抽水蓄能机组抽水工况的启动(四方)

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异步电动机的机械特性
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同步电动机的机械特性
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其中前两种为异步启动方式，机组直接（全压）或经阻 抗或变压器（半压）并入电网，转子的阻尼条相当于异 步电动机的鼠笼条，机组作为异步电动机被驱动加速。 转子转速接近于同步转速时，投入励磁，使机组拖入同 步。这种方式适用于中小容量机组，如果机组容量大， 则并网时对电网和机组自身的冲击都较大。 采用同轴小电动机启动方式时，专用于启动的小电动机 与主机同轴连接，小电动机的电源来自厂用电。小电动 机将机组拖到同步转速后，机组并网，断开小电动机的 电源。这种方式增加了机组总高度。正常运行时小电机 随机组空转，降低机组的效率。这种方式过去在国外采 用较多，但新建的蓄能电站已经较少采用，国内则从未 用过。
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（5） 晶闸管逆变器 SFC的晶闸管逆变器也称为机桥，为三相全控逆变器， 每个桥含6个桥臂，用于将直流电流转换为频率可调 的交流电流。构成、触发方式、冷却方式与整流器 相似。 （6） 输出变压器 输出变压器使逆变桥的工作电压与机组电压相适配， 减少各桥臂串联的晶闸管元件的数量。SFC是一个 靠负载电压换相的电流源，输出变压器把机组电压 降为与逆变器适配的工作电压，以保证逆变器的换 相。输出变压器从5Hz开始就要投入运行。
抽水蓄能机组抽 水工况的启动
报告人
姜树德
1 启动方式概述
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主要启动方式
抽水蓄能机组作为同步电机，其机械特性造成 了它固有的启动困难。 在抽水蓄能技术发展的过程中，曾经和正在采 用的可逆式机组启动方式主要有以下几种： －全压启动 －降压启动 －同轴小电动机启动 －变频启动装置启动 －“背靠背”启动
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（7） 输出电抗器 输出电抗器可以限制可能出现的短路电流。 （8） 旁路开关 当被拖动机组转速低于额定转速的10%时， 由于电压和频率都很低，为了避免输出变 压器运行在过低频率下，也为使机组得到 较大的启动电流，通过旁路开关S2直接与 发电电动机绕组相连，当机组转速大于额 定转速的10%后，旁路开关S2断开，S1 合上，输出变压器接入。
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晶闸管可以采用风/水冷却方式、水/水冷却 方式或强迫风冷方式。采用风/水冷却方 式时，晶闸管的热量由强迫循环的空气带 走，空气的热量经冷却器即气水热交换器 随冷却水排走。采用水/水冷却方式时， 晶闸管的热量由强迫循环的去离子水带走， 去离子水由绝缘性能良好的塑料管路引至 冷却器即水/水热交换器，热量随电站冷 却水排走。

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（1）转子初始位置的识别


启动之初，转子处于静止状态时，不能用定转子相 对运动的机理来判断转子位置。 但是在施加励磁电流的初瞬间，电机定子三相绕组 中会感应出电动势，利用这些电动势，可以推算出 转子的位置施加励磁电流时，定子三相绕组中因互 感产生的磁通可以用式1表示。

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9） 控制器 SFC控制系统的核心是其控制器。由处理单元、存贮器 单元和各种输入/输出插板构成。它用于监控和保护内 部元件和相连的外部设备。检测到事故时，它将作出 反应，包括立即或延时关断网桥和机桥，立即或延时 跳闸和/或发出报警信号。各种事故通常是经由串行通 信传送到全厂的计算机监控系统，但作为后备，还有 以开关量方式输出的硬接线综合信号。 软件的功能包括SFC的调节，即根据外部输入，直接或 经过计算获得机组的信息，包括当前转速和转子位置 等。根据这些信息计算出应当采用的控制角的大小， 以及应当导通的桥臂，从而控制机组的转速和转矩。 控制命令最终转化为经由光缆向每个晶闸管输出的触 发信号。
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2.4 SFC的运行原理
1）简述 SFC运行的关键是成功实现逆变，而逆变成功 的关键是按照预订的顺序、时刻实现闸管的 换相，即一个桥臂晶闸管关断、另一个桥臂 晶闸管开通，使电流从前者转移到后者。 开通晶闸管必须同时具备两个条件： --在阳极和阴极之间施加正向电压， --在门极施加触发脉冲。 晶闸管一旦开通，门极就失去控制作用，即使 触发脉冲已经撤除，只要正向电压存在，晶 闸管就会继续导通。 关断晶闸管必须采取以下两条措施中的一条： --在阳极和阴极之间施加反向电压， --关断给晶闸管供电的电流源或电压源。
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按照整流器和逆变器的工作电压，SFC可以分为高 －高接线方案和高 －低－高接线方案。 高－低－高接线方案的SFC的整流器经降压变压器 接到来自电力系统的电源（多为主变压器的低压 侧），整流器的输入交流电压低于其电源电压（亦 即主变压器的低压侧电压）。输出侧经变压器升到 机组电压。（图c） 高－高接线方案的SFC的整流器经电抗器或变比为1 的隔离变压器接到其供电电源，整流器的输入交流 电压与机组端电压相同。输出侧不需要接变压器， 而是经电抗器输出。(图a、图b) 高－高接线方案的SFC的整流器的支路的工作电压 较高，需串联的晶闸管元件数量一般较多。高－低 －高接线方案的SFC的整流器的支路的工作电压较 低，需串联的晶闸管元件数量较少。各种接线方案 的构成见下页的图。 2016/7/24 11
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（1）转子初始位置的识别
根据三角函数公式对式4进行 求解，得:
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（1）转子初始位置的识别
定子绕组空载时，eu0=uu 、ev0= uv 、 ew0 = uw，而各相电压是可以测得的，所以γ可根据 式5求得，转子初始位置从而可以确定。 转子的可能初始位置则有无限多个，但机桥 可能的导通桥臂组合只有6种。所以，必须将 转子的无限多个可能初始位置归并为6种，以 适应对机桥控制要求。
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（3） 晶闸管整流器 SFC的晶闸管整流器也称为网桥，为一个或两个三相全 控整流器，每个桥含6个桥臂，用于将来自电网的交流 电流转换为直流电流。 根据网桥的工作电压和晶闸管 的反向电压承受能力，每臂可能由几个晶闸管串联构 成，也可能只有一个晶闸管。如采用两个三相全控整 流桥器串联的方式，可以进一步减少注入到电网的谐 波含量。这种方案共有12个桥臂，相应的触发脉冲有 12个，所以也称为12脉冲方案。 晶闸管有的门极触发单元，用电脉冲触发，信号来自 SFC的控制器。控制器将电信号转化为光信号用光纤 传输到各晶闸管，保证了高电压功率元件与控制元件 之间的隔离。
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2）转子位置的识别 不论处于哪个启动阶段，采用哪种换相方式，控 制系统都需要知道转子的位置，以便确定为使 转子获得最大转矩应该通电的定子绕组相别， 从而确定应该导通的桥臂。以往采用感应型或 光电型的轴角传感器来测位，现在主流厂家采 用的是计算电机电压矢量的办法确定转子位置， 省去了传感器。以下的分析中均以无传感器的 方案为例。为了分析的方便，假定电机的极对 数为1，电角度与空间角度一致，假定逆变桥直 接连接到电机。这个分析的结果很容易推广到 多对极的电机和有输出变压器情况中去。
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2.2 SFC 的分类


广义地讲，SFC可以分为电压源和电流源型。电 流源型中又可以分为负载换相式和可关断元件式。 蓄能电站的SFC 属于负载换相式 (Load Commutated Inverter ，LCI)，逆变器的换相依 靠被拖动的同步电机的反电动势实现。 与工业拖动中连续运行的SFC不同，抽水蓄能电 站的SFC是一种短时工作制的设备，它只在水泵 工况启动的过程中运行，机组并网后它即退出。 它的容量是按照招标时要求的工作和间歇时间来 设计的。
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由于SFC逆变器的负载是同步电机，在转速高于 10％时（各工程取值略有差别，以10％即5Hz 者居多，为了叙述的方便，以下均采用10％和 5Hz），可以利用同步电机的交流反电动势来 关断逆变器中的晶闸管，即实现自然换相即同 步换相。 但是，在启动的初始阶段，当转速低于额定值的 10%时，电机的反电动势不足以关断逆变器中 的晶闸管来维持换相，此时必须由SFC依次向 电机定子各相绕组提供电流脉冲，实现所谓强 制换相。
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2 SFC变频启动
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2.1 静态变频启动装置(SFC)简介
如果机组容量大，则必须采取减少冲击的“软”启动 方式，国内外最常用的是采用静态变频启动装 置(以下简称SFC)启动。 SFC的功能是将工频50 Hz的输入电压，转化为频率 在0~50Hz范围可调的输出电压。SFC的容量， 一般为被启动电机容量的6%～10%。机组转速、 飞轮矩、额定容量和用户要求的启动时间及机 组各部分损耗均会影响到SFC装置的容量选择。 一般要求SFC装置的容量应满足在3.5～4.0 min 内将机组从静止状态加速到同步状态所需的最 2016/7/24 大功率要求。 8
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（1）转子初始位置的识别
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（1）转子初始位置的识别

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（1）转子初始位置的识别

定子三相绕组中感应出的电动势可以用式3表 示：
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（1）转子初始位置的识别

定子三相绕组感应电动势的最大值出现在转子绕组施加电压 的初瞬间，即t为0时，见式4。

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2. 3 SFC的构成
SFC装置一般由输入变压器（或输入电抗器）、 晶闸管整流器、平波电抗器、晶闸管逆变器、 输出变压器（或输出电抗器）等组成，见图。 该图为当前采用较多的高－低－高接线方案。
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（1）输入变压器 采用高－低－高接线方案，输入变压器为降压变压器，使来 自系统的电压与整流器的工作电压相适配，减少各桥臂串 联的晶闸管元件的数量。输入变压器接线组别多采用Yd或 Dy，以削弱整流器产生的3次及阶次为3的整数倍的谐波， 并减弱其它阶次谐波对电站和电力系统的干扰。设置输入 变压器，对于抑制可能出现的谐波谐振有明显效果。 网桥采用12脉冲方案时，则采用双二次绕组的输入变压器。 接线组别应当是Ddy, 以配合12个桥臂的导通脉冲在360o 电空间的均匀分布。 如果变压器容量较大时，多采用油浸式。容量较小时，也可 采用干式变压器。 （2）输入电抗器 有的工程中，SFC不设输入变压器，而是经由输入电抗器接 到晶闸管整流器。输入电抗器可以限制可能发生的的短路 电流。这种接线属于高－高方案，整流器和逆变器的工作 电压较高，且不能阻断3次及阶次为3的整数倍的谐波。