王 舒，梁廷婷，孫 靜，汪宇懷

(1.南瑞集團(tuán)有限公司(國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院有限公司)，江蘇 南京 211106；2.國(guó)電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 211106；3.國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司，北京 100761；4.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司，浙江 杭州 310007)

采用交流勵(lì)磁系統(tǒng)的可變速抽水蓄能機(jī)組由于其變速恒頻的運(yùn)行特性，可以在發(fā)電、抽水兩種工況下更好地適應(yīng)水頭的變化，始終運(yùn)行在最優(yōu)轉(zhuǎn)速，提高了機(jī)組的運(yùn)行效率，降低了對(duì)環(huán)境水頭的要求，目前在國(guó)外的水電行業(yè)已經(jīng)得到了比較廣泛的應(yīng)用[1- 4]。

機(jī)組的交流勵(lì)磁系統(tǒng)目前應(yīng)用最廣泛的是交-直-交結(jié)構(gòu)的變頻器，可以看作是網(wǎng)側(cè)和機(jī)側(cè)兩個(gè)相同結(jié)構(gòu)的變換器通過直流側(cè)的電容相連組合而成。目前對(duì)交流勵(lì)磁系統(tǒng)變頻器的控制策略基本是將網(wǎng)側(cè)變換器和機(jī)側(cè)變換器看成兩個(gè)通過直流側(cè)電容實(shí)現(xiàn)解耦的獨(dú)立部分分別進(jìn)行控制。實(shí)際運(yùn)行過程中，由于水頭和功率的改變，變速抽蓄機(jī)組的轉(zhuǎn)速在超同步速和次同步速之間調(diào)節(jié)，對(duì)于大容量的變速抽蓄機(jī)組，當(dāng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)快時(shí)，變頻器上的功率變動(dòng)大，如果網(wǎng)側(cè)變換器的控制性能不佳，容易導(dǎo)致直流側(cè)電容的過壓或者欠壓。針對(duì)這個(gè)問題，本文提出根據(jù)機(jī)側(cè)變換器的控制結(jié)果，對(duì)網(wǎng)側(cè)變換器的控制增加一個(gè)功率前饋控制分量來提高對(duì)直流側(cè)電壓的控制效果，并通過仿真與動(dòng)模試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證[5-10]。

1 網(wǎng)側(cè)變換器雙閉環(huán)矢量控制

變速抽蓄機(jī)組的電機(jī)交流勵(lì)磁系統(tǒng)基本電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 變速抽蓄機(jī)組交流勵(lì)磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1中，e為電網(wǎng)電壓；u為網(wǎng)側(cè)變換器交流側(cè)電壓；i為網(wǎng)側(cè)變換器交流側(cè)電流；R為網(wǎng)側(cè)變換器交流側(cè)電阻；L為網(wǎng)側(cè)變換器交流側(cè)濾波電感；下標(biāo)中的a、b、c代表三相坐標(biāo)系A(chǔ)BC軸的量；udc為交流勵(lì)磁變頻器直流側(cè)電壓；C為直流側(cè)穩(wěn)壓電容；ic為電容上流過的電流；iL為變頻器從直流側(cè)流入機(jī)側(cè)變換器的電流。

機(jī)組穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，網(wǎng)側(cè)變換器和機(jī)側(cè)變換器中流過的功率平衡，直流側(cè)的電容上電壓為定值，因此，網(wǎng)側(cè)變換器和機(jī)側(cè)變換器可以看作是兩個(gè)獨(dú)立的變換器分別進(jìn)行控制。

對(duì)網(wǎng)側(cè)變換器的控制目標(biāo)在于控制直流側(cè)的電壓穩(wěn)定在參考值，同時(shí)調(diào)節(jié)交流側(cè)的功率因數(shù)。

根據(jù)網(wǎng)側(cè)變換器的電路圖，可以得到其電壓電流的關(guān)系式為

(1)

轉(zhuǎn)換到兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中，得到

(2)

式中，ed、eq分別為電網(wǎng)電壓d、q軸分量；id、iq分別為網(wǎng)側(cè)變換器交流側(cè)電流d、q軸分量；ud、uq分別為網(wǎng)側(cè)變換器交流側(cè)電壓d、q軸分量；ω0代表同步轉(zhuǎn)速，即ω0=2π×50。

對(duì)于網(wǎng)側(cè)變換器的坐標(biāo)變換，采用電網(wǎng)電壓矢量定向，即將兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的d軸定位于電網(wǎng)電壓矢量方向，q軸超前d軸90°，在電壓矢量定向的兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，電流d軸分量為有功分量，q軸分量為無功分量。因此

(3)

式中，es為電網(wǎng)電壓矢量的幅值，將式(3)帶入式(2)即得到

(4)

通過采用前饋補(bǔ)償?shù)姆椒?，就可以?shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)變換器交流側(cè)電壓電流d、q分量的解耦控制。

因此，對(duì)交流側(cè)電流閉環(huán)控制采用PI調(diào)節(jié)器，根據(jù)交流側(cè)電流的參考值與反饋值的誤差，得到交流側(cè)電壓的控制目標(biāo)值，電流環(huán)的控制方程為

(5)

根據(jù)功率平衡的原理，不考慮有功損耗時(shí)，網(wǎng)側(cè)變換器交流側(cè)從電網(wǎng)吸收的有功功率與直流側(cè)消耗的功率相等，得到

(6)

將式(3)帶入式(6)可以推導(dǎo)得到

(7)

因此，對(duì)直流側(cè)電壓閉環(huán)控制采用PI調(diào)節(jié)器，根據(jù)直流側(cè)電壓的參考值與反饋值的誤差，得到交流側(cè)電流d軸分量的參考值，電壓環(huán)的控制方程為

(8)

綜上，即得到網(wǎng)側(cè)變換器基于電網(wǎng)電壓矢量定向，直流側(cè)電壓外環(huán)，交流側(cè)電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。

2 網(wǎng)側(cè)變換器功率前饋控制

常規(guī)網(wǎng)側(cè)變換器雙閉環(huán)控制系統(tǒng)中，外環(huán)的直流電壓環(huán)是根據(jù)直流電壓的波動(dòng)調(diào)節(jié)內(nèi)環(huán)交流側(cè)電流有功分量的參考值，本文在此基礎(chǔ)上對(duì)內(nèi)環(huán)交流側(cè)電流有功分量參考值增加了功率前饋控制分量。

根據(jù)電機(jī)學(xué)的基本原理，可以得到基于定子磁鏈?zhǔn)噶慷ㄏ虻膬上嗤叫D(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電機(jī)磁鏈與電流的關(guān)系式為

(9)

式中，Ψ、L、i分別為電機(jī)定轉(zhuǎn)子側(cè)的磁鏈、電感、電流；下標(biāo)中的s代表定子側(cè)；r代表轉(zhuǎn)子側(cè)；Lm為電機(jī)定轉(zhuǎn)子之間的互感。

對(duì)于電機(jī)模型的坐標(biāo)變換，采用定子磁鏈?zhǔn)噶慷ㄏ?，即將兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的d軸定位于電機(jī)定子磁鏈?zhǔn)噶糠较?，q軸超前d軸90°。電機(jī)定子電壓矢量與磁鏈?zhǔn)噶肯辔唤窍嗖?0°，因此，在定子磁鏈?zhǔn)噶慷ㄏ虻膬上嗤叫D(zhuǎn)坐標(biāo)系下，電流d軸分量為無功分量，q軸分量為有功分量。

定子磁鏈?zhǔn)噶慷ㄏ虻膬上嗤叫D(zhuǎn)坐標(biāo)系下，定子磁鏈的d、q軸分量為

(10)

式中，Ψs為定子磁鏈?zhǔn)噶康姆怠?/p>

定子電壓的d、q軸分量為

(11)

式中，us為定子電壓矢量的幅值。

將式(10)帶入式(9)可以推導(dǎo)得到電機(jī)的定轉(zhuǎn)子電流關(guān)系為

(12)

根據(jù)式(11)、(12)得到電機(jī)定子側(cè)有功功率

(13)

式中，Ps為電機(jī)定子側(cè)有功功率。

采用交流勵(lì)磁的變速電機(jī)定轉(zhuǎn)子側(cè)功率滿足

(14)

式中，Pr為電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)有功功率，也就是交流勵(lì)磁變頻器的輸出功率；s為電機(jī)轉(zhuǎn)差率；n為電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速；n0為50 Hz的同步轉(zhuǎn)速。

交流勵(lì)磁系統(tǒng)中變頻器的輸出功率為

(15)

根據(jù)功率平衡原理，不考慮有功損耗的情況下，變頻器網(wǎng)側(cè)輸入有功為

Pin=edid+eqiq=esid=Pr

(16)

從而得到變頻器網(wǎng)側(cè)變換器的交流側(cè)電流與電機(jī)的轉(zhuǎn)子電流之間的關(guān)系為

(17)

式中，irq為機(jī)側(cè)變換器輸出的轉(zhuǎn)子電流有功分量；電網(wǎng)電壓es和定子電壓us在電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)可以認(rèn)為是常數(shù)；Lm和Ls是電機(jī)的電感參數(shù)；n0是50 Hz的同步轉(zhuǎn)速。因此，可以得到對(duì)網(wǎng)側(cè)變換器交流側(cè)電流的功率前饋控制分量為

id=KP(n-n0)irq_ref

(18)

式中，KP為功率前饋控制分量的比例系數(shù)；irq_ref為機(jī)側(cè)變換器控制系統(tǒng)中轉(zhuǎn)子電流有功分量參考值。

優(yōu)化后的網(wǎng)側(cè)變換器控制系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 優(yōu)化后網(wǎng)側(cè)變換器控制示意

3 仿真與實(shí)驗(yàn)

3.1 MATLAB仿真

對(duì)上述的交流勵(lì)磁控制系統(tǒng)，在MATLAB中搭建仿真模型，模型參數(shù)采用實(shí)際1.5 MW雙饋電機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)參數(shù)，額定功率1.5 MV·A，電機(jī)定子電阻0.002 4 Ω，定子電感0.004 3 H，轉(zhuǎn)子電阻0.003 3 Ω，轉(zhuǎn)子電感0.004 1 H，定轉(zhuǎn)子互感0.003 2 H。

設(shè)定機(jī)組初始運(yùn)行在45 Hz(1 350 r/min)，仿真時(shí)間0.3 s時(shí)電機(jī)定子側(cè)開始建壓，經(jīng)過0.5 s完成同期并網(wǎng)控制，0.8 s時(shí)并入電網(wǎng)開始輸出功率，0.4 s內(nèi)達(dá)到滿載1.5 MW有功功率輸出，之后，維持輸出的有功功率不變，1.5 s時(shí)機(jī)組轉(zhuǎn)速開始從45 Hz(1 350 r/min)逐漸上升到1.7 s時(shí)的55 Hz(1 650 r/min)，對(duì)于網(wǎng)側(cè)變換器，直流側(cè)電壓參考值設(shè)置為1 100 V。在機(jī)組調(diào)節(jié)輸出有功功率和變轉(zhuǎn)速運(yùn)行的仿真過程中，機(jī)組輸出的有功功率、轉(zhuǎn)速和變頻器直流側(cè)電壓如圖3所示，其中，直流電壓波形中實(shí)線為網(wǎng)側(cè)變換器采用常規(guī)的雙閉環(huán)控制策略的仿真結(jié)果，虛線為網(wǎng)側(cè)變換器采用本文提出的優(yōu)化后的控制策略的仿真結(jié)果。

圖3 仿真運(yùn)行結(jié)果

根據(jù)仿真運(yùn)行結(jié)果可以看出，本文所建立的網(wǎng)側(cè)變換器優(yōu)化控制系統(tǒng)能夠抑制機(jī)組變速變功率運(yùn)行過程中變頻器直流側(cè)的電壓波動(dòng)。

3.2 動(dòng)模試驗(yàn)

基于1.5 MW雙饋電機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)所建立的網(wǎng)側(cè)變換器優(yōu)化控制系統(tǒng)的控制性能進(jìn)行驗(yàn)證。

通過拖動(dòng)變頻器控制電機(jī)轉(zhuǎn)速為55 Hz(1 650 r/min)時(shí)，通過交流勵(lì)磁系統(tǒng)控制電機(jī)建壓并網(wǎng)運(yùn)行后，調(diào)節(jié)電機(jī)輸出的有功功率從300 kW增加到1 MW，功率調(diào)節(jié)過程中，交流勵(lì)磁變頻器的直流側(cè)電壓和電機(jī)輸出有功功率波形如圖4a所示。

交流勵(lì)磁系統(tǒng)控制電機(jī)輸出有功功率維持在300 kW時(shí)，通過拖動(dòng)變頻器使電機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)?5 Hz(1 650 r/min)逐漸下降到45 Hz(1 350 r/min)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過程中，交流勵(lì)磁變頻器的直流側(cè)電壓和電機(jī)轉(zhuǎn)速波形如圖4b所示。

圖4 動(dòng)模實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)動(dòng)模實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，在電機(jī)變速變功率運(yùn)行過程中，交流勵(lì)磁變頻器的直流側(cè)電壓基本穩(wěn)定在參考值1 100 V，所建立的網(wǎng)側(cè)變換器優(yōu)化控制系統(tǒng)具有良好的控制性能。

4 結(jié) 論

本文針對(duì)變速抽蓄機(jī)組中交-直-交變頻器的網(wǎng)側(cè)變換器部分，在常規(guī)的電網(wǎng)電壓矢量定向，直流電壓外環(huán)、交流側(cè)電流內(nèi)環(huán)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，引入功率前饋控制分量，對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，并通過仿真和動(dòng)模試驗(yàn)對(duì)所建立的控制系統(tǒng)進(jìn)行了驗(yàn)證，證明其對(duì)于直流側(cè)電壓的控制效果有所改善，具有良好的控制性能。考慮到實(shí)際的變速抽蓄機(jī)組容量可以達(dá)到幾百M(fèi)W，交流勵(lì)磁變頻器上流過的功率達(dá)到幾十MW，在機(jī)組變速變功率運(yùn)行時(shí)，要求變頻器網(wǎng)側(cè)能夠?qū)崿F(xiàn)快速的功率調(diào)節(jié)，保證直流側(cè)電壓的穩(wěn)定，本文給出的網(wǎng)側(cè)變換器優(yōu)化控制方案具有一定的參考價(jià)值。