静止变频器（SFC）启动机组泵工况过程分析

王　熙，刘　聪，冯刚声

（湖北白莲河抽水蓄能有限公司，湖北 黄冈 438600）

静止变频器（SFC）启动机组泵工况过程分析

王熙，刘聪，冯刚声

（湖北白莲河抽水蓄能有限公司，湖北 黄冈 438600）

摘要：静止变频器能够在较短的时间内平稳地将抽水蓄能机组由零转速拖动至泵工况的额定转速。本文以白莲河抽水蓄能电站SFC系统为例，简述了SFC系统的基本配置，包括组成部分和各部分的结构功能，继而从SFC工作原理、启动系统控制策略，以及SFC系统、监控系统和励磁系统三者之间配合的工作流程，详细分析了SFC启动机组泵工况的完整过程。

关键词：静止变频器（SFC）变频启动；整流桥；可控硅；控制流程

1　引言

湖北白莲河抽水蓄能电站位于黄冈市罗田县境内，电站装有4台300MW可逆式抽水蓄能机组，总装机容量1 200MW。设计年利用小时数为613～948 h，年发电量9.67亿kW·h，年抽水耗电量12.89 亿kW·h。以500 kV电压等级接入系统，在华中电网和湖北电网系统中发挥着调峰、填谷、调频、调相和事故备用等重要作用[1]。

静止变频器（SFC）是大型抽水蓄能电站的重要电气组成部分，抽水蓄能电站的核心技术之一为机组泵工况的变频启动[2]。SFC因具有无级变速、启动平稳、反应迅速、自诊断能力强、可靠性高等优点而被广泛应用于抽水蓄能机组泵工况启动。SFC变频启动机组泵工况是湖北白莲河抽水蓄能电站的主要启动方式，当SFC故障时采用背靠背拖动作为备用方式启动机组。

图1 SFC主回路接线

2　SFC系统的基本配置

2.1 SFC系统的组成部分

SFC是利用可控硅变频装置将主变低压侧的网侧电压变为从零到额定频率值的变频电源，该电源产生的旋转磁场同步将转子由静止拖动到额定转速[3]。SFC系统（主回路接线见图1）由输入变压器、输出变压器、输入断路器、电网侧整流桥（网桥）、机组侧逆变桥（机桥）、输出断路器、直流平波电抗器、隔离开关、冷却系统、控制系统、保护、监测系统和控制柜等组成[4]。开始时网桥将由输入变的交流电整流为直流电送入回路中，在直流平波电抗器中完成平波和去耦，后在机桥的作用下逆变后以相应频率交流电形式送入机组[5]。

2.2 SFC各部分的结构和功能

湖北白莲河抽水蓄能电站4台机组共用一套型号为ALSTOM SD7000 SynchrodriveTM的变频装置。网桥为两只相同整流桥（NB1和NB2）组成的六相全控桥，每只整流桥由18只晶闸管组成，每个整流桥由6个桥臂构成，每个桥臂按照2+1冗余配置晶闸管，即每个桥臂有3只晶闸管，获得12脉冲。机桥（MB1）为单个三相全控逆变桥，6桥臂，每个桥臂按照3+1冗余配置，获取6脉冲。NB1和NB2分别与电网侧三绕组输入变压器的二次侧星型和三角形绕组连接，MB1输出通过QBS或QDS分别可与启动母线或者输出变压器一次侧星型绕组连接。

输入变压器的低压侧星型二次电流与低压侧三角型二次侧电流相差30°，利于整流桥产生12脉冲电流。输入变和输出变使电网电压与机组出口电压相适应，有效的降低了SFC装置的工作电压，使SFC装置配置较少的晶闸管足以完成启动过程[2]。一次侧和二次侧采用三角形连接，有效的降低了网桥产生的谐波对电网和机组的干扰，并能够限制故障电流。

直流平波电抗器主要用改善MB中晶闸管的工作条件，通过NB1和NB2输出后的平波和去耦，抑制直流回路中电压和电流的谐波分量及直流上升速度，降低故障电流起始增长率。

当旁路电流频率低于5 Hz时，QBS合上，向电机输入低频电流，保证给机组较大的初始启动电磁力矩，同时避免输出变压在过低频状态运行。当MB输出频率上升至5 Hz以上时，QBS断开，QDS接通输入变压器为电机供电。

3　SFC启动控制分析

3.1 SFC工作原理

MB自动换相必须有一个合适的交流电压，当交流电压过低时，MB失去自动换相的能力。在泵工况下机组正常运行时，转子中加以恒定不变励磁电流。由机组端电压正比于转速可知，开始启动时，发电电动机处于停机状态或者速度较低，机端电压也较小，MB不能进行自动换相。因此当机组处于低速运行阶段时，SFC拖动采用脉冲耦合方式进行强迫换相。机组高速运行时，SFC拖动采用同步运行方式进行自动换相。

（1）低速运行阶段：采用脉冲耦合工作方式，此时由程序检测转子位置决定何时由MB的哪两相导通。换相时为了将回路中的电流截止，强制使NB处于全逆变状态。当回路电流减小为0时，取消NB的全逆变并将触发脉冲传递至下一组需导通的可控硅。

（2）高速运行阶段：此阶段采用同步运行，机组机端电压自然交替，SFC可控硅可靠的自动换向，SFC控制单元通过控制NB以及MB的触发脉冲，将SFC输出的起动频率调整至50Hz左右。

需要说明的是，低速运行阶段转子位置和电磁力矩的方向是两个关键因素。湖北白莲河抽水蓄能电站SFC系统采用电气量测量转子初始位置。在机组启动前，投入励磁系统向转子突然施加电流到电流上升到一个稳定值时，从定子出口PT取三相的暂态感应电动势进行计算便可知转子的初始位置，在定子电流稳定后当转速在零附近一段数值时，感应电势低，无法通过其测出转子位置，只能运用电机运动方程对转子位置进行估算。对于电磁力矩的方向，通过调整控制回路，使MB的晶闸管触发脉冲按新的相序工作即可得到加速电磁力矩。当处于高速运行阶段时，不需要知道转子的初始位置，通过检测机组出口电压频率来协调MB的换流频率，使机组避免失步运行[6]。

3.2 SFC启动系统控制策略

SFC启动系统主要由NB1、NB2以及MB、直流平波电抗器、电网侧交流电抗器以及交流滤波器组、可控硅阀冷却系统、变频器控制保护系统、可控硅的触发脉冲门控制单元、阀基电子设备、可控硅电子触发板、可控硅检测系统和水泵工况下的同期控制系统构成，其结构示意图如图2。

图2 SFC启动系统结构

SFC系统中的可控硅触发脉冲门控制单元可以实现SFC控制保护系统到NB1、NB2以及MB各桥臂的触发脉冲分配。可控硅触发系统是由阀基电子设备和可控硅电子触发板构成。阀基电子设备将门控单元输入的对应NB1、NB2以及MB各桥臂的电控信号转化成对应各阀臂上每只可控硅的光触发信号；可控硅电子触发板安装在NB1、NB2以及MB阀体框架上，每块可控硅电子触发板控制一只可控硅，它将接收到的光触发信号转化为电脉冲信号，直接触发可控硅。同期并网控制系统中的同期测定装置与励磁系统同期调节系统配合，使机组出口电压跟随电网电压的频率和幅值。

SFC控制器通过对同步电机电网侧电压、电流和机组侧电压、电流的测量，以及监控系统开关量的读取，并通过相应的算法输出脉冲控制信号、励磁调节信号、开关量信号以达到机组变频启动的目的。当机组开始转动后，利用双闭环控制方式对SFC转速进行调控。由SFC控制器给定的速度参考值与机组实际速度测量值进行对比，将误差信号送入转速调节器进行闭环处理。电流调节器以转速调节器输出的电网侧电流作为给定值，与电网侧实测电流值进行对比，将反馈结果送至电流调节器。电流调节器输入NB1和NB2触发脉冲指令，以达到电流闭环调节，从而实现对机组转速的调节。

针对低速阶段和高速阶段，电流调节器分别采用脉冲耦合工作方式和同步运行方式（见前文3.1）。机组转动过程中，利用双闭环控制方式对电压进行调控。将电压设定值与电压测量值的误差信号作为输入传递至电压调节器，励磁系统接收由电压调节器反馈的励磁电流调节指令，并以此指令为依据控制励磁系统的整流桥触发角，调节机组励磁电流的大小，以实现对机组的电压调节。

4　SFC启动机组的工作流程

SFC启动机组是SFC与监控系统、励磁系统紧密配合的过程。只有启动初始阶段上述三者间的信号和指令，依照既定的顺序进行传递，才能保证机组泵工况的顺利启动（见图3）。白莲河抽水蓄能电站计算机监控系统为开放式、分层分布的系统结构，由主控级和单元控制级等设备组成。单元控制级设有9个现地控制单元（LCU），其中LCU1~LCU4对应为4台机组现地控制单元，LCU5为抽水启动现地控制单元。LCU5一方面对机组LCU和SFC之间的控制命令和状态信号进行判断处理，另一方面还将对SFC反馈命令进行处理。以1号机组在SFC启动为例，结合图3介绍SFC系统、监控系统以及励磁系统之间的相互作用关系。

图3 SFC、监控、励磁配合过程

若SFC自身无故障且处于远方控制级，SFC将“满足启动条件”信号传送至LCU5，机组LCU1收到“抽水调相启机令”后，按一定顺序开始启机流程。

（1）LCU1启动机组辅助设备包括：机组技术供水系统、调速器和球阀油站系统、推力高压油泵、水导循环油泵以及抽油雾装置等。

（2）LCU1发令合上泵工况换相刀、退出机械制动。

（3）LCU1发“SFC准备启动命令”至LCU5，启机前的预备工作由LCU5和SFC相互配合完成：

由LCU5发令使SFC输入变、输出变和功率柜的冷却系统开始工作；

由LCU5发“SFC电源投入命令”，SFC系统的逻辑判断令谐波滤波器开关合闸，输入、输出变油泵，SFC去离子泵，冷却风扇等辅助设备开始运行，顺利启动后向LCU5反馈“SFC辅助设备投入运行”信号[7]；

SFC发指令给LCU5请求依据1、4号主变的运行情况来选择合05或06，输入开关合闸后，SFC进入“热备用”阶段；

SFC发送输出开关合闸命令，LCU5将“SFC进入热备用”信号传递至LCU1。

（4）待被启动机组的启动刀和相应的启动母线刀闸合闸后，LCU5发送“1号机组启动令”，然后SFC发指令给LCU5请求合上SFC输出开关VCB2（07开关）；随后SFC根据LCU5给出的机组频率信号“F<5Hz”合上旁路刀闸QBS。

（5）LCU1向励磁传递信号，励磁即处于SFC模式，励磁系统依据该模式的指令，令励磁变低压侧开关以及灭磁开关合闸，并置励磁为电流调节模式，将SFC启动所需要的励磁电流值作为初始励磁电流值，将“励磁准备完成”信号反馈至LCU1[7]。

（6）LCU1将“起动令”传递至SFC，SFC获取命令后将“释放令”传递至励磁系统，励磁整流桥立即解锁，机组出现转子电流，同时反馈SFC“励磁SFC模式已投入”，SFC接收该指令后开始计算转子的初始位置，给出可控硅的出发脉冲，产生电流，使SFC拖动机组转动起来，以脉冲耦合方式加速。

（7）当约8.5%额定频率时，SFC闭锁触发脉冲，定子电流为零，旁路刀闸QBS断开，然后合上QDS刀闸。

（8）SFC控制器重新解锁，产生定子电流，发电电动机保持加速，约5Hz时，进入同步运行方式。

（9）当机组转速大于25%时，机组调相压水流程触发，高压气体进入转轮室并将水位压至转轮以下，使转轮在空气中转动造压，使机组带较小负荷运行便于SFC启动。

（10）当机组转速约为98%额定速度时，SFC通过MODBUS向LCU5发送“SFC速度>98%”命令，监控判断进入同期流程。机组同期装置通过LCU5 向SFC发送增速或减速命令，以调节机组同期频率。

（11）启动机组并网后，SFC收到机组出口开关控制柜给出的“GCB合闸”信号，SFC立即闭锁触发脉冲，然后发指令给LCU5请求断开SFC输出开关07，SFC处于“热备用”状态。

（12）SFC输出开关07开关断开后，SFC使QDS刀闸断开；相应机组启动分闸后，启动母线刀闸分闸。LCU5向励磁发令使其工作于“电压调节模式”。

5　结束语

本文以湖北白莲河抽水蓄能电站SFC系统为例，从SFC系统的组成部分以及各部分的结构和功能等方面详细介绍抽水蓄能电站机组SFC系统所需的基本配置。重点从SFC工作原理和SFC启动系统控制策略两方面对SFC系统的启动控制进行了分析。最后通过介绍SFC系统启机流程，详细说明SFC、励磁系统以及监控系统三者间应该如何密切配合。以期能为SFC的系统配置设计、运行方式优化、日常维护以及检修技改等方面工作提供一定的参考和指导。

参考文献：

[1]胡广生.促进抽水蓄能电站发展的政策研究—对湖北省抽水蓄能电站水资源费减免问题的探讨[J].价格理论与实践，2010（9）：30-34.

[2]胡雪琴.静止变频启动装置（SFC）总结与探索[J].云南水力发电，2007（5）：51-53.

[3]杨洪涛.天堂抽水蓄能电厂变频启动系统分析[J].水电厂自动化，2004（5）：31-35.

[4]冯刚声，阚朝辉.白莲河抽水蓄能电站SFC系统运行中故障的分析与处理[J].水力发电，2012（7）：67-68.

[5]王建忠.静止变频器（SFC）原理及设备[J].水电厂自动化，2006（3）：198-201.

[6]周军.抽水蓄能电站中SFC变频启动的若干特点[J].电力自动化设备，2004（11）：99-101.

[7]杨文道，郑重.桐柏抽水蓄能电站SFC启动机组的自动控制[J].水电厂自动化，2006（4）：190-194.

中图分类号：TM921

文献标识码：B

文章编号：1672-5387（2015）07-0069-04

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.07.020

收稿日期：2015-04-30

作者简介：王熙（1987-），男，助理工程师，从事抽水蓄能电站运行维护工作。