大功率电力电子变频装置在
抽水蓄能电站的应用
段巍,李崇坚,徐海涛
(治金自动化设计研究院,北京100070)
摘要:抽水蓄能电机组的启动是大型抽水蓄能电站的关键问题,以国内某抽水蓄能机组的高低高晶闻管负
载换向式(LCI)变频装置的设计为例,分析研究了大功率高电压电力电子变频装置在抽水蓄能领域的应用。
1引言
2SFC启动装置主回路拓扑结构
抽水蓄能电站又称蓄能式水电站,它可在电
国内某抽水蓄能机组装机容量为2x60MW,
力负荷低谷时利用电能抽水至上水库,在电力负采用高低高、晶闻管负载换向式(LCI)变频启
荷高峰期再放水至下水库发电。随着我国核电、
动方式。国内外抽水蓄能机组的SFC容量一般设
可再生能源发电的高速发展,抽水蓄能电站调峰计为电机容量的8%~-1096,因此SFC启动装置设
电源的需求量大大增加,抽水蓄能成为我国新能计为额定输出功率6MW(按10%考虑),主要由
源发展战略的重要组成部分,我国抽水蓄能电站输入变压器、晶闸管整流器、直流电抗器、晶闸
2020年规划为到1亿kW。
管逆变器,输出变压器等主要设备组成。
抽水蓄能电机组和常规水轮发电机组不
1)SFC变频器数据
同,其发电机兼作电动机、水轮机兼作水泵。
变频器额定输出功率:2P3=6000kW
当抽水蓄能电站工作在水泵工况下,机组为同
变频器额定输出电压;3=10.5kV
步电动机运行方式,必须用外部电源启动,对
于几百MW等级的抽水蓄能电机组而言,启动
变频器额定输出电流:
6000
装置极其关键。目前抽水蓄能机组启动方式有:
330A
全压启动、降压启动、辅助电机启动、静止变
10.5
2)工CI晶间管变频器数据
频启动(SFC)以及“背靠背”启动(同步对拖,
即以一台机组作为拖动机,另一台作为被拖动
SFC变频器中经输入变压器,将电网电压由105
V变换为1.3kV,由2套I变换输出0-1.3kV的
机组),在这些启动方式中,一般都采用SFC
为主,背靠背备用的方案。应用于抽水蓄能电
变频电压,经输出变压器再变为0-10.5kV的电压供
给同步电机。输入输出变压器效率:99%,变比:
机组的SFC属于大功率电力电子变频装置,其
主要特点是大容量,高电压,大电流,根据调
10.5kV/13kV。
查,目前国内抽水蓄能电站中的SFC的主回路
变频器颧定输出容量:P
6000
6061kW
0.99
全部采用工CI(负载换流变频器)拓扑结构。
变频器额定输出电压:小=1.3kV×2
LCI的工作原理为:整流器将交流电整流成直
变频器额定输出电流
流电,通过直流平波电抗器的滤波和限流作用,
ー=1347A×2
使中间环节的直流电流波形平直、脉动小,逆
V3x1300
变器再将直流电逆变为频率可调的交流电,从
每组变频器直流回路电流:
而达到调压调频的效果。
根据供电方式不同,SFC可以分为高一低一高
6=1651Ax2
变频器直流电压:2
6061
型变频器和高一高型变频器。考虑功率密度、占地
1836
1651
面积、器件数量、电网谐波,设备成本,维护等
高-低-高方案具有较大优势。
输入变压器二次电流:i2x=1347Ax2
作者简介:段巍,Emil: danwei@ atome com
输入变压器功率:R
=6122kW
晶管同时让供电的晶间管整流桥也进入逆变状
输入变压器一次电流:i=336ASFC启动装置晶态,使通过电机绕组的电流迅速衰减,以达到在
闸管主回路原理图见图1。功率单元见图2。
短时间内实现电流断续。
当电动机加速到额定转速的596~10%时,转入
反电动势自然换相,晶闻管直接利用电机产生的反
电动势进行换流。为了保证换流的可靠进行,通常
要求换流剩余角と至少应保持在10°~15°之间。
要满足这个条件,一方面适当增大空载换流超前角
但是随着%的增大,同样负载电流的电机转矩
会减小,并加大了转矩脉动分量,一般取=60°
图1SFC启动装置晶闸管
图2功率单元
另一方面要限制电机负载电流以减小重叠角从。
主回路原理图
当机组加速到额定转速的97%时,系统进入
3SFC启动装置控制原理
同期并网阶段,一旦并网成功,则切除SFC装置。
SFC启动装置控制系统原理图如图3所示。4SFC启动装置控制系统硬件配置
SFC变频启动系统采用基于VME总线的多
CPU系统与DSP数字信号处理器相结合的全数
字控制系统的方案。包括机架、处理器板、反射
内存通信板、 PROFIBUS通信板、模拟量输出板、
模拟量输入板,模板间通过背板的VME总线进
行数据交互。其硬件巸置如图4所示。
图3SFC启动装置控制系统原理图
SFC启动装置控制原理主要是根据转子当前
Im目
的位置和转速,通过控制三相电流(电压)的频
率、幅值和相位,实现电机转速跟踪转子转速的
目的。在SFC控制系统中,整流器采用速度和电
图4SFC启动装置控制系统机箱配置图
流双闭环结构控制输出电流的幅值,逆变器采用
1)机架。机架中带有可靠性高、传输速度
矢量控制技术输出电流的频率。另外,矢量控制
快的VME背板总线。2)处理器模板。采用
还计算了励磁电流的设定值,并通过交流无刷励
Pentium M1.8GHz处理器,内存1GB,保证程
磁机进行控制。
序的运行速度。3)反射内存模板。用于机箱间
SFC拖动机组启动前,励磁系统在发电机转
高速通讯。4) Profibus接口模板。用于连接到
子上施加励磁电流,从而在发电机定子上感应出
Profibus现场总线,可作主站,也可作从站。5
电压。SFC系统測量发电机定子电压,经过计算
模拟量输出模板。将变流器的电流电压等用户所
得到转子初始位置角。转子初始位置角决定了最
需的信息输出。6)AD模板。用于系统控制所
先触发的晶闻管。
需的检测量的模数转换。7)DSP模板。用于整
电机刚启动时,反电势很小,采用断续换相
流器和逆变器的脉冲生成。
运行?所谓断续換相运行,就是每当品闸管需要5结论
换流时,使逆变器的输入电流下降到零,让逆变
器的所有晶间管均关断,然后给换流后应该导通
本文所设计的晶闸管负载换流同步电机调速
的晶闻管施加发脉冲,再同时开通逆变器的输系统可以高效、安全、可靠实现机组启动,同时
入电流使晶闸管导通,从而实现从一相到另一相启动过程的无功冲击及产生的谐波对电网影响
的换流。由于断续换流只是在启动和低速时使用,小,具有容量大、电压高、结构简单、成本低的
逆变器输出的频率较低,电流断续的时间对同步特点,可以广泛应用于抽水蓄能、大型风洞、油
电机的运行影响不大。电流断续时,封锁逆变器气输送等领域。
170
免费区 