抽水蓄能電機靜止變頻器起動的仿真研究

李桂芬，孫玉田，張春莉

(哈爾濱大電機研究所，哈爾濱 150040)

1 前言

2 SFC起動原理

靜止變頻器（SFC）起動是抽水蓄能電站普遍使用的起動方式之一，其優點是：1)不存在失步問題，轉速可以平滑上升；2)不會有過熱、電流沖擊等問題；3)變頻器可控制電機實現四象限運行，故在電機制動時可給電網回饋能量；4)對于有多臺蓄能機組的抽水蓄能電站，可以幾臺機組共同擁有一套變頻器，顯然更為經濟；5) 在緊急情況下，一套變頻器在容量許可的條件下，可同時起動兩臺，甚至多臺并聯機組。不足之處是：起動1臺或2臺機組成本高，占地面積大，起動時間長，一旦變頻器出現故障，機組便不能起動。關于抽水蓄能電機的SFC起動問題，國內外已有一些文獻研究[1-3]。本文將SFC起動的兩個階段（斷續換流和自然換流）有效地結合起來，基于SIMSEN仿真軟件建立了完整的仿真模型，可對SFC起動的全過程進行仿真計算。并對一臺 334MVA的抽水蓄能電機的SFC起動過程進行了仿真分析，獲得了電機起動過程中的主要物理量變化規律，驗證了模型的可靠性。為工程設計和研究人員提供了參考和理論依據。

圖1 步進驅動方式定子饋電向量時序

SFC起動過程分為斷續換流過程（也叫強迫換流過程）和自然換流過程。機組起動前，電機處于靜止狀態，且無端電壓，變頻器無換相電壓的支持而不能進行正常的換相，需要采用強迫換流技術，即脈沖步進方式。在脈沖步進方式中，按定子三相電流的向量空間分布，在360o電角度的向量空間中存在6個磁勢分布位置，如圖1所示，通過變頻裝置對各相電流按圖中的饋電時序依次通電，可在電機定子中建立一步進旋轉磁場，拖動電機旋轉。圖2為對應圖1的定子電流理想波形示意圖。從圖中可看出，步進驅動方式中電機轉子的位置檢測是至關重要的，準確的轉子位置檢測是電機成功起動的必要保證。隨著電機的加速，其電樞端電壓的幅值逐漸升高，便具備了自然換相的條件，此時變頻器控制系統將結束脈沖運行控制而轉入自然換相控制，電動機得到正向力矩而繼續加速，直流電流Id也開始連續，直至起動過程結束。

圖2 步進驅動方式定子電流理想波形示意圖

3 數學模型

在dq0坐標系下，不考慮飽和時，一般帶阻尼繞組的凸極同步電動機的電壓方程為：

轉子運動方程：

式中：H為機組的慣性時間常數；0θ為轉子位置初始角。

電磁轉矩：

阻力矩：

SFC起動多為轉輪排水起動，k一般取為1%～5%。

4 仿真計算

4.1 基于SIMSEN軟件的仿真模型

依據SFC起動過程的原理結構，建立了如圖3所示的系統仿真模型。其中，VS1 為表征無窮大電網的交流電源，T1為主變壓器，SM1為待起動的電機，CB1、CB2、CB3和CB4為三相開關。ICONVR和ICONVM為低速時脈沖步進驅動方式下的整流器和逆變器模塊；CONVR和CONVM為高速時自然換相階段下的整流器和逆變器模塊（LCI），L1和L2為直流環節的平波電感，EXC為勵磁電源，ROT為電機的轉子，PUMP為電機的負載（水泵）模型，T_PUMP為負載轉矩函數模塊，REGIEXC為勵磁調節函數模塊，HYST為控制開關動作的函數模塊，用于低、高速兩個變頻模型之間的切換（注意：低、高速的變頻裝置模型分成兩部分，純粹是從軟件編程的需要考慮，實際上只有一套變頻裝置）。另外，系統模型還包括一些控制模塊，ARCCOS和ARCCOS1為調整整流器導通角的函數模塊，LAGI、LAGI1、LAGN1及LAGIEXC為濾波器模塊，分別對兩組變頻器電感中的電流、電機的轉速及勵磁電流進行濾波，REGI、REGI1、REGN1為調節器，PROG1為時序編程模塊，通過輸入電機轉子位置角來控制可控硅的觸發順序。

4.2 算例分析

實例電機的主要參數如表1所示。

表1 實例電機參數

利用圖3所示的系統仿真模型，對實例電機SFC起動的全過程進行了仿真計算。仿真結果見圖4，分別給出了電機轉速、轉矩、定子電流及端電壓的曲線。從圖4（a）可看到，電機加速時間大概為245s左右，本例將低速脈沖步進驅動方式的轉速范圍設定在0～0.1(p.u.)，此階段電磁轉矩如圖4（b），三相電流變化情況如圖4（e）所示，電流和轉矩是斷續的，電壓幅值逐漸增大，如圖4（h）所示。隨著電機的加速，端電壓的幅值逐漸升高，變頻器控制系統轉入自然換流階段，此階段電磁轉矩如圖4（c），三相電流變化情況如圖 4（f）所示。起動全過程的電磁轉矩和電流曲 線分別如圖4（d）和圖4（g）所示。

圖3 抽水蓄能電機SFC起動的仿真模型

圖4 抽水蓄能電機SFC起動仿真結果

5 結束語

本文將抽水蓄能電機SFC起動的兩個階段（斷續換流和自然換流）結合起來，基于SIMSEN仿真軟件建立了完整的仿真模型，可對SFC起動的全過程進行仿真計算。通過對一臺334MVA的抽水蓄能電機進行仿真計算，獲得了主要物理量的變化規律，證明了模型的可靠性。另外，模型可用在其他大型抽水蓄能電機的SFC起動的仿真計算中，為工程設計及研究人員提供了參考和借鑒。

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[3]李玉玲，戈寶軍，王自濤.同步電機變頻起動強迫換流過程的仿真分析[J].大電機技術，2000，(2)：29-32.