雙饋水輪發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王 丹，孫 靜，馬 濤

（1.蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，甘肅蘭州730070；2.西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，陜西西安710065；3.陜西省電力設(shè)計(jì)院，陜西西安710054）

1 引言

雙饋水輪發(fā)電系統(tǒng)是一種新型的水力發(fā)電系統(tǒng)，通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電壓的幅值、頻率、相位和相序，控制發(fā)電機(jī)勵(lì)磁磁場(chǎng)的大小及其相對(duì)轉(zhuǎn)子的位置和電機(jī)轉(zhuǎn)速，獨(dú)立調(diào)節(jié)有功功率與無(wú)功功率。為了更好地實(shí)現(xiàn)雙饋水輪發(fā)電機(jī)系統(tǒng)負(fù)荷的優(yōu)化調(diào)節(jié)，提高系統(tǒng)并網(wǎng)的穩(wěn)定性，研究設(shè)計(jì)具有良好的靜態(tài)穩(wěn)定性、快速的動(dòng)態(tài)相應(yīng)能力、魯棒性強(qiáng)、自適應(yīng)能力好的勵(lì)磁控制系統(tǒng)有重要的理論意義和工程價(jià)值。

2 系統(tǒng)組成及工作原理

采用雙PWM交-直-交變頻器可獲得任意功率因數(shù)的正弦輸入電流，具有能量雙向流動(dòng)的能力，它是一種滿(mǎn)足雙饋水輪發(fā)電機(jī)交流勵(lì)磁電源要求的理想變頻電源。勵(lì)磁系統(tǒng)的主要兩個(gè)部分是PWM整流和PWM逆變，這其中包括了交流側(cè)電感、直流側(cè)電容、采樣電路、隔離驅(qū)動(dòng)電路、DSP外圍的鍵盤(pán)、LCD顯示模塊、通信接口。當(dāng)發(fā)電機(jī)處于亞同步發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，電機(jī)軸上的機(jī)械功率和轉(zhuǎn)子輸入的轉(zhuǎn)差功率都以電磁功率的形式送到定子側(cè)，再回饋電網(wǎng)，此時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)子要從電網(wǎng)吸收功率，通過(guò)控制事件管理器輸出的PWM脈沖信號(hào)的幅值和頻率，實(shí)現(xiàn)調(diào)速，調(diào)節(jié)有功、無(wú)功的功率［1]。以DSP為控制核心的雙PWM雙饋水輪發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 雙PWM勵(lì)磁控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3 硬件部分設(shè)計(jì)

3.1 主電路結(jié)構(gòu)與參數(shù)選擇

對(duì)于雙饋水輪發(fā)電機(jī)來(lái)說(shuō)，水頭、負(fù)荷的變化［2]，決定了雙饋水輪發(fā)電機(jī)可以工作在不同的工況下：同步速、亞同步速、超同步速，采用雙PWM控制的勵(lì)磁電源滿(mǎn)足了這種四象限運(yùn)行，主電路結(jié)構(gòu)形式如圖2所示，圖2中ua、ub、uc為三相電網(wǎng)電壓，L、R分別為交流進(jìn)線(xiàn)電抗器的電感和等效電阻，轉(zhuǎn)子側(cè)接雙饋水輪發(fā)電機(jī)。

圖2 雙饋水輪發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)圖

本文設(shè)計(jì)的雙饋發(fā)電機(jī)功率400kW，額定電壓為400V，勵(lì)磁電流150A，電網(wǎng)最高電壓（機(jī)端）460V。變頻器的選擇實(shí)際上就是功率開(kāi)關(guān)管IGBT的選擇，當(dāng)采用SPWM控制時(shí)，IGBT橋路輸出線(xiàn)電壓最大值為460V，考慮2-3倍的安全系數(shù)，取額定電壓為1200V，本系統(tǒng)選用IPM PM500CLA120，額定電壓1200V，額定電流500A，開(kāi)關(guān)頻率最大15kHz；針對(duì)交流電感作用和選取要求，取L＝0.7mH，電感采用鐵粉芯制作，可以保證在較大的電感電流下磁芯不飽和；直流環(huán)節(jié)電容主要考慮開(kāi)關(guān)頻率、開(kāi)關(guān)紋波電流、直流輸出電壓、輸出紋波電壓等因素，選用220μF電容并聯(lián)入電路，耐壓為400V。

3.2 主電路驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

由于IPM（變頻器）功率管內(nèi)部把功率開(kāi)關(guān)器件和驅(qū)動(dòng)電路集成在一起，DSP輸出的PWM信號(hào)經(jīng)過(guò)光電隔離后送給IGBT的柵極。光電隔離選用IPM專(zhuān)用光耦HCPL-4504，該光耦具有極短的寄生延時(shí)；瞬時(shí)共模為15kV/μs；TTL兼容；開(kāi)路輸出等特點(diǎn)［3]。如圖3所示為IPM驅(qū)動(dòng)的典型電路。

圖3 IPM驅(qū)動(dòng)典型電路

3.3 同步電路設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的同步方波變換電路由遲滯電壓比較電路、高速光耦、過(guò)零比較電路組成，電路圖如圖4所示，54AC11151FK為八選一數(shù)據(jù)選擇器，DSP的地址線(xiàn)A12、A13、A14控制輸入模擬量的選擇，選中的模擬量送給DSP ADCIN0端，數(shù)據(jù)選擇器的使能端由IOPB5控制。

4 軟件部分設(shè)計(jì)

4.1 網(wǎng)側(cè)變換器的控制程序

圖4 同步電路

網(wǎng)側(cè)變換器控制程序框圖如圖5所示。主要功能是通過(guò)控制PWM信號(hào)的幅值和頻率使輸出的直流電壓跟隨給定直流電壓，維持輸出直流電壓的穩(wěn)定性，使得網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)接近1。同時(shí)計(jì)算有功、無(wú)功功率，作為轉(zhuǎn)子側(cè)變換器的輸入信號(hào)，也作為電能計(jì)算的依據(jù)。

圖5 電網(wǎng)側(cè)變換器控制軟件流程圖

4.2 轉(zhuǎn)子側(cè)變換器控制程序

轉(zhuǎn)子側(cè)變換器控制軟件流程如圖6所示。主要功能是調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，獨(dú)立調(diào)節(jié)有功、無(wú)功功率，調(diào)節(jié)電壓相位，使輸出的電能滿(mǎn)足用戶(hù)要求［4]。

5 仿真實(shí)驗(yàn)

基于DSP的雙饋水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)逆變器的仿真曲線(xiàn)如圖7所示。電機(jī)有關(guān)參數(shù)如下：P=400 kW，R1=1.89 Ω,R2=1.4 Ω,J=2.2kg·m2,LS=0.196 H,Lm=0.187H,np=4，ne=120 rad/min。

開(kāi)始時(shí)，發(fā)電機(jī)空載起動(dòng)，在1.5 s時(shí),逐漸加負(fù)載直至額定負(fù)載30 N·m，發(fā)電機(jī)實(shí)際負(fù)載轉(zhuǎn)矩逐漸上升,定子三相電流也逐漸升高直至額定電流。3.5 s后負(fù)載突減為20 N·m，4.3 s時(shí)，負(fù)載又突變?yōu)?0 N·m。從仿真曲線(xiàn)可以看出，全壓起動(dòng)時(shí)，在0.3s內(nèi)速度、轉(zhuǎn)矩等的瞬態(tài)值基本趨于穩(wěn)態(tài)，電機(jī)完成了全壓起動(dòng)過(guò)程，實(shí)際轉(zhuǎn)速為120rad/min；在0.3s以后，瞬態(tài)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速趨于穩(wěn)定。系統(tǒng)上升時(shí)間約為0.2s，超調(diào)很小，對(duì)負(fù)載變化波動(dòng)較小。實(shí)際轉(zhuǎn)速在負(fù)載突變時(shí)，有一定的波動(dòng)，但波動(dòng)持續(xù)時(shí)間很短，很快趨于穩(wěn)定。

圖6 轉(zhuǎn)子側(cè)變換器控制軟件流程圖

圖7 雙饋水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)逆變器的仿真曲線(xiàn)

6 結(jié)論

本文介紹了雙饋水輪發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，對(duì)系統(tǒng)的主電路選擇、主電路的驅(qū)動(dòng)電路、專(zhuān)用電源電路、同步串行電路等分別進(jìn)行了研究。軟件設(shè)計(jì)部分對(duì)網(wǎng)側(cè)、轉(zhuǎn)子側(cè)變換器控制程序設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)合水輪機(jī)PID調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)量、無(wú)功、有功功率、水頭等因素，可以實(shí)現(xiàn)雙饋水輪發(fā)電的勵(lì)磁控制和水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)聯(lián)合控制，從而達(dá)到系統(tǒng)負(fù)荷的優(yōu)化調(diào)節(jié)。仿真結(jié)果表明，雙饋水輪發(fā)電機(jī)動(dòng)、靜態(tài)性能良好，驗(yàn)證了軟件編程的可行性和硬件設(shè)計(jì)的正確性。

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