研究
摘要：静止变频器（SFC）是大型抽水蓄能电站的关键电气设备，变频启动是抽水蓄能电站的关键技术之一。SFC带动可逆式机组作为同步电动机运行启动平稳、迅速可靠不存在失步问题，具有优异的调速性能且成功率高、维护量小、自诊断能力强。本文主要针对交直交结构的SFC控制系统进行了研究，主要包括转速电流双闭环控制、逆变器晶闸管换流控制及转子位置和转速的检测三个部分，并使用软件对整个控制系统进行了仿真，结果证明了所设计的控制策略的有效性，为静止变频器的研究及工程应用提供了重要参考。
关键词：抽水蓄能；静止变频器；双闭环控制；转子初始位置检测
Research on static frequency converter start-up principle analysis and simulation control system for large pumped storage power station
XXXX
(XXX Co., Ltd, XXX 4300XX, XXX Province, China)
Abstract：Static frequency converter (SFC) is the key electrical equipment of large pumped storage power station, and frequency conversion start-up is one of the key technologies of pumped storage power station. SFC drives the reversible unit as a synchronous motor to start smoothly, quickly and reliably without out-of-step problems. It has excellent speed regulation performance, high success rate, small maintenance and strong self-diagnosis ability. This paper mainly studies the SFC control system of AC-DC-AC structure, which mainly includes three parts: speed and current double closed-loop control, inverter thyristor commutation control and rotor position and speed
detection. The whole control system is simulated by software platform. The results prove the effectiveness of the designed control strategy, which provides an important reference for the research and engineering application of static frequency converter.
Keywords：pumped storage; static frequency converter; dual-closed-loop control; initial position detection of rotor
1 引言
抽水蓄能机组启停灵活、反应迅速、调节性能强，具有调峰填谷、调频调相、紧急事故备用和黑启动等多种功能，在增强电网稳定性和提高电网的经济性方面发挥着重要作用。抽水蓄能机组在同步电动机工况，启动频繁，启动电流对电网冲击破坏大，必须采用辅助启动设备将同步电动机组从静止拖动到同步转速，实现无冲击并网[1]。
抽水蓄能电站机组启动方式有同轴电动机启动、异步启动、同轴水轮机启动、同步（背靠背）启动以及变频启动等。静止变频启动是机组水泵启动的主要启动方式，背靠背启动是其备用启动方式[2]。
静止变频启动装置（SFC）是大型抽水蓄能电站的关键电气设备变频启动是抽水蓄能电站的关键技术之一。SFC带动可逆式机组作为同步电动机运行启动平稳、迅速可靠不存在失步问题，具有优异的调速性能且成功率高、维护量小、自诊断能力强。对于多机组电站可多台机组共用一套SFC装置。
大型抽水蓄能电站以采用SFC启动为主背靠背启动备用的混合启动方式能获得较高的可靠性和经济性，具有广阔的应用前景和较高的研究价值，研究意义重大[3]。
2 SFC基本原理和关键技术 2.1 SFC基本原理
静止变频器利用晶闸管换流装置将工频交流电转换成频率连续可调的变频交流电，将该变频电流输出到同步电机定子绕组，形成定子旋转磁场，同时在转子上施加励磁电流，形成转子磁场，旋转的定子磁场与转子磁场相互作用，牵引转子转动，即可实现机组的启动[4]。
图1 静止变频器原理
Fig.1 Principle of static frequency converter
静止变频器的核心设备主要包括控制系统、两个独立的换流桥及直流回路，如图1 所示[5]。控制系统承担全系统的控制和保护任务，包括转子位置检测、转速闭环控制、换流桥触发控制、启动过程中的机组励磁控制以及过压、过流、过速等保护功能。两个独立的换流桥包括网桥、机桥，网桥和机桥通过直流回路连接。网桥可以是单独的晶闸管整流桥，也可以是两个串联或并联的晶闸管整流桥；机桥可以是单独的晶闸管逆变桥，也可以是两个串联或并联的晶闸管逆变桥。直流回路中设置直流平波电抗器，以抑制直流电流的脉动纹波，限制直流电流的上升率，并对两个交流系统进行去耦。当图1中输入变压器为降压变压器、输出变压器为升压变压器时，静止变频器一次接线称为高—低—高方式[6]；当输入变压器为1：1 隔离变压器、无输出变压器时，一次接线称为高—高方式；整流桥和逆变桥可以是12-6 脉波或6-6 脉波，也可以是12-12 脉波。
2.2 SFC关键技术
大型同步电动机静止变频软起动系统所涉及的技术知识领域广泛，一方面变频装置需要实现巨大能量转换，另一方面要完成系统控制及保护所需信息的采集、处理及传输[7]。因而，其技术难点主要在于高压大电流功率传输及变频软起动系统的控制。对于前者，主要解决包括高压晶闸管的串联、均压、散热技术及隔离触发技术，高电压绝缘技术，新型电力电子器件的应用技术等问题。而对于变频
器的控制系统如图2所示，它是整个静止变频软起动装置的核心，下面分别介绍其关键技术。
图2 静止变频器流程框图+
Fig.2 Flow diagram of static frequency converter
（1）起动控制策略
同步电动机静止变频软起动控制系统与直流电机调速系统类似，起动过程中一般采用转速电流双闭环控制，加速过程中保证系统以最大工作电流输出。双闭环控制器的设计可以利用直流调速系统中比较成熟的工程设计方法。随着现代控制理论及微处理器技术的发展，除了传统的PID控制，电机控制理论与一些现代控制理论结合使用是静止变频调速系统的发展方向。此外，由于系统中存在线性与非线性环节、连续与离散两种工作模式，一般人们在对控制系统进行建模时都进行了一些简化处理，为了提高同步电动机变频起动性能，需要建立更贴近实际情况的数学模型。
（2）转子位置检测
静止变频器需要根据转子位置来实现自控式变频起动。传统的方法是在电机上安装机械位置传感器，由于其成本高、安装困难等缺点，目前国外的成熟产品已经取消了位置传感器。近年来，永磁同步电动机的无速度传感器技术的研究得到广泛关注，一些基于现代控制理论的观测方法应用到电机转子位置检测及磁链观测中，如状态观测器、模型参考自适应等，人们也对这些方法在绕组励磁同步电机中 的应用进行了研究这些方法要在一定转速下才会有较好的性能，零速或低速时估计误差较大，因此，对于大型同步电机静止变频软起动系统并不具优势。目前应用较多的是基于端电压过零检测的转子位置估计方法[8]。
（3）电流型变流器的谐波问题
对于常用的三相电流型桥式逆变电路的输出电流为120°方波，对其进行谐波分析，其中5次、7次、11次…谐波电流有效值分别为基波有效值的20%、14%、9%…。对于大型同步电机SFC起动装置，起动瞬间及断续工作阶段系统功率因数差，变频装置向网侧注入大量谐波电流成分，使电网电压产生畸变，影响周边设备的正常工作。对此，人们提出等效多相制来抑制谐波危害，如12脉波或者36脉波整流电路。而国外厂商一般是通过在谐波源处就近装设滤波器的方法进行静止变频器的谐波治理。
3 SFC软启动过程
图2为无位置传感器的同步电动机静止变频器软起动过程，主要包括以下六个阶段。下面将分别介绍这些阶段[9]。
图2 同步电动机变频软启动过程
Fig. 2 The frequency conversion soft start process of synchronous motor
3.1 转子初始位置定位
在机组处于静止状态时，首先投入一定变化率的励磁电流，以便根据在定子中感应的三相电压计算转子初始位置，选择首先给哪两相定子绕组通以电流。
3.2 断续换相阶段
此阶段由于电机低速运行，电机感应反电势较低，不能依靠反电势实现自然换相。控制系统经过转速判别后发送断续控制信号，逆变桥通过电流断续法来实现晶闸管换流。
3.3 负载换相阶段
当机组转速加速到换流切换值时（一般为额定转速的 5%~10%），进行换相方式切换，静止变频器由脉冲运行转入自然换相运行。自然换相运行时，静止变频器靠电机反电动势进行自然换相，机组全功率加速运行。
3.4 自整步微调
当电机转速接近电网同步转速时，转速调节器退饱和，开始整步过程，变频装置控制系统根据机端电压与电网电压的频率差值，对定子电流及逆变器频率进行微调。同时励磁系统开始调节转子励磁，保证机端电压与电网平衡。
3.5 并网控制
在同期控制过程中，一旦符合并网条件，则合上同期断路器，然后切除静止变频器装置，机组与电网并列运行。
4 仿真验证
仿真模型依托于江西铅山抽水蓄能项目，该模型的主要思路是，创造一个提供18kV的三相交流电源，其工作频率为50Hz，经过一个额定容量为23.5MVA的三相三绕组变压器，额定二次侧电压变为2×2.5kV，然后提供给SFC系统的网桥侧，将交流电转换为直流电，然后经过一个平波电抗器，其目的是隔离整流器产生的谐波分量，为逆变器提供近似于理想的电压，进而提高逆变器的换相成功率；最后同样接一个容量为23.5MVA的输出变压器把逆变后的交流电压提升至18kV，仿真中电机的主要参数如表1所示，仿真模型如图3所示。
表1 仿真中同步电机的基本参数
Tab.1 Basic parameters of synchronous motor in simulation
参数 数值
额定功率/kW 300000
额定电压/V 180000
额定电流/A 10691.7
极对数 7
励磁绕组电阻/Ω 0.1636
电枢漏抗/ pu 0.11
直轴同步电抗/ pu 1.06
交轴同步电抗/ pu 0.81
图3 静止变频软起动控制系统框图
Fig.3 Block diagram of static variable frequency soft start control system
下图为同步电机从静止起动加速到全速过程中各变量波形仿真结果：
图4 SFC启动转速波形图
Fig.4 Start-up speed waveform of SFC
图5 SFC启动转矩波形图
Fig. 5 Starting torque waveform diagram of SFC
图6 SFC启动功率角波形图
Fig.6 Start-up power angle waveform diagram of SFC
图7 SFC启动三相定子电流波形图
Fig.7 Start-up three-phase stator current waveform diagram of SFC
图8 SFC启动机端电压uab波形图
Fig.8 Start-up terminal voltage uab waveform diagram of SFC 由上图分析可知，电机转速很低时，由于同步机定子绕组受转子磁场感应而产生的电势很小，不足以使逆变器的晶闸管关断实现反电势换流，为了保证逆变器可靠换流，系统采用了断续换相对逆变器进行控制，即将整流桥的触发角设置一个比较大的值，当电机的转速逐步增大时，双闭环开始工作，就可以使逆变器晶闸管实现反电势换流。
5 结论
本文对抽蓄电站SFC电机启动进行了分析，并通过仿真进行实例验证，主要得出以下结论：
（1）SFC控制系统主要包括输入变压器，整流桥，平波电抗器，逆变桥，输出变压器组成，在SFC电机启动的过程中，通过内部PI控制逻辑进行运算和分析，调节并反馈调速所需的电流和频率，使发电机转速稳步上升，逐渐达到目标转速。
（2）通过仿真的抽水蓄能电站电机SFC启动模型，可直观地模拟大容量发电机SFC启动过程，这对于了解和熟悉SFC装置在抽水蓄能电站里的主要工作原理和运行特性起到了非常重要的引导作用。
参考文献
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收稿日期：2023-09-03；
作者简介：XX（1997-），男，研究方向为XXXX，E-mail: XXX。
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