來 璐，馮宇鵬，張海龍，吳金龍，陳旭東，宋曉梅

（西安許繼電力電子技術(shù)有限公司，陜西省西安市 710075）

0 引言

隨著風(fēng)電、光伏并網(wǎng)容量的不斷增加，對(duì)電網(wǎng)的調(diào)峰和調(diào)頻能力提出了更高的要求，作為削峰填谷、調(diào)頻調(diào)相最好工具的抽水蓄能電站，在電力系統(tǒng)中占據(jù)了越來越重要的地位[1-4]。變速抽水蓄能機(jī)組具有抽水工況功率可以調(diào)節(jié)，發(fā)電工況效率更高，功率調(diào)節(jié)速度快，可自啟動(dòng)，無需單獨(dú)的啟動(dòng)裝置靜止變頻器（Static Frequency Convertor，SFC）等優(yōu)點(diǎn)，已成為了我國抽水蓄能電站新的發(fā)展方向。

目前，國內(nèi)外關(guān)于變速抽水蓄能機(jī)組的研究主要為功率解耦控制和電網(wǎng)頻率控制[[5-7]，對(duì)機(jī)組自啟動(dòng)方面的研究較少。文獻(xiàn)[8]指出變速機(jī)組啟動(dòng)的基本原理是將定子短接，通過交流勵(lì)磁系統(tǒng)給轉(zhuǎn)子施加幅值和頻率逐漸增大的電壓，使轉(zhuǎn)子在磁場(chǎng)作用下旋轉(zhuǎn)并加速，轉(zhuǎn)速升高到接近同步轉(zhuǎn)速的一個(gè)規(guī)定值，但未進(jìn)行具體的啟動(dòng)策略研究。文獻(xiàn)[9]研究了一種基于轉(zhuǎn)子勵(lì)磁的雙饋電機(jī)零速自啟動(dòng)的矢量控制策略，但未考慮到實(shí)際交流勵(lì)磁系統(tǒng)輸出電壓為轉(zhuǎn)差電壓，不能將電機(jī)恒轉(zhuǎn)矩加速至額定轉(zhuǎn)速。

本文首先對(duì)定子短接，轉(zhuǎn)子勵(lì)磁啟動(dòng)的工況進(jìn)行了建模，分析了轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向下轉(zhuǎn)矩和磁鏈與轉(zhuǎn)子dq軸電流的關(guān)系，推導(dǎo)了磁通觀測(cè)器模型，然后分析了電機(jī)運(yùn)行的電壓極限、電流極限和轉(zhuǎn)矩極限，提出了一種變速機(jī)組的自啟動(dòng)策略，仿真結(jié)果證明了理論分析和自啟動(dòng)策略的正確性。

本文所述的自啟動(dòng)策略適用于不同功率等級(jí)的變速機(jī)組在抽水模式通過電機(jī)定子短接，利用交流勵(lì)磁系統(tǒng)在轉(zhuǎn)子勵(lì)磁啟動(dòng)的工況。該啟動(dòng)方法利用變速抽水蓄能機(jī)組的交流勵(lì)磁系統(tǒng)，將機(jī)組從靜止?fàn)顟B(tài)平穩(wěn)升速到設(shè)定轉(zhuǎn)速，無需輸出變壓器和額外的啟動(dòng)裝置靜止變頻器。

1 磁場(chǎng)定向矢量控制

1.1 變速抽水蓄能系統(tǒng)

300MW變速抽水蓄能系統(tǒng)如圖1所示，主要包括主變壓器、定子斷路器K2、換相開關(guān)、定子短接開關(guān)K3、發(fā)電電動(dòng)機(jī)、水泵水輪機(jī)、機(jī)組控制保護(hù)系統(tǒng)、調(diào)速器、勵(lì)磁斷路器K1和交流勵(lì)磁系統(tǒng)。交流勵(lì)磁系統(tǒng)主要包括勵(lì)磁變壓器、軟起斷路器K4和K6、并網(wǎng)斷路器K5和K7、網(wǎng)側(cè)、直流Crowbar、機(jī)側(cè)、交流Crowbar、控制保護(hù)系統(tǒng)和水冷系統(tǒng)。交流勵(lì)磁系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)由4個(gè)NPC三電平功率模塊并聯(lián)組成，機(jī)側(cè)由6個(gè)NPC三電平功率模塊并聯(lián)組成。

圖1 300MW變速抽水蓄能系統(tǒng)Fig.1 A 300MW variable speed hydro pumped storage system

1.2 建模分析

定子短接，電機(jī)按照轉(zhuǎn)子磁鏈定向時(shí)，電壓和磁鏈在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的方程為

電壓方程

磁鏈方程

式中：Rs為定子電阻，isd和isq為定子電流的dq軸分量，p為微分算子，ψsd和ψsq為定子磁鏈的dq軸分量，ωsl為轉(zhuǎn)差角速度，ω0為交流勵(lì)磁系統(tǒng)（AC Excitation System，AES）輸出電壓角速度，urd和urq為轉(zhuǎn)子dq軸電壓，Rr為轉(zhuǎn)子電阻，ψr為轉(zhuǎn)子磁鏈，ird和irq為轉(zhuǎn)子dq軸電流，Ls為定子電感，Lm為定、轉(zhuǎn)子之間的互感，Lr為轉(zhuǎn)子電感。

根據(jù)磁鏈方程（2）可得

根據(jù)式（3）可得轉(zhuǎn)子磁鏈與轉(zhuǎn)子電流的關(guān)系為

式中：τs=Ls/Rs為定子時(shí)間常數(shù)，σ=1-Lm2/LsLr為漏感系數(shù)。

根據(jù)式（3）和式（1）可得，轉(zhuǎn)差角速度與轉(zhuǎn)子dq軸電流的關(guān)系為

電機(jī)的轉(zhuǎn)矩方程為

根據(jù)式（3）和（6）可得電機(jī)轉(zhuǎn)矩為

式中：np為電機(jī)的極對(duì)數(shù)，ψr為轉(zhuǎn)子磁鏈，irq為轉(zhuǎn)矩電流，因此，變速機(jī)組定子短接，當(dāng)轉(zhuǎn)子磁通保持恒定時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)子q軸電流成正比，通過控制轉(zhuǎn)子q軸電流就實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩的控制。

1.3 磁通觀測(cè)器

變速機(jī)組按照轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向變頻啟動(dòng)，轉(zhuǎn)子磁通觀測(cè)的準(zhǔn)確性直接影響機(jī)組的啟動(dòng)特性，本節(jié)對(duì)電機(jī)定子短接，轉(zhuǎn)子變頻啟動(dòng)的工況，推導(dǎo)出磁鏈觀測(cè)器模型。

磁通觀測(cè)器主要有電壓模型和電流模型[10-12]，由于電壓模型在低速工況下不能準(zhǔn)確獲得電機(jī)磁鏈，而300MW的變速機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，采用電壓型磁通觀測(cè)器，機(jī)組容易啟動(dòng)失敗，本文采用電流型磁通觀測(cè)器。從式（4）可見，采用轉(zhuǎn)子電流直接計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈存在微分環(huán)節(jié)，會(huì)導(dǎo)致觀測(cè)不準(zhǔn)確，因此需首先求出定子磁鏈，再根據(jù)定子磁鏈求解轉(zhuǎn)子磁鏈。

以定子磁鏈為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的d軸，電機(jī)的定子電壓為

定子磁鏈滿足

根據(jù)式（8）和（9）可得定子磁鏈與轉(zhuǎn)差角速度為

定子磁鏈與轉(zhuǎn)子磁鏈滿足

因此，根據(jù)轉(zhuǎn)子電流就可以求得轉(zhuǎn)子磁鏈的幅值和相位，如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)器Fig.2 Rotor flux estimator

2 轉(zhuǎn)矩電流限制

交流勵(lì)磁系統(tǒng)在啟動(dòng)變速機(jī)組時(shí)，其轉(zhuǎn)矩電流會(huì)受到電壓極限、電流極限和轉(zhuǎn)矩極限的限制。

2.1 電壓極限

電機(jī)定子短接，勵(lì)磁系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向矢量控制，其穩(wěn)態(tài)電壓滿足

勵(lì)磁系統(tǒng)輸出電壓滿足

根據(jù)式（13）和式（14）可得

式中：Umax為AES輸出的最大電壓。

2.2 電流極限

AES輸出的最大轉(zhuǎn)矩電流在電流應(yīng)力方面有兩個(gè)限制，一為AES機(jī)側(cè)所能輸出的最大電流Imax，二為AES網(wǎng)側(cè)能夠傳輸?shù)淖畲笥泄β蔖GSC_max，如式（16）所示。

式中：PRSC為AES機(jī)側(cè)輸出的有功功率。

因此，轉(zhuǎn)矩電流需滿足

式中，Urate_GSC為AES網(wǎng)側(cè)額定電壓，Irate_GSC為AES網(wǎng)側(cè)額定電流，Urate_RSC為AES機(jī)側(cè)額定電壓。

2.3 轉(zhuǎn)矩極限

根據(jù)式（4）和式（5），在穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)子磁鏈和轉(zhuǎn)差角速度為

根據(jù)式（19）可得

由于

故轉(zhuǎn)矩電流需滿足

3 自啟動(dòng)策略

變速機(jī)組定子短接后，AES啟動(dòng)機(jī)組包括以下幾個(gè)階段

（1）準(zhǔn)備階段。

設(shè)定變速機(jī)組為抽水啟動(dòng)模式，確認(rèn)定子斷路器K2處于斷開狀態(tài)，向機(jī)組控制系統(tǒng)請(qǐng)求閉合定子短接開關(guān)K3，閉合勵(lì)磁斷路器K1。

（2）穩(wěn)壓階段。

啟動(dòng)交流勵(lì)磁系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)，閉合網(wǎng)側(cè)軟起斷路器K4和K6，電網(wǎng)通過軟起電阻和網(wǎng)側(cè)的反并聯(lián)二極管給直流側(cè)充電，當(dāng)直流電壓大于0.6pu且持續(xù)3s后，閉合網(wǎng)側(cè)并網(wǎng)斷路器K5和K7，斷開網(wǎng)側(cè)軟起斷路器K4和K6，當(dāng)直流電壓大于0.8pu且持續(xù)2s后，開啟網(wǎng)側(cè)控制脈沖，將直流電壓控制為設(shè)定值。

（3）勵(lì)磁階段。

AES對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行勵(lì)磁，轉(zhuǎn)子磁通大于0.25pu后，給定轉(zhuǎn)矩電流，機(jī)組開始升速。

（4）恒轉(zhuǎn)矩啟動(dòng)階段。

機(jī)組磁通達(dá)到額定磁通后，AES輸出最大轉(zhuǎn)矩電流，機(jī)組恒轉(zhuǎn)矩升速。

（5）恒功率啟動(dòng)階段。

變速機(jī)組在并網(wǎng)運(yùn)行工況，AES輸出的電壓與轉(zhuǎn)差率成正比，能夠輸出的最大電壓為

式中，smax為機(jī)組運(yùn)行的最大轉(zhuǎn)差率，Urate_rotor為轉(zhuǎn)子額定電壓，近似為

式中，ωr_rate為機(jī)組轉(zhuǎn)子的額定角速度，ψrate為轉(zhuǎn)子額定磁鏈。忽略定子電阻壓降，根據(jù)式（13）、式（23）和式（24）可得

因此，當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速大于smaxωr_rate時(shí)，需要減小轉(zhuǎn)子磁通，進(jìn)行弱磁控制。在這個(gè)階段，AES輸出電壓和轉(zhuǎn)矩電流保持不變，機(jī)組恒功率升速。

（6）降功率啟動(dòng)階段。

隨著轉(zhuǎn)速的上升，轉(zhuǎn)子磁通不斷減小，當(dāng)轉(zhuǎn)矩電流大于轉(zhuǎn)矩極限限制時(shí)，AES需按照式（22）輸出轉(zhuǎn)矩電流，以保證機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行，機(jī)組降功率升速。

交流勵(lì)磁系統(tǒng)啟動(dòng)變速機(jī)組的機(jī)側(cè)控制策略如圖3所示，采用轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制，控制內(nèi)環(huán)為轉(zhuǎn)子dq軸電流，控制外環(huán)為磁通環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)，由于電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，為了防止電機(jī)轉(zhuǎn)速在目標(biāo)值附近波動(dòng)，轉(zhuǎn)速環(huán)采用P調(diào)節(jié)器。

4 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文所提交流勵(lì)磁系統(tǒng)啟動(dòng)變速機(jī)組策略的正確性，利用Matlab/Simulink搭建了一臺(tái)15.75kV/300MW變速機(jī)組抽水蓄能系統(tǒng)，仿真參數(shù)如表1和表2所示。

圖4為電機(jī)啟動(dòng)的整體仿真波形，圖5為電機(jī)啟動(dòng)初始階段的仿真波形，交流勵(lì)磁系統(tǒng)先對(duì)直流母線軟起充電，然后開啟網(wǎng)側(cè)脈沖，將直流電壓控制為設(shè)定值。網(wǎng)側(cè)運(yùn)行后，機(jī)側(cè)開啟脈沖對(duì)電機(jī)進(jìn)行勵(lì)磁，達(dá)到額定磁通后，電機(jī)恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行，當(dāng)轉(zhuǎn)速大于0.1pu時(shí)，機(jī)組開始弱磁升速，磁通和轉(zhuǎn)矩都開始減小，但AES輸出的有功功率保持不變，隨著轉(zhuǎn)速的進(jìn)一步上升，AES輸出的有功功率開始減小。在啟動(dòng)過程中，電機(jī)的轉(zhuǎn)子電流頻率為AES輸出的頻率，定子電流頻率為轉(zhuǎn)差頻率。圖6為AES的轉(zhuǎn)矩電流極限，AES首先運(yùn)行于電流極限，當(dāng)轉(zhuǎn)矩極限大于電流極限后，AES按照轉(zhuǎn)矩極限輸出轉(zhuǎn)矩電流。

圖3 交流勵(lì)磁系統(tǒng)啟動(dòng)機(jī)組的控制策略Fig.3 Control strategy of AES starting motor

圖4 機(jī)組啟動(dòng)整體仿真波形Fig.4 The whole simulition result of motor start

5 結(jié)束語

本文推導(dǎo)了變速機(jī)組定子短接，轉(zhuǎn)子勵(lì)磁工況的電機(jī)方程和轉(zhuǎn)子磁通觀測(cè)器，分析了電機(jī)弱磁升速過程中的電壓極限、電流極限和轉(zhuǎn)矩極限，提出了一種變速機(jī)組的自啟動(dòng)策略。仿真結(jié)果表明，電機(jī)經(jīng)勵(lì)磁、恒轉(zhuǎn)矩升速、恒功率升速和降功率升速四個(gè)階段后，平穩(wěn)升速至設(shè)定轉(zhuǎn)速。

圖5 機(jī)組啟動(dòng)初始階段仿真結(jié)果Fig.5 The initial simulition result of motor start

表1 變速電機(jī)參數(shù)Tab.1 Parameter of variable speed motor

表2 交流勵(lì)磁系統(tǒng)參數(shù)Tab.2 Parameter of AC excitation system

圖6 轉(zhuǎn)矩電流極限Fig.6 Limit of torque current