抽水蓄能电站SFC系统研制及应用

抽水蓄能电站SFC系统研制及应用

闫伟[1]，石祥建[1]，龚翔峰[2]，牟伟[1]，施一峰[1]，吴龙[1]，刘为群[1]

（[1] 南京南瑞继保电气有限公司，江苏省南京市 211102；

[2] 江苏沙河抽水蓄能发电有限公司，江苏省溧阳市 213333 ）Development and application of SFC system in pumped storage plant

YAN Wei, SHI Xiang-jian, GONG Xiang-feng, MU Wei, SHI Yi-feng, WU Long, LIU Wei-qun ([1] NR Electric Co., Ltd., Nanjing 211102, Jiangsu Province, China

[2] Jiangsu Shahe Pumped Storage Generation Co., Ltd. Liyang 213333, Jiangsu Province, China)

摘要：本文介绍了大型抽水蓄能机组SFC（静止变频器）系统的组成、控制原理、不同工作阶段的控制特点及静止变频系统的保护配置，以及在此基础上研制的PCS-9575型静止变频系统各组成部分的特点、功能及应用。

关键词：抽水蓄能电站；SFC(静止变频器)；脉冲换相；负载换相

Key words: pumped storage plant; SFC(static frequency converter); pulse commutation; load commutation

1 前言

可逆式抽水蓄能电站机组经常运行在，该工况下机组处于电动机运行方式。抽水工况机组启动过程实质上是大型电动机的启动过程。目前，电站大都采用以变频启动为主，以背靠背启动为备用的启动方式[1, 2]。

SFC：静止变频器（Static Frequency Converter)，是大型抽水蓄能电站机组作为抽水电动机运行时的主要启动设备，其安全稳定运行对整个抽水蓄能电站的正常生产至关重要[3]。

长期以来，国内抽水蓄能电站机组设备全部依赖进口，SFC系统往往直接由主机厂家配套国外产品。近些年随着大容量抽水蓄能电站的大量建设，国家对抽水蓄能机组设备的国产化提出了明确的要求，国内部分主机厂家已经具备制造大容量可逆式水轮发电机组的能力，但是SFC系统仍然只能配套进口设备。

PCS-9575型抽水蓄能静止变频系统是基于高压可控硅应用的大范围变频（0~50Hz）的交-直-交变频器，其研制过程涉及到高压可控硅串联、光纤脉冲传导、高压耦合取能、高压可控硅冷却、整流系统di/dt保护及差动保护等多项电力电子一次系统设计制造技术和二次控制保护技术的研究及应用。

2 SFC系统介绍

SFC系统（也称静止变频器）跟踪同步电机定子转速，向同步电机输入频率逐渐增加的电流，随着定子电流频率的升高，机组转速也逐渐升高，直到同步转速，再由同期装置实现机组并网。这样机组就可以从电网获取功率，实现抽水蓄能或者同步调相。对应机组功率从几十兆到几百兆瓦（如机组功率为300MW），SFC系统的容量相应为几兆到几十兆瓦（如300MW机组对应SFC系统约25MW）。

2.1 SFC系统组成

SFC系统包括一次功率设备和二次控制设备，属于交－直－交变换结构。图1是SFC

系统组成示意图。

图1 SFC系统示意图

当图1中输入变为降压变、输出变为升压变时，一次接线称为高－低－高方式；当无输出变、输入变为1：1隔离变时，一次接线称为高－高方式；整流桥和逆变桥可以是12脉波－12脉波、12脉波－6脉波或6脉波－6脉波，12脉波时变压器为三卷变；也可根据需要在系统输入、输出串联交流电抗器。考虑到可控硅阀组制造水平及SFC系统对电网的谐波干扰两方面的因素，高－低－高、12脉波－6脉波的一次结构比较合理。

2.2 SFC控制原理

整个启动控制过程可以分为三个阶段：

（1）初始触发控制：该阶段是要实现正确的电机初始转动。首先通过同步电机励磁系统控制同步电机转子电流和转子磁场变化，根据电磁感应原理，电机定子将感应三相电压，SFC控制装置根据该电压信号计算转子的静止时机械位置，从而推算出对应推动力矩最大的机桥阀组编号。启动网桥，向同步电机电枢绕组注入单向电流，这样有确定磁场方向的同步电机转子就在定子电流力矩的牵引下开始正方向转动。

（2）脉冲换相控制：在电机转动频率非常低时（小于5Hz），机端感应的电压值很低，不足以强迫机桥的阀组在反向电压作用下自然关断，需人为控制来实现机桥输出电流频率变

化，即脉冲换相。当根据同步发电机三相电枢电压的方向，推算出机桥输出电流需要换相的

时刻，控制网桥和机桥，强迫回路中的电流衰减至零，实现网桥和机桥导通的阀组电流小于擎住电流而关断，这样就完成了机桥的换相控制，从而进入下一个导通周期，如此循环往复，实现机桥输出电流以极低的频率变化。图2为脉冲换相阶段网桥电流及触发角录波图。

图2 脉冲换相时网桥电流及触发角录波

（3）负载换相控制：当电机频率比较高时（比如大于5Hz），机端感应出的电压足够高，能够使机桥需要被关断的阀组自然关断，控制进入负载换相控制阶段。在此阶段，网桥一直处于整流工作状态，机桥则一直处于逆变工作状态，这样就可以为电机定子提供持续的转动力矩，并保证转动力矩始终大于电枢的阻尼力矩，使电机转速不断上升，直到并网转速。

启动过程中，网桥采用双闭环控制方式[4]：外环为转速闭环，一般采用PI(比例积分)调节，内环为电流闭环，一般也采用PI调节方式，见图3。

当同期装置合上机组并网开关时，SFC系统退出运行，机组从开始启动到并网一般需要200秒到300秒的时间。

图3 SFC闭环控制原理图

2.3 SFC系统保护配置

SFC系统包括输入/输出变压器、输入滤波器、整流桥、逆变桥以及变流桥的冷却等部分，需要对各部分进行保护及监视。包括以下内容：

（1） 变压器的电量及非电量保护

（2） 功率回路的过电流保护、差动保护；

（3） 网桥输入电压越限保护；

（4） 机组磁通保护；

（5） 机组的过速保护；

（6） 滤波回路的过电流保护、过电压保护、不平衡电流；

（7） 输入/输出变压器油温、变流桥去离子冷却水电阻率、压力，外循环冷却水压力及变流桥温度检测。

由于变流桥(包括整流桥及逆变桥)两边的电流频率不同,所以不能按照常规的电流差动算法来进行变流桥的差动保护,需要先对电流信号做特殊处理后,再计算差流及制动电流。

3 PCS-9575型静止变频系统

PCS-9575静止变频系统包含二次控制保护部分及一次主回路部分。SFC控制器采用PCS-9575静止变频控制器，包括PCS-9575静止变频调节装置和PCS-9575智能IO控制装置。一次回路根据需要可以采用高－低－高形式，也可采用高－高形式，结构采用12－6脉波结构，包括输入开关及刀闸、输入变压器、整流桥、直流电抗器、逆变桥、输出开关及刀闸、输出变压器等。PCS-9575静止变频系统具有以下功能及特点：

(1)稳定、可靠的变频启动功能；

(2)完备的系统设备保护功能；

(3)强大的录波及分析功能；

(4)丰富的对外通信功能；

(5)友好的人机交互功能；

(6)全方位的硬件及软件自检功能。

整个系统具有软件功能丰富可靠、人机交互界面友好、电磁兼容水平高、系统可维护性好等特点。

3.1控制器组成

PCS-9575静止变频控制器由两台装置组成，分别是PCS-9575静止变频调节器、PCS-9575智能IO控制装置。PCS-9575静止变频调节器与PCS-9575智能IO控制装置通过光纤连接，IO控制装置通过光纤将系统内、外的开关量经逻辑运算后送给调节装置，并接受调节装置传送的控制信号经逻辑运算后输出。

3.2控制器机械结构特点

PCS-9575静止变频调节器和PCS-9575智能IO控制装置各自的所有插件集成在一个4U 机箱中，装置结构紧凑，体积小，由自动化生产线生产，自动化调试线调试，生产和调试的质量可靠。

装置中配置有功能相对独立的不同插件，可以方便地更换装置中的某一插件，实现快速维护更换，保证了故障部件更换的彻底性。可以以装置为单位配置备品，方便现场的维护、备品管理和储存，更能保证备品的质量。

装置机箱全封闭，抗电磁干扰；无强迫风冷，无灰尘污染；现场输入的强电信号与装置内的弱电信号在空间位置上完全分开，防止强弱电之间的相互干扰。装置插件与装置外壳良好接触，保证装置的高电磁兼容水平。

3.3 控制器电气结构特点

PCS-9575型静止变频控制器采用分布式多CPU结构，整个控制器包含管理CPU、采样DSP、控制计算DSP，系统监视CPU等；采用专利技术的HTM高速串行总线，实现多CPU 系统的多通道大容量数据传输；系统内部数据实时检错，具有消除异常板卡对数据传输影响的保护功能。

该结构能够保证变频控制核心的安全，不受系统其它部分的影响，同时提供足够强的对外通讯能力、足够灵活和方便的人机交互接口。通信或人机接口层发生异常，不影响变频控制功能。

3.4 PCS-9575静止变频系统特点

PCS-9575静止变频系统，基于自有知识产权的UAPC通用平台，采用成熟的电力电子一次设计技术，整个系统具有以下特点：

(1)采用具有完全自主知识产权、成熟、可靠的控制系统硬件和软件平台；

(2)硬件系统为分布式多CPU系统，通用性好、可靠性高；

(3)系统抗电磁干扰水平高；

(4)软件采用可视化、模块化编程，软件成熟度高；

(5)控制系统集成度高，提高了稳定性和可维护性；

(6)实时锁相控制脉冲发生技术，脉冲稳定，抗干扰能力强；

(7)光电触发设计，阀设计满足IEC61954标准要求，晶闸管使用寿命长；

(8)可控硅阀采用光电触发，隔离安全、触发一致性好；

(9)中小容量系统采用强迫风冷散热，大容量系统采用密闭循环水冷系统，散热系统设

计简单可靠；

(10)系统备品备件长期有保证、售后服务完善、及时。

4 应用验证

下面为PCS-9575静止变频控制系统应用于同步发电机的拖动过程：

(1)发电机静止：PCS-9575静止变频系统判断出发电机转子初始位置后，在机桥加入初

始脉冲后，没有出现初始反转现象，验证了装置对电机转子初始位置检测及触发控制的正确性；

(2)脉冲换相阶段：发电机转动增速稳定，连续无抖动，检验了脉冲换相过程中机桥触

发控制与网桥控制的配合协调性；

(3)换相转换阶段：在从脉冲换相切换到负载换相过程中，电机转速稳定，验证了切换

前后机桥脉冲输出控制的正确性；

(4)负载换相阶段：在负载换向阶段电机转速一直紧跟转速参考值平稳上升，直至同步

转速。

图4为电机整个启动过程中电机频率参考、频率测量及定子电压的实际录波图。

图4启动全程主要量录波

5 展望

基于多年以来在电力系统自动化控制及保护方面的技术研究，以及在高压电力电子技术方面的应用经验，研制出的具有自主知识产权的同步电机SFC静止变频启动系统，能够满足大中型抽水蓄能机组在水泵运行前变频启动的应用需求，填补国产化设备的空白。

完全国产化的SFC静止变频系统研制成功必然会逐渐取代进口设备，成为国产抽水蓄能电厂SFC系统选型配套的主流，一方面真正提高抽水蓄能电厂设备国产化率，另一方面，解决国内抽水蓄能电厂SFC静止变频系统的技术支持问题、备品备件供应问题、售后服务问题等等。也为一大批抽水蓄能电厂SFC静止变频系统的设备技术改造提供一种更加经济、更加灵活而高效的改造选择。

参考文献

[1] 田立军等.抽水蓄能电动发电机启动过程数字仿真. 电力系统自动化，1997；21（7）：

38－41

[2] 姜树德等. 抽水蓄能电站发电电动机变频启动理.第二届水力发电技术国际会议论文

集，北京：中国电力出版社，2009年：1271－1278

[3] 周军. 抽水蓄能电站中SFC变频启动的若干特点. 电力自动化设备，2004；24（11）：99

－101

[4] 何雄开等. 抽水蓄能发电机组变频起动过程的建模及仿真. 大电机技术，2006；22（4）：

9－13。