基于RTDS仿真的大型抽水蓄能机组静止变频器起动技术研究

内蒙古赤峰抽水蓄能有限公司 张志超

现阶段国内的抽水蓄能电站基本上都采用可逆式机组，包括水泵和水轮机两种工作方式，既带动发电又实现抽水，其运行工况非常复杂。作为抽水蓄能机组的主流起动方式，静止变频器起动（SFC）由于其技术要求高，国内的抽水蓄能机组变频起动器主要依靠进口，导致运维成本较大，加快技术突破推进实现大容量变频器的国产化有着重大意义。

1 抽水蓄能机组静止变频器（SFC）

1.1 SFC的起动方式及优势

起动方式。由公式pfn/60=（r/min）分析可知，抽水工况下电源频率要想保持与电机转速同步，就必须使蓄能机组的极对数稳定不变，可通过调整电源频率来改变同步电动机的转速。SFC就是对变频方法的利用，让静止变频器与同步电动机相联，借助变频器的作用同步电机可得到频率可调的电源并适当励磁，随着变频器频率从零变为额定频率，同步电机也由静止状态变为额定转速，从而实现起动。

起动优势。静止变频器起动属于自控式同步电机调速，它与异步和同步电机的变频调速方式存在很大差异。因同步电机转子位置的特殊限制，其变流器的输出频率无法独立调节，其交流电输出的交变周期与电机转过的磁极紧密相关，基于这种特性，SFC起动中可确保变频器输出频率总是同步于电机转速，避免了振荡与失步想象的出现，这便是自控式同步电机的突出优势[1]。

1.2 同步电动机SFC的起动电路结构

同步电动机SFC主要包含变频器、同步电动机、转子位置检测装置（BQ）及与之配套的相关控制单元等功能部件。

1.3 同步电机起动程序

同步电机静止变频器与一般的晶闸管交-直-交逆变器存在差异，其独特点在于只依靠同步电动机的反电势实现换流，既不需要电容换相、也不必串联二极管[2]。起动时，先利用整流桥将50Hz三相交流电整成直流电，再借助逆变器转化为交流电，同时将其输入同步电机中准备起动；对BQ相关信号采用控制单元来分析，以此进行转子位置定位和转速分析，同时向变频器发现三相电流/电压频率输出等指令，保证转子转速与电机同步转速相一致。抽水蓄能机组的同步电机从起动到并网需要经过以下阶段：

起动加速。接到起动指令时，转子开展励磁，手动闭合起动装置开关，实现电流输入投入、输出运行，实现顺利起动。运用断续换流法，调整整流侧控制角达到135度，使主回路断流并减小α，此时根据实际需要及时将逆变器晶闸管连通，进而导通续流晶闸管，实现换流加速。在电机转速提升并不低于额定转速的5%~10%时，此时可利用反电势过渡为自然换流状态。

整步微调。这个阶段中，由于起动装置和同步电机存在端电压上的一定频率差，导致出现具有干扰作用的转速微调信号，为解决这个问题，及时调节整流器的直流电压，进而微调逆变器频率。励磁系统也在励磁电流的作用下促使同步电动机端电压与电网相平衡。

同步并网。可通过微调电压与频率来实现，需要同步电机定子的端电压与电网电压满足∆SY(相位差 )≈ 0°、∆ U<5%Ue、∆f<0.25Hz这些差值条件。此时α的角度自动变为135度，输出电流降为零；随后将逆变器和整流器的同步脉冲封锁并立即结合同步电动机与电网的并入开关实现同步并网。与此同时，起动装置的电流侧开关与负载开始分闸，SFC装置随起动完成而退出。

2 逆变器的控制原理分析

抽水蓄能机组的起动控制系统主要由三个控制部分构成，分别为逆变器、励磁整流器以及网侧整流器，其中逆变器没有辅助换流电路，电机的高速旋转主要依靠反电势作用，由此可见它是一种有源逆变器。

2.1 逆变器矢量图

图3中，流入绕组的电流为正向磁链。A、B、C为三相电的静止坐标关系，α、β为静止正交坐标；I1~I6为定子磁链空间矢量。逆变器开关状态及其空间电流矢量信息见表1。

表1 逆变器开关状态和空间电流矢量

2.2 三相定子绕组感应电动势

结合三相电的静止坐标系，能对定子绕组中的转子磁链感应电动势进行准确推算，其原理见图3。

关系式为：

以上关系式中：ω表示电动机的电角速度；P指微分算子；θ为转子位置的初始角； 代表磁轴与转子磁链形成的夹角；ΨrA、ΨrB、ΨrC代表定子三相磁轴中的转子矢量Ψr的感应分量；uAN、uBN、uCN指的是三相定子绕组中转子磁链的感应电势。

2.3 转子位置测算

结合上述关系式可测算转子具体位置：根据对三相线电压的3/2转换得到α、β在静止坐标关系中的电压，然后利用两相电压积分可算出转子矢量的α、β分量，通过反正切计算从而确定转子的位置角，算法流程如下：

θt就是处于t时刻的转子位置角。

2.4 逆变器控制方式

2.4.1 脉冲换相逆变控制

启动初期电机的定子感应比较弱小，在整流逆变器的作用下定子电流降为零，此时无法通过反电势作用促使逆变器换相；整流器的整流状态只有在完全关闭逆变器全部开关后才能恢复，逆变器在以换相脉冲进行运行时即可实现换相。所以脉冲换相过程中须协调控制脉冲器和整流器。图4是脉冲换相中间电流id与电机相电流i、相电压u的运行图，脉冲换相逆变控制方式下，超前角γ为60度；规定发电情况下转子正向旋转，由于低转速下电机感应电压较低并存在很多谐波，滤波处理无法完全避免线电压的过零波动现象，因此需特别注意，当电机频率<5Hz时电机的换相点无法根据线电压过零来确定。

2.4.2 负载换相逆变控制

电机转速的不断上升，使得有足够的反电势来支持和保持稳定的电机换相。γ=60°时，此时同步电机的定、转子磁链矢量夹角介于120~180°范围。形成如图5所示运行图。为防止由于积分累积误差导致的转子位置误算，负载换相控制时需以线电压过零作为换相点。表2呈现了线电压与负载换相控制的变化关系。

表2 负载换相控制关系

2.5 电机电磁转矩

电磁转矩指的是旋转磁场中转子各载流导体所受到的电磁力转矩之和 ：Te∞ |Ψs|×|Ψr|×sinθrs，式中：|Ψs|和|Ψr|分别代指定子和转子的磁链幅值，θrs指的是定子与转子磁链之间的夹角。根据该关系式能得出如图6所示同步电机在脉冲换相及负载换相两种情况下的电磁转矩关系图。

3 基于RTDS软件的仿真实验波形分析与结论

RTDS(Real Time Developer Studio)是一款基于模型的嵌入式软件开发工具，也是应用比较普遍的工业仿真软件。本例中的抽水蓄能电站抽水蓄能机组容量96MVA，额定线电压有效值13.8kV，具体参数（标幺值）为：Xσ0.182、Xd1.053、X"D0.316、X""D0.234、Xq0.818、X""q0.254、Ra0.007661、T"do/s4.67、T""do/s0.058、T""qo/s0.04，利用RTDS软件来实时仿真验证上述算法。

图7表示转速给定值(速度指令)与电机实测速度(标幺值)之间的关系。由图可知二者之间关联密切，给定值在133.333时标幺值为1，达到一个较高值，之后趋于相对平稳。

抽水蓄能机组对支持抽水蓄能电站的正常运行有着基础性作用，也是实现电力调峰填谷，保证蓄能机组的正常、平稳起动的关键。由于其运行质量事关整个电力工程的安全和质量，因此必须予以高度重视。静止变频器（SFC）起动作为目前的主流方式，在实际工作中凭借自身的独特优势，对确保和支撑蓄能机组各起动、运行环节发挥着重要作用。

本文通过采用RTDS仿真分析，发现静止变频器启动方式下，抽水蓄能机组的同步电机可实现起动平稳；无论是在脉冲换相控制下还是在负载换相控制时，同步电机的实际电磁转矩输出值与理论设想保持一致。证实了基于空间矢量控制理论的变频器控制算法的准确性，因此大型抽水蓄能机组采用静止变频起动方式切实可行，也符合实际所需。