基于RTDS仿真的大型抽水蓄能機組靜止變頻器起動技術研究

內蒙古赤峰抽水蓄能有限公司 張志超

現階段國內的抽水蓄能電站基本上都采用可逆式機組，包括水泵和水輪機兩種工作方式，既帶動發電又實現抽水，其運行工況非常復雜。作為抽水蓄能機組的主流起動方式，靜止變頻器起動（SFC）由于其技術要求高，國內的抽水蓄能機組變頻起動器主要依靠進口，導致運維成本較大，加快技術突破推進實現大容量變頻器的國產化有著重大意義。

1 抽水蓄能機組靜止變頻器（SFC）

1.1 SFC的起動方式及優勢

起動方式。由公式pfn/60=（r/min）分析可知，抽水工況下電源頻率要想保持與電機轉速同步，就必須使蓄能機組的極對數穩定不變，可通過調整電源頻率來改變同步電動機的轉速。SFC就是對變頻方法的利用，讓靜止變頻器與同步電動機相聯，借助變頻器的作用同步電機可得到頻率可調的電源并適當勵磁，隨著變頻器頻率從零變為額定頻率，同步電機也由靜止狀態變為額定轉速，從而實現起動。

起動優勢。靜止變頻器起動屬于自控式同步電機調速，它與異步和同步電機的變頻調速方式存在很大差異。因同步電機轉子位置的特殊限制，其變流器的輸出頻率無法獨立調節，其交流電輸出的交變周期與電機轉過的磁極緊密相關，基于這種特性，SFC起動中可確保變頻器輸出頻率總是同步于電機轉速，避免了振蕩與失步想象的出現，這便是自控式同步電機的突出優勢[1]。

1.2 同步電動機SFC的起動電路結構

同步電動機SFC主要包含變頻器、同步電動機、轉子位置檢測裝置（BQ）及與之配套的相關控制單元等功能部件。

1.3 同步電機起動程序

同步電機靜止變頻器與一般的晶閘管交-直-交逆變器存在差異，其獨特點在于只依靠同步電動機的反電勢實現換流，既不需要電容換相、也不必串聯二極管[2]。起動時，先利用整流橋將50Hz三相交流電整成直流電，再借助逆變器轉化為交流電，同時將其輸入同步電機中準備起動；對BQ相關信號采用控制單元來分析，以此進行轉子位置定位和轉速分析，同時向變頻器發現三相電流/電壓頻率輸出等指令，保證轉子轉速與電機同步轉速相一致。抽水蓄能機組的同步電機從起動到并網需要經過以下階段：

起動加速。接到起動指令時，轉子開展勵磁，手動閉合起動裝置開關，實現電流輸入投入、輸出運行，實現順利起動。運用斷續換流法，調整整流側控制角達到135度，使主回路斷流并減小α，此時根據實際需要及時將逆變器晶閘管連通，進而導通續流晶閘管，實現換流加速。在電機轉速提升并不低于額定轉速的5%~10%時，此時可利用反電勢過渡為自然換流狀態。

整步微調。這個階段中，由于起動裝置和同步電機存在端電壓上的一定頻率差，導致出現具有干擾作用的轉速微調信號，為解決這個問題，及時調節整流器的直流電壓，進而微調逆變器頻率。勵磁系統也在勵磁電流的作用下促使同步電動機端電壓與電網相平衡。

同步并網?？赏ㄟ^微調電壓與頻率來實現，需要同步電機定子的端電壓與電網電壓滿足?SY(相位差 )≈ 0°、? U<5%Ue、?f<0.25Hz這些差值條件。此時α的角度自動變為135度，輸出電流降為零；隨后將逆變器和整流器的同步脈沖封鎖并立即結合同步電動機與電網的并入開關實現同步并網。與此同時，起動裝置的電流側開關與負載開始分閘，SFC裝置隨起動完成而退出。

2 逆變器的控制原理分析

抽水蓄能機組的起動控制系統主要由三個控制部分構成，分別為逆變器、勵磁整流器以及網側整流器，其中逆變器沒有輔助換流電路，電機的高速旋轉主要依靠反電勢作用，由此可見它是一種有源逆變器。

2.1 逆變器矢量圖

圖3中，流入繞組的電流為正向磁鏈。A、B、C為三相電的靜止坐標關系，α、β為靜止正交坐標；I1~I6為定子磁鏈空間矢量。逆變器開關狀態及其空間電流矢量信息見表1。

表1 逆變器開關狀態和空間電流矢量

2.2 三相定子繞組感應電動勢

結合三相電的靜止坐標系，能對定子繞組中的轉子磁鏈感應電動勢進行準確推算，其原理見圖3。

關系式為：

以上關系式中：ω表示電動機的電角速度；P指微分算子；θ為轉子位置的初始角； 代表磁軸與轉子磁鏈形成的夾角；ΨrA、ΨrB、ΨrC代表定子三相磁軸中的轉子矢量Ψr的感應分量；uAN、uBN、uCN指的是三相定子繞組中轉子磁鏈的感應電勢。

2.3 轉子位置測算

結合上述關系式可測算轉子具體位置：根據對三相線電壓的3/2轉換得到α、β在靜止坐標關系中的電壓，然后利用兩相電壓積分可算出轉子矢量的α、β分量，通過反正切計算從而確定轉子的位置角，算法流程如下：

θt就是處于t時刻的轉子位置角。

2.4 逆變器控制方式

2.4.1 脈沖換相逆變控制

啟動初期電機的定子感應比較弱小，在整流逆變器的作用下定子電流降為零，此時無法通過反電勢作用促使逆變器換相；整流器的整流狀態只有在完全關閉逆變器全部開關后才能恢復，逆變器在以換相脈沖進行運行時即可實現換相。所以脈沖換相過程中須協調控制脈沖器和整流器。圖4是脈沖換相中間電流id與電機相電流i、相電壓u的運行圖，脈沖換相逆變控制方式下，超前角γ為60度；規定發電情況下轉子正向旋轉，由于低轉速下電機感應電壓較低并存在很多諧波，濾波處理無法完全避免線電壓的過零波動現象，因此需特別注意，當電機頻率<5Hz時電機的換相點無法根據線電壓過零來確定。

2.4.2 負載換相逆變控制

電機轉速的不斷上升，使得有足夠的反電勢來支持和保持穩定的電機換相。γ=60°時，此時同步電機的定、轉子磁鏈矢量夾角介于120~180°范圍。形成如圖5所示運行圖。為防止由于積分累積誤差導致的轉子位置誤算，負載換相控制時需以線電壓過零作為換相點。表2呈現了線電壓與負載換相控制的變化關系。

表2 負載換相控制關系

2.5 電機電磁轉矩

電磁轉矩指的是旋轉磁場中轉子各載流導體所受到的電磁力轉矩之和 ：Te∞ |Ψs|×|Ψr|×sinθrs，式中：|Ψs|和|Ψr|分別代指定子和轉子的磁鏈幅值，θrs指的是定子與轉子磁鏈之間的夾角。根據該關系式能得出如圖6所示同步電機在脈沖換相及負載換相兩種情況下的電磁轉矩關系圖。

3 基于RTDS軟件的仿真實驗波形分析與結論

RTDS(Real Time Developer Studio)是一款基于模型的嵌入式軟件開發工具，也是應用比較普遍的工業仿真軟件。本例中的抽水蓄能電站抽水蓄能機組容量96MVA，額定線電壓有效值13.8kV，具體參數（標幺值）為：Xσ0.182、Xd1.053、X"D0.316、X""D0.234、Xq0.818、X""q0.254、Ra0.007661、T"do/s4.67、T""do/s0.058、T""qo/s0.04，利用RTDS軟件來實時仿真驗證上述算法。

圖7表示轉速給定值(速度指令)與電機實測速度(標幺值)之間的關系。由圖可知二者之間關聯密切，給定值在133.333時標幺值為1，達到一個較高值，之后趨于相對平穩。

抽水蓄能機組對支持抽水蓄能電站的正常運行有著基礎性作用，也是實現電力調峰填谷，保證蓄能機組的正常、平穩起動的關鍵。由于其運行質量事關整個電力工程的安全和質量，因此必須予以高度重視。靜止變頻器（SFC）起動作為目前的主流方式，在實際工作中憑借自身的獨特優勢，對確保和支撐蓄能機組各起動、運行環節發揮著重要作用。

本文通過采用RTDS仿真分析，發現靜止變頻器啟動方式下，抽水蓄能機組的同步電機可實現起動平穩；無論是在脈沖換相控制下還是在負載換相控制時，同步電機的實際電磁轉矩輸出值與理論設想保持一致。證實了基于空間矢量控制理論的變頻器控制算法的準確性，因此大型抽水蓄能機組采用靜止變頻起動方式切實可行，也符合實際所需。