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(dòng)機(jī)的起動(dòng)，設(shè)計(jì)以靜止變頻器（SFC）起動(dòng)為主,機(jī)組背靠背起動(dòng)為輔.廣州蓄能水電廠二期工程安裝4臺(tái)300MW可逆式機(jī)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(dòng)，可連續(xù)逐臺(tái)起動(dòng)4臺(tái)機(jī)組.SFC和機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)采用數(shù)字式Simadyn-D控制系統(tǒng). 1 同步電動(dòng)機(jī)變頻起動(dòng)原理 電機(jī)變頻起動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子繞組通入勵(lì)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(dòng)開始時(shí)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(dòng)機(jī)d，q軸磁路不對(duì)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［１］.SFC整套裝置由功率單元、控制單元組成，電機(jī)勵(lì)磁單元為自并勵(lì)可控硅靜態(tài)勵(lì)磁，由機(jī)組勵(lì)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(duì)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(gè)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(shí)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(dòng)機(jī)的定子反電動(dòng)勢(shì)換相.變頻器每個(gè)橋臂由12個(gè)雙極型晶體管BJT串聯(lián)而成，冗余配置，單個(gè)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(cè)信號(hào)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(jī)架上，共有6個(gè)處理器板，每個(gè)處理器板處理不同任務(wù)，使控制系統(tǒng)具有強(qiáng)大的運(yùn)算功能.6個(gè)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(shí)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(tái)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(jì)開發(fā).功能塊是軟件設(shè)計(jì)的最小組態(tài)單位，包括邏輯塊、算術(shù)塊、診斷塊、信號(hào)轉(zhuǎn)換塊、I/O塊和通訊塊等.一個(gè)功能塊即一個(gè)子程序，相當(dāng)于硬件設(shè)計(jì)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(shí)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(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(gè)微處理器進(jìn)行實(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)SFC的各種高速開環(huán)或閉環(huán)控制、運(yùn)算、檢測(cè)、監(jiān)視、報(bào)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(cè)量采用霍爾效應(yīng)變換器型電壓互感器，綜合補(bǔ)償計(jì)算后產(chǎn)生同步電動(dòng)機(jī)電壓模型MV的磁通矢量，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(chǎng)矢量互成90°時(shí)進(jìn)行換相［１］.速度閉環(huán)控制功能包NRG實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)現(xiàn)對(duì)逆變器負(fù)載換相的矢量控制及監(jiān)視，低速運(yùn)行時(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)SFC相關(guān)過程控制量及信號(hào)的實(shí)時(shí)診斷顯示，即將各過程控制量及實(shí)時(shí)信號(hào)存儲(chǔ)在DIA的跟蹤存儲(chǔ)器中，通過D/A轉(zhuǎn)換器隨時(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(dòng)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(hào)、操作員控制功能包BED和通訊控制功能包KD3的命令字，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)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(yùn)行 a. 轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)和初始定位.SFC采用電氣測(cè)角和測(cè)速方法.起動(dòng)前投入機(jī)組勵(lì)磁,在轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)逐步建立過程中，定子繞組感應(yīng)出三相電動(dòng)勢(shì)，電壓模型MV對(duì)電動(dòng)勢(shì)積分就可得氣隙磁鏈Ψ的大小和轉(zhuǎn)子位置角［１］.計(jì)算時(shí)間的密切配合,保證勵(lì)磁與SFC檢測(cè)程序之間嚴(yán)密同步，這也是整個(gè)起動(dòng)過程中最為關(guān)鍵的一步.起動(dòng)期間，SimadynD控制保持電機(jī)磁通恒定，實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速.由于是恒磁通控制，通過對(duì)定子電壓測(cè)量,即可計(jì)算出轉(zhuǎn)子位置角. b. 斷續(xù)換相運(yùn)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(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)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(duì)應(yīng)的兩相定子繞組通電，產(chǎn)生一個(gè)超前轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的同步定子磁場(chǎng)，兩個(gè)磁場(chǎng)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(dòng)，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(dòng)后加速階段電磁轉(zhuǎn)矩的恒定，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)改變輸入定子電流的頻率，使轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)與定子磁場(chǎng)同步旋轉(zhuǎn)，而且在空間矢量上，保持定子磁勢(shì)超前轉(zhuǎn)子磁勢(shì)的夾角不變. 起動(dòng)初期和低速運(yùn)行時(shí)定子產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)不足以關(guān)斷逆變器的晶體管，此時(shí)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(yùn)行.需要換相時(shí)，暫時(shí)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(shí)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(yùn)行.當(dāng)轉(zhuǎn)速大于額定值的7%時(shí)，同步電動(dòng)機(jī)可產(chǎn)生足夠大的反電動(dòng)勢(shì)，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(dòng)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(shí)，起動(dòng)機(jī)組同期裝置進(jìn)入自動(dòng)整步微調(diào)階段.同期裝置根據(jù)頻率差Δf，產(chǎn)生一個(gè)附加轉(zhuǎn)速微調(diào)信號(hào)，自動(dòng)調(diào)整SFC輸出電流，對(duì)轉(zhuǎn)速做微調(diào).同期裝置同時(shí)發(fā)出命令給勵(lì)磁系統(tǒng)調(diào)節(jié)勵(lì)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(yùn)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(gè)起動(dòng)過程. 5廣州蓄能水電廠二期工程SFC的特點(diǎn) 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(dòng)機(jī)變頻起動(dòng)的控制，由于編程軟件是面向應(yīng)用的，具有簡(jiǎn)單、易掌握、省時(shí)、不易出錯(cuò)等特點(diǎn)，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(dòng)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(shí)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(shí)現(xiàn)，從而減小硬件故障隱患點(diǎn).此外，由于從控制單元到功率單元的觸發(fā)及檢測(cè)信號(hào)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(jiǎn)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(shí)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(shí)間. g. SFC采用電氣測(cè)角和測(cè)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(jì)算出轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速，取消測(cè)量轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速用的脈沖信號(hào)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(gè)雙極型晶體管BJT分壓，不用變壓器降壓.原設(shè)計(jì)SFC采用L-C濾波裝置,但實(shí)際調(diào)試過程中曾幾次因同步信號(hào)故障而導(dǎo)致SFC起動(dòng)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(yàn)、測(cè)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(yùn)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(dòng)2068次，平均起動(dòng)約6次／d，其中因SFC本身故障導(dǎo)致起動(dòng)不成功的僅有20次，SFC故障率僅0.96%，其可靠性較高.實(shí)際電機(jī)從靜止拖動(dòng)到并網(wǎng)僅需240s.實(shí)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(dòng)機(jī)的起動(dòng)裝置是成功的.