武 磊，李誠(chéng)帥，方書博，李 剛，李坤鵬，常東亮，羅海冰

(1.河南國(guó)網(wǎng)寶泉抽水蓄能有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453636；2.河南九域恩湃電力技術(shù)有限公司，河南 鄭州 450052)

0 引 言

抽水蓄能電站主要應(yīng)用于電力系統(tǒng)的調(diào)峰填谷，利用電力負(fù)荷低谷時(shí)的富余電能抽水至上水庫(kù)，在電力負(fù)荷高峰期放水至下水庫(kù)發(fā)電。此外還具備調(diào)頻、調(diào)相、穩(wěn)定電壓、事故備用等作用，對(duì)于電力系統(tǒng)的穩(wěn)定有重要作用[1-3]。抽水蓄能機(jī)組作為水泵工作在抽水工況，由于通常機(jī)組容量比較大，而且起停頻繁，需要解決機(jī)組起動(dòng)問題。目前抽水蓄能機(jī)組主要起動(dòng)方式為靜止變頻起動(dòng)，由靜止變頻器(Static Frequency Converter，SFC)完成。這種靜止變頻器通常為晶閘管拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，依賴于負(fù)載電機(jī)完成晶閘管換流，因此又稱作負(fù)載換流逆變器(LCI，Load Commutated Inverter)，屬于電流源型變換器[2- 4]。

靜止變頻器分為高-高結(jié)構(gòu)和高-低-高結(jié)構(gòu)。高-低-高結(jié)構(gòu)輸入側(cè)和輸出側(cè)加入了降壓變壓器和升壓變壓器。文獻(xiàn)[2]和[5]研究了高-高結(jié)構(gòu)靜止變頻器在抽水蓄能機(jī)組起動(dòng)中的應(yīng)用，通過非電氣量測(cè)量的低頻階段脈沖換相時(shí)刻計(jì)算方法建立數(shù)學(xué)模型完成Matlab/Simulink仿真。這種研究方法可以得到抽水蓄能機(jī)組起動(dòng)過程的基本規(guī)律，但對(duì)實(shí)際應(yīng)用的參考意義有限。文獻(xiàn)[6]和[7]設(shè)計(jì)了高-高結(jié)構(gòu)靜止變頻器應(yīng)用于抽水蓄能機(jī)組起動(dòng)的控制策略，并在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中得到驗(yàn)證，對(duì)于高-低-高結(jié)構(gòu)變頻起動(dòng)控制策略有借鑒意義。文獻(xiàn)[3]研究了多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的靜止變頻器，并就高-低-高結(jié)構(gòu)輸出升壓變壓器低頻運(yùn)行做了理論分析，然而沒有考慮變壓器接入時(shí)移相對(duì)控制策略的影響。

本文針對(duì)抽水蓄能機(jī)組使用高-低-高靜止變頻器的起動(dòng)問題，建立了抽水蓄能機(jī)組起動(dòng)平均轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)學(xué)模型，分析了升壓變壓器在負(fù)載換流階段較低頻

率時(shí)的運(yùn)行特性。結(jié)合抽水蓄能機(jī)組起動(dòng)過程的特點(diǎn)，以平均轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)學(xué)模型和變壓器低頻運(yùn)行特性為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了抽水蓄能機(jī)組變頻起動(dòng)不同轉(zhuǎn)速階段的控制策略和實(shí)現(xiàn)方式。通過在Matlab/Simulink中構(gòu)建抽水蓄能機(jī)組變頻起動(dòng)系統(tǒng)仿真模型，對(duì)控制策略進(jìn)行仿真驗(yàn)證，結(jié)果表明起動(dòng)性能良好，驗(yàn)證了控制策略的有效性。

1 高-低-高變頻起動(dòng)分析

高-低-高變頻起動(dòng)系統(tǒng)示意圖如圖1所示，這里采用12- 6脈波結(jié)構(gòu)。輸入降壓變壓器通過二次繞組接法的不同獲得移相30°的兩路三相交流電，經(jīng)三相全橋串聯(lián)結(jié)構(gòu)的12脈波整流器的整流作用和平波電抗器的濾波作用，得到相對(duì)平滑的直流電流id，經(jīng)由6脈波逆變器產(chǎn)生頻率可變的三相交流電[2，6，8-9]。低速階段(低于10%額定轉(zhuǎn)速)由于逆變器采用斷續(xù)換流，要保證直流電流快速下降到0，因此將輸出升壓變壓器旁路。轉(zhuǎn)速達(dá)到高速階段(高于10%額定轉(zhuǎn)速)時(shí)，逆變器采用負(fù)載換流，接入輸出升壓變壓器。

圖1 高-低-高變頻起動(dòng)系統(tǒng)示意

1.1 抽水蓄能機(jī)組起動(dòng)轉(zhuǎn)矩分析

不考慮抽水蓄能機(jī)組的機(jī)械部分，則其在電氣上為大型同步電機(jī)，由靜止變頻器提供的三相交流電產(chǎn)生的定子繞組旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)和直流勵(lì)磁產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子繞組磁場(chǎng)相作用，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩拖動(dòng)轉(zhuǎn)子跟隨靜止變頻器提供的三相交流電的頻率同步旋轉(zhuǎn)。從電路角度對(duì)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩作定量分析。如圖1所示，12脈波整流器輸出電壓有效值UDs為

(1)

式中，Us為輸入降壓變壓器二次側(cè)相電壓有效值；μr為整流器晶閘管換流重疊角；α為整流器整流觸發(fā)角。

逆變器輸入電壓有效值UDc為

(2)

式中，Uc為輸出升壓變壓器一次側(cè)相電壓有效值；μi為整流器晶閘管換流重疊角；γ為逆變器換流超前角，即超前于自然換流點(diǎn)的電角度。低速階段斷續(xù)換流時(shí)γ=0°，高速階段負(fù)載換流時(shí)通常γ=60°。

分析直流回路，可得動(dòng)態(tài)電壓方程式為

(3)

在非換流狀態(tài)，id近似為幅值恒定為ID的直流電流，則有

UDs=UDc+IDR∑

(4)

式中，R∑為回路總電阻；L為回路總電感，包含平波電抗器電感LD，換流過程中還包含換流電感。

設(shè)輸出到電機(jī)的電流(定子電流)基波有效值I保持恒定，若忽略逆變器和電機(jī)定子繞組的壓降和損耗，以及逆變器換流重疊角μi，當(dāng)升壓變壓器未接入時(shí)，靜止變頻器輸出的有功功率為

(5)

式中，E為定子繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)有效值。當(dāng)升壓變壓器接入系統(tǒng)后，式(5)依然成立。

可以看出忽略逆變器和電機(jī)定子繞組的壓降和損耗，以及逆變器換流重疊角μi后，靜止變頻器輸出的有功功率即為電機(jī)的電磁功率，換流超前角γ即為功率因數(shù)角。

可以得到平均起動(dòng)轉(zhuǎn)矩為

(6)

式中，E=Kω；Ω=npω；K為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)系數(shù)；np為電機(jī)極對(duì)數(shù)。

因此，恒定勵(lì)磁電流條件下，若ID(I∝ID)和γ不變，則平均起動(dòng)轉(zhuǎn)矩T恒定不變。空載狀態(tài)下起動(dòng)，忽略阻轉(zhuǎn)矩，由于機(jī)組慣性常數(shù)大，可以認(rèn)為機(jī)組為恒加速起動(dòng)。

1.2 升壓變壓器低頻工作分析

低速階段(低于10%額定轉(zhuǎn)速)由于逆變器采用斷續(xù)換流，要保證直流電流快速下降到0，因此將輸出升壓變壓器旁路。升壓變壓器在機(jī)組高于10%額定轉(zhuǎn)速時(shí)接入運(yùn)行，但仍較長(zhǎng)時(shí)間工作于遠(yuǎn)低于工頻的低頻狀態(tài)，因此需要就升壓變壓器低頻工作的運(yùn)行特性進(jìn)行理論分析。

忽略漏磁通和繞組電阻壓降的影響，在正弦電壓下變壓器正弦主磁通的幅值為

(7)

式中，f為工作頻率；N1、N2分別為一次側(cè)和二次側(cè)繞組匝數(shù)；E1、E2分別為一次側(cè)和二次側(cè)繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)有效值。由于升壓變壓器二次側(cè)繞組和電機(jī)定子繞組連接，故E2同時(shí)也是機(jī)端相電壓有效值。若忽略相繞組壓降，則E2等于電機(jī)相感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。

變壓器正常工作，要求Φm不能過大，避免磁路達(dá)到飽和。當(dāng)電機(jī)勵(lì)磁電流恒定時(shí)，電動(dòng)勢(shì)與轉(zhuǎn)速成正比。設(shè)電機(jī)工作在額定轉(zhuǎn)速的1/kn，忽略繞組壓降，則此時(shí)二次側(cè)繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為

同時(shí)頻率也降為f的1/kn，因此有

(9)

主磁通幅值不變，因此在低頻狀態(tài)下升壓變壓器不會(huì)出現(xiàn)飽和狀況，接入系統(tǒng)后可以正常工作。

2 高-低-高變頻起動(dòng)控制策略

由1.1的分析和式(7)可知，若保持勵(lì)磁電流恒定，即感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)系數(shù)K不變，平均起動(dòng)轉(zhuǎn)矩T由直流電流和ID和換流超前角γ決定。因此控制對(duì)象為整流器、逆變器和輸出升壓變壓器，涉及到整流觸發(fā)角α的計(jì)算、逆變觸發(fā)邏輯控制、變壓器移相電角度補(bǔ)償?shù)?。?低-高靜止變頻器控制系統(tǒng)示意如圖2所示。

圖2 高-低-高靜止變頻器控制系統(tǒng)示意

2.1 整流器觸發(fā)控制策略

在低于10%額定轉(zhuǎn)速的低速階段，機(jī)端電壓過小，不足以確保逆變器換流的可靠完成，需要借助整流器的控制實(shí)現(xiàn)斷續(xù)換流。逆變器換流時(shí)刻到來時(shí)，封鎖轉(zhuǎn)速-電流閉環(huán)的輸出，直接給定大于90°的整流觸發(fā)角α(通常為120°)完成整流器觸發(fā)，使整流器工作于有源逆變狀態(tài)，直流電流id快速下降到0，實(shí)現(xiàn)逆變器可靠換流。高速階段逆變器負(fù)載換流，無(wú)需整流器的配合，整流器觸發(fā)僅由轉(zhuǎn)速-電流閉環(huán)計(jì)算獲得的觸發(fā)角α決定。

2.2 逆變器觸發(fā)控制策略

低速階段逆變器采用斷續(xù)換流，通過整流器有源逆變狀態(tài)輔助完成換流過程，為獲得更大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，將換流超前角γ設(shè)定為0。高速階段采用負(fù)載換流，依賴于電機(jī)機(jī)端電壓完成逆變器換流，為保證換流的可靠完成，換流超前角γ通常設(shè)定為60°。

給定逆變器換流超前角γ后，采用30°雙窄脈沖觸發(fā)方式，逆變器晶閘管編號(hào)如圖1，初始轉(zhuǎn)子位置電角度滯后于電機(jī)A相90°電角度，故制定逆變器觸發(fā)信號(hào)的轉(zhuǎn)子位置電角度和換流超前角γ的關(guān)系見表1。

表1 逆變器晶閘管觸發(fā)信號(hào)對(duì)應(yīng)關(guān)系

2.3 升壓變壓器切換及其影響部分的控制策略

由1.2小節(jié)的分析可知，升壓變壓器在負(fù)載換流低頻狀態(tài)下可以正常工作。故高于10%額定轉(zhuǎn)速后，如圖2控制K1斷開、K2接通，將升壓變壓器接入系統(tǒng)，起動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)入負(fù)載換流模式。但升壓變壓器接入后會(huì)帶來兩方面影響，二次側(cè)繞組電壓移相和逆變器輸出電流減小。

位置辨識(shí)則通過機(jī)端電壓即變壓器二次側(cè)繞組電壓計(jì)算獲取，無(wú)法正確反映出變壓器一次側(cè)繞組電壓相位，導(dǎo)致逆變器觸發(fā)信號(hào)對(duì)應(yīng)關(guān)系發(fā)生角度偏移。例如連接組別Dyn11的輸出升壓變壓器，一次側(cè)繞組電壓滯后于二次側(cè)繞組電壓相位的30°電角度，會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)矩為負(fù)、平均轉(zhuǎn)矩為零的情況。對(duì)辨識(shí)獲得的轉(zhuǎn)子位置電角度進(jìn)行補(bǔ)償，即能夠確保γ=60°負(fù)載換流的可靠完成。

3 控制策略仿真驗(yàn)證

在Matlab/Simulink中構(gòu)建抽水蓄能機(jī)組高-低-高靜止變頻器起動(dòng)模型。抽水蓄能機(jī)組使用Matlab/Simulink同步電機(jī)模型。

抽水蓄能機(jī)組基本參數(shù)為：額定容量334 MV·A，額定電壓18 kV，額定頻率50 Hz，極對(duì)數(shù)6，飛輪轉(zhuǎn)矩3 750 t·m2。輸入降壓變壓器基本參數(shù)為：額定容量(23.5/11.75-11.75)MV·A，額定電壓(18±10%)/2.5-2.5 kV，連接組別Dd0y1。輸出升壓變壓器基本參數(shù)為：額定容量23.5MV·A，額定電壓4.75/18 kV，連接組別Dyn11。

保持輸出給抽水蓄能機(jī)組電流的有效值和95%額定轉(zhuǎn)速之前的勵(lì)磁電流不變，應(yīng)用第2節(jié)設(shè)計(jì)的控制策略，得到起動(dòng)轉(zhuǎn)速如圖3。其中0～A時(shí)刻為低速階段，加速度大于高速階段的A時(shí)刻～B時(shí)刻，符合式(7)中換流超前角γ與平均轉(zhuǎn)矩的關(guān)系；B時(shí)刻達(dá)到95%額定轉(zhuǎn)速，增加勵(lì)磁將機(jī)端電壓提高到額定值，因此加速度提高；C時(shí)刻滿足并網(wǎng)條件，切除靜止變頻器，抽水蓄能機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行。A時(shí)刻對(duì)應(yīng)于10.05 s，斷續(xù)換流切換到負(fù)載換流，升壓變壓器接入系統(tǒng)。如圖4所示為低高速切換時(shí)段實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)矩和平均轉(zhuǎn)矩，通過移相電角度補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)了低速斷續(xù)換流階段到高速負(fù)載換流階段的平滑過渡，沒有出現(xiàn)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)矩為負(fù)、平均轉(zhuǎn)矩為零的情況；圖5和圖6為低高速切換時(shí)段升壓變壓器一次側(cè)和機(jī)側(cè)線電壓、相電流波形，通過移相電角度補(bǔ)償和轉(zhuǎn)速環(huán)輸出限幅值重新設(shè)定，實(shí)現(xiàn)了低速斷續(xù)換流階段到高速負(fù)載換流階段的電壓和電流平滑過渡。以上結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的控制策略可以實(shí)現(xiàn)抽水蓄能機(jī)組良好的起動(dòng)性能。

圖3 抽水蓄能機(jī)組起動(dòng)轉(zhuǎn)速

圖4 低高速切換時(shí)段實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)矩和平均轉(zhuǎn)矩

圖5 低高速切換時(shí)段升壓變壓器一次側(cè)線電壓、相電流波形

圖6 低高速切換時(shí)段機(jī)側(cè)線電壓、相電流波形

4 結(jié) 論

本文針對(duì)抽水蓄能機(jī)組高-低-高靜止變頻器起動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)，通過數(shù)學(xué)公式描述了恒定勵(lì)磁電流下，直流電流ID和換流超前角γ對(duì)于與平均起動(dòng)轉(zhuǎn)矩T的正比，并且分析了升壓變壓器的低頻工作特性。從平均轉(zhuǎn)矩的影響因素ID和γ入手，制定了整流器和逆變器的觸發(fā)，和接入升壓變壓器后移相電角度補(bǔ)償及轉(zhuǎn)速環(huán)輸出限幅值重新設(shè)定的控制策略。通過在Matlab/Simulink平臺(tái)上的仿真，得到了抽水蓄能機(jī)組的良好起動(dòng)性能，驗(yàn)證了控制策略的有效性。