抽水蓄能先进变频器关键技术分析

1月20日下午，调峰调频发电公司设备部组织西开公司、合肥工业大学对抽水蓄能先进变频器关键技术进行了技术交流。

目前抽水蓄能机组多采用静止变频器(SFC，Static Frequency Converter)启动，静止变频器启动利用变频装置，向定子绕组输出可变的交流电流，改变定子旋转磁场的转速，利用定、转子磁场间产生的同步转矩实现电机启动。静止变频启动具有无极变速、启动平稳、反应速度快、调制方便、可靠性高的特点，机组启动过程对系统不会有任何冲击，多台机组可以共用一套设备，诸多优点让静止变频器成为大型抽水蓄能电站机组的首选启动方式。

所谓先进变频启动器，即电压型变频启动器，它采用全控器件IGBT或IEGT作为核心器件，比传统的电流型静止变频启动器(基于晶闸管，潘家口水电站挂网设备，响水涧投运设备均为此类型)可控性能更加优异，具有主电路使用功率器件数量较少，系统搭建的难度和控制算法的复杂程度低，无换向困难的问题，可提高系统的可靠性和稳定性，同时具有电源侧谐波电流含量低、功率因数可控等优点。随着功率器件的发展和多电平变流器技术的成熟，电压型抽蓄电机启动器必将成为未来的发展趋势。

以广州抽水蓄能电站一期工程抽水蓄能发电机变频启动器改造为假定的应用背景，研究具备启动300MW可逆式抽水蓄能机组能力的电压型SFC。

广州蓄能水电厂B厂安装的4台可逆式抽水蓄能机组每台容量为300MW，电机启动SFC的容量一般要求在电机容量的10%以上，所以其启动SFC额定功率需要在30kVA以上，广蓄一期采用的是ALSTOM公司的SFC，额定电压4.8kV，额定电流4.5kA，额定容量37kVA。

按照启动SFC功率等级的要求，拟研制的电压型SFC要求额定电压大于4.8kV，额定电流大于4.5kA。目前东芝IEGT最高耐压达到4.5kV，额定电流2.1kA，考虑到系统的可靠性以及系统过流能力，工程使用时，单个IEGT模块的工作电压可取3.5kV，额定电流取1.05kA使用。采用三电平中性点钳位拓扑结构，并通过在调制信号上叠加三次谐波调制或者SVPWM调制来提高电压利用率，输出线电压可达到4.9kV，每个三电平逆变器模块输出功率可高达8.9MVA。为达到抽蓄启动功率的要求，所研制SFC采用五个上述三电平变流器模块并联，可实现输出额定电压4.9kV、额定电流5.25、额定功率44MVA的SFC。

下图 1给出方案拟采用的拓扑结构，图中每个SFC包含五个三电平变流器模块，三电平变流器采用二极管钳位的结构，五个变流器模块通过输出滤波电感并联，构成模块并联型SFC。

　　拟研制的SFC系统控制结构框图如图2所示，电压型SFC的控制系统包含SFC系统控制器、逆变器模块控制器以及相关的采样电路及通讯系统。其中SFC系统控制器主要负责同步机的启动控制、准同期控制以及同步机的转速控制和定子电流控制等，逆变器模块控制器功能包含逆变器单元的输出电压电流控制、SPWM调制、逆变器单元本体的保护控制等。SFC系统控制器与逆变器模块控制器之间通过高速通讯系统进行连接，SFC系统控制器将计算出的SFC输出电压和电流参考值通过通讯系统发送给各逆变器模块控制器，逆变器模块控制器按照参考值控制各模块的输出电压或功率，实现系统的协同控制。SFC设备技术参数如表1所示：

　　1. 电压型SFC仿真和系统研究

SFC设备容量大成本高，硬件平台搭建困难，控制算法复杂，在系统设计研发的过程中，仿真手段必不可少，合理的仿真有助于理解系统原理和运行规律，还可以在设备开发过程中，验证控制算法的准确性和优化控制参数，为实验平台的设计和控制器开发提供理论支持。仿真研究包含如下内容：

1)仿真软件选择。SFC系统电路和控制算法复杂，需要选取合适的仿真软件，在确保仿真准确度的情况下，提高仿真速度，拟采用RT-Lab仿真平台。

　　2)SFC建模和仿真电路的搭建。SFC模型的精确度是仿真模型能否准确体现SFC特性的关键，建模是仿真研究的重要环节。按照SFC模型搭建仿真电路，并验证仿真电路的准确性。

3)控制算法编写及仿真分析。按照仿真软件的语法要求和仿真软件能提供的资源，编写控制算法，进行仿真实验和分析，验证仿真算法的有效性。另外也可以通过仿真实验的设计来测试SFC的各环节的特性和运行规律。

　　2. SFC主回路设计研究

主回路设计是SFC设备开发的基础，主回路拓扑结构的选取和设计需要综合考虑经济性、电路复杂度、调制与控制的复杂度、以及SFC未来的发展趋势。同时还需要考虑变流器内部环流抑制、电容参数电感参数选择、桥臂吸收电路的设计、驱动电路的延时和驱动信号的同步问题、以及电磁干扰和电磁兼容等问题。

　　3. SFC换流器研发

SFC换流器是SFC系统的核心设备，换流器的研发主要包含以下内容：

1)SFC的电路设计与搭建。电路设计方面包含换流器控制电路、驱动电路、采样电路、调理电路、主电路的设计。此外还包含换流器的安装柜体设计、散热设计等。

2)主电路调试。在进行换流器算法验证前，需要进行主电路调试实验，确保主电路及采样电路、通讯电路等的准确可靠。

3)换流器控制器的设计与调试。换流器控制器一般采用微控制器实现，按照换流器对控制速度、采样精度、触发脉冲产生方式、通讯结构以及IO接口等的需求，同时考虑微控制器的开发难度和经济性等因素，选取合适的微控制器。将仿真验证过的控制算法数字化到微控制器中，进行相应的实验验证。

4)换流器保护系统的设计。为保护换流器本体的安全运行，需要设计换流器保护系统，主要包含换流器桥臂功率器件保护、过流过压保护、触发脉冲丢失保护、温度保护等。

　　4. SFC控制保护系统研究

研制SFC控制系统，包含静止变频调节器和智能IO控制装置。控制系统的主要功能包含：

　　1)抽水蓄能电机的启动控制。SFC实现抽水蓄能机组启动主要包括励磁投入、同步机加速、同期控制、同期并网等阶段。启动控制系统需要包含上述几阶段的控制算法和不同阶段运行方式的切换控制算法。

2)转子位置检测。主要研究无位置传感器转子位置检测技术，包含发电机静止转子位置检测技术，低频运行时转子位置检测技术。

同时为更好地保障SFC系统的安全可靠运行，需制定保护配置方案，研制SFC控制保护系统。完整的SFC保护系统的保护范围需要涵盖以下功能：

1)隔离变压器保护。主要包含差动保护，隔离变压器高压侧过流保护，高压侧电流变化率保护，隔离变压器低压侧过流保护，低压侧电流变化率保护，温度保护等。

2)变流器桥本体保护。由变流器桥本体差动保护为整流桥、逆变桥和电抗器提供差动保护，SFC系统的网桥侧为工频电流，而机桥侧为变频电流，如何实现两侧频率不一致情况下的差动保护，是SFC变流器桥本体差动保护的难点和研究重点。此外逆变器桥本体保护还包含触发脉冲故障保护、短路保护、过流保护、过压保护、传感器丢失保护、功率模块温度保护等。

3)SFC其他保护。转子初始位置检测故障保护、设备执行故障保护、机组过速保护、机组磁通保护、控制电源故障保护、通讯故障保护、SFC盘柜积水保护、SFC接地保护、冷却系统保护等。

　　5. SFC实验方法研究

SFC设备容量大，结构复杂，成本高，且系统的控制算法复杂，保护系统功能丰富，因此需要研究合理高效的实验方法，保障在设备开发过程中，能够顺利有效地对系统各项功能进行实验验证。实验方法研究主要包含。

1)实验规划。首先分析SFC开发过程中需要进行的实验。例如仿真实验需要完成的实验项目，硬件搭建调试过程中需要进行的实验项目，算法调试过程需要进行的实验项目，统筹规划实验时间，合理安排以压缩研发周期。

2)实验方法。根据每种实验的特点，设计相应的实验方法。例如分析在控制算法的验证实验中需要的实验条件，需要进行的测算和相应的分析测量设备，规划合理的实验方案，确保实验过程顺畅高效。同时在实验室中进行大功率设备实验时候，如何模拟各种工况，并考虑到供电系统容量及节能等要求创造实验条件也是需要进行研究的重要内容。

3)产品鉴定测试。研究相关产品标准和测试规范，产品研发过程中严格按照相关标准进行测试，以缩短产品认证的周期。