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抽水蓄能電站靜止變頻器系統(tǒng)原理分析

文檔作者：岳永濤文檔來源：中國長江電力股份有限公司		更新日期： 2026年07月02日	點擊數(shù)：
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L0W CARBoNW0RLD 2017／1 低碳技術(shù)
抽水蓄能電站靜止變頻器系統(tǒng)原理分析
岳永濤(中國長江電力股份有限公司，湖北宜昌443000)
【摘要】隨著電網(wǎng)容量的日益增大，抽水蓄能電站應(yīng)用越來越多，其承擔調(diào)峰填谷、事故備用。抽水蓄能電站在發(fā)電狀態(tài)是與普通的水輪發(fā)電
機組一樣，當其在抽水狀態(tài)時，發(fā)電機組工作在電動機狀態(tài)，其快速平穩(wěn)的啟動，減少對電網(wǎng)的沖擊，在電站內(nèi)設(shè)置一套公用的靜止變頻裝置是
技術(shù)、經(jīng)濟上最佳的處理辦法。本文以西北某抽水蓄能電站使用的ABB公司靜止變頻器系統(tǒng)(static frequency converter以下簡稱SFC)為案例，
介紹其組成、原理及應(yīng)用情況。
【關(guān)鍵詞】抽水蓄能電站；靜止變頻器系統(tǒng)；原理分析
【中圖分類號】TV743 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095—2066(2017)02—0089—03
1 SFC的作用與分類
SFC由PLC調(diào)節(jié)器、可控硅整理橋、直流電抗器等設(shè)備組
成的具有一定功率的非旋轉(zhuǎn)電機式頻率變換器，利用可控硅
的通斷作用將工頻電源變換為可變頻率的電能控制裝置。
lIl結(jié)構(gòu)原理圖
輸入輸出變壓器參數(shù)完全相同．變比為18kW5．576kV，容
量皆為22410kVA，輸入變額定頻率50Hz，輸出變工作頻率為
5 52．5Hz．接線方式為Dyn5．能有效抑制三次及階次為三的
倍數(shù)的諧波干擾．輸入變壓器對抑制諧波有明顯效果。功率單
元由6脈沖可控硅整流器和6脈沖可控硅逆變器組成．額定
交流為2430A．可控硅型號為XVC517AE01。各橋臂由4個可
控硅串聯(lián)而成，其中1個可控硅為冗余，水冷卻方式。直流部
分為一個4．0mH 直流電抗器，額定電壓6000V， 額定電流
2976A．冷卻方式同為水冷卻。
原理圖見圖l。
COnv●rt
DCItta~ tOt
積圈 嗡j b
圖1
1．2 高一低一高可控硅電流源型變頻器特點
需要一個輸入降壓變壓器和一個輸出升壓變壓器， 一次
性投入成本較高。輸出變壓器在低頻(5Hz以下)階段由并聯(lián)
的旁路開關(guān)旁路。發(fā)電電動機頻率升至5Hz以上后回路再由
旁路切換到變壓器位。優(yōu)點為功率單元降壓后，單個整流橋或
逆變橋所需串聯(lián)可控硅數(shù)較少，監(jiān)視回路可簡化。
2 ABB公司SFC的工作原理
2．1可逆可控橋的基本原理
靜止變頻器有三個基本組成，兩個可控硅全控橋，分別為
網(wǎng)橋和機橋．還有一個直流平渡電抗器。可控硅橋又稱格雷茲
電橋．如圖2。SFC運行的關(guān)鍵是成功實現(xiàn)逆變，而逆變成功的
關(guān)鍵是按照預(yù)訂的順序．實時實現(xiàn)晶閘管的換相，即一個橋臂
晶閘管關(guān)閉．另一個橋臂的晶閘管導(dǎo)通。-~t,Zk組1—2橋臂導(dǎo)通
切換到組2—3橋臂導(dǎo)通即為換相。
導(dǎo)通晶閘管必須具備兩個條件：① 在陽極和陰極之間施
加正向電壓：② 在門極施加觸發(fā)脈沖。晶閘管一旦導(dǎo)通，門極
就失去控制作用。即使觸發(fā)脈沖已經(jīng)不在， 只要正向電壓存
在．則晶閘管就會繼續(xù)導(dǎo)通。關(guān)斷晶閘管必須采取以下兩條措
施中的一條：( 在陽極和陰極之間施加反向電壓；② 關(guān)斷給晶
u
4 ’
I
6 I I 3
2 NJ 5
‘，1 I
Ud
，
Id GR^ETZ8RIa3E 、
Ud US tk
圖2
閘管供電的電流源或電壓源
2．2 SFC在機組不同轉(zhuǎn)速下的運行模式
脈沖模式：在啟動的初始階段，當轉(zhuǎn)速低于額定值的10％
時．電機的電動勢不足以關(guān)斷逆變器中晶閘管來維持換相，此
時必須由SFC依次向電機定子各相繞組提供電流脈沖，實現(xiàn)
強制換相．也稱脈沖耦合換相．如從組1—2橋臂導(dǎo)通切換到
2—3橋臂導(dǎo)通，其換相過程為：首先，網(wǎng)橋全逆變，當回路電流
I ：0時．機橋組1—2橋臂可控硅因無續(xù)流而被關(guān)斷。一旦檢測
到回路電流為O．即給2—3橋臂觸發(fā)脈沖，網(wǎng)橋隨機取消全逆
變．實現(xiàn)強制換相。
同步模式：電動機轉(zhuǎn)速大于10％額定值后，電動機的反電
動勢已經(jīng)足夠使逆變器實現(xiàn)自然換相，將逆變器可控硅對應(yīng)
的正向電壓過零點作為自然換相點。這時欲從組1—2換相到
組2—3．可以直接向臂3的可控硅控制極發(fā)脈沖。由于電動機
電壓的自然交替．臂1的電流會自動截止，而臂3則續(xù)流。調(diào)
節(jié)器根據(jù)力矩設(shè)定值和頻率基準值，通過測量機橋、網(wǎng)橋側(cè)電
壓、電流來控制機橋網(wǎng)橋的觸發(fā)脈沖，調(diào)節(jié)輸出的啟動電流，
從而將機組拖動到額定轉(zhuǎn)速
2．3轉(zhuǎn)子位置的判斷
2．3．1 轉(zhuǎn)子初始位置的判斷
在啟動之初．轉(zhuǎn)子處于靜止狀態(tài)，不能用定子相對運動的
機理來判斷轉(zhuǎn)子位置。但是在施加勵磁電流的初瞬間，電機定
子三相繞組中會感應(yīng)出電動勢．利用這些電動勢，可以推算出
轉(zhuǎn)子的位置。施加勵磁電流時．定子三相繞組中因互感產(chǎn)生的
磁通可以用下式表示：
4) ：Milcos ， =Mi~cos( +120。)，4) =Mi~cos( —120。)，式中
4) 、 、 為轉(zhuǎn)子電流在定子三相繞組中產(chǎn)生的磁通，M 為定
轉(zhuǎn)子之間互感，if為轉(zhuǎn)子電流，^y為轉(zhuǎn)子軸線與U相軸線夾角，
見圖3。
T T 一{LT
轉(zhuǎn)子電流公式可用式(2)表示：iF (1一e )，(2)式中
rf
U 為施加到轉(zhuǎn)子繞組上的電壓，rf、L為轉(zhuǎn)子繞組的電阻和電
感。定子三相繞組中感應(yīng)出的電動勢可以用式(3)表示：eu=一
89
～～ ：芋
低碳技術(shù) O CARB0N W0RLD 2017／1
圖3
= 一 e
。。
，e ：一 cos ( +
上 ，
120。)e。。
，(3)ew=一 =一M cos(^y一120。)e ，定子三相繞
組感應(yīng)電動勢的最大值出現(xiàn)在轉(zhuǎn)子繞組施加電壓的初瞬間，
即t為0時，見式(4)era=一M cosy=k cos ，e~=-M cos(7+120。)
_k cos(y+l20~)，(4)e~o=-M_Hf cos(~-I20o)=k cos(7-120。)。
根據(jù)三角函數(shù)公式對(4)進行求解：得式(5)COS~=一 1?euo，
sin~= 一(5)得^y=tan-＼／3 k 1 0二 ，定子繞組空載時，euO=u
u0
em=U ，e~o=U 。而各相電壓是可以測得的，所以 可由上式求
得。而轉(zhuǎn)子位置可能有無限個，但機橋可能導(dǎo)通的橋臂組合只
有六種，即1—2，2—3，3-4，4—5，5-6，6-1六種導(dǎo)通方式。所以
必須將轉(zhuǎn)子的無限多個可能初始位置歸并為六種． 以適應(yīng)對
機橋控制要求。將電機定子內(nèi)空間劃分為6個60。的扇形區(qū)，
每扇形區(qū)的軸線都是定子某相繞組磁場的軸線，如圖4所示，
則轉(zhuǎn)子必處于六個扇形區(qū)之一。轉(zhuǎn)子繞組施加電流的瞬間，轉(zhuǎn)
子處于不同位置時會對應(yīng)有一個 值的范圍。反過來講，只要
測得電機三相電壓，算出 角度，就可以推算出轉(zhuǎn)子處于六個
扇形區(qū)中的哪一個，實現(xiàn)轉(zhuǎn)子初始位置的識別。下面以兩組轉(zhuǎn)
子在不同位置時對應(yīng)角度的范圍為例說明見圖4
此時，． 位鼉一i肘庸的 舟Il愷啪卻一" ’ 憾一種’ ■‘．雪¨ 辛健■ 新時蹦枘 蠢糠懈懈 l柏’ 一ISO
圖4
2．3．2 頻率低于1Hz時轉(zhuǎn)子位囂的判斷
轉(zhuǎn)子開始轉(zhuǎn)動．但是頻率低于lHz(即轉(zhuǎn)速低于2％額定
值)時．定子各相繞組感應(yīng)電動勢的幅值很低．此時轉(zhuǎn)子位置
的識別方法為估算法。具體原理如下：
1n
轉(zhuǎn)子的運動公式見式：J }=TM-T ，式中J為機組的轉(zhuǎn)動
0【
·質(zhì)量，n 為轉(zhuǎn)子角速度，_rM為SFC提供的驅(qū)動力矩，T 為機組
阻力矩。TM=CI6其中C為常數(shù)；I為定子電流，由SFC通入定
子，選擇合適的控制角度可以使I也為常數(shù)； 為轉(zhuǎn)子磁通，
由勵磁系統(tǒng)電流決定，也為固定值。故T 在此轉(zhuǎn)速內(nèi)為常數(shù)。
而阻力矩也可近似認為為常數(shù)。可得式： ： ％c-Tn：K
，Q：
Kt= 。可得：y=K』tdt= Kt。+ 式中 為轉(zhuǎn)子軸線與定子
U 【 二
U相磁場軸線夾角， 此前算得的轉(zhuǎn)子初始軸線與U相磁場
軸線夾角
2．3．3 頻率高于1Hz時轉(zhuǎn)子位置的判斷
轉(zhuǎn)速高于2％額定值時，定子端電壓的幅值已經(jīng)足夠大，
可以利用更為精確地計算方法實現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置的識別。靜止變
頻器調(diào)節(jié)控制通常采用矢量變換控制原理 通過坐標變換將
同步電動機模擬成等效直流電動機。再用控制直流電動機的
方法進行控制，簡化了計算方法 將同步電機三相靜止繞組變
成在空間正交的兩相靜止繞組．公式見式：
1 一 一
1
0
1
’
、v／3
U
將電機的三相坐標系轉(zhuǎn)換為兩相坐標系，即僅一B坐標系。
交流三相的U 相軸與等效兩相的Ot軸重合，B軸滯后o【軸
9O。，如圖5所示。圖中矢量僅表示空間位置，并不表示其大小。
U
W
圖5
根據(jù)交流電流基本公式：U=e+iR+L +M 可得e eB
e~=Ua-i I (1 1)
e 一BR．L。 一M (12)
根據(jù)e：一L }的基本關(guān)系，可以得到式(13)(14)：
寸) —I1 _J％dr (13)
B=一{一J％dt (14)
轉(zhuǎn)子磁場的總磁通為以上兩個磁通的矢量和， 則有式
(15)(16)即可求得定轉(zhuǎn)子相對位置：
tan^y= (15)
“
^y：tan一 葺 (16)
q)“
2．3．4 轉(zhuǎn)速的測量
靜止變頻器的啟動調(diào)節(jié)控-a1需要測量電動機的轉(zhuǎn)速．通
常無需專用測速裝置．在抽水蓄能電站同樣是采用BPA70中
的電壓互感器T24、T25采集機端電壓，通過計算頻率的變化
來測量轉(zhuǎn)子實時轉(zhuǎn)速
2．3．5 SFC的啟動控制
靜止變頻器起動調(diào)節(jié)控制見圖6。控制器為雙閉環(huán)控制，
由速度調(diào)節(jié)環(huán)與電流調(diào)節(jié)環(huán)組成，其中電流環(huán)作為內(nèi)環(huán)需要
較高的調(diào)節(jié)速度(通常要求其掃描周期為毫秒級)，以保證外
環(huán)速度調(diào)節(jié)器的高精度(一般要求速度調(diào)節(jié)精度<1％)。
速度調(diào)節(jié)器是一個比例積分PI模塊。輸入量為速度參考
Nref和速度測量值Nm的差值。速度參考由速度目標值(如
500rpm)對起動限制時間(如223s)做斜率計算而得。輸出值為
力矩參考Tref，再由力矩公式得到直流電流參考Idref=kTref。
電流調(diào)節(jié)器也是一個比例積分PI模塊。輸入量為電流參
LoW CARBoN WoRLD 2017／1 低碳技術(shù)
電網(wǎng)改造中配電網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能降損策略
樊煒(馬山供電公司，廣西馬山530600)
【摘要】人們的工作和生活都離不開對于電能的使用，近年來，隨著我國電力系統(tǒng)的不斷完善，電網(wǎng)也在不斷地進行改造和升級，而在對于電
能的傳輸、使用過程中，配電網(wǎng)絡(luò)電能損耗一直是一個非常重要的問題，配電網(wǎng)的改造必須考慮顯著減少能源浪費，所以配電網(wǎng)的節(jié)能降損也
是電網(wǎng)改造的一個重要內(nèi)容，只有通過采取有效的節(jié)能降損措施，才能夠確保電網(wǎng)的經(jīng)濟運行，從而減少能源的浪費，同時也更好地保證國家
可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的落實，因此本文主要就電網(wǎng)改造中配電網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能將損策略進行了一定的研究。
【關(guān)鍵詞】電網(wǎng)改造；配電網(wǎng)絡(luò)；節(jié)能將損
【中圖分類號】TM714．3 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095—2066(2017)02—0091—02
刖舌
電網(wǎng)在運行的過程中，由于受到多方面因素的影響．往往
會使得電能在輸送的過程中出現(xiàn)損耗的現(xiàn)象．而電能的損耗
會使能源被極大的浪費，加劇自然資源的不可恢復(fù)性消耗．所
以當前在時于電網(wǎng)進行改造的過程中．都將配電網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能
降損作為一個重點。配電網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能降損無論是對于電力企
業(yè)而言，還是社會的可持續(xù)發(fā)展，都有著非常重要的意義，因
此對于電網(wǎng)改造中配電網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能降損策略進行研究有著非
常重要的意義
1配電網(wǎng)絡(luò)節(jié)能降耗改造的必要性分析
我國經(jīng)濟快速增長，各項建設(shè)取得巨大成就。但也付出了
巨大的資源和環(huán)境代價。經(jīng)濟發(fā)展與資源環(huán)境的矛盾日趨尖
銳．群眾對環(huán)境污染問題反映強烈。同時．溫室氣體排放引起
全球氣候變暖。備受國際社會廣泛關(guān)注。進一步加強節(jié)能降耗
工作，是應(yīng)對全球氣候變化的迫切需要，也是確保我國可持續(xù)
科學(xué)發(fā)展的需要．使我們應(yīng)該承擔的責(zé)任。電能在輸送的過程
中，由于受到各方面因素的影響，會產(chǎn)生一定的線損。目前，電
網(wǎng)綜合損耗還處在一個比較高的水平．尤其是配電網(wǎng)絡(luò)．損耗
占了電網(wǎng)綜合損耗的70％ 以上。進行電網(wǎng)改造是使得線損得
以降低的一個有效措施，通過在配電網(wǎng)絡(luò)中實施絕緣化、電纜
化和網(wǎng)絡(luò)化改造． 一方面能夠使得電網(wǎng)的供電能力得到有效
地提升。同時也能夠使得配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)更加的合理，從而使得
電能在輸送的過程中盡可能地減少能源的浪費和降低損耗。
2影響配電網(wǎng)絡(luò)節(jié)能降損的主要因素
有許多復(fù)雜的因素都會對于配電網(wǎng)絡(luò)節(jié)能降損造成影
響．所以要想在進行電網(wǎng)改造的過程中實現(xiàn)配電網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能
降損． 首先就必須要對于影響配電網(wǎng)絡(luò)節(jié)能降損的主要因素
進行全面的分析
2．1管理不到位
管理的不到位是影響配電網(wǎng)絡(luò)節(jié)能降損的一個重要因
素。一方面電力管理人員在對于電網(wǎng)進行管理的過程中．受到
自身專業(yè)知識或者是其它方面因素的影響．從而使得管理出
現(xiàn)了不到住的現(xiàn)象。另一方面電網(wǎng)的智能化水平低．各個計量
點計量裝置的配備不齊全，使管理人員難以實時掌握損耗的
真實情況，降損管理沒有數(shù)據(jù)支撐和依據(jù)。除此之外．一些電
力用戶在使用電能的過程中，往往存在著違規(guī)用電的情況．而
由于管理的不到位使得這些違規(guī)用電情況沒有能夠得到及時
的處理，所以也就造成了配電網(wǎng)絡(luò)的損耗。因為配電網(wǎng)絡(luò)自身
的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，所以要想對其進行有效的管理。往往具有一
定的難度， 而且管理方面的因素也與操作技術(shù)方面的因素有
所不同，由于管理方面的因素所導(dǎo)致的配電網(wǎng)損耗往往沒有
固定的規(guī)律可循
2．2 電網(wǎng)裝備水平差
電網(wǎng)改造涉及千家萬戶，單位造價高，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因
此需要投入的資金非常驚人．遠遠大于通訊、廣電等網(wǎng)絡(luò)。這
就造成了國家投入大量的資金進行農(nóng)村電網(wǎng)改造．但是由于
人民群眾的生活水平日益提高，對電能的需求增長非常迅速。
農(nóng)網(wǎng)改造總是不能完全滿足生產(chǎn)生活需要 以廣西馬山縣為
例，全縣共有1450個村屯，雖然從1999年開始．每年都投入
大量資金進行農(nóng)網(wǎng)改造，也實現(xiàn)了全部村屯的覆蓋。但是改造
過的村屯配電臺區(qū)的用電負荷增長遠超預(yù)期．原來的設(shè)計標
準是按照用電量每年5—7％的增長率來計算．但是實際上農(nóng)網(wǎng)
改造后由于電能質(zhì)量的改善和居民生活水平提高。每年居民
用電增長率均超過10％．甚至超過20％ ，這就造成了農(nóng)網(wǎng)改造
圖6
考Idref和電流測量值Idm 的差值。輸出值為直流電壓參考
Udref_P／Idref，其中有功功率P=Tref·Nm+損耗。
門控單元根據(jù)直流電壓參考計算出功率單元網(wǎng)橋的觸發(fā)
角 網(wǎng)橋直流電壓參考udNBref=機橋直流電壓參考Ud MBref+
△Ud，△Ud為DC環(huán)(電抗器)上的壓降。Ud=Udn(COS( )一
dx)，dx為網(wǎng)橋或機橋的全逆變限制，COS(d)為網(wǎng)橋或機橋的
增益，再用網(wǎng)橋COS(aNB)和機橋COS(僅MB)計算網(wǎng)橋和機
橋可控硅的脈沖觸發(fā)角。需要指出的是，在強迫換相模式，機
橋工作于全逆變方式，觸發(fā)角 與電流無關(guān)。電流調(diào)節(jié)器輸出
為額定電壓參考Udn(標幺值為1)，機橋觸發(fā)角僅為最大值．
由最小逆變導(dǎo)前角~／min限制
3 結(jié)束語
SFC是抽水蓄能電站的必備設(shè)備。具有無級變速、起動平
穩(wěn)、反應(yīng)速度快、調(diào)節(jié)精度高，具有很強的自診斷能力等優(yōu)點。
抽水蓄能電站SFC設(shè)備作為新運行設(shè)備。其拖動穩(wěn)定性及設(shè)
備器件的可靠與否需要時間的檢驗，同時也需要運行維護人員
對設(shè)備認真巡視，定期的維護保養(yǎng)，早發(fā)現(xiàn)問題，早解決問題。
收稿日期：2016—12—20
作者簡介：岳永濤(1976一)，男，工程師，研究生，主要從事電氣
自動化工作。
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