DQZHAN技術(shù)訊：抽水蓄能先進(jìn)變頻器關(guān)鍵技術(shù)分析

1月20日下午，調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司設(shè)備部組織西開公司、合肥工業(yè)大學(xué)對(duì)抽水蓄能先進(jìn)變頻器關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了技術(shù)交流。

目前抽水蓄能機(jī)組多采用靜止變頻器(SFC，Static Frequency Converter)啟動(dòng)，靜止變頻器啟動(dòng)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(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速，利用定、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)間產(chǎn)生的同步轉(zhuǎn)矩實(shí)現(xiàn)電機(jī)啟動(dòng)。靜止變頻啟動(dòng)具有無極變速、啟動(dòng)平穩(wěn)、反應(yīng)速度快、調(diào)制方便、可靠性高的特點(diǎn)，機(jī)組啟動(dòng)過程對(duì)系統(tǒng)不會(huì)有任何沖擊，多臺(tái)機(jī)組可以共用一套設(shè)備，諸多優(yōu)點(diǎn)讓靜止變頻器成為大型抽水蓄能電站機(jī)組的優(yōu)選啟動(dòng)方式。

所謂先進(jìn)變頻啟動(dòng)器，即電壓型變頻啟動(dòng)器，它采用全控器件IGBT或IEGT作為核心器件，比傳統(tǒng)的電流型靜止變頻啟動(dòng)器(基于晶閘管，潘家口水電站掛網(wǎng)設(shè)備，響水澗投運(yùn)設(shè)備均為此類型)可控性能更加優(yōu)異，具有主電路使用功率器件數(shù)量較少，系統(tǒng)搭建的難度和控制算法的復(fù)雜程度低，無換向困難的問題，可提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，同時(shí)具有電源側(cè)諧波電流含量低、功率因數(shù)可控等優(yōu)點(diǎn)。隨著功率器件的發(fā)展和多電平變流器技術(shù)的成熟，電壓型抽蓄電機(jī)啟動(dòng)器必將成為未來的發(fā)展趨勢(shì)。

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

廣州蓄能水電廠B廠安裝的4臺(tái)可逆式抽水蓄能機(jī)組每臺(tái)容量為300MW，電機(jī)啟動(dòng)SFC的容量一般要求在電機(jī)容量的10%以上，所以其啟動(dòng)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(dòng)SFC功率等級(jí)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(dá)到4.5kV，額定電流2.1kA，考慮到系統(tǒng)的可靠性以及系統(tǒng)過流能力，工程使用時(shí)，單個(gè)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(diǎn)鉗位拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并通過在調(diào)制信號(hào)上疊加三次諧波調(diào)制或者SVPWM調(diào)制來提高電壓利用率，輸出線電壓可達(dá)到4.9kV，每個(gè)三電平逆變器模塊輸出功率可高達(dá)8.9MVA。為達(dá)到抽蓄啟動(dòng)功率的要求，所研制SFC采用五個(gè)上述三電平變流器模塊并聯(lián)，可實(shí)現(xiàn)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)，圖中每個(gè)SFC包含五個(gè)三電平變流器模塊，三電平變流器采用二極管鉗位的結(jié)構(gòu)，五個(gè)變流器模塊通過輸出濾波電感并聯(lián)，構(gòu)成模塊并聯(lián)型SFC。

擬研制的SFC系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，電壓型SFC的控制系統(tǒng)包含SFC系統(tǒng)控制器、逆變器模塊控制器以及相關(guān)的采樣電路及通訊系統(tǒng)。其中SFC系統(tǒng)控制器主要負(fù)責(zé)同步機(jī)的啟動(dòng)控制、準(zhǔn)同期控制以及同步機(jī)的轉(zhuǎn)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(diào)制、逆變器單元本體的保護(hù)控制等。SFC系統(tǒng)控制器與逆變器模塊控制器之間通過高速通訊系統(tǒng)進(jìn)行連接，SFC系統(tǒng)控制器將計(jì)算出的SFC輸出電壓和電流參考值通過通訊系統(tǒng)發(fā)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的協(xié)同控制。SFC設(shè)備技術(shù)參數(shù)如表1所示：

1. 電壓型SFC仿真和系統(tǒng)研究

SFC設(shè)備容量大成本高，硬件平臺(tái)搭建困難，控制算法復(fù)雜，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)研發(fā)的過程中，仿真手段必不可少，合理的仿真有助于理解系統(tǒng)原理和運(yùn)行規(guī)律，還可以在設(shè)備開發(fā)過程中，驗(yàn)證控制算法的準(zhǔn)確性和優(yōu)化控制參數(shù)，為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)和控制器開發(fā)提供理論支持。仿真研究包含如下內(nèi)容：

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

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(zhǔn)確體現(xiàn)SFC特性的關(guān)鍵，建模是仿真研究的重要環(huán)節(jié)。按照SFC模型搭建仿真電路，并驗(yàn)證仿真電路的準(zhǔn)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(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)和分析，驗(yàn)證仿真算法的有效性。另外也可以通過仿真實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)來測(cè)試SFC的各環(huán)節(jié)的特性和運(yùn)行規(guī)律。

2. SFC主回路設(shè)計(jì)研究

主回路設(shè)計(jì)是SFC設(shè)備開發(fā)的基礎(chǔ)，主回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選取和設(shè)計(jì)需要綜合考慮經(jīng)濟(jì)性、電路復(fù)雜度、調(diào)制與控制的復(fù)雜度、以及SFC未來的發(fā)展趨勢(shì)。同時(shí)還需要考慮變流器內(nèi)部環(huán)流抑制、電容參數(shù)電感參數(shù)選擇、橋臂吸收電路的設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)電路的延時(shí)和驅(qū)動(dòng)信號(hào)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(fā)

SFC換流器是SFC系統(tǒng)的核心設(shè)備，換流器的研發(fā)主要包含以下內(nèi)容：

1)SFC的電路設(shè)計(jì)與搭建。電路設(shè)計(jì)方面包含換流器控制電路、驅(qū)動(dòng)電路、采樣電路、調(diào)理電路、主電路的設(shè)計(jì)。此外還包含換流器的安裝柜體設(shè)計(jì)、散熱設(shè)計(jì)等。

2)主電路調(diào)試。在進(jìn)行換流器算法驗(yàn)證前，需要進(jìn)行主電路調(diào)試實(shí)驗(yàn)，確保主電路及采樣電路、通訊電路等的準(zhǔn)確可靠。

3)換流器控制器的設(shè)計(jì)與調(diào)試。換流器控制器一般采用微控制器實(shí)現(xiàn)，按照換流器對(duì)控制速度、采樣精度、觸發(fā)脈沖產(chǎn)生方式、通訊結(jié)構(gòu)以及IO接口等的需求，同時(shí)考慮微控制器的開發(fā)難度和經(jīng)濟(jì)性等因素，選取合適的微控制器。將仿真驗(yàn)證過的控制算法數(shù)字化到微控制器中，進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

4)換流器保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。為保護(hù)換流器本體的**運(yùn)行，需要設(shè)計(jì)換流器保護(hù)系統(tǒng)，主要包含換流器橋臂功率器件保護(hù)、過流過壓保護(hù)、觸發(fā)脈沖丟失保護(hù)、溫度保護(hù)等。

4. SFC控制保護(hù)系統(tǒng)研究

研制SFC控制系統(tǒng)，包含靜止變頻調(diào)節(jié)器和智能IO控制裝置。控制系統(tǒng)的主要功能包含：

1)抽水蓄能電機(jī)的啟動(dòng)控制。SFC實(shí)現(xiàn)抽水蓄能機(jī)組啟動(dòng)主要包括勵(lì)磁投入、同步機(jī)加速、同期控制、同期并網(wǎng)等階段。啟動(dòng)控制系統(tǒng)需要包含上述幾階段的控制算法和不同階段運(yùn)行方式的切換控制算法。

2)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)。主要研究無位置傳感器轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)技術(shù)，包含發(fā)電機(jī)靜止轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)技術(shù)，低頻運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)技術(shù)。

同時(shí)為更好地保障SFC系統(tǒng)的**可靠運(yùn)行，需制定保護(hù)配置方案，研制SFC控制保護(hù)系統(tǒng)。完整的SFC保護(hù)系統(tǒng)的保護(hù)范圍需要涵蓋以下功能：

1)隔離變壓器保護(hù)。主要包含差動(dòng)保護(hù)，隔離變壓器高壓側(cè)過流保護(hù)，高壓側(cè)電流變化率保護(hù)，隔離變壓器低壓側(cè)過流保護(hù)，低壓側(cè)電流變化率保護(hù)，溫度保護(hù)等。

2)變流器橋本體保護(hù)。由變流器橋本體差動(dòng)保護(hù)為整流橋、逆變橋和電抗器提供差動(dòng)保護(hù)，SFC系統(tǒng)的網(wǎng)橋側(cè)為工頻電流，而機(jī)橋側(cè)為變頻電流，如何實(shí)現(xiàn)兩側(cè)頻率不一致情況下的差動(dòng)保護(hù)，是SFC變流器橋本體差動(dòng)保護(hù)的難點(diǎn)和研究重點(diǎn)。此外逆變器橋本體保護(hù)還包含觸發(fā)脈沖故障保護(hù)、短路保護(hù)、過流保護(hù)、過壓保護(hù)、傳感器丟失保護(hù)、功率模塊溫度保護(hù)等。

3)SFC其他保護(hù)。轉(zhuǎn)子初始位置檢測(cè)故障保護(hù)、設(shè)備執(zhí)行故障保護(hù)、機(jī)組過速保護(hù)、機(jī)組磁通保護(hù)、控制電源故障保護(hù)、通訊故障保護(hù)、SFC盤柜積水保護(hù)、SFC接地保護(hù)、冷卻系統(tǒng)保護(hù)等。

5. SFC實(shí)驗(yàn)方法研究

SFC設(shè)備容量大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，且系統(tǒng)的控制算法復(fù)雜，保護(hù)系統(tǒng)功能豐富，因此需要研究合理高效的實(shí)驗(yàn)方法，保障在設(shè)備開發(fā)過程中，能夠順利有效地對(duì)系統(tǒng)各項(xiàng)功能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)方法研究主要包含。

1)實(shí)驗(yàn)規(guī)劃。首先分析SFC開發(fā)過程中需要進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)。例如仿真實(shí)驗(yàn)需要完成的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，硬件搭建調(diào)試過程中需要進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，算法調(diào)試過程需要進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，統(tǒng)籌規(guī)劃實(shí)驗(yàn)時(shí)間，合理安排以壓縮研發(fā)周期。

2)實(shí)驗(yàn)方法。根據(jù)每種實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)方法。例如分析在控制算法的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中需要的實(shí)驗(yàn)條件，需要進(jìn)行的測(cè)算和相應(yīng)的分析測(cè)量設(shè)備，規(guī)劃合理的實(shí)驗(yàn)方案，確保實(shí)驗(yàn)過程順暢高效。同時(shí)在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行大功率設(shè)備實(shí)驗(yàn)時(shí)候，如何模擬各種工況，并考慮到供電系統(tǒng)容量及節(jié)能等要求創(chuàng)造實(shí)驗(yàn)條件也是需要進(jìn)行研究的重要內(nèi)容。

3)產(chǎn)品鑒定測(cè)試。研究相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和測(cè)試規(guī)范，產(chǎn)品研發(fā)過程中嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試，以縮短產(chǎn)品認(rèn)證的周期。