王志 刘彦勇 刘英贺 庞仕元
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摘要：抽水蓄能电站具有运行方式灵活，负荷调节快的优点，因此是电网削峰填谷的有效方式，在电网稳定运行调节起着极其重要的作用]。然而由于抽水蓄能机组容量较大，起动电流较高，如何实现平稳起动是机组起动阶段的难点问题。其中利用静止变频器(SFC,Static Frequency Converter)进行变频起动的方式对电网干扰最小，具有电机频率上升平稳、可靠程度高的优点。因此，多数大型抽水蓄能机组均采用SFC进行起动。
关键词：抽水蓄能；变频；控制策略
1 静止变频器基本工作原理
SFC通过交-直-交的电流变换方式将工频电流变换为符合控制要求的电机定子电流，控制电机的转速，使其频率达到工频，从而实现抽水蓄能机组的变频起动。抽水蓄能机组的SFC起动系统主要包括SFC、控制系统、同步电机和转子位置检测单元。其中SFC主电路拓扑如图1所示，包括整流桥、平波电抗器、逆变桥、网侧变压器和机侧变压器等电路单元。逆变桥为三相桥式电路结构，根据SFC的起动控制策略将直流逆变为可控的交流使电机定子绕组产生旋转磁，转子磁场与定子磁场作用形成电磁转矩，拖动转子做旋转运动。
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式中Fs、Fr分别为定、转子磁势的幅值，θsr为两磁势的夹角。
当θsr满足：0°<θsr<180°时，电机将产生正向电磁转矩，拖动转子做正向旋转。通过对逆变桥晶闸管的合理触发，控制定子电流的相位，进而将θsr控制在合理范围内，则电磁转矩可拖动转子加速旋转，使电机频率上升。然而这并不能完全满足SFC对电机转速的准确控制。为达到电机转速控制的目的，需要依据电机转速的影响变量对电机转速进行控制。
由于整流桥换相重叠角较小，可忽略其影响，则逆变桥输入电压稳态均值Ud M为：
式中α为整流桥触发角，R为直流回路等效电阻。
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由于同步电机的交、直轴同步电抗近似相等，即xd≈xq，可近似认为反电势ED与空载电势E0相等，则根据式(2)-(4)可得电机转速n为：
由式(5)可知，可通过改变整流桥触发角α，即改变直流电势Ud N实现调速，也可通过逆变桥γ0、μ的改变实现转速调整。其中通过改变触发角α实现的转速控制策略更为方便、可靠，因此本文采用控制整流桥触发角α实现电机转速的调整。
2 静止变频器起动控制策略
起动控制系统分为整流调速控制单元和自同步逆变控制单元。整流桥受控于电流转速双闭环控制单元，通过对整流桥触发角的控制实现电机转速控制；逆变桥采用恒定换相超前角触发，为避免换相失败，根据电机频率的不同，逆变桥分别采用脉冲换相和负载换相方式。
2.1 负载换相阶段控制策略
同步电机的反电势能使逆变桥中需关断的晶闸管电流降低到维持电流以下，实现自然换相。在电机反电势足够大的情况下，SFC可采用负载换相方式实现换相，其原理如图2所示。
在图2(a)中，若换相发生在换相点M之后，由于ebc为负，V5将承受负电压而无法导通，导致换相失败；若换相发生在换相点M之后，则ebc为正，V5承受正电压，接收到触发信号后，V5将导通，并使V3关断，最终完成换相。因此为避免换相失败，负载换相阶段，需要提前换相点一定的角度对晶闸管触发，保证有足够的换相剩余角δ。
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图2 负载换相原理
在换相过程中，换相剩余角δ一般为10°～15°。在实际工程中为满足换相剩余角裕度要求，一般采用具有足够裕度的恒定换相超前角γ0控制方法；γ0过大会造成电磁转矩平均值的减小，脉动分量的增大，因此γ0不宜过大。出于对γ0裕度和电磁转矩的综合考虑，负载换相阶段，本文γ0取值为60°。忽略换相重叠情况，则逆变桥晶闸管触发顺序如表1所示。此时定转子磁势之间的夹角由180°变化到120°，根据式(1)可知电磁转矩的波形如图2(a)所示。
因此，负载换相方式实现的重点是控制逆变桥晶闸管按顺序触发。逆变桥晶闸管的触发由转子位置确定，控制系统根据转子位置使晶闸管按表1触发。当转子位置变化到下一区域时，逆变桥中触发的晶闸管也随之改变，负载换相方式下逆变桥控制策略如图3所示。
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图3 负载换相方式控制策略框图
而对于整流桥，采用图4所示的转速电流双闭环调速控制结构，整体控制过程为：控制系统将整定值nw与实际转速ns的偏差量作为转速调节环的输入信号，该信号经PI调节器后输出Id*,Id*与实际电流Id的偏差值作为电流调节环的输入信号，最终电流调节环的输出经处理后得到触发角α，脉冲发生装置根据α产生的触发信号控制整流桥的输出，使电机转速跟踪转速指令。
2.2 脉冲换相阶段控制策略
脉冲换相时，首先将触发角α置为120°，使整流桥处于逆变状态，电流Id减小到零，迫使逆变桥晶闸管关断后，改变触发角α使整流桥重置为整流状态，并触发逆变桥下一组晶闸管，完成换相。脉冲换相属于强迫换相方式，不存在换相失败问题，因此无需提前换相，为增大电磁转矩使电机在初期尽快提高转速，γ0一般为0°。
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脉冲换相阶段逆变桥晶闸管触发顺序如表2所示，此时定子磁势和转子磁势之间的夹角从120°变化到60°。由式(1)可知，电磁转矩波形如图2(a)所示为正弦波中间60°部分，波形较为平稳，电磁转矩平均值最大，脉动分量最小。
2.3 换相方式切换控制策略
脉冲换相阶段，电磁转矩平均值大且无换相失败问题，然而受电机频率限制，脉冲换相不能长期工作，需及时对换相方式进行切换。换相方式切换的关键是保证两种换相方式平稳过渡，因此需要考虑切换过程中换相超前角切换和断流信号的时序问题。如果电机频率达到切换要求后，直接采用γ0=60°进行触发，可能导致同一桥臂上下管同时导通，造成SFC主电路电气元件损坏。为避免起动过程中出现该类现象，按γ0=60°方式触发前必须先进行断流操作。具体过程为：当检测到电机频率达到切换频率时，控制系统仍采用脉冲换相方式进行控制，在换相时刻，将整流桥设置为逆变状态，并对逆变桥晶闸管进行脉冲封锁，待逆变桥电流清零后，再采用负载换相方式对SFC进行控制。
3结束语
首先分析了SFC的主电路拓扑结构，给出了电磁转矩与定子磁势矢量的关系，通过对电机转速特征公式的推导，确定了通过改变触发角α实现电机转速控制的基本控制策略。详细分析了脉冲换相和负载换相阶段逆变桥换相超前角γ0以及整流桥触发角α的控制要求，给出了SFC在脉冲换相和负载换相阶段的控制策略详细流程以及换相方式切换的具体控制策略。依据实际工程控制需求和SFC实际参数，提出了换相方式切换频率以及参考转速变化曲线斜率的确定方法，并给出了逆变桥的电流转速双闭环控制单元PI参数的优化步骤。最后，RTDS的试验结果证明了本文给出的SFC起动系统控制策略具有较高的准确性与可靠性，能够实现电机频率的有效调整。换相方式切换频率、转速变化参考曲线斜率以及控制单元PI参数的优化整定方法可保证电机起动过程中满足抽水蓄能机组起动转速要求，最终实现抽水蓄能机组转速和频率满足并网要求。
参考文献
[1]庞伟，王帆.抽水蓄能电站在电网运行中的地位与作用[J].水电与抽水蓄能，2015,1(6):1-4.
[2]王科，李泽文，别朝红,等.抽水蓄能电站的电价机制及市场竞价模式研究[J].智慧电力，2019(6):47-55.