IGBT变频器在启动抽水储能机组上的应用

1IGBT变频器在启动抽水蓄能机组上的应用何铮李纲（华东天荒坪抽水蓄能有限公司、安徽响洪甸抽水蓄能有限公司）【摘要】本文介绍IGBT变频器在抽水蓄能机组启动中的工作原理，IGBT与可控硅变频的比较，以及IGBT变频装置在响洪甸抽水蓄能电站的应用。【关键词】IGBT抽水蓄能变频装置抽水蓄能机组水泵工况起动曾经采用过全压起动、半压起动、同轴小马达起动、背靠背起动等方式，随着晶闸管技术的发展，现国内绝大多数抽水蓄能电厂所采用的是传统的可控硅变频装置，但由于其高次谐波的存在与浪涌电压的增加，对于电网及电机产生不良影响，随着电子技术的发展，基于IGBT、IGCT等最新电力电子器件的变频驱动装置正在逐步采用。1IGBT变频启动抽水蓄能机组的工作原理1.1IGBT的结构及工作原理绝缘栅双极晶体管，简称IGBT，其结构剖面图如图1所示。它是在功率MOSFET的基础上增加了一个P+层发射极，形成PN结J1，并由此引出漏极。门极和源极则完全与MOSFET相似。由结构图可以看出，IGBT相当于一个由MOSFET驱动的厚基区GTR。IGBT是以GTR为主导元件、MOSFET为驱动元件的达林顿结构器件，它的开通和关断是由门极电压来控制的。门极施以正电压时，MOSFET内形成沟道，并为PNP晶体管提供基极电流，从而使IGBT导通。在门极上施以负电压时，MOSFET内的沟道消失，PNP晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。图1IGBT的结构剖面图IGBT的一个重要特点是具有大电流处理能力，可达几百安，而由于N区存在电导调制效应，所以其通态压降很小，一般只有同等功率级MOSFET的5%～10%，如1000V的IGBT通态压降约为2～3V。因此通态损耗很小。IGBT处于断态时，只有很小的漏电流存在。动态特性IGBT的导通特性主要由MOSFET结构决定。当栅极驱动电压升至MOSFET的阀值电压时即迅速导通。只是在漏源电压VCE下降过程后期，PNP晶体管由放大区至饱和区，又增加了一段延续时间，使漏源电压波形变为两段。IGBT的开通时间一般为0.5～1.5μs。1.2电机转子及磁场定位初期磁场位置须检测是因为：对同步电机而言，如果定子磁极中心与转子磁极中心不一致，将导致无法进行正确的同步控制。同步电机停止时，定子磁场与转子磁场的中心位置肯定存在偏差，发射极E栅极GN+N+N+N+N+N-P+J1J2J3C2如图2磁极的位置差异（0θΔ）。因此再次启动电机时需要调整0θΔ为0度，也就是调整定子的磁极位置与转子磁极位置一致。图2电机剖面图在转子定位时，高压变频器给定子中多个绕组依次发出微弱的直流电，从多方位产生感应磁场，通过检测其两相间的电压差，测定其转子位置，并进行跟踪。1.3电机起动原理励磁装置给电机以恒定的励磁电流（额定空载励磁电流）,使同步电机产生激磁，从而产生转子磁场。在同步电机的转子磁场建立之后，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。为克服起动初期电动机较大的转动惯量，变频器通过PWM（脉冲宽度调制）控制方式向电机输入频率很低近似方波的直流电（如图3所示），然后根据电机端感应电量计算出转子位置以跟踪起动。起动期间，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。由于电机启动力矩低于电机额定力矩，而变频器是根据额定力矩来选型的，所以启动力矩是足够的。由于变频设备采用了具有自关断能力和高速开关性能的IGBT器件，所以在电动机起动初期不用像由普通晶闸管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起动成功率。图3单个IGBT进行开关整流动作时形成的波形（启动过程）1.4电机加速过程在电机加速过程中通过加快IGBT的开关动作改变脉冲间距，如图4，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不能比拟的。图4单个IGBT进行开关整流动作时形成的波形（加速过程）定子磁极中心Δθ0磁极位置偏差转子磁极定子转子磁极中心31.5电机并网过程基于IGBT的变频装置由于其输出控制精度（0.03Hz）要远优于传统变频装置（0.1Hz），因而其并网时间较短且并网成功几率较高，所以可在电动机转速加速到额定转速的99%时由变频器给同期发出运行指令。外部同期装置接收到指令后开始进行同期，并不断给变频器及励磁装置脉动调节指令，分别使得机端电压的频率、相角和幅值与网电压同步。在判定同步条件确立的前提下，同期装置发出并网指令。可靠并网后，变频器根据并网成功反馈信号进行自锁退出运行，并通过断路器操作断开变频器与电机的连接。在电机并网且变频器未退出的瞬间，变频器可以通过自身调节来进行自我保护，以防止变频器受到反向电流冲击。2用于抽水蓄能电站的IGBT变频启动装置的组成IGBT的抽水蓄能机组变频启动装置在安徽响洪甸蓄能电站第一次应用。变频器采用九个低压功率单元串联方式实现高压输出，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。这种FSDrive-MV1S系列直接高压变频装置，主要由输入变压器、功率单元及控制单元三部分构成。图5是变频器盘柜的典型布置。①变压器部②功率单元部③控制部图5变频器盘柜的典型的布置(1)输入变压器高压变频器的输入变压器是采用NOMEX绝缘材料制作的H级干式变压器。变压器原边绕组直接联到电网的高压输入端，副边有27个二次绕组，采用延边三角形联结，分为9个不同的相位组，互差10电角度。每相由9个功率单元串联而成时，形成54脉波的二极管整流电路结构。所以理论上53次以下的谐波都可以消除，输入电流波形接近正弦波，总的谐波电流失真率可低于2%。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。这样，即使在电动机电流出现不平衡的情况下，也能保证每个相位组的电流基本相同，达到理想的谐波抵消效果。由于功率单元的整流部分应用多重化整流技术和电压源结构，电动机所需的无功功率可由滤波电容提供，所以输入功率因数较高，可以保持在0.95以上。(2)功率单元功率输出部分每相由9个额定输入电压为630V，输出高达850V的功率单元串联而成，如图6所示。功率单元部的间隔架采用的玻璃纤维材质，既强化强度同时功率单元的绝缘性也得到了提高。4图6功率单元输出结构图（630—700V）图7功率单元原理图每个功率单元承受全部的输出电流，但只提供1/9的相电压和1/27的输出功率。变压器的27个二次绕组分别接到每个功率单元三相二极管整流桥的输入端，功率单元的结构如图7所示，功率单元的电压等级和串联数量决定了变频器输出电压，功率单元的额定电流决定变频器输出电流。每个功率单元都是由低压绝缘栅双极型晶体管(IGBT)构成的三相输入，单相输出的低压PWM电压型逆变器组成。每个功率单元中三相交流电整流后经滤波电容滤波形成直流母线电压，由于输入变压器阻抗设计得较大(一般为8%左右)，直流环节不必设置低压变频器那样的预充电限流电阻。当功率单元额定电压为850V时，直流母线电压为900V左右。逆变器由4个耐压为1400V的IGBT模块组成H桥式单相逆变电路，通过PWM控制，在功率单元输出端得到变压变频的交流输出，输出电压为单相交流0～700V，频率为0～120Hz，根据电动机的额定功率，可以相应调整。因为每个功率单元的整流频度很低，变频IGBT的防止臂间短路的无感时间对波形畸变的影响微乎其微，很小的整流损失有助于提高效率。此外，与IGBT器件的直接串联不同，各功率电源的直流母线电压是被电源电压整流值（理论上851V）锁定的，因此它即使有功率单元的IGBT故障，电压分配也不变化的特点。每个功率单元输出电压为1、0、-1这3种状态电平，每相9个单元叠加，就可产生19种不同的电平等级，分别为±9、±8、±7、±6、±5、±4、±3、±2、±1和0。用这种多重化技术构成的高压变频器，也称为单元串联多电平PWM电压型变频器，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。变频器由于采用多重化PWM技术，由9对依次相移11.25°的三角载波对基波电压进行调制。对A相基波调制所得的9个信号，分别控制A1～A9这9个功率单元，经叠加可得具有19阶梯电平的相电压波形。线电压波形具有37阶梯电平，几乎接近正弦波，没有谐波污染。(3)控制单元控制单元主要由I/O面板、低压供电板、控制电路面板这3部分组成，还包含了控制电源（主）开关，控制电源（副）开关，冷却风扇电源开关，控制电源开关（ups），主控制电源用接触器，副控制电源用接触器，冷却风扇用接触器，变送器，信号转换器，继电器等。新型SFC高压变频器控制部分采用了优化的矢量控制系统，其数字量输入与输出采用了多功能接点化的接口方式，并支持多种通讯协议。在变频控制回路与功率单元的接口上，考虑到信号绝缘性和抗杂波干扰等因素，以分配PWM载波频率的HUB基板为中介采用光缆连接，对双向信号进行传送来保障通信的稳定性。针对出现的功率单元故障，每个功率单元上都采用了瞬间控制极封锁保护，并对其他的功率单元通过光缆将所有功率单元进行控制极封锁的系统结构对每个功率单元而言，为防止同一桥臂上下管子同时导通，设定了互锁延时，即存在一定的死区时间，在死区时间内上下桥臂IGBT均处于截止状态，输出电压由输出电流的方向决定，电流方向决定电流流经哪个续流二极管，从而决定输出电压极性。严格说来，此时输出电压处于不可控状态。由于单元内PWM的载波频率很小，死区电压的误差占的比重很小，可以忽略不计，不必采用像低压变频器那样的死区电压误差补偿电路。针对不可预料的功率单元故障，每个功率单元上都采用了瞬间控制极封锁保护，并对其他的功率单元通过光缆将所有功率单元进行控制极封锁的系统结构700V6300V相电压11kV线电压700V700V700V700V700V700V700V700V700V700V700V700V700V700V700V700V700V700V700V700V700V700V700V700V700V700V53IGBT变频装置在响洪甸抽水蓄能电站的调试运行响洪甸抽水蓄能电站采用的FSDrive-MV1S系列IGBT高压变频装置的整个起动回路组成如下图8,在变频器的前后都加了10kV的真空断路器，启动断路器为两台机组各配一台，供选择被起动机组，配置了ELIN的同期装置，可供两台机分别同期用。图8响洪甸抽水蓄能电站采用IGBT变频的整体回路图由于响洪甸抽水蓄能电站的水头变化较大，机组在发电工况时全水头采用150rpm一个转速，最大出力为45MW，水泵工况时要采用两种不同转速，即在扬程为32-51米时采用150prm转速，额定功率为42MW；在扬程为48-64米时采用166.7rpm转速，额定功率为55MW。因此发电电动机要采用变极电机，定子采用单绕组120°-120°相带换相变极，转子采用大小极丢极变极，共有40个极，其中28个大极，12个小极，变速时要丢弃4个小极，变为36极。由于响洪甸的机组比常规的蓄能机组要复杂，采用IGBT变频取得了较好的效果。变频装置的容量选择按电动机最大功率考虑，计算得出变频器的容量为5555kVA，选取额定容量为6300kVA，估计的起动时间为203.5s，满足起动加速时间为4分钟的要求。由于电动机有两个转速，原SFC在机组上装有两个齿轮盘，用于不同转速的定位和测速，为了适应IGBT快速反应的特点，确保平稳的调速，在机组大轴上安装新的测速PG，并同时送电站的DCS及其过速保护装置的速度信号。在机组初次转动时需要测量转子的位置，但响洪甸机组的大小极结构给测量转子的位置带来困难