抽水蓄能电站静止变频器(SFC)启动的控制策略及其装置实现

摘要

抽水蓄能电站在电力系统中担负调峰填谷、旋转备用、事故备用、调频、调相等任务。抽水蓄能电站在电动机工况运行时，必须采用专门的电气设备及操作方法，以尽可能平稳地启动同步电机，使启动电流不致过大，并对电网不产生过大的扰动。目前，静止变频器（SFC）启动是大型抽水电站的首选启动方式，它利用晶闸管变频器产生频率可变的交流电源来启动抽水蓄能机组，具有软启动功能，对于保证大型抽水蓄能机组的快速启动和抽水蓄能电站的稳定运行具有重要意义。 本文首先介绍了静止变频器的拓扑结构和工作原理，分析了变频器晶闸管的两种换相方法：脉冲换相和自然换相，提出了定逆变侧换相超前角γ来连续调节整流侧控制角α的控制方案，在此基础上对静止变频器的工作特性进行了研究。其此，根据抽水蓄能机组的实际情况，给出了静止变频器的启动过程，并提出了抽水蓄能机组变频启动的控制策略，包括机组转速控制、机端电压控制和同期并网控制等。按照变频启动控制策略的要求，设计了以TMS320F2812为核心，并辅以现场可编程门阵列器件XC3SD1800A的SFC控制系统，并给出了硬件和软件的实现方法。硬件电路采用了模块化的设计思想，将系统分成控制器模块、电源模块、光纤模块、开关量模块、模拟量模块和扩展模块，然后以模块为中心进行硬件电路的设计。软件方面，根据变频启动的过程和控制策略，给出了SFC控制系统各个模块的实现方法和软件流程图。 最后，针对潘家口抽水蓄能电站静止变频启动，利用电力系统实时数字仿真器（RTDS）建立了实时数字仿真平台，通过实时数字仿真，结果证明变频启动控制策略的正确性，为SFC控制系统的设计提供理论依据。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1 课题背景及意义

1.2 静止变频器的国内外研究现状

1.2.1 国外研究现状

1.2.2 国内研究现状

1.3 抽水蓄能机组电动机工况下的启动方式与选择

1.3.1 抽水蓄能机组电动机工况启动方式概述

1.3.2 抽水蓄能机组电动机工况启动方式的选择

1.4 本文主要研究工作与内容安排

第二章 抽水蓄能机组静止变频器(SFC)启动的工作原理

2.1 概述

2.2 静止变频器拓扑结构

2.2.1 拓扑结构分类

2.2.2 本课题静止变频器拓扑结构

2.3 抽水蓄能机组变频启动的基本工作原理

2.3.1 抽水蓄能机组静止变频器启动的原理结构

2.3.2 静止变频器工作原理

2.3.3 抽水蓄能机组的换相方法

2.4 静止变频调速系统基本工作特性

第三章 静止变频器(SFC)变频启动的控制策略

3.1 三相同步电动机的数学模型

3.2 静止变频器的起动过程

3.3 静止电机转子位置检测

3.3.1 静止电机转子位置检测的工作原理

3.3.2 转子初始位置角的算法

3.4 抽水蓄能机组变频启动的控制原理

3.4.1 机组变频启动过程中的转速控制

3.4.2 机组端电压控制

3.4.3 机组同期并网控制

3.4.4 脉冲换相到自然换相运行的切换频率

第四章 SFC控制系统的硬件设计与实现

4.1 SFC控制系统的对外接口设计

4.1.1 SFC控制系统与断路器及互感器的关系

4.1.2 SFC在蓄能机组系统中的配合关系

4.1.3 SFC控制系统与监测保护(TM)系统的关系

4.1.4 SFC控制系统的对外接口

4.2 SFC控制系统的硬件总体设计方案

4.2.1 电源模块

4.2.2 模拟量模块

4.2.3 开关量模块

4.2.4 控制器模块

4.2.5 光纤模块

4.2.6 扩展模块

4.3 电源模块设计

4.4 模拟量模块设计

4.4.1 三相电压电流检测电路

4.4.2 电压信号的同步整理电路

4.4.3 过电流保护电路

4.4.4 模拟量输出电路

4.5 开关量模块设计

4.6 光纤模块设计

4.6.1 光纤隔离

4.6.2 串口通讯

4.6.3 脉冲闭锁

4.7 控制器模块设计

4.7.1 TMS320F2812介绍

4.7.2 FPGA选择与实现功能

4.7.3 数据采样电路设计

4.7.4 通讯电路的设计

4.7.5 TMS320F2812的外设扩展

4.8 扩展模块设计

第五章 SFC控制系统的软件设计与实现

5.1 系统的软件总体设计

5.2 系统软件的实现

5.2.1 变量定标

5.2.2 PID调节控制

5.2.3 转子初始位置判定

5.2.4 脉冲换相控制

5.2.5 自然换相控制

5.2.6 同期并网控制

第六章 静止变频器的仿真实验及结果

6.1 转子初始位置检测验证

6.2 静止变频器的输出功率验证

6.3 机端电压控制验证

6.4 转速控制验证

6.5 脉冲换相运行验证

6.6 同期调节验证

第七章 总结与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文