左厲

(國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司回龍分公司,河南南陽 473000)

抽水蓄能機(jī)組的靜止變頻起動(dòng)探究

左厲

(國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司回龍分公司,河南南陽 473000)

電力系統(tǒng)是關(guān)乎工業(yè)生產(chǎn)和人民生活的重要系統(tǒng),需要為社會(huì)提供十分可靠的服務(wù)。電力系統(tǒng)的供電效率受到載荷大小的影響,如何利用先進(jìn)技術(shù)使得在載荷最大的時(shí)候電力系統(tǒng)供電能力也達(dá)到最大是發(fā)電企業(yè)面臨的一個(gè)關(guān)鍵問題。抽水蓄能裝置具備調(diào)峰填谷的能力,靜止變頻啟動(dòng)是抽水蓄能的關(guān)鍵技術(shù)。本文闡述了抽水蓄能的意義,分析了靜止變頻啟動(dòng)的原理,并進(jìn)一步介紹了靜止變頻啟動(dòng)控制的策略和控制要點(diǎn)。

抽水蓄能 靜止變頻 啟動(dòng)

1 引言

電力系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì)之一是負(fù)荷在不斷增大。削峰填谷是抽水蓄能電站的最大特點(diǎn)，其工作方式包括水泵和水輪機(jī)兩種。水泵運(yùn)行方式作用于電力系統(tǒng)的負(fù)荷較小時(shí)，利用發(fā)電機(jī)組的剩余電能將下水庫(kù)的水抽到上水庫(kù)，儲(chǔ)蓄勢(shì)能，從而在電力系統(tǒng)的負(fù)荷較高時(shí)以水輪機(jī)的方式運(yùn)轉(zhuǎn)，將儲(chǔ)蓄的勢(shì)能用來發(fā)電。這種雙工作方式的切換使得電力系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力有效增強(qiáng)，在增強(qiáng)供電質(zhì)量的同時(shí)也獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益。對(duì)于蓄能機(jī)組而言，啟動(dòng)技術(shù)是電工抽水的關(guān)鍵技術(shù)之一，靜止變頻啟動(dòng)技術(shù)(SFC)的優(yōu)勢(shì)有容量大、速度快、可靠性高等特點(diǎn)，是未來啟動(dòng)技術(shù)的主要發(fā)展方向之一。

2 抽水蓄能機(jī)組靜止變頻原理和基本方案

2.1 靜止變頻工作原理

靜止變頻器的目的是利用半導(dǎo)體電流使電源功率變成交流式和可變頻式，其又稱自控制同步電機(jī)，與一般異步或者同步電機(jī)不同，該電機(jī)的輸出頻率的調(diào)節(jié)受到同步電機(jī)轉(zhuǎn)子位置的控制，因此并非是獨(dú)立調(diào)節(jié)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)過一對(duì)磁極時(shí)，交流電的輸出走完一個(gè)周期，這樣能使得輸出頻率和電機(jī)轉(zhuǎn)速不產(chǎn)生失步或者震蕩現(xiàn)象，時(shí)刻保持同步。靜止變頻器和同步電機(jī)進(jìn)行連接，變頻器為電機(jī)提供電源，該電源頻率可調(diào)，用來對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行勵(lì)磁，同步電動(dòng)機(jī)剛開始靜止，隨著變頻器頻率從零開始增加為額定頻率，電動(dòng)機(jī)最后會(huì)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速。

靜止變頻器的組成部分有同步電動(dòng)機(jī)、變頻器、轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器和控制單元等。整流橋、逆變橋和續(xù)流晶閘管是變頻器主回路的組成部分，該回路的換相依賴于同步電機(jī)的反電勢(shì)，并不需要串聯(lián)二極管和換相電容。50Hz的交流電通過整流橋之后變成直流，逆變器再將其變成一定頻率交流電，最后作為輸入送達(dá)同步電動(dòng)機(jī)。分析轉(zhuǎn)子的信號(hào)是控制單元的主要作用。

圖1 機(jī)組控制系統(tǒng)原理圖

2.2 抽水蓄能同步機(jī)組啟動(dòng)過程

抽水蓄能機(jī)組的啟動(dòng)過程如下：(1)啟動(dòng)加速。啟動(dòng)指令被發(fā)出后轉(zhuǎn)子勵(lì)磁被投入，啟動(dòng)裝置的輸入輸出開關(guān)被合上，開始啟動(dòng);剛開始整流控制角度被固定在135度，晶閘管在主回路斷流之后按照下一拍的要求被觸發(fā);與此同時(shí)，該觸發(fā)操作還順帶導(dǎo)通晶閘管，電流流換過程被加快;反電勢(shì)的輸入在電動(dòng)機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速的百分之十左右時(shí)輸入。(2)自動(dòng)整部微調(diào)。該階段的特點(diǎn)是電壓頻率差值貫穿該階段存在于啟動(dòng)裝置和電機(jī)端，該差值帶來了附加微調(diào)信號(hào)，既可以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，又能自動(dòng)改變整流器直流電壓幅值;同時(shí)，電動(dòng)機(jī)端電壓在勵(lì)磁裝置控制調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的勵(lì)磁電流之下和電網(wǎng)能夠保持平衡。(3)并網(wǎng)控制。在該階段，電動(dòng)機(jī)定子端口電壓與電網(wǎng)整體電壓差值需要在一定范圍內(nèi)浮動(dòng)，其中頻率差小于0.25Hz，電壓差值小于額定電壓的百分之五，相位差約為0度，此時(shí)同步并網(wǎng)條件得到滿足，α值被設(shè)定為135度，輸出電流為零，同步脈沖被停止，同時(shí)電動(dòng)機(jī)并入電網(wǎng)的開關(guān)被合上，在啟動(dòng)裝置電流測(cè)和負(fù)載測(cè)的開關(guān)進(jìn)行分閘之后電動(dòng)機(jī)并入電網(wǎng)，靜止變頻啟動(dòng)裝置退出，啟動(dòng)過程結(jié)束。

3 抽水蓄能機(jī)組變頻啟動(dòng)控制系統(tǒng)

3.1 機(jī)組控制啟動(dòng)原理

在抽水機(jī)變頻控制系統(tǒng)中，反電勢(shì)自然換流方法的運(yùn)用使得逆變器結(jié)構(gòu)變得十分簡(jiǎn)單，無需特殊換流電路也使得換流過程比較緩慢，利用普通晶閘管原件即可滿足要求，降低了成本。機(jī)組控制可以從電機(jī)的定子磁勢(shì)、矩角特性和電機(jī)輸出的平均轉(zhuǎn)矩來闡釋。電機(jī)的三相交變電流變成直流之后，由于平波電抗器的較大電抗值存在，該直流在一個(gè)周期之內(nèi)近似認(rèn)為不變，在六拍逆變器的工作方式下，任何時(shí)候六個(gè)開關(guān)之中只有兩個(gè)開關(guān)加上了觸發(fā)信號(hào)，電機(jī)定子繞組在這種特殊供電方式之下的工作圖1所示。

電流在經(jīng)過A和B之后回到電源，此時(shí)可以利用空間磁矢量來表示定子磁勢(shì)。定子磁勢(shì)、轉(zhuǎn)子磁勢(shì)和合成磁勢(shì)的矩角特性需要符合電機(jī)學(xué)原理的要求。平均轉(zhuǎn)矩在轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)達(dá)到最小的時(shí)候取得最大值，通過改變?nèi)喽ㄗ与娏鞯念l率幅值等參數(shù)，可以根據(jù)轉(zhuǎn)矩的不同要求來確定不同的定子磁動(dòng)勢(shì)和不同大小、方位的參數(shù)要求，進(jìn)而改變電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。

3.2 控制策略和模型

在靜止變頻器研究過程中進(jìn)行仿真模型搭建時(shí)，對(duì)于可逆式靜止變頻器系統(tǒng)來說，定子繞組和轉(zhuǎn)子電壓屬于已知量，轉(zhuǎn)子電流、定子端電壓和轉(zhuǎn)速則是未知量，直接由轉(zhuǎn)子電流和轉(zhuǎn)速即可得出定子端電壓。利用龍格-庫(kù)塔法進(jìn)行模型控制之后可以得出定子電流在自然換流階段近似為方波，啟動(dòng)過程中轉(zhuǎn)速上升曲線平滑，電磁轉(zhuǎn)矩變化平穩(wěn)。斷續(xù)換流階段，轉(zhuǎn)子的初始位置十分重要，可以決定啟動(dòng)是否成功，轉(zhuǎn)子檢測(cè)器在過渡過程中調(diào)整分配觸發(fā)脈沖，調(diào)整超前角大小;同時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩呈現(xiàn)脈動(dòng)變化。在實(shí)際操作過程中需要注意這些問題。

4 結(jié)語

靜止變頻是抽水蓄能機(jī)組的關(guān)鍵技術(shù)，該技術(shù)在國(guó)外已經(jīng)達(dá)到了實(shí)用水平。隨著我國(guó)的抽水蓄能電站不斷發(fā)展，靜止變頻技術(shù)是需要突破的難點(diǎn)之一。本文研究表明，轉(zhuǎn)子位置初始角度和電磁轉(zhuǎn)矩是啟動(dòng)過程中的關(guān)鍵參數(shù)，啟動(dòng)時(shí)定子電流不是嚴(yán)格正弦，電流關(guān)閉角度能夠影響啟動(dòng)時(shí)間，在實(shí)際操作過程中應(yīng)嚴(yán)格控制這些參數(shù)，做好啟動(dòng)工作，從而提高我國(guó)的電力供應(yīng)效率。

[1]陶以彬.抽水蓄能機(jī)組變頻起動(dòng)頻率檢測(cè)[J].電氣應(yīng)用,2013,08：16.

[2]李玉秋.抽水蓄能電站靜止變頻起動(dòng)裝置的選型研究[J].科技創(chuàng)業(yè)家,2014,06：91.