王海濤

（華東天荒坪抽水蓄能有限責(zé)任公司，浙江 安吉313302）

0 引 言

抽水蓄能電站是對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)峰填谷和保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的一種有效手段，其在電力系統(tǒng)中的重要作用而備受青睞。抽水蓄能具有容量大、儲(chǔ)能單位容量經(jīng)濟(jì)性高、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)。抽水蓄能機(jī)組通常有五種穩(wěn)態(tài)運(yùn)行方式：發(fā)電、發(fā)電調(diào)相、水泵、水泵調(diào)相以及停機(jī)，其中需要外部電源對(duì)其啟動(dòng)的是水泵電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)方式。對(duì)于大型的蓄能電站最常用的啟動(dòng)方式是以靜止變頻器啟動(dòng)為主。

靜止變頻器主要由交－直－交電流型變流器、同步電動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器及控制回路構(gòu)成。其核心是由晶閘管組成的整流橋和逆變器，通過相控這些晶閘管組實(shí)現(xiàn)同步電動(dòng)機(jī)的供電電源頻率變化，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)速作用。同時(shí)靜止變頻器自身的晶閘管換相和脈寬調(diào)制，伴隨著諧波的產(chǎn)生，也影響電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量使其電壓畸變，導(dǎo)致一些變頻器和濾波器無法正常運(yùn)行。因此，減小和消除諧波是十分必要的。

1 靜止變頻器工作原理

靜止變頻器主要是利用同步電機(jī)過激磁時(shí)定子電流超前電壓的特性，同步電機(jī)的反電勢(shì)使變流器晶閘管達(dá)到自然換流。靜止變頻器的逆變器產(chǎn)生的頻率變化的電源來控制著同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速，同時(shí)同步電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)又作用于逆變器的換相，因此構(gòu)成閉環(huán)負(fù)反饋系統(tǒng)。它有著魯棒性好，結(jié)構(gòu)較為簡單，對(duì)電網(wǎng)沖擊較小等特點(diǎn)，在大型抽水蓄能電站等場合有著廣泛應(yīng)用。

1．1 靜止變頻器啟動(dòng)原理

靜止變頻器起動(dòng)是利用同步電動(dòng)機(jī)與靜止變頻器配合完成，靜止變頻器向電機(jī)提供頻率可調(diào)電源，同步電動(dòng)機(jī)提供適當(dāng)勵(lì)磁。當(dāng)變頻器輸出頻率達(dá)到額定頻率時(shí)，同步電動(dòng)機(jī)相應(yīng)運(yùn)行在額定轉(zhuǎn)速下。靜止變頻器主要是由同步電動(dòng)機(jī)、變頻器、轉(zhuǎn)子位置監(jiān)測(cè)其PS和控制單元構(gòu)成，從控制過程看屬于自控式變頻調(diào)速系統(tǒng)，整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，其主回路由整流橋、逆變橋及平波電抗器Ld組成，與普通的交－直－交變頻器不同的是它靠同步電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行晶閘管換相。先將三相交流整流后再逆變成頻率可調(diào)的交流，輸出至同步電機(jī)M，控制單元通過轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器檢測(cè)同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)，根據(jù)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速后按一定的控制策略產(chǎn)生反饋信號(hào)，控制變頻器輸出包括三相電流、電壓、頻率、幅值和相位等信號(hào)，從而達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。

1．2 逆變橋晶閘管換流過程

變頻器實(shí)現(xiàn)三相頻率的改變主要靠晶閘管的通斷，即換流。變頻器中的晶閘管多為半控型，通過門極導(dǎo)通。晶閘管在導(dǎo)通情況下，門極失去作用，如果要實(shí)現(xiàn)其關(guān)斷，必須施加以反向電壓，且保持一段時(shí)間后才能可靠關(guān)斷。變頻啟動(dòng)時(shí)，不同的運(yùn)行階段采用不同的換流方式。需要特別了解的是當(dāng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到一定值后，晶閘管的換流是通過電機(jī)的電樞繞組在轉(zhuǎn)子的勵(lì)磁電流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場而產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)完成的，也稱反電動(dòng)勢(shì)。轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速的10%左右，此時(shí)的反電動(dòng)勢(shì)便可使得晶閘管換相，這種換相方法稱為反電動(dòng)勢(shì)換相法或自然換相法。對(duì)于控制好換流剩余角δ與換流超前角γ0是實(shí)現(xiàn)可靠的自然換相的前提。換流超前角與平均轉(zhuǎn)矩呈反比，為了提高過載能力，換流超前角須小，但也增加了換流失敗的概率。為了保證滿載時(shí)可靠換流，一般γ0取60%。

換相時(shí)因換相電感、阻尼繞組、勵(lì)磁繞組等儲(chǔ)能器件，使得換相過程不可能瞬時(shí)完成，這樣產(chǎn)生兩個(gè)換相的晶閘管同時(shí)導(dǎo)通，其導(dǎo)通時(shí)間稱為換相重疊角μ：

式中，Id為整流器輸出直流電流；U為相電壓有效值；Lk稱為換相電感，換相時(shí)起作用。自然換流過程為一個(gè)閉環(huán)控制過程，輸出的定子電流頻率受轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制，定子電流的角頻率亦為ω，其定子電流如圖2所示。

圖2 自然換流階段的定子電流

2 靜止變頻器控制策略

2．1 靜止變頻器啟動(dòng)過程

靜止變頻器啟動(dòng)過程可分為以下幾個(gè)階段：

（1）盤車階段。這個(gè)階段為了使PS產(chǎn)生控制信號(hào)，讓異步電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)同步電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速的2%左右，使得檢測(cè)器能檢測(cè)位置信號(hào)控制晶閘管的換流。

（2）斷續(xù)換流階段。這個(gè)階段電機(jī)的反電勢(shì)很小，不能使逆變器中的晶閘管實(shí)現(xiàn)自然換流，此時(shí)需采用斷續(xù)換流。此階段電流沖擊較大，同時(shí)晶閘管導(dǎo)通工作時(shí)間長，因此需限制逆變橋的電流，不能超過其額定電流的2／3左右。

（3）反電勢(shì)換流階段。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到10%額定轉(zhuǎn)速時(shí)，電機(jī)產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)可以實(shí)現(xiàn)晶閘管的自然換流，而不需要加反向電壓。

（4）并網(wǎng)階段。這一階段，電機(jī)轉(zhuǎn)速升到額定轉(zhuǎn)速的95%～97%。并網(wǎng)過程中，不斷調(diào)整使電動(dòng)機(jī)的電壓、相位、頻率等與電網(wǎng)保持一致，達(dá)到并網(wǎng)的條件后關(guān)閉SFC裝置。

2．2 恒定換流剩余角控制

對(duì)恒定換流剩余角的控制是保證電機(jī)順利啟動(dòng)的關(guān)鍵，主要靠位置檢測(cè)器和觸發(fā)控制電路完成。

（1）位置檢測(cè)器

位置檢測(cè)器接有電流互感器CT和電壓互感器PT，如圖3所示。主要是檢測(cè)同步電機(jī)的定子繞組電流和端電壓，然后根據(jù)其值計(jì)算得到同步電動(dòng)機(jī)的反電勢(shì)的基波信號(hào)E，計(jì)算公式如下：

圖3 位置檢測(cè)器原理圖

位置檢測(cè)器輸出的反電勢(shì)基波為正弦波信號(hào)，這樣也可以進(jìn)行相位上的補(bǔ)償。為了得到一個(gè)頻率正比轉(zhuǎn)速而幅值不變的正弦信號(hào)，在位置檢測(cè)器電路中串入了一個(gè)除法器。

（2）觸發(fā)控制電路

逆變橋在換流時(shí)必須保證一個(gè)最小逆變角。為了使逆變橋的晶閘管工作在理想狀態(tài)，這樣就要保證逆變角盡可能小。這個(gè)最小逆變角需要考慮兩個(gè)因素：隨電路參數(shù)變化的換流重疊角μ和反應(yīng)晶閘管元件固有關(guān)斷時(shí)間的換流剩余角δ。那么最小逆變角應(yīng)滿足：γmin≥μ＋δ。逆變器觸發(fā)角控制電路得到電氣位置檢測(cè)器的輸出信號(hào)，與經(jīng)過加法運(yùn)算的電流基準(zhǔn)信號(hào)與電壓信號(hào)和手動(dòng)設(shè)定信號(hào)，相乘得到換流重疊角。換流重疊角計(jì)算比較困難，它與主回路的電流、漏感及頻率等參數(shù)密切相關(guān)而不易得到。在實(shí)際的電路設(shè)計(jì)時(shí)，采用靈活的補(bǔ)償方式，如圖4所示。

圖4 逆變控制角控制原理圖

3 靜止變頻器諧波分析

3．1 諧波分析

晶閘管換相和脈寬的調(diào)制，會(huì)產(chǎn)生一些高次諧波，這些諧波帶入電網(wǎng)中使電網(wǎng)的功率因數(shù)下降，整個(gè)電網(wǎng)電能質(zhì)量下降。解決高次諧波的辦法主要有兩種措施：裝配諧波補(bǔ)償裝置和在調(diào)速系統(tǒng)主回路采用12脈波或更多脈波數(shù)的電路結(jié)構(gòu)形式。目前普遍使用效果較好的為后一種方式。

電網(wǎng)中含有h次諧波電壓含有率為：

式中，Uh為h次諧波電壓（方均根值）；U1為基波電壓（方均根值）。也可以按以下公式計(jì)算：

式中，Ih為h次諧波電流值；UN為電網(wǎng)的標(biāo)稱電壓；Zh為系統(tǒng)對(duì)h次諧波電流的阻抗，又有為公共連接點(diǎn)的三相短路容量。

3．212脈波換流器的電流分析

12脈波換流器采用兩個(gè)三相全控整流橋串連組成，每個(gè)全控整流橋有6個(gè)橋臂，所以一共12橋臂。兩個(gè)整流橋完成一次動(dòng)作的時(shí)間定義為一個(gè)周期，一個(gè)基波周期內(nèi)各橋的直流電壓完成了6脈動(dòng)，共12脈動(dòng)。其中一個(gè)整流橋的各臂之間電壓相位差為30°。兩組換流器采用相同的控制角α和換相角γ。12脈動(dòng)換流器的原理圖如圖5所示。經(jīng)12脈動(dòng)換流器整流后的總電流基波和諧波分量為：

圖5 三相十二脈全控整流電路

式中，I（n）為六脈波換流器時(shí)的諧波電流分量

式中，KT為變壓器變比

由上式可知，12脈波變流器諧波電流有效值為2 KTI（n），諧波電流中含有12k士1次諧波分量，而在六脈波換流器的諧波電流分量中濾波去了5次、7次、17次、19次等諧波電流。

3．3 諧波抑制措施

諧波抑制一般采用無源濾波器或有源濾波器。有源濾波器具有跟蹤系統(tǒng)特性好，但成本高，而無源濾波器的濾波效果相對(duì)較差，但造價(jià)較便宜?；旌闲蜑V波器采用無源濾波器與有源濾波器并聯(lián)方式，結(jié)合兩者的優(yōu)點(diǎn)，部分諧波與無功功率主要由無源濾波器進(jìn)行補(bǔ)償，無源濾波器未補(bǔ)償完的諧波由有源濾波器來補(bǔ)償，同時(shí)有源濾波器還起到抑制無源濾波器和電網(wǎng)可能發(fā)生的諧振的作用。這種設(shè)計(jì)使整個(gè)系統(tǒng)的造價(jià)和容量可大大降低，而且性能優(yōu)于無源濾波器。如圖6所示。

圖6 混合型濾波器

4 結(jié) 論

本文對(duì)大型抽水蓄能機(jī)組SFC裝置的構(gòu)成和工作原理進(jìn)行闡述和分析的基礎(chǔ)上，介紹了SFC的控制策略，并提出了SFC裝置消除諧波的方案，采用12脈沖方法可有效地消除5、7次諧波。

［1］ 糜正琨．IP網(wǎng)絡(luò)電話技術(shù)［M］．北京：人民郵電出版社，2004．

［2］ Terry Slattery．Cisco網(wǎng)絡(luò)高級(jí)IP路由技術(shù)［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006．

［3］ 張繼軍．基于分組網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量保證［M］．北京：北京郵電大學(xué)出版社，2004．

［4］ 魏大新．網(wǎng)絡(luò)工程技術(shù)解析［M］．北京：電子工業(yè)出版社，2006．

［5］ Dina Tear．組建可擴(kuò)展的Cisco互連網(wǎng)［M］．北京：人民郵電出版社，2006．