静止变频器分类与特点分析

三、静止变频器典型分类

作为抽水蓄能电站同步电动机的启动设备，静止变频器（static frequency converter）的形式结构可以多种多样。目前国内十几个电站的静止变频器全部是由国外成套进口的。它主要分两种类型：使用可控硅作变流元件的电流源型变频器和使用IGBT作变流元件的电压源型变频器。电流源型变频器主要有高压—低压—高压结构或高压—高压结构、6-6脉或12-6脉或12-12脉结构，其中属高压—低压—高压/12-6脉结构可控硅电流源型变频器最为典型，用户也最多。

IGBT-电压源型变频器仅适用于中小功率负载；可控硅—电流源型变频器适用于从小功率到大功率负载的不同场合，其配置结构及其控制系统模块化后，不同的配置只是模块多少的不同，配置灵活，有益于统一型号，且日臻成熟，稳定性很好。

以下对几种常用的变频器进行实例分析。

1.高压—高压结构可控硅—电流源型变频器

（1）结构原理图

天荒坪抽水蓄能电厂装机容量为6×300MW，变频器为高压—高压结构可控硅电流源型变频器，其结构原理图如图11-1-1所示。

图11-1-1　高压—高压结构可控硅—电流源型变频器结构原理图

电源变压器变比为18/18kV，功率为33MVA，额定频率50Hz。作为隔离变其主要作用是三次谐波阻断。

功率单元由6脉冲可控硅整流器和6脉冲可控硅逆变器组成（见图11-1-2），可控硅型号为ABB5STP1240F0001。整流器和逆变器各桥臂由18个可控硅串联而成，其中1个可控硅为冗余。每套静止变频器可控硅硅堆总数为18个×6臂×2桥（共216个）。

图11-1-2　高压—高压结构可控硅—电流源型变频器功率单元原理图

直流环节为两个50mH直流电抗器，直流环节额定电流为1300A。

变频器功率为22MW，机侧变流器机桥（MB）输出为0～18.9kV、0～52.5Hz。工作循环为8次/小时（单次循环为额定电流4分钟加空载电流3.5分钟）。启动时间约210秒。

（2）高压—高压结构可控硅—电流源型变频器的特点

使用可控硅元件后，显著的优点是基于可控硅单个元件的功率可选范围较大，电流或电压可大可小，功率单元配置简单、灵活，可以满足从小功率到大功率、低压到中高压的不同需求。

高压—高压结构SCR-CSI型变频器的结构简单，只需一个输入隔离变，一次性投入成本较低。其缺点是，由于功率单元未降压，需要串联数量较多的可控硅以满足较高电压的要求，存在均压问题。而且可控硅的监视回路也将随之复杂化。另外，因电网侧变流器为6脉冲可控硅整流器，电网侧谐波较大，一般都需要配置多组滤波器。为此，提出改进型的高压—低压—高压（降压）结构。

2.高压—低压—高压结构可控硅—电流源型变频器

（1）结构原理图

桐柏抽水蓄能电厂装机容量为4×300MW，变频器为高压—低压—高压结构可控硅电流源型变频器，其结构原理如图11-1-3所示。其中输入变压器为三圈降压变，变比为18/2.1/2.1kV，功率为22MVA，额定频率50Hz，两个副边线圈相移30°。输出变压器为两圈升压变，变比为4.2/18kV，功率为22MVA，工作频率范围为3～52.5Hz。

功率单元由12脉冲可控硅整流器和6脉冲可控硅逆变器组成，可控硅型号为ABB 5STP3452N0021。整流器各桥臂由3个可控硅串联而成，逆变器各桥臂由4个可控硅串联而成，其中1个可控硅为冗余。

直流环节为两个1mH直流电抗器，直流环节额定电流为3500A。(www.xing528.com)

变频器功率为17MW，机侧变流器机桥（MB）输出为0～19.8kV、0～52.5Hz。

图11-1-3　高压—低压—高压结构可控硅—电流源型变频器结构原理图

（2）高压—压—高压结构可控硅—电流源型变频器的特点

高压—低压—高压结构SCR-CSI型变频器的结构相对复杂，需一个输入降压变和一个输出升压变，一次性投入成本较高。输出变压器在低频（5Hz以下）、低压阶段由并联的闸刀旁路。电网侧变流器由两个6脉冲可控硅整流桥串联而成，使之控制系统也相对复杂化。

其优点是，由于功率单元降压后，单个整流桥或逆变桥桥臂所需串联可控硅数较少，其监视回路可简化。电网侧变流器为12脉冲，故大大减小了谐波电流。可不配置滤波器或简化滤波器。

3.IGBT电压源型变频器

（1）结构原理图

以响洪甸抽水蓄能电厂装机容量为2×55MW、变频器为单元串联多电平的PWM电压源型变频器为例。其功率单元为9级串联结构（见图11-1-4），电源变压器为10圈变，副边有9组三相绕组，相移10°，可作为9个功率模块PM二极管整流桥（网侧变流器网桥NB）的电源。单个功率模块的机侧变流器机桥MB由4个IGBT组成（见图11-1-5）。

图11-1-4　IGBT电压源型变频器结构原理图

图11-1-5　IGBT电压源型变频器功率单元单个模块图

其电源变压器变比为10.5/0.63kV，IGBT参数为1400V、400A，变频器功率为5.6MVA。单个功率模块的机侧变流器机桥MB输出为±700V、0～120Hz。

（2）IGBT电压源型变频器的特点

使用IGBT元件后，显著的优点是基于IGBT的开关全控（导通与关断均完全可控）特点，变频器的监视与控制系统相对简化。工作模式单一，不存在SCR-CSI型变频器在低速、低压阶段的脉冲强迫换相模式。

IGBT开关速度较可控硅快，开关时间为0.5～1.5微秒。故变频器控制精度较高，约0.03Hz。

功率单元为模块化多级串联结构，单个模块单独控制，不存在均压问题。上例中单个电源模块可单独控制输出电压为±1倍额定电压。

电源变压器为多相位绕组，谐波很小。上例中9组相移10°的二极管整流桥组成54脉电源，理论上不存在53次以下谐波。

但是，由于IGBT元件结构的原因，单个元件的功率不能做得太大。上例中6MVA级的变频器所用的IGBT元件已属大功率型。为了满足更大功率变频器的需要，功率单元需要并联多个串联支路。这将使系统复杂化，成本倍增。