抽水蓄能电机静止变频器起动的仿真研究

李桂芬，孙玉田，张春莉

(哈尔滨大电机研究所，哈尔滨 150040)

1 前言

2 SFC起动原理

静止变频器（SFC）起动是抽水蓄能电站普遍使用的起动方式之一，其优点是：1)不存在失步问题，转速可以平滑上升；2)不会有过热、电流冲击等问题；3)变频器可控制电机实现四象限运行，故在电机制动时可给电网回馈能量；4)对于有多台蓄能机组的抽水蓄能电站，可以几台机组共同拥有一套变频器，显然更为经济；5) 在紧急情况下，一套变频器在容量许可的条件下，可同时起动两台，甚至多台并联机组。不足之处是：起动1台或2台机组成本高，占地面积大，起动时间长，一旦变频器出现故障，机组便不能起动。关于抽水蓄能电机的SFC起动问题，国内外已有一些文献研究[1-3]。本文将SFC起动的两个阶段（断续换流和自然换流）有效地结合起来，基于SIMSEN仿真软件建立了完整的仿真模型，可对SFC起动的全过程进行仿真计算。并对一台 334MVA的抽水蓄能电机的SFC起动过程进行了仿真分析，获得了电机起动过程中的主要物理量变化规律，验证了模型的可靠性。为工程设计和研究人员提供了参考和理论依据。

图1 步进驱动方式定子馈电向量时序

SFC起动过程分为断续换流过程（也叫强迫换流过程）和自然换流过程。机组起动前，电机处于静止状态，且无端电压，变频器无换相电压的支持而不能进行正常的换相，需要采用强迫换流技术，即脉冲步进方式。在脉冲步进方式中，按定子三相电流的向量空间分布，在360º电角度的向量空间中存在6个磁势分布位置，如图1所示，通过变频装置对各相电流按图中的馈电时序依次通电，可在电机定子中建立一步进旋转磁场，拖动电机旋转。图2为对应图1的定子电流理想波形示意图。从图中可看出，步进驱动方式中电机转子的位置检测是至关重要的，准确的转子位置检测是电机成功起动的必要保证。随着电机的加速，其电枢端电压的幅值逐渐升高，便具备了自然换相的条件，此时变频器控制系统将结束脉冲运行控制而转入自然换相控制，电动机得到正向力矩而继续加速，直流电流Id也开始连续，直至起动过程结束。

图2 步进驱动方式定子电流理想波形示意图

3 数学模型

在dq0坐标系下，不考虑饱和时，一般带阻尼绕组的凸极同步电动机的电压方程为：

转子运动方程：

式中：H为机组的惯性时间常数；0θ为转子位置初始角。

电磁转矩：

阻力矩：

SFC起动多为转轮排水起动，k一般取为1%～5%。

4 仿真计算

4.1 基于SIMSEN软件的仿真模型

依据SFC起动过程的原理结构，建立了如图3所示的系统仿真模型。其中，VS1 为表征无穷大电网的交流电源，T1为主变压器，SM1为待起动的电机，CB1、CB2、CB3和CB4为三相开关。ICONVR和ICONVM为低速时脉冲步进驱动方式下的整流器和逆变器模块；CONVR和CONVM为高速时自然换相阶段下的整流器和逆变器模块（LCI），L1和L2为直流环节的平波电感，EXC为励磁电源，ROT为电机的转子，PUMP为电机的负载（水泵）模型，T_PUMP为负载转矩函数模块，REGIEXC为励磁调节函数模块，HYST为控制开关动作的函数模块，用于低、高速两个变频模型之间的切换（注意：低、高速的变频装置模型分成两部分，纯粹是从软件编程的需要考虑，实际上只有一套变频装置）。另外，系统模型还包括一些控制模块，ARCCOS和ARCCOS1为调整整流器导通角的函数模块，LAGI、LAGI1、LAGN1及LAGIEXC为滤波器模块，分别对两组变频器电感中的电流、电机的转速及励磁电流进行滤波，REGI、REGI1、REGN1为调节器，PROG1为时序编程模块，通过输入电机转子位置角来控制可控硅的触发顺序。

4.2 算例分析

实例电机的主要参数如表1所示。

表1 实例电机参数

利用图3所示的系统仿真模型，对实例电机SFC起动的全过程进行了仿真计算。仿真结果见图4，分别给出了电机转速、转矩、定子电流及端电压的曲线。从图4（a）可看到，电机加速时间大概为245s左右，本例将低速脉冲步进驱动方式的转速范围设定在0～0.1(p.u.)，此阶段电磁转矩如图4（b），三相电流变化情况如图4（e）所示，电流和转矩是断续的，电压幅值逐渐增大，如图4（h）所示。随着电机的加速，端电压的幅值逐渐升高，变频器控制系统转入自然换流阶段，此阶段电磁转矩如图4（c），三相电流变化情况如图 4（f）所示。起动全过程的电磁转矩和电流曲 线分别如图4（d）和图4（g）所示。

图3 抽水蓄能电机SFC起动的仿真模型

图4 抽水蓄能电机SFC起动仿真结果

5 结束语

本文将抽水蓄能电机SFC起动的两个阶段（断续换流和自然换流）结合起来，基于SIMSEN仿真软件建立了完整的仿真模型，可对SFC起动的全过程进行仿真计算。通过对一台334MVA的抽水蓄能电机进行仿真计算，获得了主要物理量的变化规律，证明了模型的可靠性。另外，模型可用在其他大型抽水蓄能电机的SFC起动的仿真计算中，为工程设计及研究人员提供了参考和借鉴。

[1]PETERSSON T. Starting of large synchronous motor using static frequency converter [J]. IEEE Trans PAS, 1972, 91(1):172-179.

[2]LUO Y L. Study of the variable frequency start-up process of pumped storage machines. Pt Ⅰ , P t Ⅱ[A]. ICEM’93 [C].Wuhan,1993. 153-164.

[3]李玉玲，戈宝军，王自涛.同步电机变频起动强迫换流过程的仿真分析[J].大电机技术，2000，(2)：29-32.