蓄能機(jī)組SFC轉(zhuǎn)子初始位置檢測方法分析

楊澤偉

（中國南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司檢修試驗(yàn)中心，廣東 廣州 511400）

蓄能機(jī)組SFC轉(zhuǎn)子初始位置檢測方法分析

楊澤偉

（中國南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司檢修試驗(yàn)中心，廣東 廣州 511400）

通過對現(xiàn)行存在的轉(zhuǎn)子初始位置檢測方法的分析對比，研究現(xiàn)行方法的優(yōu)缺點(diǎn)。統(tǒng)計(jì)總結(jié)目前我們電廠SFC的故障情況，分析SFC在轉(zhuǎn)子位置檢測方面的運(yùn)行情況。通過調(diào)研，了解目前在轉(zhuǎn)子位置檢測方面存在的最新技術(shù)，為以后新建電廠的設(shè)備選型提供參考。

蓄能機(jī)組；SFC；轉(zhuǎn)子位置檢測；可變速機(jī)組

1 背景

抽水蓄能電站的機(jī)組作為電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，如果直接并入電網(wǎng)，不論對電網(wǎng)還是對機(jī)組，都將造成一定的沖擊。在大多數(shù)情況下應(yīng)當(dāng)采取措施減少?zèng)_擊，使機(jī)組平穩(wěn)地啟動(dòng)加速，直至并網(wǎng)。對于多機(jī)式抽水蓄能機(jī)組作為電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，由于抽水和發(fā)電的旋轉(zhuǎn)方向一致，可以用水輪機(jī)或輔助的小水輪機(jī)將機(jī)組啟動(dòng)到同步轉(zhuǎn)速，并入系統(tǒng)后，切換水路，使機(jī)組轉(zhuǎn)為抽水工況運(yùn)行。對于兩機(jī)式的可逆機(jī)組，由于抽水和發(fā)電的旋轉(zhuǎn)方向不同，必須采取另外的措施來啟動(dòng)機(jī)組。

國內(nèi)外最常用的是采用靜態(tài)變頻啟動(dòng)裝置 (以下簡稱SFC)啟動(dòng)。SFC的功能是將工頻50Hz的輸入電壓，轉(zhuǎn)化為頻率在0～50Hz范圍可調(diào)的輸出電壓。機(jī)組在啟動(dòng)前，先要在轉(zhuǎn)輪室內(nèi)充入壓縮空氣排水，以減少啟動(dòng)過程中的阻力轉(zhuǎn)矩。SFC為被驅(qū)動(dòng)的同步電機(jī)提供轉(zhuǎn)矩。隨著機(jī)組不斷加速，定子電壓和頻率逐步上升。待轉(zhuǎn)速達(dá)到同步轉(zhuǎn)速時(shí)，機(jī)組并入電網(wǎng)，斷開與SFC之間的連接。然后撤除轉(zhuǎn)輪室的壓縮空氣，注水造壓，并依次打開進(jìn)水閥和導(dǎo)水葉，開始抽水。

SFC在工作前，控制系統(tǒng)都需要知道轉(zhuǎn)子的位置，以便確定為使轉(zhuǎn)子獲得最大的轉(zhuǎn)矩應(yīng)該通電的定子繞組相別，從而確定應(yīng)該導(dǎo)通的橋臂。因此，轉(zhuǎn)子位置能否成功被檢測到，直接關(guān)系到機(jī)組能否成功進(jìn)入抽水運(yùn)行工況。

2 現(xiàn)有的轉(zhuǎn)子位置探測方法

2.1 電磁式轉(zhuǎn)子位置檢測方法

通過和轉(zhuǎn)子同軸旋轉(zhuǎn)的凹凸圓盤來改變檢測元件的電磁關(guān)系，從而達(dá)到檢測轉(zhuǎn)子位置的目的。電磁式檢測方法又分為差動(dòng)變壓器式和接近開關(guān)式兩種。差動(dòng)變壓器式位置檢測器由一凹凸型導(dǎo)磁圓盤和3個(gè)小型開口的變壓器——檢測元件組成。變壓器兩邊的鐵心柱上分別繞兩個(gè)一次繞組,中間的鐵心柱上繞一個(gè)二次繞組。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)在一次繞組通入高頻方波交流電，圓盤的凸部和變壓器相對位置產(chǎn)生變化導(dǎo)致磁路磁阻變化，從而使變壓器二次繞組中感應(yīng)的電動(dòng)勢產(chǎn)生變化，通過檢測這個(gè)變化的電動(dòng)勢得到轉(zhuǎn)速信號(hào)。此裝置優(yōu)點(diǎn)在于無論電動(dòng)機(jī)停止還是旋轉(zhuǎn)，都能正確地檢測其轉(zhuǎn)子位置，不需初始定位。安裝檢測裝置時(shí)，轉(zhuǎn)盤凹凸部分應(yīng)視控制系統(tǒng)的需要，調(diào)整它和轉(zhuǎn)子磁極的相對空間位置，以便其輸出信號(hào)直接用來控制逆變器。接近開關(guān)式位置檢測方法是以接近開關(guān)取代差動(dòng)變壓器放在固定支架上。接近開關(guān)內(nèi)部有一個(gè)高頻振蕩電路，當(dāng)圓盤凸出部位接近它時(shí)，即進(jìn)入振蕩器振蕩線圈的磁場，改變振蕩線圈的電感參數(shù)，破壞振蕩條件而停止振蕩。經(jīng)過適當(dāng)?shù)臋z測和變換電路，就可以獲得反映轉(zhuǎn)子位置的通斷信號(hào)。這種方式結(jié)構(gòu)簡單，安裝調(diào)整方便，適用于大中型電動(dòng)機(jī)。其缺點(diǎn)是振蕩回路容易受環(huán)境溫度的影響。

2.2 磁敏式轉(zhuǎn)子位置檢測方法

磁敏式檢測方法是利用磁敏元件來反映轉(zhuǎn)子的位置，送出一組位置信號(hào)。檢測器定子上安裝3個(gè)磁敏元件，需滿足相隔電角度（3/2）的條件。檢測器轉(zhuǎn)子（要求為永磁體）與同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子同軸聯(lián)結(jié)。當(dāng)永磁體依次經(jīng)過3個(gè)磁敏元件時(shí)，磁敏元件的通斷狀態(tài)就反映了同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的空間位置。與其他檢測轉(zhuǎn)子位置的方法相比，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。

2.3 間接式轉(zhuǎn)子位置檢測方法

間接式轉(zhuǎn)子位置檢測方法是利用電樞繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢（或電壓）間接檢測轉(zhuǎn)子位置的方法。它只需要傳感器檢測出同步電動(dòng)機(jī)定子電壓（有時(shí)用到電流），通過同步電動(dòng)機(jī)理論，找出對應(yīng)關(guān)系，進(jìn)行轉(zhuǎn)子位置的辯識(shí)。此方法又分為兩種：①用于負(fù)載換相同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的，利用每相端電壓在一個(gè)周期內(nèi)兩次過零點(diǎn)來檢測轉(zhuǎn)子真實(shí)空間位置的方法——端電壓檢測法；②用于正弦波變頻電源供電的同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)，它不直接辨識(shí)轉(zhuǎn)子的位置，而是通過模型計(jì)算出有關(guān)磁場（轉(zhuǎn)子定子或氣隙磁通）的大小和方向，間接地獲得旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子的位置——電壓模型法。不管是端電壓檢測法還是電壓模型法，在電動(dòng)機(jī)靜止或低速時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的誤差，一般只能用于10%額定轉(zhuǎn)速以上，這一點(diǎn)限制了間接式轉(zhuǎn)子位置檢測方法的使用。目前我們的抽水蓄能電廠所采用的測試方法均為間接式轉(zhuǎn)子位置檢測方法。

2.4 光電式轉(zhuǎn)子位置檢測方法

利用光電元件，對帶有槽口（或柵）的旋轉(zhuǎn)圓盤的位置進(jìn)行通斷變化，產(chǎn)生一系列反映轉(zhuǎn)子位置的脈沖信號(hào)。分為絕對式和增量式兩種。絕對式光電編碼轉(zhuǎn)子位置檢測需要一個(gè)絕對式光電碼盤與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子同軸聯(lián)結(jié)，碼盤的轉(zhuǎn)盤已加工成4位二進(jìn)制格式。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周，根據(jù)碼盤輸出的數(shù)決定轉(zhuǎn)子的空間電角度。但是，電動(dòng)機(jī)級(jí)數(shù)越多碼盤分辨率越低，因此，這種檢測方法只適合與負(fù)載換相同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)或直流無刷電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中。增量式光電碼盤轉(zhuǎn)子位置檢測方法精度高，輸出信號(hào)比較平滑，不需濾波，幅值也不受電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的影響，廣泛用于高性能同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)中。但由于轉(zhuǎn)子位置檢測信號(hào)是通過碼盤和計(jì)數(shù)器來完成的，斷電或其他原因可能造成計(jì)數(shù)器所存數(shù)值和實(shí)際轉(zhuǎn)子位置不符，在控制系統(tǒng)每次給電之前，都要對計(jì)數(shù)器所存數(shù)值進(jìn)行校正，即初始定位，使計(jì)數(shù)器所存數(shù)據(jù)正好等于轉(zhuǎn)子所處初始位置角，準(zhǔn)確反映轉(zhuǎn)子實(shí)際位置。

3 廣蓄、惠蓄SFC轉(zhuǎn)子初始位置檢測故障統(tǒng)計(jì)

廣蓄電廠與惠蓄電廠所用的SFC均為通過計(jì)算電機(jī)電壓矢量來確定轉(zhuǎn)子位置，近幾年的運(yùn)行中，轉(zhuǎn)子位置檢測失敗而導(dǎo)致機(jī)組啟動(dòng)失敗的現(xiàn)象不時(shí)會(huì)發(fā)生。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，2010年廣蓄電廠因SFC故障導(dǎo)致機(jī)組啟動(dòng)失敗總共為37次，其中由于轉(zhuǎn)子位置檢測失敗引起的故障為5次，占故障比例為13.5%；2011年為28次，其中轉(zhuǎn)子檢測失敗引起的故障為9次，占故障比例為32.1%；2012年至今廣蓄電廠因SFC故障導(dǎo)致機(jī)組啟動(dòng)失敗總共為57次，其中由于轉(zhuǎn)子位置檢測失敗引起的SFC故障為9次，占故障比例為15.8%。

2012年至今惠蓄電廠因SFC故障導(dǎo)致機(jī)組啟動(dòng)失敗總共為41次，其中由于轉(zhuǎn)子位置檢測失敗引起的SFC故障為1次，占故障比例為2.4%。

表1 廣蓄、惠蓄電廠SFC故障統(tǒng)計(jì)表

對此，廣蓄電廠多年來也對此故障做了一些研究改造工作。

4 廣蓄、惠蓄SFC轉(zhuǎn)子初始位置檢測方法分析

在SFC拖動(dòng)機(jī)組過程中，測量轉(zhuǎn)子初始位置是至關(guān)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，其成功與否直接決定機(jī)組能否啟動(dòng)成功。決定轉(zhuǎn)子初始位置測量能否成功的一個(gè)關(guān)鍵因素是：測量開始時(shí)間的確定。

4.1 廣蓄A(yù)廠

目前，A廠SFC系統(tǒng)開始測量轉(zhuǎn)子初始位置時(shí)間的確定方法為：勵(lì)磁系統(tǒng)K14繼電器超前勵(lì)磁開關(guān)線圈K1勵(lì)磁20～30ms向SFC送出“Excitation Ready”信號(hào)，SFC在收到該信號(hào)后，通過軟件延時(shí)60ms開始測量轉(zhuǎn)子位置。這一過程對K14繼電器勵(lì)磁送出信號(hào)的時(shí)間有著嚴(yán)格的要求，若是無法在勵(lì)磁開關(guān)線圈K1勵(lì)磁20～30ms的時(shí)間區(qū)間內(nèi)送出信號(hào)，將導(dǎo)致測量不到轉(zhuǎn)子初始位置，進(jìn)而導(dǎo)致啟動(dòng)失敗。因K14繼電器線圈老化或定值漂移使送出信號(hào)時(shí)間出現(xiàn)偏差，從而導(dǎo)致機(jī)組啟動(dòng)失敗的故障一直困擾著A廠電氣。采取更換繼電器等措施也只能保證其在一段時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定工作，非長久之計(jì)。

通過修改SFC PLC程序使測量轉(zhuǎn)子初始位置開始時(shí)間確定完全由軟件來實(shí)現(xiàn)，而無需經(jīng)過外部元件?；驹頌椋簩r(shí)間的確定方法改為當(dāng)測得轉(zhuǎn)子磁通大于額定值3%后延時(shí)60ms測量轉(zhuǎn)子初始位置。

4.2 廣蓄B廠、惠蓄電廠

廣蓄B廠、惠蓄電廠采用的方法也是間接電壓測量法，同樣通過測量磁通量來確定合勵(lì)磁開關(guān)的時(shí)間，由于惠蓄SFC到目前為止運(yùn)行可靠，轉(zhuǎn)子測量失敗次數(shù)較少，屬于可接受范圍。

5 優(yōu)化方案及建議

5.1 廣蓄A(yù)廠

廣蓄A(yù)廠與惠蓄電廠的SFC同屬于GE公司的產(chǎn)品，在接下來，要避免因測量時(shí)間錯(cuò)誤而導(dǎo)致啟動(dòng)失敗還需要確定以下的內(nèi)容：

目前，廣蓄A(yù)廠已經(jīng)通過測量磁通量大于額定值的3%來作為開始轉(zhuǎn)子位置檢測的判斷依據(jù)，取消了繼電器回路，很大程度的減少了因勵(lì)磁開關(guān)未合而進(jìn)入測量程序這種故障的發(fā)生。但是，從和天荒坪電廠的交流來看，中間繼電器起到一個(gè)開關(guān)節(jié)點(diǎn)的作用，適當(dāng)?shù)臅r(shí)間延遲能增加測量的成功率。因此，兩種方式還需進(jìn)行對比考量。

K10繼電器接收的S40809命令為一脈沖，但此脈沖持續(xù)的時(shí)間還得進(jìn)行確定。

5.2 廣蓄B廠

結(jié)合廣蓄B廠的升級(jí)改造，所有控制均由微機(jī)進(jìn)行處理，卡件與繼電器基本取消，理論上會(huì)使到控制測量更加準(zhǔn)確，具體效果得通過機(jī)組運(yùn)行來驗(yàn)證。

5.3 惠蓄電廠

經(jīng)了解，惠蓄電廠因轉(zhuǎn)子位置探測失敗導(dǎo)致的SFC故障雖仍然偶有發(fā)生，但已經(jīng)大大減少了次數(shù)，能否徹底根除或者能否接受機(jī)組啟動(dòng)失敗的次數(shù)控制在一定的范圍內(nèi)，需根據(jù)機(jī)組運(yùn)行情況，也以此考慮相關(guān)要求的指標(biāo)是否合格。

惠蓄電廠由于SFC轉(zhuǎn)子檢測方面的故障在可以接受的范圍，而且SFC運(yùn)行情況良好，所以未做具體改進(jìn)工作。

6 新技術(shù)應(yīng)用探討

通過調(diào)研，目前最新的拖動(dòng)技術(shù)是“可變速雙饋拖動(dòng)技術(shù)”，該技術(shù)主要應(yīng)用于可變速機(jī)組中，目前沒有SFC系統(tǒng)存在的轉(zhuǎn)子位置檢測失敗問題。

可變速機(jī)組的定子和常規(guī)定速機(jī)組一樣,沒有區(qū)別。兩種機(jī)組的主要差別在于轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)及勵(lì)磁系統(tǒng)的構(gòu)成。可變速機(jī)組的轉(zhuǎn)子繞組接的是交流電，而常規(guī)機(jī)組轉(zhuǎn)子繞組接的是直流電。可變速機(jī)組的轉(zhuǎn)子由硅鋼片疊片形成隱極式圓筒形,轉(zhuǎn)子設(shè)有線槽,于槽中布置三相交流勵(lì)磁繞組。勵(lì)磁系統(tǒng)由交流變頻裝置代替了常規(guī)定速機(jī)組的普通可控硅直流整流裝置。交流變頻器將勵(lì)磁頻率變換成正負(fù)幾赫茲而形成一個(gè)可變頻率和方向的交流磁場。由于定子外界磁場頻率保持為50Hz不變，n1為定子磁場轉(zhuǎn)速,當(dāng)轉(zhuǎn)子磁場相對于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為n2（n2=60f2/p），此時(shí)電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速n=n1+n2,改變轉(zhuǎn)子頻率即可達(dá)到變速的目的。

6.1 可變速雙饋拖動(dòng)P工況啟動(dòng)

采用可變速雙饋拖動(dòng)技術(shù)時(shí)，機(jī)組啟動(dòng)原理如圖1所示。

圖1

可變速機(jī)組與常規(guī)機(jī)組的主要區(qū)別在于泵工況，現(xiàn)在具體介紹可變速機(jī)組在泵工況的啟動(dòng)步驟：

第一步：斷開發(fā)電機(jī)出口斷路器S2，將定子三相短路，即合上S3，由主變低壓側(cè)經(jīng)變頻整流給轉(zhuǎn)子輸出一個(gè)交流電流，轉(zhuǎn)子的交流旋轉(zhuǎn)磁場切割定子線棒，經(jīng)三相短路的定子產(chǎn)生感應(yīng)電流，在定子中產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場反向作用轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。

第二步：當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速的90%時(shí)，斷開地刀S3，由轉(zhuǎn)子自身慣性保持旋轉(zhuǎn)大概時(shí)間為20s，由于短時(shí)失去動(dòng)力，轉(zhuǎn)速出現(xiàn)小幅度下降，此時(shí)轉(zhuǎn)子的實(shí)際轉(zhuǎn)速為n1,變頻器在轉(zhuǎn)子中輸出旋轉(zhuǎn)頻率為n2的電流，使得額定轉(zhuǎn)速n=n1+n2；此時(shí)機(jī)組機(jī)端電壓由勵(lì)磁電流大小決定，變頻器通過改變勵(lì)磁電流的大小來調(diào)節(jié)機(jī)端電壓，使轉(zhuǎn)速和電壓達(dá)到同期并網(wǎng)的條件。

圖2

圖3

第三步：合上發(fā)電機(jī)出口斷路器S2，機(jī)組完成并網(wǎng)運(yùn)行。此時(shí)機(jī)組在雙饋模式下加速到參考的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。額定轉(zhuǎn)速n=n1+n2（n1為轉(zhuǎn)子實(shí)際轉(zhuǎn)速，n2為轉(zhuǎn)子交流磁場轉(zhuǎn)速），此時(shí)通過調(diào)節(jié)變頻器輸出到轉(zhuǎn)子的交流電流頻率n2，就可以改變發(fā)電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)機(jī)組在并網(wǎng)后轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)功能。

6.2 可變速抽水蓄能電站的優(yōu)勢及缺點(diǎn)

優(yōu)勢：

（1）電能在泵工況下可變化；

（2）提高了效率（特別是在部分負(fù)荷）；

（3）對電網(wǎng)穩(wěn)定更高的動(dòng)態(tài)功率控制；

（4）雙饋配置符合電壓源換流器電網(wǎng)規(guī)范要求。缺點(diǎn)：投資大，勵(lì)磁系統(tǒng)占用空間大

7 結(jié)束語

轉(zhuǎn)子位置檢測作為蓄能機(jī)組泵工況運(yùn)行啟動(dòng)前十分重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，直接影響著機(jī)組的啟動(dòng)成功率。隨著控制系統(tǒng)的集成度越來越高，新技術(shù)的投入，抽水蓄能機(jī)組作為抽水工況的可靠性必然越來越高。

[1]姜啟德.抽水蓄能電站發(fā)電電動(dòng)機(jī)變頻啟動(dòng)原理[J].電氣技術(shù)，2010（11）：4-6.

[2]GE公司.Pres_GE_PC_PG_PSPP_VSTechnology_MS[Z].

[3]郭海峰.交流勵(lì)磁可變速抽水蓄能機(jī)組技術(shù)及其應(yīng)用分析[J].水電站機(jī)電技術(shù)，2011，34（2）：1-4.

TV743

B

1672-5387（2015）S-0070-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2015.S.021

2015-10-23

楊澤偉（1988-），男，助理工程師，從事抽水蓄能機(jī)組的檢修維護(hù)工作。