抽水蓄能電站靜止變頻器綜述

石祥建，徐 峰，閆 偉，詹亞曙，漫自強，劉 騰，段夢珂

（南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇省南京市 211102）

0 引言

抽水蓄能機組啟停靈活、反應迅速、調節性能強，具有調峰填谷、調頻調相、緊急事故備用和黑啟動等多種功能，在增強電網穩定性和提高電網的經濟性方面發揮著重要作用[1-2]。抽水蓄能機組的發電機是同步電機，不能自啟動，必須采用輔助啟動設備將發電機組從靜止拖動到同步轉速，實現無沖擊并網。

抽水蓄能電站機組啟動方式有同軸電動機啟動、異步啟動、同軸水輪機啟動、同步（背靠背）啟動以及變頻啟動等。隨著機組容量逐漸增大，同軸電動機啟動、異步啟動、同軸水輪機等啟動方式已不能滿足大容量機組的啟動要求。目前安裝4臺及以下機組的抽水蓄能電站以靜止變頻器（Static Frequency Converter，SFC）啟動為主要啟動方式，以背靠背啟動為備用啟動方式；安裝6臺機組的電站，一般配置兩臺靜止變頻器，互為備用。

本文回顧了抽水蓄能機組的不同啟動方式，在對靜止變頻器原理介紹的基礎上，著重對靜止變頻器主回路拓撲、與電源的連接方式、轉子位置檢測等進行討論，最后對靜止變頻器國產化進展進行探討。

1 抽水蓄能電站機組啟動方式回顧

1.1 同軸電動機啟動

同軸電動機是一臺小容量電動機，其直接與主軸連接，用以啟動主機。這種啟動方法簡單，無須裝設啟動母線，各臺機組啟動裝置互不影響，對電網干擾小，是早期小容量抽水蓄能機組常用的啟動方法[3]。隨著抽水蓄能機組單機容量不斷提高，這種啟動方法運行成本和工程費用變得昂貴，而且啟動時間較長。20世紀50～60 年代后，這種啟動方法在現場實際中越來越少。

1.2 異步啟動

異步啟動是在機組勵磁繞組短接情況下，直接將機組并入電網，利用轉子磁極上阻尼繞組產生的異步力矩使機組轉子旋轉并加速，在接近同步轉速時加上勵磁拉入同步。異步啟動加電壓的方式有全電壓啟動、降壓啟動和部分繞組啟動3種。這種啟動方式對電網會產生不同程度的沖擊，對于大容量抽水蓄能機組并不合適。

1.3 同軸水輪機啟動

西藏羊卓雍湖抽水蓄能電站機組采用這種啟動方式。該電站機組結構為立式三機同軸結構，從上往下分別是發電/電動機、水輪機、水泵，抽水工況時通過水輪機沖水轉動，實現機組啟動。

1.4 同步（背靠背）啟動

同步（背靠背）啟動時，使用本電站或相鄰電站的一臺常規發電機組或抽水蓄能機組做發電機運行來啟動其他抽水蓄能機組。啟動前將被拖動機組與拖動機組在電氣上連接，即兩臺機組定子三相通過拖動母線相連，并分別加上勵磁。拖動機組以發電方式運行，輸出變頻電壓，該電壓在被拖動機組定子中形成變頻電流、變頻旋轉磁場，拖動轉子旋轉。這種啟動方式的優點是對電網沖擊較小，但啟動過程的調整和操作比較復雜，啟動成功率低，需要有拖動機組，并設置專用的啟動母線，而且電站最后一臺機組不能用此方式啟動。目前大型抽水蓄能電站采用此方式作為變頻啟動的備用方式。

1.5 變頻啟動

采用晶閘管作為功率元件的交—直—交電流源型變頻器是目前主流的變頻啟動方式，該變頻器的優點是設備靜止、運行維護方便、啟動容量大、啟動速度快、工作可靠性高，對系統沖擊小。電流源型靜止變頻器（SFC）在工程項目中得到廣泛的應用。值得一提的是，國內某抽水蓄能電站采用電壓源型變頻器進行啟動，變頻器采用二極管整流橋+IGBT組成的H橋單元模塊串聯結構，但該變頻器功率僅為5.6MVA，抽水蓄能機組容量為55MW。

2 SFC基本原理

靜止變頻器利用晶閘管換流裝置將工頻交流電轉換成頻率連續可調的變頻交流電，將該變頻電流輸出到同步電機定子繞組，形成定子旋轉磁場，同時在轉子上施加勵磁電流，形成轉子磁場，旋轉的定子磁場與轉子磁場相互作用，牽引轉子轉動，即可實現機組的啟動[4]。

靜止變頻器的核心設備主要包括控制系統、兩個獨立的換流橋及直流回路，如圖1所示。控制系統承擔全系統的控制和保護任務，包括轉子位置檢測、轉速閉環控制、換流橋觸發控制、啟動過程中的機組勵磁控制以及過壓、過流、過速等保護功能。兩個獨立的換流橋包括網橋、機橋，網橋和機橋通過直流回路連接。網橋可以是單獨的晶閘管整流橋，也可以是兩個串聯或并聯的晶閘管整流橋；機橋可以是單獨的晶閘管逆變橋，也可以是兩個串聯或并聯的晶閘管逆變橋。直流回路中設置直流平波電抗器，以抑制直流電流的脈動紋波，限制直流電流的上升率，并對兩個交流系統進行去耦。當圖1中輸入變壓器為降壓變壓器、輸出變壓器為升壓變壓器時，靜止變頻器一次接線稱為高—低—高方式；當輸入變壓器為1：1隔離變壓器、無輸出變壓器時，一次接線稱為高—高方式；整流橋和逆變橋可以是12-6脈波或6-6脈波，也可以是12-12脈波。

圖1 靜止變頻器原理圖Figure 1 Schematic diagram of SFC

3 SFC主回路拓撲

靜止變頻器根據脈波數、電壓特征的變化，可有多種形式，常見的分別是：高—低—高、6-6脈波靜止變頻器，高—低—高、12-6脈波靜止變頻器，高—低—高、12-12脈波靜止變頻器，高—高、6-6脈波靜止變頻器[5]。

3.1 高—低—高、6-6脈波結構

當輸入變壓器為降壓雙繞組變壓器、輸出變壓器為升壓雙繞組變壓器時，網橋及機橋均為6脈波時，稱為高—低—高、6-6脈波結構，如圖2所示。

圖2 高—低—高、6-6脈波拓撲結構Figure 2 High-Low-High、6-6 pulse wave topology

高—低—高結構靜止變頻器，需一個用于降壓的輸入變壓器和一個用于升壓的輸出變壓器。經輸入變壓器降壓后，可降低功率橋每橋臂承受的電壓，晶閘管串聯數量減少，功率部分設計的電壓等級降低，有利于降低故障發生幾率。從諧波的角度，6脈波特征諧波次數低（特征諧波有5次、7次、11次……）、含量較高。目前國內已投運靜止變頻器設備運行情況顯示，高—低—高、6-6脈波靜止變頻器網側是否設置濾波器，不同SFC設備廠家做法不同；機橋為6脈波，理論上由于電流諧波原因，會引起電機發熱增加，但靜止變頻器運行時間短，諧波帶來的不利影響有限。

3.2 高—低—高、12-6脈波結構

當輸入變壓器為降壓三繞組變壓器，低壓側繞組一個為Y接法，一個為D接法，輸出變壓器為升壓雙繞組變壓器，網橋采用12脈波、機橋為6脈波，稱為高—低—高、12-6脈波結構，如圖3所示。

圖3 高—低—高、12-6脈波拓撲結構Figure 3 High-Low-High、6-6 pulse wave topology

這種結構中經降壓變降壓后，網橋功率橋電壓已經明顯降低，并且二次電壓由兩個橋承擔，每一個功率橋橋臂承受的電壓會進一步降低；功率部分設計的電壓等級降低，有利于降低SFC設備電氣絕緣設計水平。從諧波的角度，12脈波特征諧波次數提高（特征諧波有11次、13次……）、諧波含量較6脈波明顯降低。按照目前已投運靜止變頻器設備運行設備情況，對于高—低—高、12-6脈波靜止變頻器，網側無需配置濾波器，有些電站原來配置了濾波器的也已退出運行；機橋為6脈波。

3.3 高—低—高、12-12脈波結構

當輸入變壓器為降壓三繞組變壓器，輸出變壓器為升壓三繞組變壓器；網橋、機橋均采用12脈波時，稱為高—低—高、12-12脈波結構。這種結構有兩種形式，網側或機側各自的兩個功率橋采用串聯或并聯連接方式，如圖4所示。

串聯方式中，脈沖換相階段，隔離開關1合閘，網橋、機橋各一個6脈動橋工作，隔離開關2將輸出升壓變壓器旁路。負載換相階段，打開隔離開關1，投入串聯的另一個橋，隔離開關2將輸出變壓器接入，如圖4（a）所示。

并聯方式中，網橋1、機橋1及平波電抗器1組成一個完整的交—直—交變流器1，網橋2、機橋2及平波電抗器2組成另一個完整的交—直—交變流器2。在脈沖換相階段，只有變流器1工作，隔離開關將輸出變壓器旁路；進入負載換相階段后，變流器1和變流器2同時工作，通過隔離開關將輸出變壓器接入，如圖4（b）所示。

圖4 高—低—高、12-12脈波拓撲結構（a）串聯結構；（b）并聯結構Figure 4 High-Low-High、12-12 pulse wave topology（a）Tandem structure；（b）Parallel structure

由于高—低—高結構的輸入降壓變壓器和輸出升壓變壓器都是三繞組變壓器，投資將增加，且啟動控制復雜。從諧波的角度看，網測諧含量較6脈波明顯降低。機橋為12脈波，電流諧波較6脈波有所減小。

3.4 高—高、6-6脈波結構

輸入變壓器為1：1隔離變壓器，輸出不配置變壓器網橋、機橋均采用6脈波時，稱為高—高、6-6脈波結構，這種結構需配置輸出電抗器，如圖5所示。

圖5 高—高、6-6脈波拓撲結構Figure 5 High-High、6-6 pulse wave topology

高—高、6-6脈波靜止變頻器的結構簡單，只需一個輸入隔離變壓器。其缺點是，由于功率回路電壓高，需要串聯數量較多的晶閘管以滿足較高電壓的要求，對每串晶閘管的均壓要求提高，提高了功率部分設計的電壓等級，增加了故障概率。但限于早期單只晶閘管元件電流容量小，要使靜止變頻器輸出大功率，采用抬高電壓的方式不失為一種選擇。

目前，采用高—低—高結構的靜止變頻器是主流。南瑞繼保SFC設備主要采用高—低—高、12-6脈波方式；在運ABB靜止變頻器設備多采用高—低—高、6-6脈波；西門子靜止變頻器設備多采用高—低—高、12-12脈波；科孚德給天荒坪抽水蓄能電站提供過高—高、6-6脈波靜止變頻器設備，后來以高—低—高、12-6脈波居多。

4 SFC和電源的連接方式

靜止變頻器工作時需要較大的輸入功率，對于其電源接線方式的設計要考慮以下兩方面的問題：

（1） 電源容量應滿足靜止變頻器工作過程中的最大功率需求。

（2） 靜止變頻器工作過程中產生的諧波不對電站繼電保護、自動化裝置等設備正常運行帶來不利影響。

靜止變頻器容量確定后，選擇能夠滿足容量要求的點作為電源接入點。我國的抽水蓄能電站主變壓器和機組一般采用單元接線方式，一臺機組配置一臺主變壓器，靜止變頻器啟動容量僅為主變壓器容量的6%～8%，主變壓器低壓側作為啟動電源輸入點，容量能夠滿足啟動需要。靜止變頻器也有接在高壓廠用變壓器低壓側，該高壓變壓器的容量應滿足靜止變頻器啟動容量和廠用電容量要求。

由于靜止變頻器在工作過程中會產生諧波，可能會影響到電網的供電質量，為此還應考慮到對電網及電廠廠用電的諧波影響。一般靜止變頻器輸入側電源點不是公共電網接入點，對電網的影響較小，主要需要考慮對廠用電的影響。

靜止變頻器和電源的連接有如圖6所示幾種方式。

接線（a）是靜止變頻器和廠用電經共用電抗器接入主變壓器低壓側，可節省一組交流電抗器，但是對廠用電母線易產生諧波干擾，這種接線方式在早期的抽水蓄能電站中出現過。

圖6 靜止變頻器輸入側接入電站幾種常見方式（a）與廠用變壓器共用電抗器；（b）不經電抗器；（c）經電抗器接入同一主變壓器低壓側；（d）分別經電抗器接入不同主變壓器低壓側；（e）在高壓廠用變壓器低壓側Figure 6 Several common ways for the input side of SFC to access the power station（a）Sharing reactors with factory transformers；（b）Without reactor；（c）Connecting to the low voltage side of the same main transformer through reactor；（d）Connecting to the low voltage side of different main transformer through reactor respectively；（e）Low voltage side of high voltage factory transformer

接線（b）是靜止變頻器直接接入主變壓器低壓側，則靜止變頻器接入點的短路容量比接線方式（a）大，有利于抑制諧波電壓，但這種接線方式不利于限制短路電流，對于大型抽水蓄能電站，提高了靜止變頻器分支斷路器的短路電流分斷要求。

接線（c）是靜止變頻器和廠用電分別經電抗器接入主變壓器低壓側，通過設置交流電抗器，限制了短路電流及靜止變頻器諧波電流，將諧波對廠用電母線的影響進一步降低，也有利于靜止變頻器分支斷路器的選擇。

接線（d）是靜止變頻器與廠用變壓器分別經電抗器接于不同主變壓器的低壓側，這種接線將諧波對廠用電母線的影響降低到了最小限度，但是由于靜止變頻器和廠用電變壓器接于不同發電機—變壓器單元，在首臺機投產時需考慮二者都能供電。

接線（e）是靜止變頻器接在高壓廠用變壓器的低壓側，靜止變頻器諧波對廠用電設備影響較大，早期少數抽水蓄能電站采用這種方式。在當時條件下，雖然采用高壓廠用電源方式需要增加220kV的GIS回路間隔，但與發電機主回路設置斷路器相比仍比較經濟，因此選擇采用220kV供廠用及靜止變頻器電源。

綜上，接線（c）和接線（d）可將靜止變頻器網側諧波對電站其他設備的影響降到最低，并且接線（d）是較優的接線方式。

5 轉子初始位置檢測

準確可靠的轉子位置檢測是靜止變頻器拖動機組啟動的基礎。轉子位置信號檢測最直接的方法是在電機上安裝位置傳感器。但是裝設位置傳感器增加了系統的復雜程度和安裝調試及維護的工作量，安裝偏差會導致傳感器輸出的測量波形發生變化，對準確檢測轉子位置不利，在工作環境條件較惡劣時尤其如此[6]。該方案在早期抽水蓄能電站靜止變頻器中有所采用，后來均采用無位置傳感器的轉子位置檢測方式。本節著重對無位置傳感器轉子位置檢測進行介紹。

無位置傳感器的轉子位置檢測，首先通過電機勵磁系統控制轉子電壓突升，根據電磁感應原理，電機定子將感應三相電壓，不同的定子與轉子位置關系，感應的三相定子電壓不同，控制裝置根據該電壓信號計算轉子靜止時的位置[7-8]。然而，通過給轉子施加勵磁突變量感應的機端電壓信號弱小，為單調衰減的信號，同時設備現場電磁環境復雜，該信號疊加有豐富的噪聲干擾。對感應電壓中有效信息的準確提取直接關系到轉子位置計算的正確性。

在施加勵磁電流的瞬間，電機定子三相繞組中會感應出電勢，利用這些感應電勢，可以推算出轉子的位置。

式中Φu、Φv、Φw——轉子電流在定子三相繞組中產生的磁通，Wb；

M——定子繞組與轉子繞組互感，H；

if——轉子電流，A；

γ——轉子初始位置角，是轉子磁通方向與定子U相軸線的夾角，（°），如圖7所示。

圖7 轉子位置角示意圖Figure7 Schematic diagram of rotor position angle

定子三相繞組感應電動勢的最大值出現在轉子繞組施加電壓的最初瞬間，即t為0時刻，見式（2）。

式中eu0、ev0、ew0——定子三相繞組感應電動勢的初始值，V；

k——系數。

在t0時刻由給電機轉子繞組施加勵磁電壓階躍，則在電機定子上感應電壓波形呈單調衰減趨勢。則用式（3）可以計算出電機靜止時位置角γ，獲得轉子位置，從而得到首次應該被觸發的機橋閥組編號。

圖8給出的是電機轉子突加勵磁階躍后，電機定子側感應電壓波形。用該電壓進行轉子位置計算時，先要經濾波處理，濾除干擾信號，留下真實信號，只有這樣才能準確計算出轉子位置角。南瑞繼保采用無磁滯的硬件隔離采樣硬件+雙數字濾波器方案，提取有效波形信息，實現了對轉子初始位置的準確、可靠檢測。

由圖8可見，原始感應電壓波形信噪比低、趨勢不明顯，經濾波處理后感應電壓趨勢明顯、信噪比明顯提高，有利于計算出準確的轉子位置角。對某電站機組，由靜止變頻器控制器對轉子位置進行多次檢測，檢測數據見表1。

表1 某電站2號機組多次轉子電氣位置計算結果Table 1 Calculation results of electrical position of multiple rotors of No.2 machine in a power station

由表1可見，多次測量得到的轉子電氣位置角與多次測量平均角度偏差絕對值小于1°，對于電機轉子位置的測量具有相當高的一致性。

6 結束語

靜止變頻器在我國抽水蓄能電站使用已有20多年的時間，隨著對這一設備設計及運行經驗的不斷積累，對其主回路拓撲、工作原理，與電源的連接方式的認識更加深入。近些年，在國網新源控股有限公司、南網調峰調頻發電公司、南京南瑞繼保電氣有限公司等單位的共同努力下，靜止變頻器設備已實現國產化，并在基建項目和改造項目中得到廣泛的應用。國產靜止變頻器的推廣應用，一方面，提高了抽水蓄能電站設備國產化率，有效解決了靜止變頻器設備技術支持、備品備件供應、售后服務等問題；另一方面，也為SFC改造項目提供了經濟、靈活、高效的改造方案。

圖8 工程現場勵磁階躍定子感應電壓波形及濾波后波形Figure 8 Induced voltage waveform and filtered waveform of step stator in field excitation