廣州蓄能水電廠裝機(jī)2400MW

1、廣州蓄能水電廠裝機(jī)2400MW,其可逆式機(jī)組水泵工況涉及大型同步電動機(jī)的起動，設(shè)計以靜止變頻器（SFC）起動為主,機(jī)組背靠背起動為輔.廣州蓄能水電廠二期工程安裝4臺300MW可逆式機(jī)組,SFC采用Siemens公司的全數(shù)字大功率SIMOVERTS電流源型交直交變頻調(diào)速裝置,恒磁調(diào)壓/調(diào)頻啟動，可連續(xù)逐臺起動4臺機(jī)組.SFC和機(jī)組勵磁系統(tǒng)采用數(shù)字式Simadyn-D控制系統(tǒng). 1同步電動機(jī)變頻起動原理電機(jī)變頻起動時，轉(zhuǎn)子繞組通入勵磁電流,定子由SFC供電，由定子頻率控制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速.SFC輸出的頻率在起動開始時調(diào)得很低,然后逐步上升至額定值，利用同步轉(zhuǎn)矩的作用，使電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨變頻器輸出頻率同步地升至

2、額定值.Siemens公司結(jié)合雙反應(yīng)理論和矢量控制理論，忽略凸極式同步電動機(jī)d，q軸磁路不對稱、轉(zhuǎn)子阻尼繞組和磁化曲線的非線性等次要因素的影響，將三相電機(jī)等效為直流電機(jī)進(jìn)行控制.SFC整套裝置由功率單元、控制單元組成，電機(jī)勵磁單元為自并勵可控硅靜態(tài)勵磁，由機(jī)組勵磁系統(tǒng)控制，SFC的軟、硬件配置及控制框圖見圖1.SFC主要技術(shù)參數(shù)為：額定電壓18kV,額定功率18MW,額定轉(zhuǎn)速500rmin,過載系數(shù)1.3,輸出頻率052Hz,整流器額定觸發(fā)角26.3,逆變器額定觸發(fā)角141.2SFC的功率單元SFC的功率單元包括輸入變壓器、直流耦合電路、整流器和逆變器三部分.輸入變壓器容量16.8kVA，利用

3、其二次側(cè)三角形繞組隔離濾波，減少整流器產(chǎn)生的諧波電壓對電網(wǎng)的影響，降低電網(wǎng)諧波含量.直流耦合電路裝設(shè)2個26mH的平波電抗器，用以抑制直流回路紋波，改善逆變器晶體管的工作條件.SFC輸出側(cè)電抗器的作用是防止逆變器換流時電流增長過快而損壞晶體管元件.SFC的整流器和逆變器采用三相全控橋式電路（三相六拍）.整流器晶體管采用電源的交流電壓換相，120導(dǎo)通型逆變器晶體管采用同步電動機(jī)的定子反電動勢換相.變頻器每個橋臂由12個雙極型晶體管BJT串聯(lián)而成，冗余配置，單個晶體管的故障不影響變頻器工作.從控制單元到功率單元，晶體管BJT的觸發(fā)及檢測信號采用光電耦合技術(shù)，即采用光纖及光電轉(zhuǎn)換器件進(jìn)行傳輸.晶體管

4、水冷，分外冷卻和內(nèi)冷卻.內(nèi)冷卻回路用去離子水循環(huán)直接冷卻晶體管,去離子水有再生裝置，用碳化硅作吸附材料.取自消防環(huán)管的外冷卻水用于冷卻去離子水.3SFC控制單元SFC控制單元采用Siemens公司20世紀(jì)90年代初研制開發(fā)的具有國際先進(jìn)水平的可自由配置模板式硬件，軟件編程采用圖形化的全數(shù)字多微處理器控制系統(tǒng)Simadyn-D，見圖1.硬件主要有處理器板、通訊板、通訊緩沖板、觸發(fā)器板、診斷板、光電輸入輸出板、I/O板、操作面板OP1等.所有硬件均以插入卡的形式安裝在標(biāo)準(zhǔn)機(jī)架上，共有6個處理器板，每個處理器板處理不同任務(wù)，使控制系統(tǒng)具有強(qiáng)大的運算功能.6個處理器之間及與外設(shè)控制板之間通過局部總線和

5、通訊總線進(jìn)行內(nèi)部高速數(shù)據(jù)通訊，而Simadyn-D與監(jiān)控系統(tǒng)之間通過I/O板和通訊板等硬件模板實現(xiàn)內(nèi)/外部高速數(shù)據(jù)通訊和信息交換.SimadynD系統(tǒng)是Siemens公司在Window3.1平臺上開發(fā)的數(shù)字過程控制系統(tǒng)，采用全圖形式的編程語言STRUCG進(jìn)行軟件設(shè)計開發(fā).功能塊是軟件設(shè)計的最小組態(tài)單位，包括邏輯塊、算術(shù)塊、診斷塊、信號轉(zhuǎn)換塊、I/O塊和通訊塊等.一個功能塊即一個子程序，相當(dāng)于硬件設(shè)計中的集成電路.只需要用鼠標(biāo)從圖形庫中選擇預(yù)先編制好的功能塊，將各功能塊相互連接并設(shè)定參數(shù)，即構(gòu)成實現(xiàn)一定的系統(tǒng)控制功能的軟件功能包，主要包括邏輯控制、順序控制、操作員控制、通訊控制、開環(huán)或閉環(huán)控制、

6、矢量控制及監(jiān)視等軟件功能包，而各軟件功能包的有機(jī)組合構(gòu)成了用戶程序.用戶程序按功能類型均衡配置各軟件功能包，分別由6個微處理器進(jìn)行實時處理，即所謂的多微處理器、多任務(wù)并行處理技術(shù)，從而實現(xiàn)對SFC的各種高速開環(huán)或閉環(huán)控制、運算、檢測、監(jiān)視、報警及診斷等功能.a.開環(huán)或閉環(huán)控制.整流器采用速度和電流雙閉環(huán)控制，逆變器采用矢量控制技術(shù).SFC輸出測量采用霍爾效應(yīng)變換器型電壓互感器，綜合補(bǔ)償計算后產(chǎn)生同步電動機(jī)電壓模型MV的磁通矢量，實現(xiàn)對電壓模型的矢量控制，使逆變器每次都選擇在定子與轉(zhuǎn)子磁場矢量互成90時進(jìn)行換相.速度閉環(huán)控制功能包NRG實現(xiàn)對整流器速度環(huán)的閉環(huán)控制及監(jiān)視；電流閉環(huán)控制功能包MN1

7、實現(xiàn)對整流器電流的閉環(huán)控制及觸發(fā)單元的監(jiān)視；矢量控制功能包SMS實現(xiàn)對逆變器負(fù)載換相的矢量控制及監(jiān)視，低速運行時斷續(xù)換相觸發(fā)脈沖的控制及監(jiān)視；過程診斷功能包DIA實現(xiàn)對SFC相關(guān)過程控制量及信號的實時診斷顯示，即將各過程控制量及實時信號存儲在DIA的跟蹤存儲器中，通過D/A轉(zhuǎn)換器隨時輸出，供故障診斷分析用.b.供電控制.USV/UUM/ULS/UGR等監(jiān)視功能包實現(xiàn)對SFC系統(tǒng)中主要功率器件如SFC進(jìn)出口開關(guān)、功率單元、同步電動機(jī)等的綜合控制和監(jiān)視；邏輯控制功能包EAL綜合各監(jiān)視功能包、順序控制功能包AST的控制信號、操作員控制功能包BED和通訊控制功能包KD3的命令字，實現(xiàn)對SFC主電路和輔

8、助電路分閘或合閘的順序控制；操作員控制功能包BED實現(xiàn)對SFC的現(xiàn)地控制，并組態(tài)操作面板OP1的輸入及顯示；通訊控制功能包KD3與通訊板相配合，實現(xiàn)SFC與監(jiān)控系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)通訊；冷卻水控制功能包UUK控制晶體管BJT的內(nèi)外冷卻水.4SFC的運行a.轉(zhuǎn)子位置檢測和初始定位.SFC采用電氣測角和測速方法.起動前投入機(jī)組勵磁,在轉(zhuǎn)子磁場逐步建立過程中，定子繞組感應(yīng)出三相電動勢，電壓模型MV對電動勢積分就可得氣隙磁鏈的大小和轉(zhuǎn)子位置角.計算時間的密切配合,保證勵磁與SFC檢測程序之間嚴(yán)密同步，這也是整個起動過程中最為關(guān)鍵的一步.起動期間，SimadynD控制保持電機(jī)磁通恒定，實現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速.由于是恒磁通

9、控制，通過對定子電壓測量,即可計算出轉(zhuǎn)子位置角.b.斷續(xù)換相運行.確定轉(zhuǎn)子初始位置后，按照矢量控制理論中力矩星形分布情況，SFC判斷同步電動機(jī)起動時刻能產(chǎn)生最大正加速力矩的兩相定子電流，觸發(fā)晶體管導(dǎo)通，給對應(yīng)的兩相定子繞組通電，產(chǎn)生一個超前轉(zhuǎn)子磁場的同步定子磁場，兩個磁場相互作用，使轉(zhuǎn)子獲得最大電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子開始轉(zhuǎn)動，由整流器控制SFC輸出電流的幅值，由逆變器控制SFC輸出電流的頻率.為保證起動后加速階段電磁轉(zhuǎn)矩的恒定，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的同時改變輸入定子電流的頻率，使轉(zhuǎn)子磁場與定子磁場同步旋轉(zhuǎn)，而且在空間矢量上，保持定子磁勢超前轉(zhuǎn)子磁勢的夾角不變.起動初期和低速運行時定子產(chǎn)生的反電動勢不足以關(guān)斷逆變器

10、的晶體管，此時采用電流斷續(xù)法進(jìn)行換相，逆變器以逆變超前角=0運行.需要換相時，暫時強(qiáng)迫關(guān)斷晶體管，閉鎖整流器和逆變器的輸出，再給換相后應(yīng)該導(dǎo)通的晶體管加上觸發(fā)脈沖使其導(dǎo)通，從而實現(xiàn)換相.此期間SFC輸出的電流是斷續(xù)的，輸出電流維持額定值的80%.c.負(fù)載換相運行.當(dāng)轉(zhuǎn)速大于額定值的7%時，同步電動機(jī)可產(chǎn)生足夠大的反電動勢，關(guān)斷逆變器晶體管進(jìn)行換相，進(jìn)入負(fù)載換相階段.在轉(zhuǎn)速由額定值的7%升至25%期間，SFC的輸出電流由額定值的80%升至額定值，逆變超前角=60；之后SFC輸出額定值給轉(zhuǎn)子加速，逆變超前角=50.起動過程中相關(guān)波形見圖2.d.同步并網(wǎng)階段.達(dá)到96%額定轉(zhuǎn)速時，起動機(jī)組同期裝置進(jìn)

11、入自動整步微調(diào)階段.同期裝置根據(jù)頻率差f，產(chǎn)生一個附加轉(zhuǎn)速微調(diào)信號，自動調(diào)整SFC輸出電流，對轉(zhuǎn)速做微調(diào).同期裝置同時發(fā)出命令給勵磁系統(tǒng)調(diào)節(jié)勵磁電流，使機(jī)端電壓與電網(wǎng)電壓平衡.并網(wǎng)后整流器的晶體管即運行于120全逆變狀態(tài)，其輸出電流迅速降為零，關(guān)閉晶體管，然后閉鎖整流器和逆變器的全部觸發(fā)脈沖，SFC裝置退出，完成整個起動過程.5廣州蓄能水電廠二期工程SFC的特點a.SFC的控制系統(tǒng)借助圖形化編程軟件可以很容易完成大型同步電動機(jī)變頻起動的控制，由于編程軟件是面向應(yīng)用的，具有簡單、易掌握、省時、不易出錯等特點，大大提高了編程效率.b.由于利用了先進(jìn)的硬件模塊和系統(tǒng)總線、高效率的多微處理器并行處理技

12、術(shù)、高速的操作系統(tǒng)軟件，并應(yīng)用矢量控制技術(shù)，使全數(shù)字式Simadyn-D控制系統(tǒng)能夠以很高的動態(tài)性能完成極復(fù)雜的控制.c.控制系統(tǒng)Simadyn-D的硬件和軟件是模塊式的，可以根據(jù)系統(tǒng)的需要擴(kuò)展，實現(xiàn)控制功能修改、完善和擴(kuò)充.d.SFC全部的控制、監(jiān)視功能及保護(hù)功能均由軟件實現(xiàn)，從而減小硬件故障隱患點.此外，由于從控制單元到功率單元的觸發(fā)及檢測信號采用光電耦合技術(shù),因此增強(qiáng)抗干擾能力,確保觸發(fā)的正確性和可靠性.e.應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)化和專業(yè)化集成技術(shù)，大大簡化了硬件結(jié)構(gòu)，因此在Simadyn-D內(nèi)部只需要幾種不同類型的硬件模板即可實現(xiàn)SFC的全部控制功能.f.由于SFC的控制單元采用全數(shù)字控制系統(tǒng)Simadyn-D，具有豐富、全面的控制、監(jiān)視及故障診斷功能，因此大大減少了調(diào)試、維護(hù)及檢修所需時間.g.SFC采用電氣測角和測速,從根本上消除了轉(zhuǎn)子振蕩和失步的隱患，由電壓模型計算出轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速，取消測量轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速用的脈沖信號發(fā)生器，減少了硬件設(shè)備，相應(yīng)減少了故障概率.h.SFC采用串聯(lián)12個雙極型晶體管BJT分壓，不用變壓器降壓.原設(shè)計SFC采用L-C濾波裝置,但實際調(diào)試過程中曾幾次因同步信號故障而導(dǎo)致SFC起動失敗，L-C濾波