專利名稱：大功率抽水蓄能機(jī)組啟動用變頻調(diào)速系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種水泵技術(shù)領(lǐng)域的調(diào)速系統(tǒng)，具體地，涉及一種大功率抽水蓄 能機(jī)組啟動用變頻調(diào)速系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著社會用電水平的不斷提高以及核電和風(fēng)電的大力建設(shè)，抽水蓄能電站以其電 動、發(fā)電的獨特運行模式，成為電網(wǎng)調(diào)峰填谷、調(diào)頻、調(diào)相、事故備用和黑起動的重要手段， 對保障電網(wǎng)安全優(yōu)質(zhì)運行和提高系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性起著重大作用。同時，抽水蓄能電站合理有效 的利用，可減少常規(guī)火電調(diào)峰電源建設(shè)和火電機(jī)組排放污染氣體，這對我國環(huán)境保護(hù)以及 低碳排放極為有利。因此，抽水蓄能電站作為水電的補充，有利于水電和電力工業(yè)的可持續(xù) 發(fā)展，對改善電力系統(tǒng)的運行條件具有重要意義。對抽水蓄能可逆機(jī)組尤其是大功率蓄能機(jī)組(單機(jī)容量300MW以上)，其在水泵工 況下的啟動是首要考慮的問題。就抽水蓄能機(jī)組水泵工況啟動的SFC(靜止變頻裝置)系 統(tǒng)而言，現(xiàn)在抽水蓄能電站所采用的是傳統(tǒng)的可控硅變頻裝置，由于可控硅器件特性及電 路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的缺陷，其存在結(jié)構(gòu)繁雜、損耗大、可靠性低、啟動時間慢、諧波含量高、無功沖 擊大等缺點，對電網(wǎng)及電機(jī)產(chǎn)生不良影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種大功率抽水蓄能機(jī)組啟動用 變頻調(diào)速系統(tǒng)。本發(fā)明采用了絕緣柵雙極晶體管(IGBT)的功率單元串聯(lián)疊加高高型電壓 源高壓變頻器，使得系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡潔、維護(hù)簡便、響應(yīng)迅速、控制精確、諧波含量小、運行 可靠、效率高、無功功率沖擊小等優(yōu)點。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的本發(fā)明包括靜止變頻器(SFC)、輸入斷路器、輸出斷路器、并網(wǎng)開關(guān)、勵磁裝置， 電網(wǎng)連接輸入斷路器，輸入斷路器依次連接靜止變頻器、輸出斷路器和勵磁裝置，勵磁裝置 連接并網(wǎng)開關(guān)，并網(wǎng)開關(guān)的另一端連接在電網(wǎng)和輸入斷路器兩者之間的線路上。所述的靜止變頻器為絕緣柵雙極晶體管(IGBT)的功率單元串聯(lián)疊加而形成的高 壓變頻器。所述的靜止變頻器由移相隔離整流變壓器、功率單元、控制單元組成，輸入側(cè)直接 接入電網(wǎng)，若干個功率單元串聯(lián)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)高壓輸出，電網(wǎng)電壓經(jīng)移相隔離整流變壓器降壓 后向功率單元供電，功率單元為三相輸入、單相輸出的交-直-交PWM電壓源型變換結(jié)構(gòu)， 將相鄰功率單元的輸出端串接起來，形成Y聯(lián)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)變壓變頻的高壓直接輸出，供給電 動機(jī)。所述的靜止變頻器，移相整流隔離變壓器原邊繞組通過輸入斷路器聯(lián)結(jié)到電網(wǎng)的 高壓輸入端，副邊有3N個二次繞組，采用延邊三角形聯(lián)結(jié)，每個二次繞組與一個功率單元 相聯(lián)結(jié)，二次繞組分為N個相位組，互差60/N電角度，在變壓器二次繞組分配時，組成同一
3相位組的每三個二次繞組，分別給屬于電動機(jī)三相的功率單元供電。所述的靜止變頻器，功率單元的電壓等級和串聯(lián)數(shù)量決定了變頻器的輸出電壓， 功率單元的額定電流決定了變頻器輸出電流。各功率單元分別由輸入變壓器的一組二次繞 組供電，功率單元之間及變壓器二次繞組間相互絕緣。所述的電網(wǎng)為15. 75kV或18kV。與傳統(tǒng)可控硅變頻啟動系統(tǒng)相比，采用本發(fā)明的靜止變頻器啟動系統(tǒng)具有如下優(yōu) 點由于采用功率單元串聯(lián)，可使用低壓IGBT組成逆變單元，通過串聯(lián)單元的個數(shù)能夠獲 得適應(yīng)不同的輸出電壓要求和完美的輸入輸出波形，總的輸入諧波電流失真率可低于2%， 無需增加輸入輸出濾波器，就可適應(yīng)任何場合及電機(jī)使用；由于多功率單元具有相同的結(jié) 構(gòu)及參數(shù)，便于將功率單元做成模塊化，實現(xiàn)冗余設(shè)計，即使在個別單元故障時也可通過單 元旁路功能將該單元短路，系統(tǒng)仍能正?；蚪殿~運行；整個系統(tǒng)的體積變小，成本降低；系 統(tǒng)的控制精度高，效率高，輸出電壓的頻率的控制精度可達(dá)0. 01Hz，整個系統(tǒng)的效率可達(dá) 97%以上。采用本發(fā)明的靜止變頻器調(diào)速系統(tǒng)后，使得變頻器的輸出波形為正弦波，無需擔(dān) 心電源高次諧波，無需擔(dān)心低速轉(zhuǎn)矩脈動，速度安定性好，不受共振等不良影響；效率高，由 于減少了降壓和升壓變壓器，損耗大幅削減；并且簡化了結(jié)構(gòu)，減小了設(shè)備的體積，設(shè)備成 本大幅降低。同時，與可控硅系統(tǒng)相比，新系統(tǒng)無須增加額外設(shè)備，無須變壓器柜和變壓器 旁路柜；系統(tǒng)構(gòu)成簡單，穩(wěn)定性高，本發(fā)明省略了電機(jī)磁極位置檢測裝置，從而降低系統(tǒng)成 本；響應(yīng)速度快，并且由于高壓變頻器輸出的是正弦波電流，無須濾波等設(shè)備就能滿足電廠 的諧波要求，無須進(jìn)行高次諧波處理；直接驅(qū)動，力矩特性良好，沒有力矩波動和速度波動， 電機(jī)啟動過程平穩(wěn)，極大了提高了機(jī)組的并網(wǎng)成功率。


圖1是本發(fā)明的啟動系統(tǒng)的一個實施例的基礎(chǔ)示意圖；圖2是本發(fā)明的某具體蓄能電站一個實施例的啟動系統(tǒng)框圖；圖3是單個IGBT在電機(jī)啟動過程中進(jìn)行開關(guān)整流動作時形成的波形圖；圖4是單個IGBT在電機(jī)加速過程中進(jìn)行開關(guān)整流動作時形成的波形圖；圖5是蓄能機(jī)組成功并網(wǎng)時的機(jī)側(cè)和網(wǎng)側(cè)電壓波形圖；圖6是現(xiàn)有技術(shù)的抽水蓄能機(jī)組啟動調(diào)速系統(tǒng)的示意圖。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例作詳細(xì)說明以下實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為 前提下進(jìn)行實施，給出了詳細(xì)的實施方式和過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實施 例。實施例如圖1所示，是本實施例的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的調(diào)速系統(tǒng)示意本實施例基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)包括靜止變頻器、輸入斷路器、輸出斷路器、并網(wǎng)開關(guān)、勵磁裝 置，電網(wǎng)連接輸入斷路器，輸入斷路器依次連接靜止變頻器、輸出斷路器和勵磁裝置，勵磁 裝置連接并網(wǎng)開關(guān)，并網(wǎng)開關(guān)的另一端連接在電網(wǎng)和輸入斷路器兩者之間的線路上。
本實施例靜止變頻器由移相隔離整流變壓器、功率單元、控制單元組成，輸入側(cè)直 接接入15.75kV或ISkV電網(wǎng)，采用若干個功率單元串聯(lián)方式實現(xiàn)高壓輸出(無升壓變壓 器)，電網(wǎng)電壓經(jīng)過二次側(cè)多重化的隔離變壓器降壓后向功率單元供電，功率單元為三相輸 入、單相輸出的交-直-交PWM電壓源型變換結(jié)構(gòu)。將相鄰功率單元的輸出端串接起來，形 成Y聯(lián)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)變壓變頻的高壓直接輸出，供給電動機(jī)。本實施例的靜止變頻器輸入移相整流隔離變壓器采用多重化設(shè)計以達(dá)到降低輸 入諧波的目的。變壓器原邊繞組通過輸入斷路器聯(lián)結(jié)到電網(wǎng)的高壓輸入端，副邊有3N個二 次繞組，采用延邊三角形聯(lián)結(jié)，每個二次繞組與靜止變頻器的一個功率單元相聯(lián)結(jié)。二次繞 組分為N個相位組，互差60/N電角度。在變壓器二次繞組分配時，組成同一相位組的每三 個二次繞組，分別給屬于電動機(jī)三相的功率單元供電。本實施例的靜止變頻器采用的功率單元為三相輸入單相輸出的交-直-交PWM電 源型逆變器結(jié)構(gòu)。將相鄰功率單元的輸出端串接起來，形成Y聯(lián)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)變壓變頻的高壓 直接輸出，供給高壓電動機(jī)。功率單元的電壓等級和串聯(lián)數(shù)量決定了變頻器的輸出電壓，功 率單元的額定電流決定了變頻器輸出電流。各功率單元分別由輸入變壓器的一組二次繞組 供電，功率單元之間及變壓器二次繞組間相互絕緣。絕緣柵雙極晶體管(IGBT)具有將MOSFET (金屬氧化物場效應(yīng)管)和GTR (大功率 晶閘管)的優(yōu)點集于一身的特點，即具有輸入阻抗高、速度快、熱穩(wěn)定性好和驅(qū)動電路簡單 的特點，又具有通態(tài)電壓低、耐壓高和承受電流大等優(yōu)點。同時，用這種多重化技術(shù)構(gòu)成的 高壓變頻器(SFC)，也稱為單元串聯(lián)多電平PWM電壓源型變頻器，采用功率單元串聯(lián)，而不 是用傳統(tǒng)的器件串聯(lián)來實現(xiàn)高壓輸出，因此不存在器件均壓的問題，每個功率單元也只承 受部分輸出功率。通過串聯(lián)單元的個數(shù)適應(yīng)不同的輸出電壓要求，其完美的輸入輸出波形， 對蓄能機(jī)組無任何影響。如圖2所示，本實施例的抽水蓄能機(jī)組水泵工況啟動用的靜止變頻器調(diào)速系統(tǒng)的 系統(tǒng)框圖。本實施例為一拖四方式，即利用一套靜止變頻器調(diào)速系統(tǒng)可以分別啟動四臺電 機(jī)。利用了高壓變頻啟動裝置的靜止變頻器調(diào)速系統(tǒng)在水泵工況啟動中的工作原理如下如圖3所示，在電機(jī)啟動時，勵磁裝置使同步電機(jī)產(chǎn)生激磁從而產(chǎn)生轉(zhuǎn)子磁場。在 磁場建立之后，高壓變頻器向電機(jī)的定子側(cè)提供電流形成電樞磁場帶動轉(zhuǎn)子磁場。為克服 啟動初期電動機(jī)較大的轉(zhuǎn)動慣量，高壓變頻器向電機(jī)輸入頻率很低近似方波的直流電，然 后根據(jù)電機(jī)段感應(yīng)電量計算出轉(zhuǎn)子裝置以跟蹤啟動。啟動期間，變頻器以特有的矢量控制 技術(shù)輸出恒定力矩，使其加速運行。由于靜止變頻器采用了具有自關(guān)斷能力和高速開關(guān)性 能的絕緣柵雙極晶體管(IGBT)器件，所以在電機(jī)啟動初期不用像由普通可控硅構(gòu)成的傳 統(tǒng)變頻器那樣需強(qiáng)迫換相方式，這樣就大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和電機(jī)啟動成功率；如圖4所示，在電機(jī)加速過程中，通過加快IGBT的開關(guān)動作，改變脈沖間距，使得 變頻器的輸出電壓的幅值和頻率不斷提高，從而帶動電動機(jī)加速運行。加速期間由于IGBT 的開關(guān)頻率不斷升高，使得功率單元輸出的電流波形幾乎接近于正弦波，輸出波形幾乎不 含高次諧波，這樣就使得電動機(jī)的運行比較平穩(wěn)，減少了高次諧波對電動機(jī)的損害，并減少 了對周圍環(huán)境的諧波干擾，這是傳統(tǒng)靜止變頻器所無法比擬的。本實施例中，當(dāng)靜止變頻器和附屬設(shè)備按照蓄能機(jī)組的啟動流程運行時，還可設(shè) 置與靜止變頻器連接的集控系統(tǒng)，在電機(jī)并網(wǎng)過程中，靜止變頻器由于其輸出控制精度為
50. 01HZ，要遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)變頻裝置0. IHZ的精度，因而其并網(wǎng)時間較短且并網(wǎng)成功率較高，如 圖5所示，蓄能機(jī)組成功并網(wǎng)時的機(jī)側(cè)和網(wǎng)側(cè)電壓波形，所以可在電動機(jī)轉(zhuǎn)速加速到額定 轉(zhuǎn)速的99%時，由靜止變頻器給同期發(fā)出運行指令。外部集控系統(tǒng)接收到指令后開始進(jìn)行 同期調(diào)整，并不斷發(fā)出脈動調(diào)節(jié)指令給靜止變頻器及勵磁裝置，分別使得機(jī)端電壓的頻率、 相角和幅值與電網(wǎng)電壓同步。在判定同步條件確定的前提下，通過集控系統(tǒng)發(fā)出“同期完成可并網(wǎng)指令”，可靠 并網(wǎng)后，靜止變頻器根據(jù)并網(wǎng)成功反饋信號進(jìn)行自鎖退出運行，完成整個起動過程，并通過 斷路器操作斷開靜止變頻器與電機(jī)的連接。在電機(jī)并網(wǎng)且靜止變頻器未退出的瞬間，靜止 變頻器可以通過自身調(diào)節(jié)來進(jìn)行自我保護(hù)，以防止靜止變頻器受到反向電流沖擊。本實施例完全克服了現(xiàn)有技術(shù)中的不足，如圖6所示，現(xiàn)有的抽水蓄能機(jī)組啟動 用靜止變頻器結(jié)構(gòu)，由于采用可控硅方式，其裝置前后需加裝輸入輸出變壓器實現(xiàn)升降電 壓的功能，啟動過程運行繁瑣。并且傳統(tǒng)電機(jī)磁極定位裝置多采用機(jī)械式，容易損耗，定位 困難。本實施例，由于采用了 IGBT多重串聯(lián)疊加技術(shù)，大大抑制了輸出電流的高次諧 波，其諧波含量遠(yuǎn)低于國際標(biāo)準(zhǔn)；在結(jié)構(gòu)上減少了輸入輸出變壓器，使設(shè)備簡化，大大減少 了設(shè)備的體積，減少了設(shè)備成本而且損耗大幅降低。本實施例不只用于抽水蓄能機(jī)組水泵 工況的啟動，還可用于其它大型電機(jī)的啟動，如燃?xì)廨啓C(jī)啟動等。
權(quán)利要求
一種大功率抽水蓄能機(jī)組啟動用變頻調(diào)速系統(tǒng)，包括輸入斷路器、輸出斷路器、并網(wǎng)開關(guān)、勵磁裝置，其特征在于，還包括靜止變頻器，電網(wǎng)連接輸入斷路器，輸入斷路器依次連接靜止變頻器、輸出斷路器和勵磁裝置，勵磁裝置連接并網(wǎng)開關(guān)，并網(wǎng)開關(guān)的另一端連接在電網(wǎng)和輸入斷路器兩者之間的線路上；所述的靜止變頻器為絕緣柵雙極晶體管的功率單元串聯(lián)疊加而形成的高壓變頻器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大功率抽水蓄能機(jī)組啟動用變頻調(diào)速系統(tǒng)，其特征是，所述 的靜止變頻器由移相隔離整流變壓器、功率單元、控制單元組成，輸入側(cè)直接接入電網(wǎng)，若 干個功率單元串聯(lián)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)高壓輸出，電網(wǎng)電壓經(jīng)移相隔離整流變壓器降壓后向功率單元 供電，功率單元為三相輸入、單相輸出的交-直-交PWM電壓源型變換結(jié)構(gòu)，將相鄰功率單 元的輸出端串接起來，形成Y聯(lián)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)變壓變頻的高壓直接輸出，供給電動機(jī)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或者2所述的大功率抽水蓄能機(jī)組啟動用變頻調(diào)速系統(tǒng)，其特征是， 所述的靜止變頻器，移相整流隔離變壓器原邊繞組通過輸入斷路器聯(lián)結(jié)到電網(wǎng)的高壓輸入 端，副邊有3N個二次繞組，采用延邊三角形聯(lián)結(jié)，每個二次繞組與一個功率單元相聯(lián)結(jié)，二 次繞組分為N個相位組，互差60/N電角度，在變壓器二次繞組分配時，組成同一相位組的每 三個二次繞組，分別給屬于電動機(jī)三相的功率單元供電。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的大功率抽水蓄能機(jī)組啟動用變頻調(diào)速系統(tǒng)，其特征是，所述 的靜止變頻器，功率單元的電壓等級和串聯(lián)數(shù)量決定了變頻器的輸出電壓，功率單元的額 定電流決定了變頻器輸出電流，各功率單元分別由輸入變壓器的一組二次繞組供電，功率 單元之間及變壓器二次繞組間相互絕緣。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的大功率抽水蓄能機(jī)組啟動用變頻調(diào)速系統(tǒng)，其特征是，所述 的電網(wǎng)，其電壓為15. 75kV或18kV。
全文摘要
一種水泵技術(shù)領(lǐng)域的大功率抽水蓄能機(jī)組啟動用變頻調(diào)速系統(tǒng)。包括靜止變頻器(SFC)、輸入斷路器、輸出斷路器、并網(wǎng)開關(guān)、勵磁裝置，電網(wǎng)連接輸入斷路器，輸入斷路器依次連接靜止變頻器、輸出斷路器和勵磁裝置，勵磁裝置連接并網(wǎng)開關(guān)，并網(wǎng)開關(guān)的另一端連接在電網(wǎng)和輸入斷路器兩者之間的線路上。所述的靜止變頻器為絕緣柵雙極晶體管(IGBT)的功率單元串聯(lián)疊加而形成的高壓變頻器。本發(fā)明的靜止變頻器具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡潔、維護(hù)簡便、響應(yīng)迅速、控制精確、諧波含量小、運行可靠、效率高、無功功率沖擊小的特點。
文檔編號H02P1/30GK101924508SQ20101025760
公開日2010年12月22日 申請日期2010年8月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月20日
發(fā)明者喬樹通, 吳瑋, 姜建國, 左東升, 楊興華, 王晶鑫, 王 鋒 申請人:上海交通大學(xué)