专利名称：大功率抽水蓄能机组启动用变频调速系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种水泵技术领域的调速系统，具体地，涉及一种大功率抽水蓄 能机组启动用变频调速系统。
背景技术：
随着社会用电水平的不断提高以及核电和风电的大力建设，抽水蓄能电站以其电 动、发电的独特运行模式，成为电网调峰填谷、调频、调相、事故备用和黑起动的重要手段， 对保障电网安全优质运行和提高系统经济性起着重大作用。同时，抽水蓄能电站合理有效 的利用，可减少常规火电调峰电源建设和火电机组排放污染气体，这对我国环境保护以及 低碳排放极为有利。因此，抽水蓄能电站作为水电的补充，有利于水电和电力工业的可持续 发展，对改善电力系统的运行条件具有重要意义。对抽水蓄能可逆机组尤其是大功率蓄能机组(单机容量300MW以上)，其在水泵工 况下的启动是首要考虑的问题。就抽水蓄能机组水泵工况启动的SFC(静止变频装置)系 统而言，现在抽水蓄能电站所采用的是传统的可控硅变频装置，由于可控硅器件特性及电 路拓扑结构的缺陷，其存在结构繁杂、损耗大、可靠性低、启动时间慢、谐波含量高、无功冲 击大等缺点，对电网及电机产生不良影响。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种大功率抽水蓄能机组启动用 变频调速系统。本发明采用了绝缘栅双极晶体管(IGBT)的功率单元串联叠加高高型电压 源高压变频器，使得系统具有结构简洁、维护简便、响应迅速、控制精确、谐波含量小、运行 可靠、效率高、无功功率冲击小等优点。本发明是通过以下技术方案实现的本发明包括静止变频器(SFC)、输入断路器、输出断路器、并网开关、励磁装置， 电网连接输入断路器，输入断路器依次连接静止变频器、输出断路器和励磁装置，励磁装置 连接并网开关，并网开关的另一端连接在电网和输入断路器两者之间的线路上。所述的静止变频器为绝缘栅双极晶体管(IGBT)的功率单元串联叠加而形成的高 压变频器。所述的静止变频器由移相隔离整流变压器、功率单元、控制单元组成，输入侧直接 接入电网，若干个功率单元串联结构实现高压输出，电网电压经移相隔离整流变压器降压 后向功率单元供电，功率单元为三相输入、单相输出的交-直-交PWM电压源型变换结构， 将相邻功率单元的输出端串接起来，形成Y联结构，实现变压变频的高压直接输出，供给电 动机。所述的静止变频器，移相整流隔离变压器原边绕组通过输入断路器联结到电网的 高压输入端，副边有3N个二次绕组，采用延边三角形联结，每个二次绕组与一个功率单元 相联结，二次绕组分为N个相位组，互差60/N电角度，在变压器二次绕组分配时，组成同一
3相位组的每三个二次绕组，分别给属于电动机三相的功率单元供电。所述的静止变频器，功率单元的电压等级和串联数量决定了变频器的输出电压， 功率单元的额定电流决定了变频器输出电流。各功率单元分别由输入变压器的一组二次绕 组供电，功率单元之间及变压器二次绕组间相互绝缘。所述的电网为15. 75kV或18kV。与传统可控硅变频启动系统相比，采用本发明的静止变频器启动系统具有如下优 点由于采用功率单元串联，可使用低压IGBT组成逆变单元，通过串联单元的个数能够获 得适应不同的输出电压要求和完美的输入输出波形，总的输入谐波电流失真率可低于2%， 无需增加输入输出滤波器，就可适应任何场合及电机使用；由于多功率单元具有相同的结 构及参数，便于将功率单元做成模块化，实现冗余设计，即使在个别单元故障时也可通过单 元旁路功能将该单元短路，系统仍能正常或降额运行；整个系统的体积变小，成本降低；系 统的控制精度高，效率高，输出电压的频率的控制精度可达0. 01Hz，整个系统的效率可达 97%以上。采用本发明的静止变频器调速系统后，使得变频器的输出波形为正弦波，无需担 心电源高次谐波，无需担心低速转矩脉动，速度安定性好，不受共振等不良影响；效率高，由 于减少了降压和升压变压器，损耗大幅削减；并且简化了结构，减小了设备的体积，设备成 本大幅降低。同时，与可控硅系统相比，新系统无须增加额外设备，无须变压器柜和变压器 旁路柜；系统构成简单，稳定性高，本发明省略了电机磁极位置检测装置，从而降低系统成 本；响应速度快，并且由于高压变频器输出的是正弦波电流，无须滤波等设备就能满足电厂 的谐波要求，无须进行高次谐波处理；直接驱动，力矩特性良好，没有力矩波动和速度波动， 电机启动过程平稳，极大了提高了机组的并网成功率。
图1是本发明的启动系统的一个实施例的基础示意图；图2是本发明的某具体蓄能电站一个实施例的启动系统框图；图3是单个IGBT在电机启动过程中进行开关整流动作时形成的波形图；图4是单个IGBT在电机加速过程中进行开关整流动作时形成的波形图；图5是蓄能机组成功并网时的机侧和网侧电压波形图；图6是现有技术的抽水蓄能机组启动调速系统的示意图。
具体实施例方式以下结合附图对本发明的实施例作详细说明以下实施例在以本发明技术方案为 前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施 例。实施例如图1所示，是本实施例的基础结构的调速系统示意本实施例基础结构包括静止变频器、输入断路器、输出断路器、并网开关、励磁装 置，电网连接输入断路器，输入断路器依次连接静止变频器、输出断路器和励磁装置，励磁 装置连接并网开关，并网开关的另一端连接在电网和输入断路器两者之间的线路上。
本实施例静止变频器由移相隔离整流变压器、功率单元、控制单元组成，输入侧直 接接入15.75kV或ISkV电网，采用若干个功率单元串联方式实现高压输出(无升压变压 器)，电网电压经过二次侧多重化的隔离变压器降压后向功率单元供电，功率单元为三相输 入、单相输出的交-直-交PWM电压源型变换结构。将相邻功率单元的输出端串接起来，形 成Y联结构，实现变压变频的高压直接输出，供给电动机。本实施例的静止变频器输入移相整流隔离变压器采用多重化设计以达到降低输 入谐波的目的。变压器原边绕组通过输入断路器联结到电网的高压输入端，副边有3N个二 次绕组，采用延边三角形联结，每个二次绕组与静止变频器的一个功率单元相联结。二次绕 组分为N个相位组，互差60/N电角度。在变压器二次绕组分配时，组成同一相位组的每三 个二次绕组，分别给属于电动机三相的功率单元供电。本实施例的静止变频器采用的功率单元为三相输入单相输出的交-直-交PWM电 源型逆变器结构。将相邻功率单元的输出端串接起来，形成Y联结构，实现变压变频的高压 直接输出，供给高压电动机。功率单元的电压等级和串联数量决定了变频器的输出电压，功 率单元的额定电流决定了变频器输出电流。各功率单元分别由输入变压器的一组二次绕组 供电，功率单元之间及变压器二次绕组间相互绝缘。绝缘栅双极晶体管(IGBT)具有将MOSFET (金属氧化物场效应管)和GTR (大功率 晶闸管)的优点集于一身的特点，即具有输入阻抗高、速度快、热稳定性好和驱动电路简单 的特点，又具有通态电压低、耐压高和承受电流大等优点。同时，用这种多重化技术构成的 高压变频器(SFC)，也称为单元串联多电平PWM电压源型变频器，采用功率单元串联，而不 是用传统的器件串联来实现高压输出，因此不存在器件均压的问题，每个功率单元也只承 受部分输出功率。通过串联单元的个数适应不同的输出电压要求，其完美的输入输出波形， 对蓄能机组无任何影响。如图2所示，本实施例的抽水蓄能机组水泵工况启动用的静止变频器调速系统的 系统框图。本实施例为一拖四方式，即利用一套静止变频器调速系统可以分别启动四台电 机。利用了高压变频启动装置的静止变频器调速系统在水泵工况启动中的工作原理如下如图3所示，在电机启动时，励磁装置使同步电机产生激磁从而产生转子磁场。在 磁场建立之后，高压变频器向电机的定子侧提供电流形成电枢磁场带动转子磁场。为克服 启动初期电动机较大的转动惯量，高压变频器向电机输入频率很低近似方波的直流电，然 后根据电机段感应电量计算出转子装置以跟踪启动。启动期间，变频器以特有的矢量控制 技术输出恒定力矩，使其加速运行。由于静止变频器采用了具有自关断能力和高速开关性 能的绝缘栅双极晶体管(IGBT)器件，所以在电机启动初期不用像由普通可控硅构成的传 统变频器那样需强迫换相方式，这样就大大提高了系统的稳定性和电机启动成功率；如图4所示，在电机加速过程中，通过加快IGBT的开关动作，改变脉冲间距，使得 变频器的输出电压的幅值和频率不断提高，从而带动电动机加速运行。加速期间由于IGBT 的开关频率不断升高，使得功率单元输出的电流波形几乎接近于正弦波，输出波形几乎不 含高次谐波，这样就使得电动机的运行比较平稳，减少了高次谐波对电动机的损害，并减少 了对周围环境的谐波干扰，这是传统静止变频器所无法比拟的。本实施例中，当静止变频器和附属设备按照蓄能机组的启动流程运行时，还可设 置与静止变频器连接的集控系统，在电机并网过程中，静止变频器由于其输出控制精度为
50. 01HZ，要远优于传统变频装置0. IHZ的精度，因而其并网时间较短且并网成功率较高，如 图5所示，蓄能机组成功并网时的机侧和网侧电压波形，所以可在电动机转速加速到额定 转速的99%时，由静止变频器给同期发出运行指令。外部集控系统接收到指令后开始进行 同期调整，并不断发出脉动调节指令给静止变频器及励磁装置，分别使得机端电压的频率、 相角和幅值与电网电压同步。在判定同步条件确定的前提下，通过集控系统发出“同期完成可并网指令”，可靠 并网后，静止变频器根据并网成功反馈信号进行自锁退出运行，完成整个起动过程，并通过 断路器操作断开静止变频器与电机的连接。在电机并网且静止变频器未退出的瞬间，静止 变频器可以通过自身调节来进行自我保护，以防止静止变频器受到反向电流冲击。本实施例完全克服了现有技术中的不足，如图6所示，现有的抽水蓄能机组启动 用静止变频器结构，由于采用可控硅方式，其装置前后需加装输入输出变压器实现升降电 压的功能，启动过程运行繁琐。并且传统电机磁极定位装置多采用机械式，容易损耗，定位 困难。本实施例，由于采用了 IGBT多重串联叠加技术，大大抑制了输出电流的高次谐 波，其谐波含量远低于国际标准；在结构上减少了输入输出变压器，使设备简化，大大减少 了设备的体积，减少了设备成本而且损耗大幅降低。本实施例不只用于抽水蓄能机组水泵 工况的启动，还可用于其它大型电机的启动，如燃气轮机启动等。
权利要求
一种大功率抽水蓄能机组启动用变频调速系统，包括输入断路器、输出断路器、并网开关、励磁装置，其特征在于，还包括静止变频器，电网连接输入断路器，输入断路器依次连接静止变频器、输出断路器和励磁装置，励磁装置连接并网开关，并网开关的另一端连接在电网和输入断路器两者之间的线路上；所述的静止变频器为绝缘栅双极晶体管的功率单元串联叠加而形成的高压变频器。
2.根据权利要求1所述的大功率抽水蓄能机组启动用变频调速系统，其特征是，所述 的静止变频器由移相隔离整流变压器、功率单元、控制单元组成，输入侧直接接入电网，若 干个功率单元串联结构实现高压输出，电网电压经移相隔离整流变压器降压后向功率单元 供电，功率单元为三相输入、单相输出的交-直-交PWM电压源型变换结构，将相邻功率单 元的输出端串接起来，形成Y联结构，实现变压变频的高压直接输出，供给电动机。
3.根据权利要求1或者2所述的大功率抽水蓄能机组启动用变频调速系统，其特征是， 所述的静止变频器，移相整流隔离变压器原边绕组通过输入断路器联结到电网的高压输入 端，副边有3N个二次绕组，采用延边三角形联结，每个二次绕组与一个功率单元相联结，二 次绕组分为N个相位组，互差60/N电角度，在变压器二次绕组分配时，组成同一相位组的每 三个二次绕组，分别给属于电动机三相的功率单元供电。
4.根据权利要求3所述的大功率抽水蓄能机组启动用变频调速系统，其特征是，所述 的静止变频器，功率单元的电压等级和串联数量决定了变频器的输出电压，功率单元的额 定电流决定了变频器输出电流，各功率单元分别由输入变压器的一组二次绕组供电，功率 单元之间及变压器二次绕组间相互绝缘。
5.根据权利要求3所述的大功率抽水蓄能机组启动用变频调速系统，其特征是，所述 的电网，其电压为15. 75kV或18kV。
全文摘要
一种水泵技术领域的大功率抽水蓄能机组启动用变频调速系统。包括静止变频器(SFC)、输入断路器、输出断路器、并网开关、励磁装置，电网连接输入断路器，输入断路器依次连接静止变频器、输出断路器和励磁装置，励磁装置连接并网开关，并网开关的另一端连接在电网和输入断路器两者之间的线路上。所述的静止变频器为绝缘栅双极晶体管(IGBT)的功率单元串联叠加而形成的高压变频器。本发明的静止变频器具有系统结构简洁、维护简便、响应迅速、控制精确、谐波含量小、运行可靠、效率高、无功功率冲击小的特点。
文档编号H02P1/30GK101924508SQ20101025760
公开日2010年12月22日 申请日期2010年8月20日 优先权日2010年8月20日
发明者乔树通, 吴玮, 姜建国, 左东升, 杨兴华, 王晶鑫, 王 锋 申请人:上海交通大学