周金邢，姜建國，吳瑋

(上海交通大學 電子信息與電氣工程學院 電力傳輸與功率變換控制教育部重點實驗室，上海 200240)

0 引言

抽水蓄能電站是目前世界上廣泛應用的高效大儲能技術，具有調峰、填谷、調頻、調相和事故備用等特點。國際公認抽水蓄能電站采用可變速機組最佳，結構緊湊，輔助設備少，造價低，機組轉速有10%左右的可調范圍［1］。1995年，日本大河內電站建成兩個可獨立調速395 MVA抽水蓄能系統(tǒng)，是目前世界上容量最大電站［2］。2004年德國金谷抽水蓄能電站投運2臺331 MVA可變速機組，在水泵工況下可調節(jié)負荷的性能，電網總體經濟效益最佳。上述機組的運行表明:變速運行可以提高水輪機的運行效率，增加水泵運行工況下的自動調頻能力，并可以通過快速調節(jié)有功功率和無功功率，提高電網系統(tǒng)的穩(wěn)定性。目前我國尚未有此類電站，而我國水力資源豐富，大力推廣這種技術，對經濟環(huán)保意義重大。

1 可變速抽水蓄能機組工作原理

可變速抽水蓄能機組系統(tǒng)結構如圖1所示，該系統(tǒng)主要由水泵水輪機、發(fā)電電動機、變頻器和控制裝置組成［3］。水泵水輪機是系統(tǒng)的負載或原動機，自帶機械調速器。發(fā)電電動機為雙饋感應電機，可工作在發(fā)電和電動狀態(tài)下。當電機轉子旋轉頻率f1變化時，控制勵磁電流頻率f2保證定子輸出頻率f不變，即f=f1+f2，實現(xiàn)電機的變速恒頻運行［4］。變頻器為發(fā)電電動機提供交流勵磁，考慮到功率，一般采用循環(huán)變流器?？刂蒲b置用于產生功率和速度給定信號，分別用于控制變頻器和導葉。

2 抽水蓄能機組的控制策略

2.1 總體控制方案

圖1 可變速抽水蓄能機組系統(tǒng)結構

圖2 總體控制方案

總體控制方案如圖2所示。頻率調節(jié)器根據電網頻率的變化產生控制信號，并與功率給定信號疊加形成總功率給定信號，然后該信號和功率反饋經功率調節(jié)器后產生轉子電流給定信號，轉子電流給定信號經過循環(huán)變流器產生三相功率輸出作用于電機［5］。轉子電流發(fā)生變化，導致電機轉速改變。根據當前的總功率給定信號產生最優(yōu)的轉速給定信號，經過水力放大器調節(jié)導葉，使轉速最優(yōu)，并提高電機效率。

2.2 發(fā)電電動機的控制策略

發(fā)電電動機采用雙饋電機，其按定子磁鏈定向的數(shù)學模型如式(1)所示。

式中 udr、uqr為轉子電壓 d、q 軸分量，idr、iqr為轉子電壓 d、q 軸分量，Rr為轉子電阻，ωs為同步角頻率 ωs=2πf，Lr為轉子電感，Ls為定子電感，rs為定子電阻。

從式(1)可以看出，在定子磁勢保持不變的情況下，電磁轉矩只與轉子電流q軸分量有關。定子磁鏈ψs僅由idr產生，而與iqr無關，ψs與idr之間的傳函為一階慣性環(huán)節(jié)，和直流電機慣性一致［6］。由坐標變換理論和雙饋電機矢量控制理論可將電機的有功功率P和無功功率Q用dq坐標系上的分量表示。

由于 uds=0，uqs=Us，故有:

式中Us為電網額定電壓，ids、iqs為定子電壓d、q軸分量。

由式(2)可知，發(fā)電機定子側有功功率P與iqs成正比，而無功功率Q與ids成正比［7］。因此，定子電流有功分量和無功分量都是通過轉子電壓實現(xiàn)控制的，由于轉子電壓udr、uqr彼此獨立，從而可以單獨對ids和iqs進行控制。

由上述分析可得發(fā)電電動機的功率控制原理如圖3所示。整個系統(tǒng)采用雙閉環(huán)結構，外環(huán)為功率環(huán)，內環(huán)為電流控制環(huán)。

圖3 發(fā)電電動機功率控制原理

2.3 基于循環(huán)變流器的勵磁控制

循環(huán)變流器相電流控制模塊如圖4所示，主要包含電流調節(jié)、模擬量采樣、基波提取、斷續(xù)補償、零電流檢測、無環(huán)流邏輯、同步信號檢測和觸發(fā)等部分。對于三相電流控制，使用三個相電流控制模塊，每個模塊控制一相。

3 仿真研究

為了驗證控制策略的可行性，進行了MATLAB的仿真研究，仿真模型中電機的額定功率為300 MW，額定電壓18 kV，頻率為50 Hz，定子電阻標幺值為 0.038 4 pu，定子電感標幺值為 0.18

圖4 循環(huán)變流器相電流控制原理

3.1 電動狀態(tài)

可變速抽水蓄能機組在電動狀態(tài)下的仿真如圖5所示。

仿真在0.6 s時發(fā)出增加吸收有功功率的斜坡給定，給定最大為額定功率的50%。從圖5(b)可以看出，實際有功功率可以較好的跟隨給定。從圖5(a)和(d)可以看出，在給定發(fā)出的初期，有功功率導致電動機轉速升高，同時勵磁電流的頻率跟隨轉速變化。速度調節(jié)器控制導葉的開度增加機械功率，保證速度調節(jié)在給定值。在1 s時施加無功功率斜坡給定，給定最大為額定功率的40%，從圖5(b)和(c)可以看出，本文仿真模型可以實現(xiàn)有功功率和無功功率之間的獨立控制。在1.2 s時施加轉速斜坡給定，給定最大為額定轉速的10%，從圖5(a)和(b)可以看出，轉速和有功功率之間可以獨立控制。

圖5 電動狀態(tài)仿真波形

從仿真可以看出，交流磁鏈機組在電機電動狀態(tài)下可以實現(xiàn)變速恒頻運行，具有較快的功率響應速度，可實現(xiàn)負荷的快速調節(jié)，進行實現(xiàn)電網頻率調節(jié)，此外電機轉速可以運行在最佳工作點，提高了系統(tǒng)運行效率。

3.2 發(fā)電狀態(tài)

可變速抽水蓄能機組在發(fā)電狀態(tài)下的仿真如圖6所示。

圖6 發(fā)電狀態(tài)仿真波形

仿真在0.6 s時發(fā)出增加輸出有功功率的斜坡給定，給定最大為額定功率的50%。從圖6(b)可以看出，實際有功功率可以較好的跟隨給定。從圖6(a)和(d)可以看出，在給定發(fā)出的初期，有功功率導致電動機轉速降低，同時勵磁電流的頻率跟隨轉速變化。速度調節(jié)器控制導葉的開度，保證速度調節(jié)在給定值。在1 s時施加無功功率斜坡給定，給定最大為額定功率的40%，從圖6(b)和(c)可以看出，本文仿真模型可以實現(xiàn)有功功率和無功功率之間的獨立控制。在1.2 s時施加轉速斜坡給定，給定最大為額定轉速的10%，從圖6(a)和(b)可以看出，轉速和有功功率之間可以獨立控制。

4 實驗研究

為了進一步驗證控制策略的可行性，搭建了實驗平臺，采用了基于VME總線“DSP+FPGA”的控制系統(tǒng)。

圖7(a)為恒轉矩負載時的實際轉子電流波形，從圖中可以看出，負載轉矩不變時，轉子電流的幅值保持不變，隨著電機轉速的升高，轉子電流的頻率也升高。圖7(b)為控制系統(tǒng)內部的電流給定(通道A)和反饋波形(通道B)，反饋波形經過了濾波處理。從圖中可以看出，反饋電流可以很好的跟蹤給定。

5 結束語

本文對循環(huán)變流器勵磁的可變速抽水蓄能機組控制系統(tǒng)進行了研究。搭建了仿真模型，從仿真結果可以看出，交流磁鏈機組在電機電動和發(fā)電狀態(tài)下均可以實現(xiàn)變速恒頻運行，具有較快的功率響應速度，有功功率、無功功率和轉速均可獨立調節(jié)。搭建了實驗平臺，實現(xiàn)了電機的轉子電流控制，實驗結果表明循環(huán)變流器可以準確的控制轉子的電流。

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