浅析静止变频装置(SFC)在蓄能电厂的作用

李海洪 韩轲

摘要：静止变频器(英文全称为“Static Frequency Convert-er”，简称SFC)，被广泛用于抽水蓄能电厂，主要是在机组抽水工况和抽水调相工况下启动。静止变频器的优点是启动平稳，启动时间短，调整方便，维护工作量小，可靠性高，工作效率高。总而言之，静止变频装置对蓄能电厂设备的运转是有很大的影响的。

关键词：静止变频装置（SFC）；蓄能电厂；作用

中图分类号： TH137.8+1文献标识码： A

前言：随着现代化大电网的不断发展，蓄能电厂内蓄能机组以其快速、有效、经济、可靠、无污染的特点，在电网的调峰、调频、填谷以及事故备用中扮演着越来越重要的角色。蓄能电厂中的抽水蓄能机组所特有的可逆式同步电动发电机的启动则是其运行的关键技术之一。 而静止变频器 SFC正是用于实现这一关键技术的理想设备。本研究就将针对静止变频装置（SFC）在蓄能电场中的应用这一主题进行阐述，使读者对这方面的内容有一个更加深入的了解。

1.静止变频装置（SFC）结构

静止变频器主要由功率单元、控制和保护单元以及辅助单元等组成。

1.1功率单元

功率单元主要包括以下部分:(1)输入断路器。在SFC发生故障或正常停运时，切断电源。(2)输入变压器。将高压侧与低压侧进行隔离。(3)整流桥。将交流电流整流为直流。(4)逆变桥。将直流电流逆变为交流。(5)直流电抗器。用于整流输出后的平波和去耦。(6)输出断路器。启动过程中启动回路发生故障时切断电流。

1.2 控制和保护单元

控制单元包括测量单元、脉冲单元、PNC、PLC等。(1)测量单元。测量SFC调节所需的各种变量的元件。(2)脉冲单元。可控硅触发信号的传送和变换元件。(3)PNC(可编程数字控制器)。用于SFC闭环调节和控制及可控硅元件的保护。(4)PLC。用于SFC和监控系统的输入输出联络和故障管理。(5)保护单元。用于SFC各种电气部件的保护(主要包含过流保护、过压保护、欠压保护、欠励保护、过励保护、差动保护、超速保护等)。

2.静止变频装置（SFC）工作基本原理

SFC将电动机拖动到准备同期的转速这一过程必须经历低速运行阶段和高速运行阶段。在低速运行阶段，输出开关一个闭合、一个断开，这样是在低速运行阶段确保转子里有较大的电流，从而形成较大的启动力矩。断续换相法断流时整流器逆变，主回路断流后，减小整流器延迟角的同时，触发下一拍的需要触发逆变器的晶闸管。当电动机转速达到额定转速的5%~10%时，转入自然换相，完成换相方式的切换。

2.1低速运行阶段

同步电动机在低速运行时，由于反电动势较小，不足以使逆变器中的晶闸管实现自然换流，故采用电流断续法换相。具体换相方法为：(1)检测到逆变桥需要换相信号时，将整流桥转入逆变状态，A=150b，使主回路电流Id下降为零，从而使逆变桥中晶闸管全部关断；(2)检测到Id=0时，再次使整流桥转入整流工作状态，并将脉冲发至逆变桥中下一组待触发的晶闸管，重新建立直流回路的电流Id。断续换相到自然换相方式的过渡：当电动机转速升高到一定数值以后(通常为额定转速的5% ~10%)，反电动势的大小足以满足自然换相的要求时，通过控制系统自动地由电流断续换相方式切换到自然换相方式。此时，将换相超前角由0b变到60b，并对脉冲信号进行封锁，使逆变器的晶闸管换相时电动机不再断流，避免电动机转矩受到影响。

2.2 高速运行阶段

在高速运行阶段，输出开关一个断开、一个闭合，通过输出变压器将机端电压升到额定电压值，以便机组并网。此阶段换相的原理就是利用电动机本身产生的反电势进行自然换相。由于在换相重叠角L期间，三个晶闸管同时导通，在两个导通的晶闸管和某两相电机绕组之间出现短路电流，从而使原来导通的一个晶闸管在反向偏压的作用下关断，实现逆变器晶闸管的换相。由于电动机电压的自然交替，原来的电流会自动截止，而新的晶闸管则续流。由于此时可控硅可以自动换向，因而这一阶段将不需要转子位置监测装置的信号。PNC根据力矩设定值和频率基准值，并通过测量机桥、网桥侧电压、电流来控制机桥、网桥的触发脉冲，以调节SFC输出的起动电流，从而将机组拖动至基准频率。此时通过PLC与监控系统的通讯，由机组同期装置根据需要发出“增速”或“减速”的命令，从而最终使机组并网。

如上所述，为了使整个SFC在整个频率范围内正常工作，低速运行阶段的工作频率上限应高于同步工作方式的工作频率下限。两种工作方式的切换就构成了SFC工作的两个阶段。

2.3 辅助单元

辅助单元主要包括SFC冷却单元、输入变冷却单元及其他辅助设备。

3.静止变频装置（SFC）的应用特点

静止变频器SFC设备在投运以来，实际应用中有以下优点: (1)SFC可以很容易完成大型同步电动机变频起动。由于SFC控制过程中的软件是面向应用的，所以简单、易掌握、不易出错，大大提高了工作效率。(2)由于利用了先进的操作系统软件，并应用矢量控制技术，能够以很高的动态性能完成极复杂的控制。(3)系统的硬件和软件均是模块式的结构，可以根据系统的需要扩展，对控制功能进行修改、完善和扩充。(4)静止变频器的转速信号通过电压模型来获取。由电压模型计算出转子位置和转速，从根本上消除了转子振荡和失步的隐患，减少了故障概率。

4.蓄能电厂中的静止变频装置（SFC）遇到的问题及解决方法

大型抽水蓄能电站的SFC系统功率柜通常整体运输，其功率元件具有容量大、电压等级高、内部管路多、布置紧凑等特点，要求在运输、起吊和安装过程中特别小心；在通电试验前要仔细检查盘柜的外观和内部元器件的状况，尤其是绝缘情况。SFC控制柜内部电缆众多，要避免柜内加热器烫伤电缆。

广蓄一期SFC转子初始位置检测失败，导致调节出错、启动失败。此问题经过加长测位窗及调整励磁接触器位置辅助接点与可编程数字控制器的时间配合参数后获得解决。广蓄二期 SFC 采用电气测角和测速，从根本上消除了转子振荡和失步的隐患，由电压模型计算出转子位置和转速，取消测量转子转速用的冲信号发生器，减少了硬件设备，相应减少了故障概率。外冷却水系统部分管道存在严重锈蚀和污泥淤积，导致流量较少甚至检测不到信号，致使保护动作停止SFC，此问题通过化学清洗管道系统得到解决。

5.结语

静止变频器起动装置作为蓄能电站必备的设备，不仅功能强大，起动容量，能满足蓄能电站的发电或者电动机组在电力系统中作为泵工况起动的拖动设备的要求，而且机组的起动成功率高，对系统冲击小，维护量小。目前，我国蓄能电厂静止变频器启动设备有很大部分都依靠进口，其国产化的难点主要在于大容量高压变频的电力电子器件应用技术，但是随着国内大容量高压变频技术的日趋成熟，相信不远的将来能够实现静止变频器（SFC）国产化。

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