石祥建，徐 峰，閆 偉，詹亞曙，漫自強，劉 騰，段夢珂

（南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇省南京市 211102）

0 引言

抽水蓄能機組啟停靈活、反應(yīng)迅速、調(diào)節(jié)性能強，具有調(diào)峰填谷、調(diào)頻調(diào)相、緊急事故備用和黑啟動等多種功能，在增強電網(wǎng)穩(wěn)定性和提高電網(wǎng)的經(jīng)濟性方面發(fā)揮著重要作用[1-2]。抽水蓄能機組的發(fā)電機是同步電機，不能自啟動，必須采用輔助啟動設(shè)備將發(fā)電機組從靜止拖動到同步轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)無沖擊并網(wǎng)。

抽水蓄能電站機組啟動方式有同軸電動機啟動、異步啟動、同軸水輪機啟動、同步（背靠背）啟動以及變頻啟動等。隨著機組容量逐漸增大，同軸電動機啟動、異步啟動、同軸水輪機等啟動方式已不能滿足大容量機組的啟動要求。目前安裝4臺及以下機組的抽水蓄能電站以靜止變頻器（Static Frequency Converter，SFC）啟動為主要啟動方式，以背靠背啟動為備用啟動方式；安裝6臺機組的電站，一般配置兩臺靜止變頻器，互為備用。

本文回顧了抽水蓄能機組的不同啟動方式，在對靜止變頻器原理介紹的基礎(chǔ)上，著重對靜止變頻器主回路拓撲、與電源的連接方式、轉(zhuǎn)子位置檢測等進行討論，最后對靜止變頻器國產(chǎn)化進展進行探討。

1 抽水蓄能電站機組啟動方式回顧

1.1 同軸電動機啟動

同軸電動機是一臺小容量電動機，其直接與主軸連接，用以啟動主機。這種啟動方法簡單，無須裝設(shè)啟動母線，各臺機組啟動裝置互不影響，對電網(wǎng)干擾小，是早期小容量抽水蓄能機組常用的啟動方法[3]。隨著抽水蓄能機組單機容量不斷提高，這種啟動方法運行成本和工程費用變得昂貴，而且啟動時間較長。20世紀50～60 年代后，這種啟動方法在現(xiàn)場實際中越來越少。

1.2 異步啟動

異步啟動是在機組勵磁繞組短接情況下，直接將機組并入電網(wǎng)，利用轉(zhuǎn)子磁極上阻尼繞組產(chǎn)生的異步力矩使機組轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)并加速，在接近同步轉(zhuǎn)速時加上勵磁拉入同步。異步啟動加電壓的方式有全電壓啟動、降壓啟動和部分繞組啟動3種。這種啟動方式對電網(wǎng)會產(chǎn)生不同程度的沖擊，對于大容量抽水蓄能機組并不合適。

1.3 同軸水輪機啟動

西藏羊卓雍湖抽水蓄能電站機組采用這種啟動方式。該電站機組結(jié)構(gòu)為立式三機同軸結(jié)構(gòu)，從上往下分別是發(fā)電/電動機、水輪機、水泵，抽水工況時通過水輪機沖水轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)機組啟動。

1.4 同步（背靠背）啟動

同步（背靠背）啟動時，使用本電站或相鄰電站的一臺常規(guī)發(fā)電機組或抽水蓄能機組做發(fā)電機運行來啟動其他抽水蓄能機組。啟動前將被拖動機組與拖動機組在電氣上連接，即兩臺機組定子三相通過拖動母線相連，并分別加上勵磁。拖動機組以發(fā)電方式運行，輸出變頻電壓，該電壓在被拖動機組定子中形成變頻電流、變頻旋轉(zhuǎn)磁場，拖動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。這種啟動方式的優(yōu)點是對電網(wǎng)沖擊較小，但啟動過程的調(diào)整和操作比較復雜，啟動成功率低，需要有拖動機組，并設(shè)置專用的啟動母線，而且電站最后一臺機組不能用此方式啟動。目前大型抽水蓄能電站采用此方式作為變頻啟動的備用方式。

1.5 變頻啟動

采用晶閘管作為功率元件的交—直—交電流源型變頻器是目前主流的變頻啟動方式，該變頻器的優(yōu)點是設(shè)備靜止、運行維護方便、啟動容量大、啟動速度快、工作可靠性高，對系統(tǒng)沖擊小。電流源型靜止變頻器（SFC）在工程項目中得到廣泛的應(yīng)用。值得一提的是，國內(nèi)某抽水蓄能電站采用電壓源型變頻器進行啟動，變頻器采用二極管整流橋+IGBT組成的H橋單元模塊串聯(lián)結(jié)構(gòu)，但該變頻器功率僅為5.6MVA，抽水蓄能機組容量為55MW。

2 SFC基本原理

靜止變頻器利用晶閘管換流裝置將工頻交流電轉(zhuǎn)換成頻率連續(xù)可調(diào)的變頻交流電，將該變頻電流輸出到同步電機定子繞組，形成定子旋轉(zhuǎn)磁場，同時在轉(zhuǎn)子上施加勵磁電流，形成轉(zhuǎn)子磁場，旋轉(zhuǎn)的定子磁場與轉(zhuǎn)子磁場相互作用，牽引轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，即可實現(xiàn)機組的啟動[4]。

靜止變頻器的核心設(shè)備主要包括控制系統(tǒng)、兩個獨立的換流橋及直流回路，如圖1所示。控制系統(tǒng)承擔全系統(tǒng)的控制和保護任務(wù)，包括轉(zhuǎn)子位置檢測、轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制、換流橋觸發(fā)控制、啟動過程中的機組勵磁控制以及過壓、過流、過速等保護功能。兩個獨立的換流橋包括網(wǎng)橋、機橋，網(wǎng)橋和機橋通過直流回路連接。網(wǎng)橋可以是單獨的晶閘管整流橋，也可以是兩個串聯(lián)或并聯(lián)的晶閘管整流橋；機橋可以是單獨的晶閘管逆變橋，也可以是兩個串聯(lián)或并聯(lián)的晶閘管逆變橋。直流回路中設(shè)置直流平波電抗器，以抑制直流電流的脈動紋波，限制直流電流的上升率，并對兩個交流系統(tǒng)進行去耦。當圖1中輸入變壓器為降壓變壓器、輸出變壓器為升壓變壓器時，靜止變頻器一次接線稱為高—低—高方式；當輸入變壓器為1：1隔離變壓器、無輸出變壓器時，一次接線稱為高—高方式；整流橋和逆變橋可以是12-6脈波或6-6脈波，也可以是12-12脈波。

圖1 靜止變頻器原理圖Figure 1 Schematic diagram of SFC

3 SFC主回路拓撲

靜止變頻器根據(jù)脈波數(shù)、電壓特征的變化，可有多種形式，常見的分別是：高—低—高、6-6脈波靜止變頻器，高—低—高、12-6脈波靜止變頻器，高—低—高、12-12脈波靜止變頻器，高—高、6-6脈波靜止變頻器[5]。

3.1 高—低—高、6-6脈波結(jié)構(gòu)

當輸入變壓器為降壓雙繞組變壓器、輸出變壓器為升壓雙繞組變壓器時，網(wǎng)橋及機橋均為6脈波時，稱為高—低—高、6-6脈波結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 高—低—高、6-6脈波拓撲結(jié)構(gòu)Figure 2 High-Low-High、6-6 pulse wave topology

高—低—高結(jié)構(gòu)靜止變頻器，需一個用于降壓的輸入變壓器和一個用于升壓的輸出變壓器。經(jīng)輸入變壓器降壓后，可降低功率橋每橋臂承受的電壓，晶閘管串聯(lián)數(shù)量減少，功率部分設(shè)計的電壓等級降低，有利于降低故障發(fā)生幾率。從諧波的角度，6脈波特征諧波次數(shù)低（特征諧波有5次、7次、11次……）、含量較高。目前國內(nèi)已投運靜止變頻器設(shè)備運行情況顯示，高—低—高、6-6脈波靜止變頻器網(wǎng)側(cè)是否設(shè)置濾波器，不同SFC設(shè)備廠家做法不同；機橋為6脈波，理論上由于電流諧波原因，會引起電機發(fā)熱增加，但靜止變頻器運行時間短，諧波帶來的不利影響有限。

3.2 高—低—高、12-6脈波結(jié)構(gòu)

當輸入變壓器為降壓三繞組變壓器，低壓側(cè)繞組一個為Y接法，一個為D接法，輸出變壓器為升壓雙繞組變壓器，網(wǎng)橋采用12脈波、機橋為6脈波，稱為高—低—高、12-6脈波結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 高—低—高、12-6脈波拓撲結(jié)構(gòu)Figure 3 High-Low-High、6-6 pulse wave topology

這種結(jié)構(gòu)中經(jīng)降壓變降壓后，網(wǎng)橋功率橋電壓已經(jīng)明顯降低，并且二次電壓由兩個橋承擔，每一個功率橋橋臂承受的電壓會進一步降低；功率部分設(shè)計的電壓等級降低，有利于降低SFC設(shè)備電氣絕緣設(shè)計水平。從諧波的角度，12脈波特征諧波次數(shù)提高（特征諧波有11次、13次……）、諧波含量較6脈波明顯降低。按照目前已投運靜止變頻器設(shè)備運行設(shè)備情況，對于高—低—高、12-6脈波靜止變頻器，網(wǎng)側(cè)無需配置濾波器，有些電站原來配置了濾波器的也已退出運行；機橋為6脈波。

3.3 高—低—高、12-12脈波結(jié)構(gòu)

當輸入變壓器為降壓三繞組變壓器，輸出變壓器為升壓三繞組變壓器；網(wǎng)橋、機橋均采用12脈波時，稱為高—低—高、12-12脈波結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)有兩種形式，網(wǎng)側(cè)或機側(cè)各自的兩個功率橋采用串聯(lián)或并聯(lián)連接方式，如圖4所示。

串聯(lián)方式中，脈沖換相階段，隔離開關(guān)1合閘，網(wǎng)橋、機橋各一個6脈動橋工作，隔離開關(guān)2將輸出升壓變壓器旁路。負載換相階段，打開隔離開關(guān)1，投入串聯(lián)的另一個橋，隔離開關(guān)2將輸出變壓器接入，如圖4（a）所示。

并聯(lián)方式中，網(wǎng)橋1、機橋1及平波電抗器1組成一個完整的交—直—交變流器1，網(wǎng)橋2、機橋2及平波電抗器2組成另一個完整的交—直—交變流器2。在脈沖換相階段，只有變流器1工作，隔離開關(guān)將輸出變壓器旁路；進入負載換相階段后，變流器1和變流器2同時工作，通過隔離開關(guān)將輸出變壓器接入，如圖4（b）所示。

圖4 高—低—高、12-12脈波拓撲結(jié)構(gòu)（a）串聯(lián)結(jié)構(gòu)；（b）并聯(lián)結(jié)構(gòu)Figure 4 High-Low-High、12-12 pulse wave topology（a）Tandem structure；（b）Parallel structure

由于高—低—高結(jié)構(gòu)的輸入降壓變壓器和輸出升壓變壓器都是三繞組變壓器，投資將增加，且啟動控制復雜。從諧波的角度看，網(wǎng)測諧含量較6脈波明顯降低。機橋為12脈波，電流諧波較6脈波有所減小。

3.4 高—高、6-6脈波結(jié)構(gòu)

輸入變壓器為1：1隔離變壓器，輸出不配置變壓器網(wǎng)橋、機橋均采用6脈波時，稱為高—高、6-6脈波結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)需配置輸出電抗器，如圖5所示。

圖5 高—高、6-6脈波拓撲結(jié)構(gòu)Figure 5 High-High、6-6 pulse wave topology

高—高、6-6脈波靜止變頻器的結(jié)構(gòu)簡單，只需一個輸入隔離變壓器。其缺點是，由于功率回路電壓高，需要串聯(lián)數(shù)量較多的晶閘管以滿足較高電壓的要求，對每串晶閘管的均壓要求提高，提高了功率部分設(shè)計的電壓等級，增加了故障概率。但限于早期單只晶閘管元件電流容量小，要使靜止變頻器輸出大功率，采用抬高電壓的方式不失為一種選擇。

目前，采用高—低—高結(jié)構(gòu)的靜止變頻器是主流。南瑞繼保SFC設(shè)備主要采用高—低—高、12-6脈波方式；在運ABB靜止變頻器設(shè)備多采用高—低—高、6-6脈波；西門子靜止變頻器設(shè)備多采用高—低—高、12-12脈波；科孚德給天荒坪抽水蓄能電站提供過高—高、6-6脈波靜止變頻器設(shè)備，后來以高—低—高、12-6脈波居多。

4 SFC和電源的連接方式

靜止變頻器工作時需要較大的輸入功率，對于其電源接線方式的設(shè)計要考慮以下兩方面的問題：

（1） 電源容量應(yīng)滿足靜止變頻器工作過程中的最大功率需求。

（2） 靜止變頻器工作過程中產(chǎn)生的諧波不對電站繼電保護、自動化裝置等設(shè)備正常運行帶來不利影響。

靜止變頻器容量確定后，選擇能夠滿足容量要求的點作為電源接入點。我國的抽水蓄能電站主變壓器和機組一般采用單元接線方式，一臺機組配置一臺主變壓器，靜止變頻器啟動容量僅為主變壓器容量的6%～8%，主變壓器低壓側(cè)作為啟動電源輸入點，容量能夠滿足啟動需要。靜止變頻器也有接在高壓廠用變壓器低壓側(cè)，該高壓變壓器的容量應(yīng)滿足靜止變頻器啟動容量和廠用電容量要求。

由于靜止變頻器在工作過程中會產(chǎn)生諧波，可能會影響到電網(wǎng)的供電質(zhì)量，為此還應(yīng)考慮到對電網(wǎng)及電廠廠用電的諧波影響。一般靜止變頻器輸入側(cè)電源點不是公共電網(wǎng)接入點，對電網(wǎng)的影響較小，主要需要考慮對廠用電的影響。

靜止變頻器和電源的連接有如圖6所示幾種方式。

接線（a）是靜止變頻器和廠用電經(jīng)共用電抗器接入主變壓器低壓側(cè)，可節(jié)省一組交流電抗器，但是對廠用電母線易產(chǎn)生諧波干擾，這種接線方式在早期的抽水蓄能電站中出現(xiàn)過。

圖6 靜止變頻器輸入側(cè)接入電站幾種常見方式（a）與廠用變壓器共用電抗器；（b）不經(jīng)電抗器；（c）經(jīng)電抗器接入同一主變壓器低壓側(cè)；（d）分別經(jīng)電抗器接入不同主變壓器低壓側(cè)；（e）在高壓廠用變壓器低壓側(cè)Figure 6 Several common ways for the input side of SFC to access the power station（a）Sharing reactors with factory transformers；（b）Without reactor；（c）Connecting to the low voltage side of the same main transformer through reactor；（d）Connecting to the low voltage side of different main transformer through reactor respectively；（e）Low voltage side of high voltage factory transformer

接線（b）是靜止變頻器直接接入主變壓器低壓側(cè)，則靜止變頻器接入點的短路容量比接線方式（a）大，有利于抑制諧波電壓，但這種接線方式不利于限制短路電流，對于大型抽水蓄能電站，提高了靜止變頻器分支斷路器的短路電流分斷要求。

接線（c）是靜止變頻器和廠用電分別經(jīng)電抗器接入主變壓器低壓側(cè)，通過設(shè)置交流電抗器，限制了短路電流及靜止變頻器諧波電流，將諧波對廠用電母線的影響進一步降低，也有利于靜止變頻器分支斷路器的選擇。

接線（d）是靜止變頻器與廠用變壓器分別經(jīng)電抗器接于不同主變壓器的低壓側(cè)，這種接線將諧波對廠用電母線的影響降低到了最小限度，但是由于靜止變頻器和廠用電變壓器接于不同發(fā)電機—變壓器單元，在首臺機投產(chǎn)時需考慮二者都能供電。

接線（e）是靜止變頻器接在高壓廠用變壓器的低壓側(cè)，靜止變頻器諧波對廠用電設(shè)備影響較大，早期少數(shù)抽水蓄能電站采用這種方式。在當時條件下，雖然采用高壓廠用電源方式需要增加220kV的GIS回路間隔，但與發(fā)電機主回路設(shè)置斷路器相比仍比較經(jīng)濟，因此選擇采用220kV供廠用及靜止變頻器電源。

綜上，接線（c）和接線（d）可將靜止變頻器網(wǎng)側(cè)諧波對電站其他設(shè)備的影響降到最低，并且接線（d）是較優(yōu)的接線方式。

5 轉(zhuǎn)子初始位置檢測

準確可靠的轉(zhuǎn)子位置檢測是靜止變頻器拖動機組啟動的基礎(chǔ)。轉(zhuǎn)子位置信號檢測最直接的方法是在電機上安裝位置傳感器。但是裝設(shè)位置傳感器增加了系統(tǒng)的復雜程度和安裝調(diào)試及維護的工作量，安裝偏差會導致傳感器輸出的測量波形發(fā)生變化，對準確檢測轉(zhuǎn)子位置不利，在工作環(huán)境條件較惡劣時尤其如此[6]。該方案在早期抽水蓄能電站靜止變頻器中有所采用，后來均采用無位置傳感器的轉(zhuǎn)子位置檢測方式。本節(jié)著重對無位置傳感器轉(zhuǎn)子位置檢測進行介紹。

無位置傳感器的轉(zhuǎn)子位置檢測，首先通過電機勵磁系統(tǒng)控制轉(zhuǎn)子電壓突升，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，電機定子將感應(yīng)三相電壓，不同的定子與轉(zhuǎn)子位置關(guān)系，感應(yīng)的三相定子電壓不同，控制裝置根據(jù)該電壓信號計算轉(zhuǎn)子靜止時的位置[7-8]。然而，通過給轉(zhuǎn)子施加勵磁突變量感應(yīng)的機端電壓信號弱小，為單調(diào)衰減的信號，同時設(shè)備現(xiàn)場電磁環(huán)境復雜，該信號疊加有豐富的噪聲干擾。對感應(yīng)電壓中有效信息的準確提取直接關(guān)系到轉(zhuǎn)子位置計算的正確性。

在施加勵磁電流的瞬間，電機定子三相繞組中會感應(yīng)出電勢，利用這些感應(yīng)電勢，可以推算出轉(zhuǎn)子的位置。

式中Φu、Φv、Φw——轉(zhuǎn)子電流在定子三相繞組中產(chǎn)生的磁通，Wb；

M——定子繞組與轉(zhuǎn)子繞組互感，H；

if——轉(zhuǎn)子電流，A；

γ——轉(zhuǎn)子初始位置角，是轉(zhuǎn)子磁通方向與定子U相軸線的夾角，（°），如圖7所示。

圖7 轉(zhuǎn)子位置角示意圖Figure7 Schematic diagram of rotor position angle

定子三相繞組感應(yīng)電動勢的最大值出現(xiàn)在轉(zhuǎn)子繞組施加電壓的最初瞬間，即t為0時刻，見式（2）。

式中eu0、ev0、ew0——定子三相繞組感應(yīng)電動勢的初始值，V；

k——系數(shù)。

在t0時刻由給電機轉(zhuǎn)子繞組施加勵磁電壓階躍，則在電機定子上感應(yīng)電壓波形呈單調(diào)衰減趨勢。則用式（3）可以計算出電機靜止時位置角γ，獲得轉(zhuǎn)子位置，從而得到首次應(yīng)該被觸發(fā)的機橋閥組編號。

圖8給出的是電機轉(zhuǎn)子突加勵磁階躍后，電機定子側(cè)感應(yīng)電壓波形。用該電壓進行轉(zhuǎn)子位置計算時，先要經(jīng)濾波處理，濾除干擾信號，留下真實信號，只有這樣才能準確計算出轉(zhuǎn)子位置角。南瑞繼保采用無磁滯的硬件隔離采樣硬件+雙數(shù)字濾波器方案，提取有效波形信息，實現(xiàn)了對轉(zhuǎn)子初始位置的準確、可靠檢測。

由圖8可見，原始感應(yīng)電壓波形信噪比低、趨勢不明顯，經(jīng)濾波處理后感應(yīng)電壓趨勢明顯、信噪比明顯提高，有利于計算出準確的轉(zhuǎn)子位置角。對某電站機組，由靜止變頻器控制器對轉(zhuǎn)子位置進行多次檢測，檢測數(shù)據(jù)見表1。

表1 某電站2號機組多次轉(zhuǎn)子電氣位置計算結(jié)果Table 1 Calculation results of electrical position of multiple rotors of No.2 machine in a power station

由表1可見，多次測量得到的轉(zhuǎn)子電氣位置角與多次測量平均角度偏差絕對值小于1°，對于電機轉(zhuǎn)子位置的測量具有相當高的一致性。

6 結(jié)束語

靜止變頻器在我國抽水蓄能電站使用已有20多年的時間，隨著對這一設(shè)備設(shè)計及運行經(jīng)驗的不斷積累，對其主回路拓撲、工作原理，與電源的連接方式的認識更加深入。近些年，在國網(wǎng)新源控股有限公司、南網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司、南京南瑞繼保電氣有限公司等單位的共同努力下，靜止變頻器設(shè)備已實現(xiàn)國產(chǎn)化，并在基建項目和改造項目中得到廣泛的應(yīng)用。國產(chǎn)靜止變頻器的推廣應(yīng)用，一方面，提高了抽水蓄能電站設(shè)備國產(chǎn)化率，有效解決了靜止變頻器設(shè)備技術(shù)支持、備品備件供應(yīng)、售后服務(wù)等問題；另一方面，也為SFC改造項目提供了經(jīng)濟、靈活、高效的改造方案。

圖8 工程現(xiàn)場勵磁階躍定子感應(yīng)電壓波形及濾波后波形Figure 8 Induced voltage waveform and filtered waveform of step stator in field excitation