廣州蓄能水電廠裝機2400MW,其可逆式機組水泵工況涉及大型同步電動機的起動，設(shè)計以靜止變頻器（SFC）起動為主,機組背靠背起動為輔.廣州蓄能水電廠二期工程安裝4臺300MW可逆式機組, SFC采用Siemens公司的全數(shù)字大功率SIMOVERT S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臺機組.SFC和機組勵磁系統(tǒng)采用數(shù)字式Simadyn-D控制系統(tǒng). 1 同步電動機變頻起動原理 電機變頻起動時，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，使電機的轉(zhuǎn)速隨變頻器輸出頻率同步地升至額定值.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，將三相電機等效為直流電機進(jìn)行控制［１］.SFC整套裝置由功率單元、控制單元組成，電機勵磁單元為自并勵可控硅靜態(tài)勵磁，由機組勵磁系統(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500r／min,過載系數(shù)1.3, 輸出頻率0～52Hz,整流器額定觸發(fā)角26.3°,逆變器額定觸發(fā)角141°. 2 SFC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［２］. 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. 3 SFC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. 3.1硬件 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. 3.2軟件組態(tài)及功能 SimadynD系統(tǒng)是Siemens公司在Window 3.1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STRUC G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、矢量控制及監(jiān)視等軟件功能包，而各軟件功能包的有機組合構(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)［３］，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，綜合補償計算后產(chǎn)生同步電動機電壓模型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［１］.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Ψ的大小和轉(zhuǎn)子位置角［１］.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，SimadynD控制保持電機磁通恒定，實現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速.由于是恒磁通控制，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［１］，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β=0°運行.需要換相時，暫時強迫關(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［２］，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β=60°；之后SFC輸出額定值給轉(zhuǎn)子加速，逆變超前角β=50°.起動過程中相關(guān)波形見圖2［２］. d. 同步并網(wǎng)階段.達(dá)到96%額定轉(zhuǎn)速時，起動機組同期裝置進(jìn)入自動整步微調(diào)階段.同期裝置根據(jù)頻率差Δf，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濾波裝置與其他相關(guān)電氣設(shè)備的參數(shù)不匹配.經(jīng)反復(fù)試驗、測試和研究，增設(shè)隔離變壓器取代L-C濾波裝置，改造后抽水工況運行比較理想. 6結(jié)語 2000年廣州蓄能水電廠二期工程SFC共起動2068次，平均起動約6次／d，其中因SFC本身故障導(dǎo)致起動不成功的僅有20次，SFC故障率僅0.96%，其可靠性較高.實際電機從靜止拖動到并網(wǎng)僅需240s.實踐表明，全數(shù)字大功率變頻調(diào)速裝置作為大型同步電動機的起動裝置是成功的.