抽水蓄能机组抽水工况的启动课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,蓄能机组抽水工况的启动（,1,）,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,蓄能机组抽水工况的启动（,1,）,*,抽水蓄能机组抽水工况的启动（,1,）,报告人,姜树德,抽水蓄能机组抽水工况的启动（1）报告人 姜树德,2024/9/3,2,1,启动方式概述,蓄能机组抽水工况的启动（,1,）,2023/9/821 启动方式概述蓄能机组抽水工况的启动（1,2024/9/3,3,主要启动方式,对于多机式机组，由于抽水和发电的旋转方向一致，可以用水轮机或辅助的小水轮机将机组启动到同步转速，并入系统后，切换水路，使机组转为抽水工况运行。对于两机式的可逆机组，由于抽水和发电的旋转方向不同，必须采取另外的措施来启动机组。,在抽水蓄能技术发展的过程中，曾经和正在采用的可逆式机组启动方式主要有以下几种：,全压启动,降压启动,同轴小电动机启动,变频启动装置启动,“背靠背”启动,蓄能机组抽水工况的启动（,1,）,2023/9/83主要启动方式对于多机式机组，由于抽水和发电,2024/9/3,4,其中前两种为异步启动方式，机组直接（全压）或经阻抗或变压器（半压）并入电网，转子的阻尼条相当于异步电动机的鼠笼条，机组作为异步电动机被驱动加速。转子转速接近于同步转速时，投入励磁，使机组拖入同步。这种方式适用于中小容量机组，如果机组容量大，则并网时对电网和机组自身的冲击都较大。,采用同轴小电动机启动方式时，专用于启动的小电动机与主机同轴连接，小电动机的电源来自厂用电。小电动机将机组拖到同步转速后，机组并网，断开小电动机的电源。这种方式增加了机组总高度。正常运行时小电机随机组空转，降低机组的效率。这种方式过去在国外采用较多，但新建的蓄能电站已经较少采用，国内则从未用过。,蓄能机组抽水工况的启动（,1,）,2023/9/84其中前两种为异步启动方式，机组直接（全压）,同步电动机与异步电动机机械特性的比较,2024/9/3,5,蓄能机组抽水工况的启动（,1,）,同步电动机与异步电动机机械特性的比较2023/9/85蓄能机,同步电机,的起动,异步起动,异步启动,原理线路图,同步电机的阻尼绕组,6,2024/9/3,蓄能机组抽水工况的启动（,1,）,同步电机的起动异步起动异步启动原理线路图同步电机的阻尼绕,2024/9/3,7,2 SFC,变频启动,蓄能机组抽水工况的启动（,1,）,2023/9/872 SFC变频启动蓄能机组抽水工况的启动,2024/9/3,8,2.1,静态变频启动装置,(SFC),简介,如果机组容量大，则必须采取减少冲击的“软”启动方式，国内外最常用的是采用静态变频启动装置,(,以下简称,SFC),启动。,SFC,的功能是将工频,50 Hz,的输入电压，转化为频率在,050Hz,范围可调的输出电压。,SFC,的容量，一般为被启动电机容量的,6%,10%,。机组转速、飞轮矩、额定容量和用户要求的启动时间及机组各部分损耗均会影响到,SFC,装置的容量选择。一般要求,SFC,装置的容量应满足在,3.5,4.0 min,内将机组从静止状态加速到同步状态所需的最大功率要求。,蓄能机组抽水工况的启动（,1,）,2023/9/882.1 静态变频启动装置(SFC)简介,2024/9/3,9,机组在启动前，先要在转轮室内充入压缩空气排水，以减少启动过程中的阻力转矩。随着,SFC,输出频率的逐步上升，被驱动机组不断加速。待转速达到同步转速时，机组并入电网，断开与,SFC,之间的连接。然后撤除转轮室的压缩空气，注水造压，并依次打开进水阀和导叶，开始抽水。,蓄能机组抽水工况的启动（,1,）,2023/9/89机组在启动前，先要在转轮室内充入压缩空气排,2024/9/3,10,2.2 SFC,的分类,广义地讲，,SFC,可以分为电压源和电流源型。电流源型中又可以分为负载换相式和可关断元件式。蓄能电站的,SFC,属于负载换相式,(Load Commutated Inverter,，,LCI),，逆变器的换相依靠被拖动的同步电机的反电动势实现。,与工业拖动中连续运行的,SFC,不同，抽水蓄能电站的,SFC,是一种短时工作制的设备，只在水泵工况启动的过程中运行，机组并网后即退出。的容量是按照招标时要求的工作和间歇时间来设计的。,蓄能机组抽水工况的启动（,1,）,2023/9/8102.2 SFC 的分类广义地讲，SF,2024/9/3,11,按照整流器和逆变器的工作电压，,SFC,可以分为高高接线方案和高 低高接线方案。,高低高接线方案的,SFC,的整流器经降压变压器接到来自电力系统的电源，整流器的输入交流电压低于其电源电压（大多数情况下是主变压器的低压侧电压，亦即机组端电压）。输出侧经变压器升到机组电压。,高高接线方案的,SFC,的整流器经或电抗器或变比为,1,的隔离变压器接到其供电电源，整流器的输入交流电压与机组端电压相同。输出侧不需要接变压器，而是经电抗器输出。,高高接线方案的,SFC,的整流器桥臂的工作电压较高，需串联的晶闸管元件数量较多。高低高接线方案的,SFC,的整流器桥臂的工作电压较低，需串联的晶闸管元件数量较少。各种接线方案的构成见图,1,。,蓄能机组抽水工况的启动（,1,）,2023/9/811按照整流器和逆变器的工作电压，SFC可以,高,-,高方案,输入变的变比为,1:1,，主要起隔离作用,2024/9/3,12,蓄能机组抽水工况的启动（,1,）,高-高方案2023/9/812蓄能机组抽水工况的启动（1）,高,-,低,-,高方案,6,脉波,2024/9/3,13,蓄能机组抽水工况的启动（,1,）,高-低-高方案2023/9/813蓄能机组抽水工况的启动（1,高,-,低,-,高方案,12,脉波,2024/9/3,14,蓄能机组抽水工况的启动（,1,）,高-低-高方案2023/9/814蓄能机组抽水工况的启动（1,2024/9/3,15,2. 3 SFC,的构成,SFC,装置一般由输入变压器（或输入电抗器）、晶闸管整流器、平波电抗器、晶闸管逆变器、输出变压器（或输出电抗器）等组成，见图。该图为当前采用较多的高低高接线方案。,蓄能机组抽水工况的启动（,1,）,2023/9/8152. 3 SFC的构成SFC装置一般由,2024/9/3,16,蓄能机组抽水工况的启动（,1,）,2023/9/816 蓄能机组抽水工况的启动（1）,2024/9/3,17,（,1,）输入变压器,采用高低高接线方案，输入变压器为降压变压器，使来自系统的电压与整流器的工作电压相适配，减少各桥臂串联的晶闸管元件的数量。输入变压器接线组别多采用,Yd,或,Dy,，以削弱整流器产生的,3,次及阶次为,3,的整数倍的谐波，并减弱其他阶次谐波对电站和电力系统的干扰。设置输入变压器，对抑制谐波谐振有明显效果。,网桥采用,12,脉波方案时，则采用双二次绕组的输入变压器。接线组别应当是,Ddy,以配合,12,个桥臂的导通脉冲在,360,o,电空间的均匀分布。,如果变压器容量较大时，多采用油浸式。容量较小时，也可采用干式变压器。,（,2,）输入电抗器,有的工程中，,SFC,不设输入变压器，而是经由输入电抗器接到晶闸管整流器。输入电抗器可以限制可能发生的的短路电流。这种接线属于高高方案，整流器和逆变器的工作电压较高，且不能阻断,3,次及阶次为,3,的整数倍的谐波。,蓄能机组抽水工况的启动（,1,）,2023/9/817（1）输入变压器蓄能机组抽水工况的启动（,2024/9/3,18,（,3,） 晶闸管整流器,SFC,的晶闸管整流器也称为网桥，为一个或两个三相全控整流器，每个桥含,6,个桥臂，用于将来自电网的交流电流转换为直流电流。 根据网桥的工作电压和晶闸管的反向电压承受能力，每臂可能由几个晶闸管串联构成，也可能只有一个晶闸管。如采用两个三相全控整流桥器串联的方式，可以进一步减少注入到电网的谐波含量。这种方案共有,12,个桥臂，相应的触发脉冲有,12,个，所以也称为,12,脉波方案。,晶闸管有的门极触发单元，用电脉波触发，信号来自,SFC,的控制器。控制器将电信号转化为光信号用光纤传输到各晶闸管，保证了高电压功率元件与控制元件之间的隔离。,蓄能机组抽水工况的启动（,1,）,2023/9/818蓄能机组抽水工况的启动（1）,2024/9/3,19,晶闸管可以采用风,/,水冷却方式、水,/,水冷却方式或强迫风冷方式。,采用风,/,水冷却方式时，晶闸管的热量由强迫循环的空气带走，空气的热量经冷却器即气水热交换器随冷却水排走。,采用水,/,水冷却方式时，晶闸管的热量由强迫循环的去离子水带走，去离子水由绝缘性能良好的塑料管路引至冷却器即水,/,水热交换器，热量随电站冷却水排走。,蓄能机组抽水工况的启动（,1,）,2023/9/819晶闸管可以采用风/水冷却方式、水/水冷却,2024/9/3,20,（,4,）平流电抗器,对于电流源型的,SFC,，电抗器是必不可少的电流储能型设备，保证了,SFC,向负载提供稳定的电流。平流电抗器有空气芯和铁芯两种。,空气芯电抗器采用自然风冷却或强迫风冷却，铁芯电抗器采用风冷却或水冷却。风冷却空气芯电抗器的体积较大，必须独立布置。采用水冷却的电抗器比较紧凑，可以安装在柜内，和,SFC,的整流柜、逆变柜等组装成一排，节省占地面积。装入柜内的电抗器的水冷却方式与晶闸管的水冷却方式相同，且与其组成统一的冷却系统。,蓄能机组抽水工况的启动（,1,）,2023/9/820（4）平流电抗器蓄能机组抽水工况的启动（,2024/9/3,21,（,5,） 晶闸管逆变器,SFC,的晶闸管逆变器也称为机桥，为三相全控逆变器，每个桥含,6,个桥臂，用于将直流电流转换为频率可调的交流电流。构成、触发方式、冷却方式与整流器相似。,（,6,） 输出变压器,输出变压器使逆变桥的工作电压与机组电压相适配，减少各桥臂串联的晶闸管元件的数量。,SFC,是一个靠负载电压换相的电流源，输出变压器把机组电压降为与逆变器适配的工作电压，以保证逆变器的换相。输出变压器从,5Hz,开始就要投入运行。,蓄能机组抽水工况的启动（,1,）,2023/9/821（5） 晶闸管逆变器蓄能机组抽水工况的启,2024/9/3,22,（,7,） 输出电抗器,输出电抗器可以限制可能出现的短路电流。,（,8,） 旁路开关,当被拖动机组转速低于额定转速的,10%,时，由于电压和频率都很低，为了避免输出变压器运行在过低频率下，也为使机组得到较大的启动电流，通过旁路开关,S2,直接与发电电动机绕组相连，当机组转速大于额定转速的,10%,后，旁路开关,S2,断开，,S1,合上，输出变压器接入。,蓄能机组抽水工况的启动（,1,）,2023/9/822（7） 输出电抗器蓄能机组抽水工况的启动,2024/9/3,23,9,） 控制器,SFC,控制系统的核心是其控制器。由处理单元、存贮器单元和各种输入,/,输出插板构成，用于监控和保护内部元件和相连的外部设备。检测到事故时，它将作出反应，包括立即或延时关断网桥和机桥，立即或延时跳闸和,/,或发出报警信号。各种事故信号通常经由串行通信传送到全厂的计算机监控系统，但作为后备，还有以开关量方式输出的硬接线综合信号。,软件的功能包括,SFC,的调节，即根据外部输入，直接或经过计算获得机组的信息，包括当前转速和转子位置等。根据这些信息计算出应当采用的控制角的大小，以及应当导通的桥臂，从而控制机组的转速和转矩。控制命令最终转化为经由光缆向每个晶闸管输出的触发信号。,蓄能机组抽水工况的启动（,1,）,2023/9/823蓄能机组抽水工况的启动（1）,2024/9/3,24,2.4 SFC,的运行原理,1,）简述,SFC,运行的关键是成功实现逆变，而逆变成功的关键是按照预订的顺序、实时实现闸管的换相，即一个桥臂晶闸管关断、另一个桥臂晶闸管开通，使电流从前者转移到后者。,开通晶闸管必须同时具备两个条件：,-,在阳极和阴极之间施加正向电压，,-,在门极施加触发脉冲。,晶闸管一旦开通，门极就失去控制作用，即使触发脉冲已经撤除，只要正向电压存在，晶闸管就会继续导通。,关断晶闸管必须采取以下两条措施中的一条：,-,在阳极和阴极之间施加反向电压，,-,关断给晶闸管供电的电流源或电压源。,蓄能机组抽水工况的启动（,1,）,2023/9/8242.4 SFC的运行原理1）简述蓄能,2024/9/3,25,由于,SFC,逆变器的供电对象是有源负载同步电机，在转速高于,10,时（各工程取值略有差别，以,10,即,5Hz,者居多，为了叙述的方便，以下均采用,10,和,5Hz,），可以利用同步电机的三相交流电动势来关断逆变器中的晶闸管，即实现自然换相即同步换相。,但是，在启动的初始阶段，当转速低于额定值的,10%,时，电机的电动势不足以关断逆变器中的晶闸管来维持换相，此时必须由,SFC,依次向电机定子各相绕组提供电流脉冲，实现所谓强制换相（即脉冲耦合换相）。,蓄能机组抽水工况的启动（,1,）,2023/9/825由于SFC逆变器的供电对象是有源负载同步,2024/9/3,26,2,）转子位置的识别,不论处于哪个启动阶段，采用哪种换相方式，控制系统都需要知道转子的位置，以便确定为使转子获得最大转矩应该通电的定子绕组相别，从而确定应该导通的桥臂。以往采用感应型或光电型的轴角传感器来测位，现在主流厂家采用的是计算电机电压矢量的办法确定转子位置，省去了传感器。以下的分析中均以无传感器的方案为例。为了分析的方便，假定电机的极对数为,1,，电角度与空间角度一致；假定逆变桥直接连接到电机。这个分析的结果很容易推广到多对极的电机和有输出变压器情况中去。,蓄能机组抽水工况的启动（,1,）,2023/9/8262）转子位置的识别蓄能机组抽水工况的启动,2024/9/3,27,（,1,）转子初始位置的识别,启动之初，转子处于静止状态时，不能用定转子相对运动的机理来判断转子位置。,但是在施加励磁电流的初瞬间，电机定子三相绕组中会感应出电动势，利用这些电动势，可以推算出转子的位置施加励磁电流时，定子三相绕组中因互感产生的磁通可以用式,1,表示。,蓄能机组抽水工况的启动（,1,）,2023/9/827（1）转子初始位置的识别蓄能机组抽水工况,2024/9/3,28,（,1,）转子初始位置的识别,蓄能机组抽水工况的启动（,1,）,2023/9/828（1）转子初始位置的识别蓄能机组抽水工况,2024/9/3,29,蓄能机组抽水工况的启动（,1,）,2023/9/829蓄能机组抽水工况的启动（1）,2024/9/3,30,（,1,）转子初始位置的识别,蓄能机组抽水工况的启动（,1,）,2023/9/830（1）转子初始位置的识别 蓄能机组抽,2024/9/3,31,（,1,）转子初始位置的识别,定子三相绕组中感应出的电动势可以用式,3,表示：,蓄能机组抽水工况的启动（,1,）,2023/9/831（1）转子初始位置的识别定子三相绕组中感,2024/9/3,32,（,1,）转子初始位置的识别,定子三相绕组感应电动势的最大值出现在转子绕组施加电压的初瞬间，即,t,为,0,时，见式,4,。,蓄能机组抽水工况的启动（,1,）,2023/9/832（1）转子初始位置的识别定子三相绕组感应,2024/9/3,33,（,1,）转子初始位置的识别,根据三角函数公式对式,4,进行求解，得式,5,。,式中最终只含三相电压，不含不易确定的自感,L,和互感,M.,蓄能机组抽水工况的启动（,1,）,2023/9/833（1）转子初始位置的识别根据三角函数公式,2024/9/3,34,（,1,）转子初始位置的识别,定子绕组空载时，,e,u0,=u,u,、,e,v0,= u,v,、,e,w0,= u,w,，而各相电压是可以测得的，所以,可根据式,5,求得，转子初始位置从而可以确定。采用,tg,推算,。,转子的可能初始位置则有无限多个，但机桥可能的导通桥臂组合只有,6,种。所以，必须将转子的无限多个可能初始位置归并为,6,种，以适应对机桥控制要求。,蓄能机组抽水工况的启动（,1,）,2023/9/834（1）转子初始位置的识别定子绕组空载时，,2024/9/3,35,图,3,定子空间的,6,个扇形区,将电机定子内的空间划分为,6,个,60,o,的扇形区，每个扇形区的轴线都是定子某相绕组磁场的轴线，如图,3,所示，转子必然处于六个扇形区之一。,转子绕组施加电流的瞬间，转子处于不同位置时（见图,4,的,A,行），相应的,值的范围如图,4,的,B,行所示。反过来讲，可以从,B,行的结果反推出,A,行，即只要测得电机三相电压，算出,角，便可推断出转子处于六个扇形区中的哪一个，实现了转子初始位置的识别。,蓄能机组抽水工况的启动（,1,）,2023/9/835图3 定子空间的6个扇形区将电机定子内的,2024/9/3,36,蓄能机组抽水工况的启动（,1,）,2023/9/836蓄能机组抽水工况的启动（1）,2024/9/3,37,（,2,）频率低于,1Hz,时转子位置的识别,转子开始转动，但频率低于,1Hz,（即转子转速低于,2%,额定值）时，定子各相绕组感应电动势的幅值很低，尚不能利用后面讲到的高转速时将要采用的积分法求得转子位置。这时采用的转子位置识别方法为估算法，具体原理如下。,转子的运动公式见式,6 .,蓄能机组抽水工况的启动（,1,）,2023/9/837（2）频率低于1Hz时转子位置的识别转,2024/9/3,38,（,2,）频率低于,1Hz,时转子位置的识别,蓄能机组抽水工况的启动（,1,）,2023/9/838（2）频率低于1Hz时转子位置的识别,2024/9/3,39,图,4,转子初始位置、获得最大转矩所需的电流方向及导通桥臂,蓄能机组抽水工况的启动（,1,）,2023/9/839图4 转子初始位置、获得最大转矩所需的电,2024/9/3,40,（,2,）频率低于,1Hz,时转子位置的识别,I,为定子电流，由,SFC,提供，选择合适的控制角，可以使其为常数；,为转子磁通，由励磁系统提供的电流确定，在此转速范围内为常数；所以,T,M,在此转速范围内为常数。,转速从零到,2%,额定值的范围内，可以近似认为阻力矩,T,R,是常数。,蓄能机组抽水工况的启动（,1,）,2023/9/840（2）频率低于1Hz时转子位置的识别I为,2024/9/3,41,蓄能机组抽水工况的启动（,1,）,2023/9/841蓄能机组抽水工况的启动（1）,2024/9/3,42,（,3,）频率高于,1Hz,（转速高于,2%,额定值）,时转子位置的识别,转速高于,2%,额定值时，定子端电压的幅值已经足够大，可以利用更为精确的计算方法实现转子位置的识别。各相绕组端电压是由转子磁场运动产生的，其幅值与当时的转子空间位置直接相关，所以各相绕组端电压幅值的组合能够反映转子的位置。但利用三相坐标系直接推算转子位置并不方便，应另寻蹊径。,回顾一下矢量分析方法中采用的电机两相静止坐标系，即,-,坐标系。这种坐标系的,轴与定子,U,相磁场轴线相重合，,轴滞后于,轴,90,o,， 见图,5,。,蓄能机组抽水工况的启动（,1,）,2023/9/842（3）频率高于1Hz（转速高于2%额定值,2024/9/3,43,（,3,）频率高于,1Hz,时转子位置的识别 图,5,蓄能机组抽水工况的启动（,1,）,2023/9/843（3）频率高于1Hz时转子位置的识别,2024/9/3,44,蓄能机组抽水工况的启动（,1,）,2023/9/844蓄能机组抽水工况的启动（1）,2024/9/3,45,（,3,）频率高于,1Hz,（转速高于,2%,额定值）,时转子位置的识别,根据交流电路基本公式 ，可以从,u,、,u,、,i,和,i,以及同步电机的,R,、,L,(,等效绕组的自感,)L,(,等效绕组的自感,),、,M(,等效绕组与,等效绕组之间的互感,),等已知参数，根据式,13,和,14,求得,e,和,e,。,蓄能机组抽水工况的启动（,1,）,2023/9/845（3）频率高于1Hz（转速高于2%额定值,2024/9/3,46,（,3,）频率高于,1Hz,（转速高于,2%,额定值）,时转子位置的识别,蓄能机组抽水工况的启动（,1,）,2023/9/846（3）频率高于1Hz（转速高于2%额定值,2024/9/3,47,（,3,）频率高于,1Hz,（转速高于,2%,额定值）,时转子位置的识别,蓄能机组抽水工况的启动（,1,）,2023/9/847（3）频率高于1Hz（转速高于2%额定值,2024/9/3,48,（,3,）频率高于,1Hz,（转速高于,2%,额定值）,时转子位置的识别,蓄能机组抽水工况的启动（,1,）,2023/9/848（3）频率高于1Hz（转速高于2%额定值,2024/9/3,49,转子位置识别小结,（,1,）转子静止时，在转子绕组通以励磁电流。突然施加的电流在三相绕组感应出不同的电动势。利用三相电动势的数值可计算转子初始位置。,（,2,）转子开始转动但转速低于,2%,额定转速时，利用转子运动方程，积分获得转子实时位置。,（,3,）转子转速高于,2%,额定转速后，实测三相电压和电流，并转换为,坐标系的电压、电流，并据此求得,e,和,e,。,对,e,和,e,积分获得,和,。,二者比值的反正切即是转子的位置角,。,蓄能机组抽水工况的启动（,1,）,2023/9/849转子位置识别小结（1）转子静止时，在转子,2024/9/3,50,2,）逆变器的换相,获得各个时刻的转子位置信号后，就可以根据此信号确定此刻应该导通的机桥桥臂，并发出相应的触发脉冲。触发脉冲应当使导通的绕组组合最为合理，以便获得最大的驱动转矩。,转子位置必然处于,6,个扇区之一，可能的导通桥臂组合也有,6,种，从一种导通组合向另一种导通组合的过渡称为换相。换相过程中，有一个桥臂继续维持导通，还有一个桥臂关断、一个桥臂开通。,有两种换相方式：强制换相和自然换相。,蓄能机组抽水工况的启动（,1,）,2023/9/8502）逆变器的换相获得各个时刻的转子位置信,2024/9/3,51,（,1,）强制换相,如果被拖动电机电压足够高，换相期间，应关断的桥臂承受的电压由正向变为反向，换相自然完成。但在启动的初始阶段，当转速低于额定值的,10%,时，电机的电动势太低，不足以关断逆变器中应关断的晶闸管来维持换相，此时必须由,SFC,依次向各相绕组提供脉冲，实现所谓强制换相。,按照表中,D,行的要求，控制器发出导通脉冲，使晶闸管轮流导通。,蓄能机组抽水工况的启动（,1,）,2023/9/851（1）强制换相如果被拖动电机电压足够高,2024/9/3,52,逆变器的强制换相过程：,将整流器变为逆变方式，使其直流电流减到零。逆变器因无电流供电，其所有的晶闸管必然关断。确认直流回路中电流为零后，重新开通整流器，并向下一轮中应当导通的晶闸管发出导通脉冲。,强制换相运行时必须反复关断、开通晶闸管，所以各相电流的波形是间断的。导通脉冲的发出时刻是根据转子的当前位置确定的，确定的原则是使转子获得最大的转矩。图,4,的,D,行列出了针对不同的转子位置，应当导通的逆变器桥臂。,E,行则列出了各相电流的波形。,蓄能机组抽水工况的启动（,1,）,2023/9/852逆变器的强制换相过程：蓄能机组抽水工况的,2024/9/3,53,不难看出，每个周期中，电路被关断,6,次，重新开通,6,次，定子电流和驱动转矩都是断续的。由于转子的惯性，在驱动转矩为零期间，转子会继续转动，并逐步加速。,在转速低时，周期较长，电路的关断和重新开通所需要的转换时间在一个周期内所占的比例不大，关断和重新开通得以顺利完成。随着转速的上升，周期变短，在一个周期内要完成,6,次转换就越来越困难。这种换相方式的频率上限约为,8 Hz,。实际上，在频率达到,5 Hz,后，就采用自然换相了。,蓄能机组抽水工况的启动（,1,）,2023/9/853不难看出，每个周期中，电路被关断6次，重,2024/9/3,54,图,4,转子初始位置、获得最大转矩所需的电流方向及导通桥臂,蓄能机组抽水工况的启动（,1,）,2023/9/854图4 转子初始位置、获得最大转矩所需的电,2024/9/3,55,导通桥臂从,1,和,2,转换为,2,和,3,时，电机绕组波形的变化。,蓄能机组抽水工况的启动（,1,）,2023/9/855 导通桥臂从1和2转换为2和3时,2024/9/3,56,（,2,）自然换相,频率大于,5 Hz,后，电机的电动势已经能够使逆变器实现自然换相。导通桥臂的组合仍然根据图,4,的,A,行、,C,行和,D,行的关系确定，以使转子获得最大转矩。,图,6,说明了控制角,a,为,150,o,时逆变自然换相的过程。,蓄能机组抽水工况的启动（,1,）,2023/9/856（2）自然换相频率大于5 Hz后，电机,2024/9/3,57,图,6,自然换相的实现,在时刻,D,之前，桥臂,6,和,5,导通。桥臂,1,在时刻,D,收到触发命令而导通，桥臂,1,的导通使共阴极的电位与,a,点相等，桥臂,5,阴极的电位从而也等同于,a,的电位,e1,。而桥臂,5,阳极的电位为,c,点电位,e5,。由波形图可以看出，此时,e1 e5,，所以桥臂,5,承受反向电压关断，导通组合变成了桥臂,1,和,6.,D,蓄能机组抽水工况的启动（,1,）,2023/9/857 图6 自然换相的实现 D蓄能机组抽,转子位置的辨识方法和换相方法随频率的变化,2024/9/3,58,蓄能机组抽水工况的启动（,1,）,转子位置的辨识方法和换相方法随频率的变化2023/9/858,2024/9/3,59,2.5 SFC,启动过程,SFC,的控制方式可以是：由计算机监控系统（,CSCS,）远方自动控制，或通过,SFC,控制器上的按键手动控制。两种方式的选择由,SFC,控制器上的现地,/,远方选择按键实现。,SFC,处于可用状态时，可投入运行。,SFC,可用的条件是：所有的控制和动力电源可用并已投入，无报警、无事故。,以下以远方自动控制方式为例，介绍,SFC,的启动过程。,蓄能机组抽水工况的启动（,1,）,2023/9/8592.5 SFC 启动过程 蓄能机组抽水,2.5 SFC,启动过程,（,1,）,CSCS,的机组,LCU,合上被启动机组的被拖动隔离开关，做好主回路启动准备。,（,2,）,CSCS,的启动用,LCU,（或公用,LCU,或开关站）向,SFC,发出“,SFC,辅助设备启动”的命令，,SFC,将自动启动辅助设备，如冷却风机（风,/,水冷却）、冷却单元去离子水泵（水,/,水冷却）、整流器和逆变器风机或冷却水阀门。,（,3,）辅助设备启动后，,SFC,检测到输入,/,输出变压器风机正常、去离子水流和导电率正常（水,/,水冷却）、整流器和逆变器的空气温度正常（风,/,水冷却）。,2024/9/3,60,蓄能机组抽水工况的启动（,1,）,2.5 SFC 启动过程 （1）CSCS的机组LCU合上被,2.5 SFC,启动过程,（,4,）选择被拖动机组。,（,5,）确认被拖动机组,GCB,断开、被拖动刀闸合上、输出断路器已合上后， 自动合上输入断路器。,（,6,）确认,SFC,输入断路器合闸且机组励磁已投入后，,SFC,发出 “,SFC,已运行”的信号给,LCU,。控制器开始向整流桥、逆变桥发出导通脉冲，向励磁发出给定值。机组开始加速。,2024/9/3,61,蓄能机组抽水工况的启动（,1,）,2.5 SFC 启动过程 （4）选择被拖动机组。2023/,2024/9/3,62,（,7,）,f 5 Hz,后，,SFC,解除脉冲闭锁，重新建立电流回路，,SFC,以自然换相方式控制逆变器晶闸管，电机转速继续上升。,（,10,）转速达到,98%,额定转速时，投入同期装置，调节,SFC,的输出频率和被拖动机组的励磁。,（,11,）满足同期条件后，合上,GCB,，同时闭锁,SFC,所有晶闸管的触发脉冲。,（,12,）断开,SFC,的输出断路器，停止辅助设备的运行。,蓄能机组抽水工况的启动（,1,）,2023/9/862蓄能机组抽水工况的启动（1）,2024/9/3,63,机组定子电流,机组电动势,机组转子电流,SFC,输出功率,随时间的变化曲线,蓄能机组抽水工况的启动（,1,）,2023/9/863 机组定子电流蓄能机组抽水工况的启动（1,2024/9/3,64,2.6 SFC,的保护,SFC,应当配备从输入变压器到输出变压器范围的保护，保护种类见表,1,。保护配置情况见图,8,。,蓄能机组抽水工况的启动（,1,）,2023/9/8642.6 SFC的保护SFC应当配备从输,2024/9/3,65,蓄能机组抽水工况的启动（,1,）,2023/9/865蓄能机组抽水工况的启动（1）,2024/9/3,66,蓄能机组抽水工况的启动（,1,）,2023/9/866蓄能机组抽水工况的启动（1）,2024/9/3,67,2.7,SFC,的容量估算,蓄能机组抽水工况的启动（,1,）,2023/9/8672.7 SFC的容量估算蓄能机组抽水工况,2024/9/3,68,图,9,蓄能机组抽水工况的启动（,1,）,2023/9/868图9 蓄能机组抽水工况的启动（1）,2024/9/3,69,蓄能机组抽水工况的启动（,1,）,2023/9/869蓄能机组抽水工况的启动（1）,SFC的容量,P,R,是转速的函数，要求解上述积分比较复杂。,如果近似认为,P,R,为常数，则积分可得：,t=0.5J,n,2,/(P,SFC,-P,R,),P,SFC,=P,R,+0.5J,n,2,/t,式中，,J,为转动惯量，,n,为额定转速对应的角速度，,t,为,0,起加速到额定转速的时间。,上式可以用于估算,SFC,的容量。,2024/9/3,70,蓄能机组抽水工况的启动（,1,）,SFC的容量PR是转速的函数，要求解上述积分比较复杂。202,2024/9/3,71,2.8 SFC,的谐波问题及对策,SFC,作为电网的非线性负荷，必然产生高次谐波，对厂用电造成一定的谐波污染，对电力系统也有一些影响。但是，蓄能电站的,SFC,是一种短时工作的设备，上述影响是短时的，不应该按照对连续运行的谐波源的限制条件来对它提出要求。,近几年来，在招标工作中，未能区分抽水蓄能电站与公共电网谐波分布的不同特点以及二者谐波限制标准的差异，对电能质量国家标准的理解不够全面，国内的蓄能电站在确定,SFC,的技术条件时，往往提出过于苛刻的要求，造成部分国内蓄能电站的,SFC,设置,5,、,7,、,11,、,13,、,15,、,17,次等高次谐波滤波器，不仅增加了成本，而且增加了地下洞室的开挖量。,蓄能机组抽水工况的启动（,1,）,2023/9/8712.8 SFC的谐波问题及对策SFC作,2.8 SFC,的谐波问题及对策,深入的研究已经证明，采用,6,脉波方案、不设谐波滤波器的情况下，谐波的影响完全可以限制在允许的范围内。,如果要进一步消除蓄能电站的谐波污染，关键是合理选择接线方式，只要接线合理（增大高压厂用变与,SFC,的电气距离、设置输入变压器或隔离变压器等），就不会对系统和厂用电造成影响，高次谐波滤波器完全不必装设。事实上，欧美和日本的大量抽水蓄能电站都采用,6,脉波方案，且不设滤波器，从来没有因此造成危害。,2024/9/3,72,蓄能机组抽水工况的启动（,1,）,2.8 SFC的谐波问题及对策深入的研究已经证明，采用6脉波,2.8 SFC,的谐波问题及对策,合理的谐波限制指标应当只对针对SFC与电站厂用电的连接处提出，而且只提出该点的电压总畸变率THD。这是因为，不论是理论分析还是工程实践都证明，SFC对超高压公共系统（220kV及更高电压的系统）的污染从来就不会超标。如果15.75kV（或 18kV）处的谐波电压畸变率不超标，那么400V厂用电的谐波电压畸变率肯定不会超标。,2024/9/3,73,蓄能机组抽水工况的启动（,1,）,2.8 SFC的谐波问题及对策合理的谐波限制指标应当只对针对,采用,IGBT,实现脉宽调制的多元件电压源型,SFC,采用IGBT实现脉宽调制的多元件电压源型SFC,IGBT,与晶闸管的比较,绝缘栅双极晶体管,IGBT,(,Insulated Gate Bipolar Transistor),2024/9/3,75,晶闸管,即可控硅（,Thyristor,）,相同点：,都是可控开关元件，当阳极（集电极）加电源正极，阴极（发射极）加电源负极，且在栅极（门极）加触发信号时，元件呈导通态，电流自,C,至,E,或自,A,至,K.,不同点：,晶闸管导通后，门极触发信号即使消失，只要,A,、,K,间电压维持，晶闸管继续导通。欲使其关断，需取消,A,、,K,间电压，或施加反向电压。,IGBT,导通后，栅极触发信号如果消失，或施加反极性电压，晶闸管就会关断。,所以，,IGBT,是完全可控元件，晶闸管是半可控元件（导通可控、关断不可控）,其他优缺点：,晶闸管的通流容量大（最大,6kA,），但通断频率低；,IGBT,通流容量小于晶闸管（最大,1.2kA,），但通断频率高（,200kHz,）,.,蓄能机组抽水工况的启动（,1,）,IGBT与晶闸管的比较绝缘栅双极晶体管 IGBT 2023/,76,单相桥式逆变电路的工作原理,逆变电路及其波形举例,负载,a),b),t,S,1,S,2,S,3,S,4,i,o,u,o,U,d,u,o,i,o,t,1,t,2,S,1,S,4,是桥式电路的,4,个臂，由电力电子器件及辅助电路组成。,2024/9/3,蓄能机组抽水工况的启动（,1,）,76单相桥式逆变电路的工作原理逆变电路及其波形举例负载a)b,77,2024/9/3,蓄能机组抽水工况的启动（,1,）,77 2023/9/8蓄能机组抽水工况的启动（1）,具有多个二次绕组的三相变压器,二次绕组的接线组别各不相同,2024/9/3,78,蓄能机组抽水工况的启动（,1,）,具有多个二次绕组的三相变压器 二次绕组的接线组别各不相同2,采用,IGBT,实现脉宽调制的多元件电压源型,SFC,（输入变压器共,18,个二次绕组，分别给,18,个功率单元供电。,18,个功率单元分成三相）,2024/9/3,79,蓄能机组抽水工况的启动（,1,）,采用IGBT实现脉宽调制的多元件电压源型SFC（输入变压器,采用,IGBT,实现脉宽调制的多元件电压源型,SFC,（图为一个单元，含不控整流器与,IGBT,单相逆变器）,2024/9/3,80,蓄能机组抽水工况的启动（,1,）,采用IGBT实现脉宽调制的多元件电压源型SFC（图为一个单,采用,IGBT,实现脉宽调制的多元件电压源型,SFC,（脉宽调制逆变器的输出波形）,2024/9/3,81,蓄能机组抽水工况的启动（,1,）,采用IGBT实现脉宽调制的多元件电压源型SFC（脉宽调制逆,IGBT,电压源型,SFC,的优缺点,优点：,1,）对电源无谐波干扰。,2,）无需检测转子位置，无需强迫换相。换相的成功率高。,缺点：,IGBT,的通流能力最高只能达到,1200A,不能用于大功率场合。,2024/9/3,82,蓄能机组抽水工况的启动（,1,）,IGBT电压源型SFC的优缺点优点：2023/9/882蓄能,THANK YOU !,2024/9/3,83,蓄能机组抽水工况的启动（,1,）,THANK YOU !2023/9/883蓄能机组抽水工况,