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DQZHAN技術訊：抽水蓄能先進變頻器關鍵技術分析

1月20日下午，調峰調頻發電公司設備部組織西開公司、合肥工業大學對抽水蓄能先進變頻器關鍵技術進行了技術交流。

目前抽水蓄能機組多采用靜止變頻器(SFC，Static Frequency Converter)啟動，靜止變頻器啟動利用變頻裝置，向定子繞組輸出可變的交流電流，改變定子旋轉磁場的轉速，利用定、轉子磁場間產生的同步轉矩實現電機啟動。靜止變頻啟動具有無極變速、啟動平穩、反應速度快、調制方便、可靠性高的特點，機組啟動過程對系統不會有任何沖擊，多臺機組可以共用一套設備，諸多優點讓靜止變頻器成為大型抽水蓄能電站機組的優選啟動方式。

所謂先進變頻啟動器，即電壓型變頻啟動器，它采用全控器件IGBT或IEGT作為核心器件，比傳統的電流型靜止變頻啟動器(基于晶閘管，潘家口水電站掛網設備，響水澗投運設備均為此類型)可控性能更加優異，具有主電路使用功率器件數量較少，系統搭建的難度和控制算法的復雜程度低，無換向困難的問題，可提高系統的可靠性和穩定性，同時具有電源側諧波電流含量低、功率因數可控等優點。隨著功率器件的發展和多電平變流器技術的成熟，電壓型抽蓄電機啟動器必將成為未來的發展趨勢。

以廣州抽水蓄能電站一期工程抽水蓄能發電機變頻啟動器改造為假定的應用背景，研究具備啟動300MW可逆式抽水蓄能機組能力的電壓型SFC。

廣州蓄能水電廠B廠安裝的4臺可逆式抽水蓄能機組每臺容量為300MW，電機啟動SFC的容量一般要求在電機容量的10%以上，所以其啟動SFC額定功率需要在30kVA以上，廣蓄一期采用的是ALSTOM公司的SFC，額定電壓4.8kV，額定電流4.5kA，額定容量37kVA。

按照啟動SFC功率等級的要求，擬研制的電壓型SFC要求額定電壓大于4.8kV，額定電流大于4.5kA。目前東芝IEGT*高耐壓達到4.5kV，額定電流2.1kA，考慮到系統的可靠性以及系統過流能力，工程使用時，單個IEGT模塊的工作電壓可取3.5kV，額定電流取1.05kA使用。采用三電平中性點鉗位拓撲結構，并通過在調制信號上疊加三次諧波調制或者SVPWM調制來提高電壓利用率，輸出線電壓可達到4.9kV，每個三電平逆變器模塊輸出功率可高達8.9MVA。為達到抽蓄啟動功率的要求，所研制SFC采用五個上述三電平變流器模塊并聯，可實現輸出額定電壓4.9kV、額定電流5.25、額定功率44MVA的SFC。

下圖 1給出方案擬采用的拓撲結構，圖中每個SFC包含五個三電平變流器模塊，三電平變流器采用二極管鉗位的結構，五個變流器模塊通過輸出濾波電感并聯，構成模塊并聯型SFC。

擬研制的SFC系統控制結構框圖如圖2所示，電壓型SFC的控制系統包含SFC系統控制器、逆變器模塊控制器以及相關的采樣電路及通訊系統。其中SFC系統控制器主要負責同步機的啟動控制、準同期控制以及同步機的轉速控制和定子電流控制等，逆變器模塊控制器功能包含逆變器單元的輸出電壓電流控制、SPWM調制、逆變器單元本體的保護控制等。SFC系統控制器與逆變器模塊控制器之間通過高速通訊系統進行連接，SFC系統控制器將計算出的SFC輸出電壓和電流參考值通過通訊系統發送給各逆變器模塊控制器，逆變器模塊控制器按照參考值控制各模塊的輸出電壓或功率，實現系統的協同控制。SFC設備技術參數如表1所示：

1. 電壓型SFC仿真和系統研究

SFC設備容量大成本高，硬件平臺搭建困難，控制算法復雜，在系統設計研發的過程中，仿真手段必不可少，合理的仿真有助于理解系統原理和運行規律，還可以在設備開發過程中，驗證控制算法的準確性和優化控制參數，為實驗平臺的設計和控制器開發提供理論支持。仿真研究包含如下內容：

1)仿真軟件選擇。SFC系統電路和控制算法復雜，需要選取合適的仿真軟件，在確保仿真準確度的情況下，提高仿真速度，擬采用RT-Lab仿真平臺。

2)SFC建模和仿真電路的搭建。SFC模型的**度是仿真模型能否準確體現SFC特性的關鍵，建模是仿真研究的重要環節。按照SFC模型搭建仿真電路，并驗證仿真電路的準確性。

3)控制算法編寫及仿真分析。按照仿真軟件的語法要求和仿真軟件能提供的資源，編寫控制算法，進行仿真實驗和分析，驗證仿真算法的有效性。另外也可以通過仿真實驗的設計來測試SFC的各環節的特性和運行規律。

2. SFC主回路設計研究

主回路設計是SFC設備開發的基礎，主回路拓撲結構的選取和設計需要綜合考慮經濟性、電路復雜度、調制與控制的復雜度、以及SFC未來的發展趨勢。同時還需要考慮變流器內部環流抑制、電容參數電感參數選擇、橋臂吸收電路的設計、驅動電路的延時和驅動信號的同步問題、以及電磁干擾和電磁兼容等問題。

3. SFC換流器研發

SFC換流器是SFC系統的核心設備，換流器的研發主要包含以下內容：

1)SFC的電路設計與搭建。電路設計方面包含換流器控制電路、驅動電路、采樣電路、調理電路、主電路的設計。此外還包含換流器的安裝柜體設計、散熱設計等。

2)主電路調試。在進行換流器算法驗證前，需要進行主電路調試實驗，確保主電路及采樣電路、通訊電路等的準確可靠。

3)換流器控制器的設計與調試。換流器控制器一般采用微控制器實現，按照換流器對控制速度、采樣精度、觸發脈沖產生方式、通訊結構以及IO接口等的需求，同時考慮微控制器的開發難度和經濟性等因素，選取合適的微控制器。將仿真驗證過的控制算法數字化到微控制器中，進行相應的實驗驗證。

4)換流器保護系統的設計。為保護換流器本體的**運行，需要設計換流器保護系統，主要包含換流器橋臂功率器件保護、過流過壓保護、觸發脈沖丟失保護、溫度保護等。

4. SFC控制保護系統研究

研制SFC控制系統，包含靜止變頻調節器和智能IO控制裝置。控制系統的主要功能包含：

1)抽水蓄能電機的啟動控制。SFC實現抽水蓄能機組啟動主要包括勵磁投入、同步機加速、同期控制、同期并網等階段。啟動控制系統需要包含上述幾階段的控制算法和不同階段運行方式的切換控制算法。

2)轉子位置檢測。主要研究無位置傳感器轉子位置檢測技術，包含發電機靜止轉子位置檢測技術，低頻運行時轉子位置檢測技術。

同時為更好地保障SFC系統的**可靠運行，需制定保護配置方案，研制SFC控制保護系統。完整的SFC保護系統的保護范圍需要涵蓋以下功能：

1)隔離變壓器保護。主要包含差動保護，隔離變壓器高壓側過流保護，高壓側電流變化率保護，隔離變壓器低壓側過流保護，低壓側電流變化率保護，溫度保護等。

2)變流器橋本體保護。由變流器橋本體差動保護為整流橋、逆變橋和電抗器提供差動保護，SFC系統的網橋側為工頻電流，而機橋側為變頻電流，如何實現兩側頻率不一致情況下的差動保護，是SFC變流器橋本體差動保護的難點和研究重點。此外逆變器橋本體保護還包含觸發脈沖故障保護、短路保護、過流保護、過壓保護、傳感器丟失保護、功率模塊溫度保護等。

3)SFC其他保護。轉子初始位置檢測故障保護、設備執行故障保護、機組過速保護、機組磁通保護、控制電源故障保護、通訊故障保護、SFC盤柜積水保護、SFC接地保護、冷卻系統保護等。

5. SFC實驗方法研究

SFC設備容量大，結構復雜，成本高，且系統的控制算法復雜，保護系統功能豐富，因此需要研究合理高效的實驗方法，保障在設備開發過程中，能夠順利有效地對系統各項功能進行實驗驗證。實驗方法研究主要包含。

1)實驗規劃。首先分析SFC開發過程中需要進行的實驗。例如仿真實驗需要完成的實驗項目，硬件搭建調試過程中需要進行的實驗項目，算法調試過程需要進行的實驗項目，統籌規劃實驗時間，合理安排以壓縮研發周期。

2)實驗方法。根據每種實驗的特點，設計相應的實驗方法。例如分析在控制算法的驗證實驗中需要的實驗條件，需要進行的測算和相應的分析測量設備，規劃合理的實驗方案，確保實驗過程順暢高效。同時在實驗室中進行大功率設備實驗時候，如何模擬各種工況，并考慮到供電系統容量及節能等要求創造實驗條件也是需要進行研究的重要內容。

3)產品鑒定測試。研究相關產品標準和測試規范，產品研發過程中嚴格按照相關標準進行測試，以縮短產品認證的周期。