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静止变频器在可逆式机组中的应用
 
慧聪网   2006年2月23日9时50分   信息来源:www.e-works.net    

  本文介绍了静止变频器(SFC)采用矢量控制技术的工作原理,以及其硬件配置、软件组态、系统功能和特点,分析SFC的电流断续换相运行和负载换相运行。全数字大功率电流源型交直交变频启动装置在广州蓄能水电厂二期机组中的应用实践表明,SFC故障率仅0.96%,提高了设备的控制性能和运行可靠性;实际电机从静止拖动到并网仅需240?s,保证了机组抽水工况的快速起动。

    广州蓄能水电厂装机2400MW,其可逆式机组水泵工况涉及大型同步电动机的起动,设计以静止变频器(SFC)起动为主,机组背靠背起动为辅。广州蓄能水电厂二期工程安装4台300MW可逆式机组, SFC采用Siemens公司的全数字大功率SIMOVERT S电流源型交直交变频调速装置,恒磁调压/调频启动,可连续逐台起动4台机组。SFC和机组励磁系统采用数字式Simadyn-D控制系统。

    1、同步电动机变频起动原理

    电机变频起动时,转子绕组通入励磁电流,定子由SFC供电,由定子频率控制转子转速。SFC输出的频率在起动开始时调得很低,然后逐步上升至额定值,利用同步转矩的作用,使电机的转速随变频器输出频率同步地升至额定值。Siemens公司结合双反应理论和矢量控制理论,忽略凸极式同步电动机d,q轴磁路不对称、转子阻尼绕组和磁化曲线的非线性等次要因素的影响,将三相电机等效为直流电机进行控制。SFC整套装置由功率单元、控制单元组成,电机励磁单元为自并励可控硅静态励磁,由机组励磁系统控制,SFC的软、硬件配置及控制框图见图1。SFC主要技术参数为:额定电压18kV,额定功率18MW, 额定转速500r/min,过载系数1.3, 输出频率0~52Hz,整流器额定触发角26.3°,逆变器额定触发角141°。


图1 广州蓄能水电厂二期工程SFC软、硬件配置及控制框图

    2、SFC的功率单元

    SFC的功率单元包括输入变压器、直流耦合电路、整流器和逆变器三部分。输入变压器容量16。8kVA,利用其二次侧三角形绕组隔离滤波,减少整流器产生的谐波电压对电网的影响,降低电网谐波含量。?

    直流耦合电路装设2个26mH的平波电抗器,用以抑制直流回路纹波,改善逆变器晶体管的工作条件。SFC输出侧电抗器的作用是防止逆变器换流时电流增长过快而损坏晶体管元件。

    SFC的整流器和逆变器采用三相全控桥式电路(三相六拍)。整流器晶体管采用电源的交流电压换相,120°导通型逆变器晶体管采用同步电动机的定子反电动势换相。变频器每个桥臂由12个双极型晶体管BJT串联而成,冗余配置,单个晶体管的故障不影响变频器工作。从控制单元到功率单元,晶体管BJT的触发及检测信号采用光电耦合技术,即采用光纤及光电转换器件进行传输。晶体管水冷,分外冷却和内冷却。内冷却回路用去离子水循环直接冷却晶体管,去离子水有再生装置,用碳化硅作吸附材料。取自消防环管的外冷却水用于冷却去离子水。

    3、SFC控制单元

    SFC控制单元采用Siemens公司20世纪90年代初研制开发的具有国际先进水平的可自由配置模板式硬件,软件编程采用图形化的全数字多微处理器控制系统Simadyn-D,见图1。

    3.1 硬件

    硬件主要有处理器板、通讯板、通讯缓冲板、触发器板、诊断板、光电输入输出板、I/O板、操作面板OP1等。所有硬件均以插入卡的形式安装在标准机架上,共有6个处理器板,每个处理器板处理不同任务,使控制系统具有强大的运算功能。6个处理器之间及与外设控制板之间通过局部总线和通讯总线进行内部高速数据通讯,而Simadyn-D与监控系统之间通过I/O板和通讯板等硬件模板实现内/外部高速数据通讯和信息交换。

    3.2 软件组态及功能

    SimadynD系统是Siemens公司在Window 3.1平台上开发的数字过程控制系统,采用全图形式的编程语言STRUC G进行软件设计开发。功能块是软件设计的最小组态单位,包括逻辑块、算术块、诊断块、信号转换块、I/O块和通讯块等。一个功能块即一个子程序,相当于硬件设计中的集成电路。只需要用鼠标从图形库中选择预先编制好的功能块,将各功能块相互连接并设定参数,即构成实现一定的系统控制功能的软件功能包,主要包括逻辑控制、顺序控制、操作员控制、通讯控制、开环或闭环控制、矢量控制及监视等软件功能包,而各软件功能包的有机组合构成了用户程序。用户程序按功能类型均衡配置各软件功能包,分别由6个微处理器进行实时处理,即所谓的多微处理器、多任务并行处理技术,从而实现对SFC的各种高速开环或闭环控制、运算、检测、监视、报警及诊断等功能。?

    a. 开环或闭环控制。整流器采用速度和电流双闭环控制,逆变器采用矢量控制技术。SFC输出测量采用霍尔效应变换器型电压互感器,综合补偿计算后产生同步电动机电压模型MV的磁通矢量,实现对电压模型的矢量控制,使逆变器每次都选择在定子与转子磁场矢量互成90°时进行换相。速度闭环控制功能包NRG实现对整流器速度环的闭环控制及监视;电流闭环控制功能包MN1实现对整流器电流的闭环控制及触发单元的监视;矢量控制功能包SMS实现对逆变器负载换相的矢量控制及监视,低速运行时断续换相触发脉冲的控制及监视;过程诊断功能包DIA实现对SFC相关过程控制量及信号的实时诊断显示,即将各过程控制量及实时信号存储在DIA的跟踪存储器中,通过D/A转换器随时输出,供故障诊断分析用。

    b. 供电控制。USV/UUM/ULS/UGR等监视功能包实现对SFC系统中主要功率器件如SFC进出口开关、功率单元、同步电动机等的综合控制和监视;逻辑控制功能包EAL综合各监视功能包、顺序控制功能包AST的控制信号、操作员控制功能包BED和通讯控制功能包KD3的命令字,实现对SFC主电路和辅助电路分闸或合闸的顺序控制;操作员控制功能包BED实现对SFC的现地控制,并组态操作面板OP1的输入及显示;通讯控制功能包KD3与通讯板相配合,实现SFC与监控系统的联网通讯;冷却水控制功能包UUK控制晶体管BJT的内外冷却水。 4、SFC的运行

    a. 转子位置检测和初始定位。SFC采用电气测角和测速方法。起动前投入机组励磁,在转子磁场逐步建立过程中,定子绕组感应出三相电动势,电压模型MV对电动势积分就可得气隙磁链Ψ的大小和转子位置角。计算时间的密切配合,保证励磁与SFC检测程序之间严密同步,这也是整个起动过程中最为关键的一步。起动期间,Simadyn?D控制保持电机磁通恒定,实现恒转矩调速。由于是恒磁通控制,通过对定子电压测量,即可计算出转子位置角。

    b. 断续换相运行。确定转子初始位置后,按照矢量控制理论中力矩星形分布情况,SFC判断同步电动机起动时刻能产生最大正加速力矩的两相定子电流,触发晶体管导通,给对应的两相定子绕组通电,产生一个超前转子磁场的同步定子磁场,两个磁场相互作用,使转子获得最大电磁转矩,转子开始转动,由整流器控制SFC输出电流的幅值,由逆变器控制SFC输出电流的频率。为保证起动后加速阶段电磁转矩的恒定,转子转动的同时改变输入定子电流的频率,使转子磁场与定子磁场同步旋转,而且在空间矢量上,保持定子磁势超前转子磁势的夹角不变。

    起动初期和低速运行时定子产生的反电动势不足以关断逆变器的晶体管,此时采用电流断续法进行换相,逆变器以逆变超前角β=0°运行。需要换相时,暂时强迫关断晶体管,闭锁整流器和逆变器的输出,再给换相后应该导通的晶体管加上触发脉冲使其导通,从而实现换相。此期间SFC输出的电流是断续的,输出电流维持额定值的80%。

    c. 负载换相运行。当转速大于额定值的7%时,同步电动机可产生足够大的反电动势,关断逆变器晶体管进行换相,进入负载换相阶段。在转速由额定值的7%升至25%期间,SFC的输出电流由额定值的80%升至额定值,逆变超前角β=60°;之后SFC输出额定值给转子加速,逆变超前角β=50°。起动过程中相关波形见图2。


图2 电流断续换相运行和自然换相运行初期相关电压电流波形

    d. 同步并网阶段。达到96%额定转速时,起动机组同期装置进入自动整步微调阶段。同期装置根据频率差Δf,产生一个附加转速微调信号,自动调整SFC输出电流,对转速做微调。同期装置同时发出命令给励磁系统调节励磁电流,使机端电压与电网电压平衡。并网后整流器的晶体管即运行于120°全逆变状态,其输出电流迅速降为零,关闭晶体管,然后闭锁整流器和逆变器的全部触发脉冲,SFC装置退出,完成整个起动过程。

    5、广州蓄能水电厂二期工程SFC的特点

    a. SFC的控制系统借助图形化编程软件可以很容易完成大型同步电动机变频起动的控制,由于编程软件是面向应用的,具有简单、易掌握、省时、不易出错等特点,大大提高了编程效率。?

    b. 由于利用了先进的硬件模块和系统总线、高效率的多微处理器并行处理技术、高速的操作系统软件,并应用矢量控制技术,使全数字式Simadyn-D控制系统能够以很高的动态性能完成极复杂的控制。

    c. 控制系统Simadyn-D的硬件和软件是模块式的,可以根据系统的需要扩展,实现控制功能修改、完善和扩充。

    d. SFC全部的控制、监视功能及保护功能均由软件实现,从而减小硬件故障隐患点。此外,由于从控制单元到功率单元的触发及检测信号采用光电耦合技术,因此增强抗干扰能力,确保触发的正确性和可靠性。

    e. 应用标准化和专业化集成技术,大大简化了硬件结构,因此在Simadyn-D内部只需要几种不同类型的硬件模板即可实现SFC的全部控制功能。

    f. 由于SFC的控制单元采用全数字控制系统Simadyn-D,具有丰富、全面的控制、监视及故障诊断功能,因此大大减少了调试、维护及检修所需时间。

    g. SFC采用电气测角和测速,从根本上消除了转子振荡和失步的隐患,由电压模型计算出转子位置和转速,取消测量转子转速用的脉冲信号发生器,减少了硬件设备,相应减少了故障概率。

    h. SFC采用串联12个双极型晶体管BJT分压,不用变压器降压。原设计SFC采用L-C滤波装置,但实际调试过程中曾几次因同步信号故障而导致SFC起动失败,L-C滤波装置与其他相关电气设备的参数不匹配。经反复试验、测试和研究,增设隔离变压器取代L-C滤波装置,改造后抽水工况运行比较理想。

    6、结语

    2000年广州蓄能水电厂二期工程SFC共起动2068次,平均起动约6次/d,其中因SFC本身故障导致起动不成功的仅有20次,SFC故障率仅0。96%,其可靠性较高。实际电机从静止拖动到并网仅需240s。实践表明,全数字大功率变频调速装置作为大型同步电动机的起动装置是成功的。

    参考文献

    [1] 李志民,张遇杰.电气自动化新技术丛书.同步电动机调速系统[M].北京:机械工业出版社,1998.
    [2] 邱景安,梁见诚.电动发电机.抽水蓄能电站[M].北京:水利电力出版社,1992. 221~226.
    [3] 穆学仁.西门子SIMADYN D系统[J].电气传动,2000(1):63~65.

 
作者:广州蓄能水电厂 陈湘匀,王俊生 
 
 
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