动过程。

2.5 作电动机运行

MB为一个整流器（Udr0），它将电网的电能转换后送入直流过渡回路；NB为一个逆变器（Udm0），它将直流过渡回路的电能转换后送往电机。

2.6 作发电机运行

MB为一个整流器（Udm0），它将机器的电能转换后送入直流过渡回路；NB为一个逆变器（Udr0），它将直流过渡回路的电能转换后送入电网。机器在上述两种工况运行不需要改变主回路的接线，而仅仅由控制回路给出合适的脉冲使MB的导通满足新的要求。

同样，同步工作方式有一个工作频率下限，这时我们不得不切换到另一种工作方式-脉冲耦合方式。

如上所述，为了使SFC在整个频率范围内正常工作，我们要求脉冲耦合方式的工作频率上限应高于同步工作方式的工作频率下限，两种工作方式的切换就构成了SFC工作的两个阶段，而这个切换时的频率就是SFC两个工作阶段的转折频率，取5Hz。

3 SFC停止

机组从静止态由SFC拖动启动到额定转速，发电电动机电源由SFC切换到电网电源供电后，由监控发SFC工作停止令，断开SFC系统的输入/输出侧高压断路器VCB1和VCB2，“SFC准备”模式置0，SFC冷却辅助设备继续工作，让晶闸管冷却5min，变压器和电抗器冷却30min后，冷却设备停止，等待下一次起动。

4 结语

目前，我国抽水蓄能电站静止变频器起动设备主要依靠进口，其国产化的难点主要在于大容量高压变频的电力电子器件应用技术，如滤波、晶闸管等元件，但是随着国内大容量高压变频技术的日渐成熟，相信不远将来能够看到国产化SFC在抽水蓄能机组中的运用。

参考文献：

[1]黄炜.抽水蓄能电厂静止变频器控制逻辑研究及优化[J].南方电网技术，2009（S1）.

[2]郭毅.监控系统在抽水蓄能电厂的应用[J].大众用电，2011（05）.

[3]刘承.大功率静止变频器在抽水蓄能电厂的应用[J].大众用电，2011（07）.