廣州蓄能水電廠裝機2400MW，其可逆式機組水泵工況涉及大型同步電動機的起動，設計以靜止變頻器(SFC)起動為主，機組背靠背起動為輔。廣州蓄能水電廠二期工程安裝4臺300MW可逆式機組， SFC采用Siemens公司的全數字大功率SIMOVERT S電流源型交直交變頻調速裝置，恒磁調壓/調頻啟動，可連續逐臺起動4臺機組。SFC和機組勵磁系統采用數字式Simadyn-D控制系統。

1、同步電動機變頻起動原理

電機變頻起動時，轉子繞組通入勵磁電流，定子由SFC供電，由定子頻率控制轉子轉速。SFC輸出的頻率在起動開始時調得很低，然后逐步上升至額定值，利用同步轉矩的作用，使電機的轉速隨變頻器輸出頻率同步地升至額定值。Siemens公司結合雙反應理論和矢量控制理論，忽略凸極式同步電動機d，q軸磁路不對稱、轉子阻尼繞組和磁化曲線的非線性等次要因素的影響，將三相電機等效為直流電機進行控制。SFC整套裝置由功率單元、控制單元組成，電機勵磁單元為自并勵可控硅靜態勵磁，由機組勵磁系統控制，SFC的軟、硬件配置及控制框圖見圖1。SFC主要技術參數為：額定電壓18kV，額定功率18MW， 額定轉速500r／min，過載系數1.3， 輸出頻率0～52Hz，整流器額定觸發角26.3°，逆變器額定觸發角141°。

圖1 廣州蓄能水電廠二期工程SFC軟、硬件配置及控制框圖
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，利用其二次側三角形繞組隔離濾波，減少整流器產生的諧波電壓對電網的影響，降低電網諧波含量。

直流耦合電路裝設2個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輸出側電抗器的作用是防止逆變器換流時電流增長過快而損壞晶體管元件。

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°導通型逆變器晶體管采用同步電動機的定子反電動勢換相。變頻器每個橋臂由12個雙極型晶體管BJT串聯而成，冗余配置，單個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的觸發及檢測信號采用光電耦合技術，即采用光纖及光電轉換器件進行傳輸。晶體管水冷，分外冷卻和內冷卻。內冷卻回路用去離子水循環直接冷卻晶體管，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90年代初研制開發的具有國際先進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字多微處理器控制系統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準機架上，共有6個處理器板，每個處理器板處理不同任務，使控制系統具有強大的運算功能。6個處理器之間及與外設控制板之間通過局部總線和通訊總線進行內部高速數據通訊，而Simadyn-D與監控系統之間通過I/O板和通訊板等硬件模板實現內/外部高速數據通訊和信息交換。

3.2 軟件組態及功能

SimadynD系統是Siemens公司在Window 3.1平臺上開發的數字過程控制系統，采用全圖形式的編程語言STRUC G進行軟件設計開發。功能塊是軟件設計的最小組態單位，包括邏輯塊、算術塊、診斷塊、信號轉換塊、I/O塊和通訊塊等。一個功能塊即一個子程序，相當于硬件設計中的集成電路。只需要用鼠標從圖形庫中選擇預先編制好的功能塊，將各功能塊相互連接并設定參數，即構成實現一定的系統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、開環或閉環控制、矢量控制及監視等軟件功能包，而各軟件功能包的有機組合構成了用戶程序。用戶程序按功能類型均衡配置各軟件功能包，分別由6個微處理器進行實時處理，即所謂的多微處理器、多任務并行處理技術，從而實現對SFC的各種高速開環或閉環控制、運算、檢測、監視、報警及診斷等功能。

a. 開環或閉環控制。整流器采用速度和電流雙閉環控制，逆變器采用矢量控制技術。SFC輸出測量采用霍爾效應變換器型電壓互感器，綜合補償計算后產生同步電動機電壓模型MV的磁通矢量，實現對電壓模型的矢量控制，使逆變器每次都選擇在定子與轉子磁場矢量互成90°時進行換相。速度閉環控制功能包NRG實現對整流器速度環的閉環控制及監視；電流閉環控制功能包MN1實現對整流器電流的閉環控制及觸發單元的監視；矢量控制功能包SMS實現對逆變器負載換相的矢量控制及監視，低速運行時斷續換相觸發脈沖的控制及監視；過程診斷功能包DIA實現對SFC相關過程控制量及信號的實時診斷顯示，即將各過程控制量及實時信號存儲在DIA的跟蹤存儲器中，通過D/A轉換器隨時輸出，供故障診斷分析用。

b. 供電控制。USV/UUM/ULS/UGR等監視功能包實現對SFC系統中主要功率器件如SFC進出口開關、功率單元、同步電動機等的綜合控制和監視；邏輯控制功能包EAL綜合各監視功能包、順序控制功能包AST的控制信號、操作員控制功能包BED和通訊控制功能包KD3的命令字，實現對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實現對SFC的現地控制，并組態操作面板OP1的輸入及顯示；通訊控制功能包KD3與通訊板相配合，實現SFC與監控系統的聯網通訊；冷卻水控制功能包UUK控制晶體管BJT的內外冷卻水。

4、SFC的運行

a. 轉子位置檢測和初始定位。SFC采用電氣測角和測速方法。起動前投入機組勵磁，在轉子磁場逐步建立過程中，定子繞組感應出三相電動勢，電壓模型MV對電動勢積分就可得氣隙磁鏈Ψ的大小和轉子位置角。計算時間的密切配合，保證勵磁與SFC檢測程序之間嚴密同步，這也是整個起動過程中最為關鍵的一步。起動期間，SimadynD控制保持電機磁通恒定，實現恒轉矩調速。由于是恒磁通控制，通過對定子電壓測量，即可計算出轉子位置角。

b. 斷續換相運行。確定轉子初始位置后，按照矢量控制理論中力矩星形分布情況，SFC判斷同步電動機起動時刻能產生最大正加速力矩的兩相定子電流，觸發晶體管導通，給對應的兩相定子繞組通電，產生一個超前轉子磁場的同步定子磁場，兩個磁場相互作用，使轉子獲得最大電磁轉矩，轉子開始轉動，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。為保證起動后加速階段電磁轉矩的恒定，轉子轉動的同時改變輸入定子電流的頻率，使轉子磁場與定子磁場同步旋轉，而且在空間矢量上，保持定子磁勢超前轉子磁勢的夾角不變。