抽水蓄能機(jī)組靜止變頻器起動控制系統(tǒng)半實(shí)物仿真

李官軍， 楊 波， 陶以彬， 王德順， 俞 斌， 桑丙玉

(國網(wǎng)電力科學(xué)研究院，江蘇南京 210003)

0 引言

抽水蓄能作為一種電力儲能的最主要的方式，具有容量大、儲能單位容量經(jīng)濟(jì)性高、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn);抽水蓄能電站對于電力系統(tǒng)具有調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相、事故備用等多種用途。隨著風(fēng)能、太陽能等新能源大規(guī)模接入電力系統(tǒng)，抽水蓄能必將得到更大的發(fā)展空間，同時(shí)也對電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行肩負(fù)更加重要的作用。

目前，國內(nèi)抽水蓄能機(jī)組變頻起動器全部采用國外的產(chǎn)品，導(dǎo)致投資成本高、維護(hù)和更新困難。突破靜止變頻器(Static Frequency Converter，SFC)產(chǎn)品的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)，是打破國外企業(yè)在SFC產(chǎn)品上的壟斷，實(shí)現(xiàn)10 MW級特大容量變頻器的國產(chǎn)化是當(dāng)前迫切需要進(jìn)行的工作。

抽水蓄能電站電機(jī)起動系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)配置為變頻器起動為主，背靠背起動為輔。目前，抽水蓄能機(jī)組的靜止變頻器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要包括“6脈波高 －高”、“6脈波高 －低 －高”、“12脈波高－高”和“12脈波高－低－高”四種。

由于抽水蓄能電站的發(fā)電電動機(jī)容量比較大，從經(jīng)濟(jì)角度考慮，高－低－高型SFC投資較大;但從可靠性的角度，高－高結(jié)構(gòu)需要多個(gè)晶閘管串聯(lián)，這就對閥串的均壓特性及晶閘管開關(guān)特性的一致性有較高要求，同時(shí)對觸發(fā)系統(tǒng)的精度也有很高要求。從控制策略研究角度，無論哪種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的SFC起動方式都基本一致，本文擬對基于高－高型SFC抽水蓄能機(jī)組起動關(guān)鍵控制技術(shù)進(jìn)行研究。

1 SFC起動原理

1.1 SFC起動系統(tǒng)構(gòu)成

SFC起動系統(tǒng)主要包括網(wǎng)側(cè)整流器、直流電抗器、機(jī)側(cè)逆變器、大功率同步電機(jī)、勵磁整流器、網(wǎng)側(cè)斷路器、機(jī)側(cè)斷路器、并網(wǎng)斷路器等設(shè)備。其主電路拓?fù)淙鐖D1所示。

圖1 SFC系統(tǒng)主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.2 SFC起動同步機(jī)組流程

在抽水蓄能機(jī)組中，SFC實(shí)現(xiàn)機(jī)組由靜止?fàn)顟B(tài)加速起動，直至并網(wǎng)的全部控制流程。它主要包括投入勵磁、脈沖換相運(yùn)行、換相方式切換過渡過程控制、負(fù)載換相運(yùn)行、同期調(diào)節(jié)和并網(wǎng)六個(gè)階段［1］:

(1)在機(jī)組處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，首先投入勵磁電流，通過勵磁強(qiáng)勵，根據(jù)在定子中感應(yīng)的三相電壓計(jì)算轉(zhuǎn)子初始位置，確定第一組逆變器觸發(fā)脈沖;

(2)待勵磁電流上升至額定值并穩(wěn)定后，變頻器解鎖，進(jìn)入脈沖換相方式運(yùn)行;

(3)當(dāng)機(jī)組加速到額定轉(zhuǎn)速的10%時(shí)，首先按照脈沖換相運(yùn)行至電流過零時(shí)刻，再進(jìn)行換相方式的切換，SFC由脈沖換相運(yùn)行轉(zhuǎn)入負(fù)載換相運(yùn)行;

(4)完成換相方式的切換后，SFC靠電機(jī)反電動勢進(jìn)行負(fù)載換相，按設(shè)定轉(zhuǎn)速加速;

(5)當(dāng)機(jī)組加速到額定轉(zhuǎn)速的97%時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入同期調(diào)節(jié)運(yùn)行階段;

(6)在同期調(diào)整過程中，一旦符合并網(wǎng)條件，封鎖變流器脈沖，合上并網(wǎng)控制斷路器，機(jī)組與電網(wǎng)并列運(yùn)行，退出變頻器。

1.3 SFC起動控制策略

SFC起動控制策略包括整流器、逆變器和勵磁控制三部分;對整流器、勵磁控制已有大量文獻(xiàn)進(jìn)行詳細(xì)說明，在此僅作簡單描述;主要介紹逆變器的控制原理。

1.3.1 網(wǎng)側(cè)整流器控制

網(wǎng)側(cè)整流器的功能是通過控制直流電流的大小，以達(dá)到控制電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的目的。在脈沖換相階段，網(wǎng)側(cè)整流器還應(yīng)與逆變器配合控制實(shí)現(xiàn)在低頻階段的逆變器換相控制。

整流器的控制系統(tǒng)采用雙閉環(huán)PI控制，即外環(huán)為轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，內(nèi)環(huán)為電流閉環(huán)控制。

1.3.2 勵磁控制

勵磁控制采用電壓、電流雙閉環(huán)控制。

1.3.3 逆變器控制

逆變器控制［2］系統(tǒng)模型主要包括轉(zhuǎn)子位置檢測及控制脈沖生成。轉(zhuǎn)子初始位置角檢測是起動的關(guān)鍵，初始角計(jì)算不正確會導(dǎo)致起動失敗。

①低速轉(zhuǎn)子位置檢測算法。

利用三相線電壓經(jīng)3/2靜止坐標(biāo)變換，求出靜止坐標(biāo)系下的兩相相電壓分量uα、uβ，兩相電壓積分求出靜止坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)子矢量的兩相分量，反正切求解可得轉(zhuǎn)子位置角。

式中:θt——轉(zhuǎn)子t時(shí)刻的轉(zhuǎn)子位置角。

②逆變器控制主要分為以下階段:脈沖換相控制、負(fù)載換相控制、同期調(diào)節(jié)。

脈沖換相逆變器控制方式:在電機(jī)起動的低頻階段，定子感應(yīng)較小，不能依靠反電勢實(shí)現(xiàn)逆變器的換相，只能依靠整流逆變使定子電流為零，逆變器所有開關(guān)均關(guān)斷后整流器恢復(fù)整流狀態(tài)，逆變器按換相脈沖運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)換相。因此，在脈沖換相階段需要整流器、逆變器協(xié)調(diào)控制。脈沖換相的中間直流電流id以及電機(jī)相電流i、相電壓u示意圖如圖2所示。在脈沖換相階段采用超前角為γ=0°的控制方式。

脈沖換相、轉(zhuǎn)子位置角與脈沖換相矢量控制關(guān)系如表1所示，規(guī)定發(fā)電狀態(tài)時(shí)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向?yàn)檎D(zhuǎn)。由于在低速階段電機(jī)感應(yīng)電壓很低且含有大量諧波，即使經(jīng)過濾波仍然存在線電壓過零波動情況，故在電機(jī)頻率低于5 Hz，不能利用線電壓過零來確定電機(jī)的換相點(diǎn)。

圖2 脈沖換相運(yùn)行圖

表1 脈沖換相矢量控制

負(fù)載換相逆變器控制方式:隨著轉(zhuǎn)速上升，電機(jī)的反電勢能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)換相，為保證可靠換相，采用超前角γ=60°的控制方式;隨著速度上升，機(jī)端電壓增大，通過機(jī)端電壓試驗(yàn)換相過程會更快。因此，可以適當(dāng)減小超前角，以達(dá)到增大電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩、減小轉(zhuǎn)矩脈動、縮短起動時(shí)間的目的。負(fù)載換相的中間直流電流id、電機(jī)相電流i及相電壓u示意圖如圖3所示。

圖3 負(fù)載換相運(yùn)行圖

負(fù)載換相控制，在負(fù)載換相時(shí)采用線電壓過零為換相點(diǎn)。逆變器實(shí)現(xiàn)換相控制與線電壓關(guān)系如表2所示，表2為負(fù)載換相為理論上超前角為60°時(shí)，線電壓過零與開關(guān)通斷之間的關(guān)系。在實(shí)際控制中，由于電壓采樣需要經(jīng)過濾波，會產(chǎn)生一定的相移，會導(dǎo)致逆變器控制的超前角小于60°。如需要將超前角精度控制在60°，需要將過零參考點(diǎn)前移60°，然后通過控制器后移一定角度實(shí)現(xiàn)超前角60°控制。

表2 負(fù)載換相控制

當(dāng)機(jī)側(cè)、網(wǎng)側(cè)的頻差、壓差、相差滿足以下條件時(shí)即可并網(wǎng):

電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩為

θrs——定、轉(zhuǎn)子磁鏈之間夾角。

2 半實(shí)物仿真平臺搭建

半實(shí)物仿真平臺主要由RTDS仿真系統(tǒng)、功率放大器、SFC、人機(jī)界面構(gòu)成SFC控制器，主要完成同步電機(jī)起動算法驗(yàn)證，控制器通過對同步電機(jī)網(wǎng)側(cè)電壓、網(wǎng)側(cè)電流、機(jī)側(cè)電壓及開關(guān)量(監(jiān)控系統(tǒng))等信息讀取，并通過相應(yīng)控制算法輸出12路變流器的脈沖控制信號、勵磁控制信號、開關(guān)量控制信號，并將這些信號輸入到RTDS仿真系統(tǒng)中去實(shí)現(xiàn)同步電機(jī)的變頻起動。RTDS仿真系統(tǒng)功能模擬出控制器以外SFC系統(tǒng)的硬件設(shè)備，包括同步電機(jī)、PT、CT、負(fù)載、斷路器、變流器、電抗器等;仿真過程中，RTDS仿真系統(tǒng)將指定的模擬量、開關(guān)量通過相應(yīng)的硬件模塊輸出接入功率放大器。功率放大器的功能是將RTDS輸出模擬量信號轉(zhuǎn)化為與控制器對應(yīng)功率信號，將開關(guān)量轉(zhuǎn)化為與控制對應(yīng)的電平要求輸入至控制器。監(jiān)控軟件可以實(shí)現(xiàn)對SFC起動過程中涉及到的模擬量、開關(guān)量進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示及數(shù)據(jù)存儲。

SFC控制原理圖如圖4所示，原理圖虛線框內(nèi)由RTDS仿真系統(tǒng)模擬，虛線框以外的算法由SFC控制器實(shí)現(xiàn)。

圖4 SFC控制原理圖

3 仿真結(jié)果

本文采用RTDS的電機(jī)模型，并用抽水蓄能電站一臺容量為96 MVA，額定線電壓有效值為13.8 kV的抽水蓄能機(jī)組的實(shí)際參數(shù)(見表3)，對所述算法進(jìn)行半實(shí)物仿真驗(yàn)證。

通過設(shè)置不同初始轉(zhuǎn)子位置，控制器測得對應(yīng)的轉(zhuǎn)子位置如表4所示。從初始轉(zhuǎn)子位置的測量結(jié)果表明測量誤差控制在1電角度以內(nèi)，完全滿足測量要求。以下仿真結(jié)果中，圖5～7為監(jiān)控軟件記錄輸入側(cè)電壓、電流有效值，機(jī)端電壓與電機(jī)頻率波形;圖8～11為RTDS仿真系統(tǒng)記錄下起動系統(tǒng)中波形。

表3 96 MVA蓄能電機(jī)參數(shù)

表4 初始轉(zhuǎn)子位置測量結(jié)果

圖5 SFC起動過程，系統(tǒng)電流有效值

圖6 SFC起動過程，系統(tǒng)電壓有效值

圖7 機(jī)端線電壓有效值及電機(jī)頻率

圖8 轉(zhuǎn)速、直流電流、轉(zhuǎn)矩波形

圖9 脈沖換相過程，轉(zhuǎn)速、直流電流、轉(zhuǎn)矩、逆變器控制脈沖、機(jī)端線電壓波形

圖10 脈沖換相過渡到負(fù)載換相，轉(zhuǎn)速、直流電流、轉(zhuǎn)矩、機(jī)端脈沖、機(jī)端線電壓波形

圖11 并網(wǎng)時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、機(jī)側(cè)線電壓、網(wǎng)側(cè)線電壓波形

4 結(jié) 語

通過RTDS仿真系統(tǒng)、SFC控制器、功率放大器構(gòu)建的半實(shí)物仿真平臺，實(shí)現(xiàn)對抽水蓄能機(jī)組SFC起動控制策略的驗(yàn)證;試驗(yàn)結(jié)果表明起動過程中的初始位置測定、脈沖換相控制、負(fù)載換相控制、并網(wǎng)調(diào)節(jié)及并網(wǎng)判斷等階段的控制策略是正確的，為SFC控制進(jìn)行下一步動模試驗(yàn)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

［1］李官軍，王德順，陶以彬，等.抽水蓄能機(jī)組SFC起動控制系統(tǒng)的RTDS建模及仿真［D］.抽水蓄能電站工程建設(shè)文集，2009.

［2］高景德，王祥珩，李發(fā)海.交流電機(jī)及其系統(tǒng)的分析［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2005.