楊澤偉

（中國南方電網調峰調頻發(fā)電公司檢修試驗中心，廣東 廣州 511400）

蓄能機組SFC轉子初始位置檢測方法分析

楊澤偉

（中國南方電網調峰調頻發(fā)電公司檢修試驗中心，廣東 廣州 511400）

通過對現行存在的轉子初始位置檢測方法的分析對比，研究現行方法的優(yōu)缺點。統計總結目前我們電廠SFC的故障情況，分析SFC在轉子位置檢測方面的運行情況。通過調研，了解目前在轉子位置檢測方面存在的最新技術，為以后新建電廠的設備選型提供參考。

蓄能機組；SFC；轉子位置檢測；可變速機組

1 背景

抽水蓄能電站的機組作為電動機啟動時，如果直接并入電網，不論對電網還是對機組，都將造成一定的沖擊。在大多數情況下應當采取措施減少沖擊，使機組平穩(wěn)地啟動加速，直至并網。對于多機式抽水蓄能機組作為電動機啟動時，由于抽水和發(fā)電的旋轉方向一致，可以用水輪機或輔助的小水輪機將機組啟動到同步轉速，并入系統后，切換水路，使機組轉為抽水工況運行。對于兩機式的可逆機組，由于抽水和發(fā)電的旋轉方向不同，必須采取另外的措施來啟動機組。

國內外最常用的是采用靜態(tài)變頻啟動裝置 (以下簡稱SFC)啟動。SFC的功能是將工頻50Hz的輸入電壓，轉化為頻率在0～50Hz范圍可調的輸出電壓。機組在啟動前，先要在轉輪室內充入壓縮空氣排水，以減少啟動過程中的阻力轉矩。SFC為被驅動的同步電機提供轉矩。隨著機組不斷加速，定子電壓和頻率逐步上升。待轉速達到同步轉速時，機組并入電網，斷開與SFC之間的連接。然后撤除轉輪室的壓縮空氣，注水造壓，并依次打開進水閥和導水葉，開始抽水。

SFC在工作前，控制系統都需要知道轉子的位置，以便確定為使轉子獲得最大的轉矩應該通電的定子繞組相別，從而確定應該導通的橋臂。因此，轉子位置能否成功被檢測到，直接關系到機組能否成功進入抽水運行工況。

2 現有的轉子位置探測方法

2.1 電磁式轉子位置檢測方法

通過和轉子同軸旋轉的凹凸圓盤來改變檢測元件的電磁關系，從而達到檢測轉子位置的目的。電磁式檢測方法又分為差動變壓器式和接近開關式兩種。差動變壓器式位置檢測器由一凹凸型導磁圓盤和3個小型開口的變壓器——檢測元件組成。變壓器兩邊的鐵心柱上分別繞兩個一次繞組,中間的鐵心柱上繞一個二次繞組。轉子旋轉時在一次繞組通入高頻方波交流電，圓盤的凸部和變壓器相對位置產生變化導致磁路磁阻變化，從而使變壓器二次繞組中感應的電動勢產生變化，通過檢測這個變化的電動勢得到轉速信號。此裝置優(yōu)點在于無論電動機停止還是旋轉，都能正確地檢測其轉子位置，不需初始定位。安裝檢測裝置時，轉盤凹凸部分應視控制系統的需要，調整它和轉子磁極的相對空間位置，以便其輸出信號直接用來控制逆變器。接近開關式位置檢測方法是以接近開關取代差動變壓器放在固定支架上。接近開關內部有一個高頻振蕩電路，當圓盤凸出部位接近它時，即進入振蕩器振蕩線圈的磁場，改變振蕩線圈的電感參數，破壞振蕩條件而停止振蕩。經過適當的檢測和變換電路，就可以獲得反映轉子位置的通斷信號。這種方式結構簡單，安裝調整方便，適用于大中型電動機。其缺點是振蕩回路容易受環(huán)境溫度的影響。

2.2 磁敏式轉子位置檢測方法

磁敏式檢測方法是利用磁敏元件來反映轉子的位置，送出一組位置信號。檢測器定子上安裝3個磁敏元件，需滿足相隔電角度（3/2）的條件。檢測器轉子（要求為永磁體）與同步電動機轉子同軸聯結。當永磁體依次經過3個磁敏元件時，磁敏元件的通斷狀態(tài)就反映了同步電動機轉子的空間位置。與其他檢測轉子位置的方法相比，結構較復雜。

2.3 間接式轉子位置檢測方法

間接式轉子位置檢測方法是利用電樞繞組的感應電動勢（或電壓）間接檢測轉子位置的方法。它只需要傳感器檢測出同步電動機定子電壓（有時用到電流），通過同步電動機理論，找出對應關系，進行轉子位置的辯識。此方法又分為兩種：①用于負載換相同步電動機調速系統的，利用每相端電壓在一個周期內兩次過零點來檢測轉子真實空間位置的方法——端電壓檢測法；②用于正弦波變頻電源供電的同步電動機矢量控制系統，它不直接辨識轉子的位置，而是通過模型計算出有關磁場（轉子定子或氣隙磁通）的大小和方向，間接地獲得旋轉轉子的位置——電壓模型法。不管是端電壓檢測法還是電壓模型法，在電動機靜止或低速時會產生一定的誤差，一般只能用于10%額定轉速以上，這一點限制了間接式轉子位置檢測方法的使用。目前我們的抽水蓄能電廠所采用的測試方法均為間接式轉子位置檢測方法。

2.4 光電式轉子位置檢測方法

利用光電元件，對帶有槽口（或柵）的旋轉圓盤的位置進行通斷變化，產生一系列反映轉子位置的脈沖信號。分為絕對式和增量式兩種。絕對式光電編碼轉子位置檢測需要一個絕對式光電碼盤與電動機轉子同軸聯結，碼盤的轉盤已加工成4位二進制格式。轉子旋轉一周，根據碼盤輸出的數決定轉子的空間電角度。但是，電動機級數越多碼盤分辨率越低，因此，這種檢測方法只適合與負載換相同步電動機調速系統或直流無刷電動機調速系統中。增量式光電碼盤轉子位置檢測方法精度高，輸出信號比較平滑，不需濾波，幅值也不受電動機轉速的影響，廣泛用于高性能同步電動機矢量控制系統中。但由于轉子位置檢測信號是通過碼盤和計數器來完成的，斷電或其他原因可能造成計數器所存數值和實際轉子位置不符，在控制系統每次給電之前，都要對計數器所存數值進行校正，即初始定位，使計數器所存數據正好等于轉子所處初始位置角，準確反映轉子實際位置。

3 廣蓄、惠蓄SFC轉子初始位置檢測故障統計

廣蓄電廠與惠蓄電廠所用的SFC均為通過計算電機電壓矢量來確定轉子位置，近幾年的運行中，轉子位置檢測失敗而導致機組啟動失敗的現象不時會發(fā)生。

經統計，2010年廣蓄電廠因SFC故障導致機組啟動失敗總共為37次，其中由于轉子位置檢測失敗引起的故障為5次，占故障比例為13.5%；2011年為28次，其中轉子檢測失敗引起的故障為9次，占故障比例為32.1%；2012年至今廣蓄電廠因SFC故障導致機組啟動失敗總共為57次，其中由于轉子位置檢測失敗引起的SFC故障為9次，占故障比例為15.8%。

2012年至今惠蓄電廠因SFC故障導致機組啟動失敗總共為41次，其中由于轉子位置檢測失敗引起的SFC故障為1次，占故障比例為2.4%。

表1 廣蓄、惠蓄電廠SFC故障統計表

對此，廣蓄電廠多年來也對此故障做了一些研究改造工作。

4 廣蓄、惠蓄SFC轉子初始位置檢測方法分析

在SFC拖動機組過程中，測量轉子初始位置是至關重要的一個環(huán)節(jié)，其成功與否直接決定機組能否啟動成功。決定轉子初始位置測量能否成功的一個關鍵因素是：測量開始時間的確定。

4.1 廣蓄A廠

目前，A廠SFC系統開始測量轉子初始位置時間的確定方法為：勵磁系統K14繼電器超前勵磁開關線圈K1勵磁20～30ms向SFC送出“Excitation Ready”信號，SFC在收到該信號后，通過軟件延時60ms開始測量轉子位置。這一過程對K14繼電器勵磁送出信號的時間有著嚴格的要求，若是無法在勵磁開關線圈K1勵磁20～30ms的時間區(qū)間內送出信號，將導致測量不到轉子初始位置，進而導致啟動失敗。因K14繼電器線圈老化或定值漂移使送出信號時間出現偏差，從而導致機組啟動失敗的故障一直困擾著A廠電氣。采取更換繼電器等措施也只能保證其在一段時間內穩(wěn)定工作，非長久之計。

通過修改SFC PLC程序使測量轉子初始位置開始時間確定完全由軟件來實現，而無需經過外部元件。基本原理為：將時間的確定方法改為當測得轉子磁通大于額定值3%后延時60ms測量轉子初始位置。

4.2 廣蓄B廠、惠蓄電廠

廣蓄B廠、惠蓄電廠采用的方法也是間接電壓測量法，同樣通過測量磁通量來確定合勵磁開關的時間，由于惠蓄SFC到目前為止運行可靠，轉子測量失敗次數較少，屬于可接受范圍。

5 優(yōu)化方案及建議

5.1 廣蓄A廠

廣蓄A廠與惠蓄電廠的SFC同屬于GE公司的產品，在接下來，要避免因測量時間錯誤而導致啟動失敗還需要確定以下的內容：

目前，廣蓄A廠已經通過測量磁通量大于額定值的3%來作為開始轉子位置檢測的判斷依據，取消了繼電器回路，很大程度的減少了因勵磁開關未合而進入測量程序這種故障的發(fā)生。但是，從和天荒坪電廠的交流來看，中間繼電器起到一個開關節(jié)點的作用，適當的時間延遲能增加測量的成功率。因此，兩種方式還需進行對比考量。

K10繼電器接收的S40809命令為一脈沖，但此脈沖持續(xù)的時間還得進行確定。

5.2 廣蓄B廠

結合廣蓄B廠的升級改造，所有控制均由微機進行處理，卡件與繼電器基本取消，理論上會使到控制測量更加準確，具體效果得通過機組運行來驗證。

5.3 惠蓄電廠

經了解，惠蓄電廠因轉子位置探測失敗導致的SFC故障雖仍然偶有發(fā)生，但已經大大減少了次數，能否徹底根除或者能否接受機組啟動失敗的次數控制在一定的范圍內，需根據機組運行情況，也以此考慮相關要求的指標是否合格。

惠蓄電廠由于SFC轉子檢測方面的故障在可以接受的范圍，而且SFC運行情況良好，所以未做具體改進工作。

6 新技術應用探討

通過調研，目前最新的拖動技術是“可變速雙饋拖動技術”，該技術主要應用于可變速機組中，目前沒有SFC系統存在的轉子位置檢測失敗問題。

可變速機組的定子和常規(guī)定速機組一樣,沒有區(qū)別。兩種機組的主要差別在于轉子的結構及勵磁系統的構成。可變速機組的轉子繞組接的是交流電，而常規(guī)機組轉子繞組接的是直流電?？勺兯贆C組的轉子由硅鋼片疊片形成隱極式圓筒形,轉子設有線槽,于槽中布置三相交流勵磁繞組。勵磁系統由交流變頻裝置代替了常規(guī)定速機組的普通可控硅直流整流裝置。交流變頻器將勵磁頻率變換成正負幾赫茲而形成一個可變頻率和方向的交流磁場。由于定子外界磁場頻率保持為50Hz不變，n1為定子磁場轉速,當轉子磁場相對于轉子的轉速為n2（n2=60f2/p），此時電動機的實際轉速n=n1+n2,改變轉子頻率即可達到變速的目的。

6.1 可變速雙饋拖動P工況啟動

采用可變速雙饋拖動技術時，機組啟動原理如圖1所示。

圖1

可變速機組與常規(guī)機組的主要區(qū)別在于泵工況，現在具體介紹可變速機組在泵工況的啟動步驟：

第一步：斷開發(fā)電機出口斷路器S2，將定子三相短路，即合上S3，由主變低壓側經變頻整流給轉子輸出一個交流電流，轉子的交流旋轉磁場切割定子線棒，經三相短路的定子產生感應電流，在定子中產生一個旋轉磁場反向作用轉子旋轉。

第二步：當轉子轉速達到額定轉速的90%時，斷開地刀S3，由轉子自身慣性保持旋轉大概時間為20s，由于短時失去動力，轉速出現小幅度下降，此時轉子的實際轉速為n1,變頻器在轉子中輸出旋轉頻率為n2的電流，使得額定轉速n=n1+n2；此時機組機端電壓由勵磁電流大小決定，變頻器通過改變勵磁電流的大小來調節(jié)機端電壓，使轉速和電壓達到同期并網的條件。

圖2

圖3

第三步：合上發(fā)電機出口斷路器S2，機組完成并網運行。此時機組在雙饋模式下加速到參考的轉速下運行。額定轉速n=n1+n2（n1為轉子實際轉速，n2為轉子交流磁場轉速），此時通過調節(jié)變頻器輸出到轉子的交流電流頻率n2，就可以改變發(fā)電機的實際轉速，實現機組在并網后轉速調節(jié)功能。

6.2 可變速抽水蓄能電站的優(yōu)勢及缺點

優(yōu)勢：

（1）電能在泵工況下可變化；

（2）提高了效率（特別是在部分負荷）；

（3）對電網穩(wěn)定更高的動態(tài)功率控制；

（4）雙饋配置符合電壓源換流器電網規(guī)范要求。缺點：投資大，勵磁系統占用空間大

7 結束語

轉子位置檢測作為蓄能機組泵工況運行啟動前十分重要的一個環(huán)節(jié)，直接影響著機組的啟動成功率。隨著控制系統的集成度越來越高，新技術的投入，抽水蓄能機組作為抽水工況的可靠性必然越來越高。

[1]姜啟德.抽水蓄能電站發(fā)電電動機變頻啟動原理[J].電氣技術，2010（11）：4-6.

[2]GE公司.Pres_GE_PC_PG_PSPP_VSTechnology_MS[Z].

[3]郭海峰.交流勵磁可變速抽水蓄能機組技術及其應用分析[J].水電站機電技術，2011，34（2）：1-4.

TV743

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1672-5387（2015）S-0070-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2015.S.021

2015-10-23

楊澤偉（1988-），男，助理工程師，從事抽水蓄能機組的檢修維護工作。