变速抽蓄交流励磁网侧变换器控制系统研究

王 舒，梁廷婷，孙 静，汪宇怀

(1.南瑞集团有限公司(国网电力科学研究院有限公司)，江苏 南京 211106；2.国电南瑞科技股份有限公司，江苏 南京 211106；3.国网新源控股有限公司，北京 100761；4.国网浙江省电力有限公司，浙江 杭州 310007)

采用交流励磁系统的可变速抽水蓄能机组由于其变速恒频的运行特性，可以在发电、抽水两种工况下更好地适应水头的变化，始终运行在最优转速，提高了机组的运行效率，降低了对环境水头的要求，目前在国外的水电行业已经得到了比较广泛的应用[1- 4]。

机组的交流励磁系统目前应用最广泛的是交-直-交结构的变频器，可以看作是网侧和机侧两个相同结构的变换器通过直流侧的电容相连组合而成。目前对交流励磁系统变频器的控制策略基本是将网侧变换器和机侧变换器看成两个通过直流侧电容实现解耦的独立部分分别进行控制。实际运行过程中，由于水头和功率的改变，变速抽蓄机组的转速在超同步速和次同步速之间调节，对于大容量的变速抽蓄机组，当转速调节快时，变频器上的功率变动大，如果网侧变换器的控制性能不佳，容易导致直流侧电容的过压或者欠压。针对这个问题，本文提出根据机侧变换器的控制结果，对网侧变换器的控制增加一个功率前馈控制分量来提高对直流侧电压的控制效果，并通过仿真与动模试验进行了验证[5-10]。

1 网侧变换器双闭环矢量控制

变速抽蓄机组的电机交流励磁系统基本电路结构如图1所示。

图1 变速抽蓄机组交流励磁系统结构

图1中，e为电网电压；u为网侧变换器交流侧电压；i为网侧变换器交流侧电流；R为网侧变换器交流侧电阻；L为网侧变换器交流侧滤波电感；下标中的a、b、c代表三相坐标系ABC轴的量；udc为交流励磁变频器直流侧电压；C为直流侧稳压电容；ic为电容上流过的电流；iL为变频器从直流侧流入机侧变换器的电流。

机组稳态运行时，网侧变换器和机侧变换器中流过的功率平衡，直流侧的电容上电压为定值，因此，网侧变换器和机侧变换器可以看作是两个独立的变换器分别进行控制。

对网侧变换器的控制目标在于控制直流侧的电压稳定在参考值，同时调节交流侧的功率因数。

根据网侧变换器的电路图，可以得到其电压电流的关系式为

(1)

转换到两相同步旋转坐标系中，得到

(2)

式中，ed、eq分别为电网电压d、q轴分量；id、iq分别为网侧变换器交流侧电流d、q轴分量；ud、uq分别为网侧变换器交流侧电压d、q轴分量；ω0代表同步转速，即ω0=2π×50。

对于网侧变换器的坐标变换，采用电网电压矢量定向，即将两相同步旋转坐标系的d轴定位于电网电压矢量方向，q轴超前d轴90°，在电压矢量定向的两相同步旋转坐标系下，电流d轴分量为有功分量，q轴分量为无功分量。因此

(3)

式中，es为电网电压矢量的幅值，将式(3)带入式(2)即得到

(4)

通过采用前馈补偿的方法，就可以实现网侧变换器交流侧电压电流d、q分量的解耦控制。

因此，对交流侧电流闭环控制采用PI调节器，根据交流侧电流的参考值与反馈值的误差，得到交流侧电压的控制目标值，电流环的控制方程为

(5)

根据功率平衡的原理，不考虑有功损耗时，网侧变换器交流侧从电网吸收的有功功率与直流侧消耗的功率相等，得到

(6)

将式(3)带入式(6)可以推导得到

(7)

因此，对直流侧电压闭环控制采用PI调节器，根据直流侧电压的参考值与反馈值的误差，得到交流侧电流d轴分量的参考值，电压环的控制方程为

(8)

综上，即得到网侧变换器基于电网电压矢量定向，直流侧电压外环，交流侧电流内环的双闭环控制系统。

2 网侧变换器功率前馈控制

常规网侧变换器双闭环控制系统中，外环的直流电压环是根据直流电压的波动调节内环交流侧电流有功分量的参考值，本文在此基础上对内环交流侧电流有功分量参考值增加了功率前馈控制分量。

根据电机学的基本原理，可以得到基于定子磁链矢量定向的两相同步旋转坐标系下的电机磁链与电流的关系式为

(9)

式中，Ψ、L、i分别为电机定转子侧的磁链、电感、电流；下标中的s代表定子侧；r代表转子侧；Lm为电机定转子之间的互感。

对于电机模型的坐标变换，采用定子磁链矢量定向，即将两相同步旋转坐标系的d轴定位于电机定子磁链矢量方向，q轴超前d轴90°。电机定子电压矢量与磁链矢量相位角相差90°，因此，在定子磁链矢量定向的两相同步旋转坐标系下，电流d轴分量为无功分量，q轴分量为有功分量。

定子磁链矢量定向的两相同步旋转坐标系下，定子磁链的d、q轴分量为

(10)

式中，Ψs为定子磁链矢量的幅值。

定子电压的d、q轴分量为

(11)

式中，us为定子电压矢量的幅值。

将式(10)带入式(9)可以推导得到电机的定转子电流关系为

(12)

根据式(11)、(12)得到电机定子侧有功功率

(13)

式中，Ps为电机定子侧有功功率。

采用交流励磁的变速电机定转子侧功率满足

(14)

式中，Pr为电机转子侧有功功率，也就是交流励磁变频器的输出功率；s为电机转差率；n为电机的实际转速；n0为50 Hz的同步转速。

交流励磁系统中变频器的输出功率为

(15)

根据功率平衡原理，不考虑有功损耗的情况下，变频器网侧输入有功为

Pin=edid+eqiq=esid=Pr

(16)

从而得到变频器网侧变换器的交流侧电流与电机的转子电流之间的关系为

(17)

式中，irq为机侧变换器输出的转子电流有功分量；电网电压es和定子电压us在电机稳态运行时可以认为是常数；Lm和Ls是电机的电感参数；n0是50 Hz的同步转速。因此，可以得到对网侧变换器交流侧电流的功率前馈控制分量为

id=KP(n-n0)irq_ref

(18)

式中，KP为功率前馈控制分量的比例系数；irq_ref为机侧变换器控制系统中转子电流有功分量参考值。

优化后的网侧变换器控制系统如图2所示。

图2 优化后网侧变换器控制示意

3 仿真与实验

3.1 MATLAB仿真

对上述的交流励磁控制系统，在MATLAB中搭建仿真模型，模型参数采用实际1.5 MW双馈电机试验平台参数，额定功率1.5 MV·A，电机定子电阻0.002 4 Ω，定子电感0.004 3 H，转子电阻0.003 3 Ω，转子电感0.004 1 H，定转子互感0.003 2 H。

设定机组初始运行在45 Hz(1 350 r/min)，仿真时间0.3 s时电机定子侧开始建压，经过0.5 s完成同期并网控制，0.8 s时并入电网开始输出功率，0.4 s内达到满载1.5 MW有功功率输出，之后，维持输出的有功功率不变，1.5 s时机组转速开始从45 Hz(1 350 r/min)逐渐上升到1.7 s时的55 Hz(1 650 r/min)，对于网侧变换器，直流侧电压参考值设置为1 100 V。在机组调节输出有功功率和变转速运行的仿真过程中，机组输出的有功功率、转速和变频器直流侧电压如图3所示，其中，直流电压波形中实线为网侧变换器采用常规的双闭环控制策略的仿真结果，虚线为网侧变换器采用本文提出的优化后的控制策略的仿真结果。

图3 仿真运行结果

根据仿真运行结果可以看出，本文所建立的网侧变换器优化控制系统能够抑制机组变速变功率运行过程中变频器直流侧的电压波动。

3.2 动模试验

基于1.5 MW双馈电机试验平台，对所建立的网侧变换器优化控制系统的控制性能进行验证。

通过拖动变频器控制电机转速为55 Hz(1 650 r/min)时，通过交流励磁系统控制电机建压并网运行后，调节电机输出的有功功率从300 kW增加到1 MW，功率调节过程中，交流励磁变频器的直流侧电压和电机输出有功功率波形如图4a所示。

交流励磁系统控制电机输出有功功率维持在300 kW时，通过拖动变频器使电机转速从55 Hz(1 650 r/min)逐渐下降到45 Hz(1 350 r/min)，转速调节过程中，交流励磁变频器的直流侧电压和电机转速波形如图4b所示。

图4 动模实验结果

根据动模实验结果可以看出，在电机变速变功率运行过程中，交流励磁变频器的直流侧电压基本稳定在参考值1 100 V，所建立的网侧变换器优化控制系统具有良好的控制性能。

4 结 论

本文针对变速抽蓄机组中交-直-交变频器的网侧变换器部分，在常规的电网电压矢量定向，直流电压外环、交流侧电流内环双闭环控制系统的基础上，引入功率前馈控制分量，对控制系统进行了优化，并通过仿真和动模试验对所建立的控制系统进行了验证，证明其对于直流侧电压的控制效果有所改善，具有良好的控制性能。考虑到实际的变速抽蓄机组容量可以达到几百MW，交流励磁变频器上流过的功率达到几十MW，在机组变速变功率运行时，要求变频器网侧能够实现快速的功率调节，保证直流侧电压的稳定，本文给出的网侧变换器优化控制方案具有一定的参考价值。