燃?xì)猓羝?lián)合循環(huán)機(jī)組靜止變頻啟動(dòng)矢量控制

桑丙玉，王德順，李官軍，楊波，陶以彬，俞斌

（國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院，江蘇 南京210003）

1 引言

當(dāng)今世界能源緊張，面對(duì)巨大的電力需求和環(huán)境壓力，燃?xì)猓羝?lián)合循環(huán)機(jī)組憑借其熱效率高、清潔環(huán)保、自動(dòng)化水平高的優(yōu)勢(shì)，裝機(jī)容量逐年遞增［1］。大型燃?xì)猓羝?lián)合循環(huán)機(jī)組主要利用負(fù)載換相逆變器（LCI）將發(fā)電機(jī)作電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，這種啟動(dòng)方式簡(jiǎn)便、可靠、成本低。

本文對(duì)LCI控制系統(tǒng)進(jìn)行研究分析，利用RTDS建立了LCI控制系統(tǒng)模型，提出了啟動(dòng)控制方法，通過(guò)仿真對(duì)所提控制算法進(jìn)行了驗(yàn)證，可實(shí)現(xiàn)大型燃?xì)猓羝?lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組的靜止啟動(dòng)控制。

2 燃機(jī)靜止變頻啟動(dòng)工作原理

燃?xì)猓羝?lián)合循環(huán)機(jī)組工作原理為，過(guò)濾的空氣經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)壓縮，一部分在燃燒室與噴入的天然氣混和燃燒，形成的高溫高壓氣體推動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)的葉片做功，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電；另一部分作為冷卻介質(zhì)冷卻各高溫部件，最后同高溫高壓的氣體一并進(jìn)入透平內(nèi)膨脹做功，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)做功輸出電能。此外，燃?xì)廨啓C(jī)的排煙溫度較高，它的尾部排煙經(jīng)過(guò)煙道排入余熱鍋爐中，產(chǎn)生高溫高壓的蒸汽，進(jìn)入蒸汽輪機(jī)做功，帶動(dòng)機(jī)組發(fā)電。

運(yùn)行中燃機(jī)透平產(chǎn)生的功一部分給壓縮機(jī)提供功率，另一部分為發(fā)電機(jī)組提供機(jī)械功。由于在啟動(dòng)時(shí)，燃機(jī)透平?jīng)]有做功，需要有一套額外的裝置供給燃機(jī)功率，以使壓縮機(jī)工作。目前廣泛采用的就是利用LCI，進(jìn)行靜止變頻啟動(dòng)。發(fā)電機(jī)作為同步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)加速之前，先由盤車電動(dòng)機(jī)將其帶動(dòng)到盤車速度，然后投LCI和轉(zhuǎn)子勵(lì)磁，LCI即拖動(dòng)電機(jī)加速；達(dá)到約25%額定轉(zhuǎn)速時(shí)，需要對(duì)燃機(jī)進(jìn)行點(diǎn)火前的吹掃，將上次運(yùn)行未燃盡的可燃?xì)怏w吹出燃燒室；吹掃完成后，降低LCI輸出電流使轉(zhuǎn)速下降到點(diǎn)火速度，當(dāng)壓氣機(jī)產(chǎn)生足夠壓縮比的氣體，進(jìn)入燃燒室的天然氣被點(diǎn)著燃燒，燃?xì)廨啓C(jī)開(kāi)始旋轉(zhuǎn)，LCI和燃機(jī)共同帶動(dòng)機(jī)組升速；當(dāng)升至自持速度時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)就可以自己維持旋轉(zhuǎn)了，即在此速度下，機(jī)組可以產(chǎn)生使自己不斷升速的功率，且能提供壓縮機(jī)運(yùn)行所需動(dòng)力，LCI開(kāi)始降低輸出電流；當(dāng)達(dá)到約90%額定轉(zhuǎn)速時(shí)，LCI和勵(lì)磁調(diào)節(jié)器退出，由燃機(jī)拖動(dòng)發(fā)電機(jī)升速，當(dāng)接近額定轉(zhuǎn)速時(shí)，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器起勵(lì)升壓，發(fā)電機(jī)經(jīng)同期裝置并網(wǎng)。

LCI靜止變頻啟動(dòng)主回路圖如圖1所示。采用12－6脈波電流源型變頻器。隔離變壓器采用△－△－Y接法，2個(gè)二次繞組分別給2個(gè)6脈波單橋整流器供電，使得二次側(cè)線電壓對(duì)一次側(cè)的相移相差30°，有利于消除諧波，并得到12脈波整流輸出。直流平波電抗器抑制直流電流紋波，并維持直流電流的連續(xù)。逆變器輸出頻率可變的交流電，拖動(dòng)機(jī)組啟動(dòng)。電機(jī)輸入側(cè)交流電抗器起到削弱高次諧波，提高功率因數(shù)及抑制交流側(cè)尖峰電壓的作用。

圖1 LCI系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The structure diagram of LCI

3 燃機(jī)靜止變頻啟動(dòng)控制策略

燃機(jī)靜止變頻啟動(dòng)控制分為轉(zhuǎn)矩控制、逆變器控制、整流器控制和勵(lì)磁控制4個(gè)部分。

3.1 轉(zhuǎn)矩控制

同步電機(jī)理想模型各繞組電壓方程為［2］

式中：p為微分算子。

定轉(zhuǎn)子各繞組磁鏈可通過(guò)各繞組自感L和繞組間互感M 表示，方程為［2］

式中：角標(biāo)a，b，c，f，D，Q 分別表示定子a，b，c相繞組、轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組、等效縱軸和等效橫軸阻尼繞組；r為電樞電阻。

式（2）可表示為如下形式：

式中：Ψs為定子磁鏈；Ψr為轉(zhuǎn)子磁鏈；Ls為定子自感；Lr為轉(zhuǎn)子自感；Lm為定轉(zhuǎn)子互感。

電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方程為

式中：J為機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，常數(shù)；ω為轉(zhuǎn)子角速度；TE為機(jī)組電磁轉(zhuǎn)矩；TL為阻力矩。

電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩為

式中：θrs為定子、轉(zhuǎn)子磁鏈之間夾角。

因此，通過(guò)整流器和逆變器控制可以控制定子電流，通過(guò)勵(lì)磁控制可以控制轉(zhuǎn)子電流，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的控制，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的啟動(dòng)加速。

3.2 逆變器控制

3.2.1 轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)

逆變器的控制矢量圖見(jiàn)圖2，規(guī)定電流流入繞組的磁鏈方向?yàn)檎?。根?jù)逆變橋可能的導(dǎo)通橋臂組合，將轉(zhuǎn)子的位置歸并為6種，將電機(jī)定子內(nèi)的空間劃分為6個(gè)60°的扇形區(qū)，如圖2所示，轉(zhuǎn)子必然處于6個(gè)扇形區(qū)之一。

圖2 逆變器的控制矢量圖Fig.2 The control vector of inverter

圖2中，A，B，C為三相靜止坐標(biāo)系；α，β為靜止正交坐標(biāo)系，I1～I(xiàn)6為定子磁鏈空間矢量。

轉(zhuǎn)子勵(lì)磁投入后，即在定子端產(chǎn)生感應(yīng)電壓，檢測(cè)機(jī)端三相線電壓經(jīng)3／2變換，求出靜止坐標(biāo)系下的α，β相電壓，進(jìn)行積分求出轉(zhuǎn)子磁通矢量的α，β分量，反正切求解可得轉(zhuǎn)子位置角。求解公式如下：

求出轉(zhuǎn)子初始位置角，根據(jù)初始位置角確定應(yīng)該導(dǎo)通的逆變橋臂，同時(shí)給整流橋發(fā)脈沖，即進(jìn)入脈沖換相控制階段。脈沖換相控制階段仍然利用上述方法檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置角。

3.2.2 脈沖換相控制

因?yàn)槊}沖換相期間沒(méi)有足夠的換相電壓使逆變橋關(guān)斷，采取強(qiáng)制關(guān)斷方式。當(dāng)檢測(cè)到轉(zhuǎn)子位置角所處區(qū)間發(fā)生變化時(shí)，即判斷為需要換相的時(shí)刻，此時(shí)控制整流橋觸發(fā)角進(jìn)行逆變，直流電流迅速減小，當(dāng)檢測(cè)直流電流降為零時(shí)，則向下一組需要導(dǎo)通的逆變橋臂發(fā)脈沖，并重新開(kāi)通整流橋。脈沖換相階段采用超前角為γ＝0°的控制方式。轉(zhuǎn)子位置角與脈沖換相矢量控制關(guān)系見(jiàn)表1，規(guī)定發(fā)電狀態(tài)時(shí)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向?yàn)檎D(zhuǎn)。

表1 脈沖換相矢量控制Tab.1 Pulse commutated vector control

3.2.3 負(fù)載換相控制

逆變橋的強(qiáng)迫換相有一個(gè)上限頻率，電機(jī)加速啟動(dòng)中，隨頻率增大，逆變橋換相周期越來(lái)越短，而取消并重建直流電流所需時(shí)間是恒定的，一般設(shè)定5Hz，即轉(zhuǎn)速達(dá)到10%額定轉(zhuǎn)速時(shí)，定子繞組的感應(yīng)電勢(shì)已能提供逆變橋換相，即進(jìn)入負(fù)載換相控制。

為保證可靠換相，采用超前角γ＝60°的控制方式。為防止由于積分累積誤差導(dǎo)致轉(zhuǎn)子位置計(jì)算錯(cuò)誤，負(fù)載換相時(shí)采用線電壓過(guò)零檢測(cè)。逆變器實(shí)現(xiàn)換相控制與線電壓關(guān)系見(jiàn)表2。表2中，AB＝0表示線電壓從正到負(fù)的過(guò)零點(diǎn)，ABN＝0表示從負(fù)到正的過(guò)零點(diǎn)。

表2 負(fù)載換相控制Tab.2 Load commutated vector control

3.3 整流器控制

脈沖換相時(shí)，整流器采用恒電流控制。給定直流電流參考值和電流反饋值進(jìn)行比較，差值經(jīng)PI調(diào)節(jié)，輸出所需的直流電壓，從而得到整流器觸發(fā)延遲角。

負(fù)載換相時(shí)，整流器采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制。轉(zhuǎn)速參考值和反饋值進(jìn)行比較，差值經(jīng)PI調(diào)節(jié)，輸出電流參考值；電流參考值和電流反饋值進(jìn)行比較，差值經(jīng)PI調(diào)節(jié)，輸出直流電壓值，從而得到觸發(fā)延遲角。

得到整流器的觸發(fā)延遲角后，以網(wǎng)側(cè)線電壓作為同步電壓，檢測(cè)自然換相點(diǎn)和觸發(fā)延遲角比較，觸發(fā)控制脈沖。整流器控制脈沖與線電壓過(guò)零的關(guān)系見(jiàn)表3。表3中，AB＝0表示線電壓從正到負(fù)的過(guò)零點(diǎn)，ABN＝0表示從負(fù)到正的過(guò)零點(diǎn)。三相電壓UA＝1∠0°，UB＝1∠－120°，UC＝1∠120°，正轉(zhuǎn)。

表3 整流器脈沖控制Tab.3 Pulse control of rectifier

3.4 勵(lì)磁控制

勵(lì)磁控制采取“勵(lì)磁電流＋機(jī)端電壓”控制方式。啟動(dòng)信號(hào)發(fā)出后，在盤車轉(zhuǎn)速下靜態(tài)啟動(dòng)器控制勵(lì)磁系統(tǒng)輸出一個(gè)較大的勵(lì)磁電流，在發(fā)電機(jī)升速過(guò)程中，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速較低，機(jī)端電壓尚未達(dá)到規(guī)定電壓值，LCI控制勵(lì)磁調(diào)節(jié)器維持勵(lì)磁電流為恒定值，而使發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速不斷升高。當(dāng)機(jī)端電壓達(dá)到規(guī)定值時(shí)，由機(jī)端電壓參考值和反饋值閉環(huán)調(diào)節(jié)得到勵(lì)磁電流參考值，從而控制勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的輸出。

機(jī)端電壓指令：

式中：Tac為設(shè)定加速時(shí)間，s。勵(lì)磁電流指令：

式中：K 為系數(shù)，一般取0.3～0.6。

4 LCI控制系統(tǒng)建模與仿真

利用RTDS建立的系統(tǒng)模型如圖3所示。

圖3 燃機(jī)LCI的RTDS仿真模型Fig.3 Control system emulator model of LCI

4.1 轉(zhuǎn)速曲線

轉(zhuǎn)速曲線如圖4所示。由圖4可見(jiàn)，轉(zhuǎn)速?gòu)谋P車速度開(kāi)始上升，上升到750r／min（25%）時(shí)維持清吹120s，清吹完成后LCI輸出被閉鎖，轉(zhuǎn)速開(kāi)始下降，下降到450r／min（15%）時(shí)模擬燃機(jī)點(diǎn)火，點(diǎn)火后升溫1min，然后在LCI和燃機(jī)共同拖動(dòng)下轉(zhuǎn)速不斷升高至額定轉(zhuǎn)速3 000r／min。

圖4 啟動(dòng)轉(zhuǎn)速曲線Fig.4 Curves of motor speed during the whole start－up stage

4.2 轉(zhuǎn)矩曲線

電機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中轉(zhuǎn)矩的變化如圖5所示。圖5中TM為燃機(jī)轉(zhuǎn)矩，TE為電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，從圖5中可看出點(diǎn)火前燃機(jī)轉(zhuǎn)矩為負(fù)載轉(zhuǎn)矩，清吹過(guò)程中拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩為零，燃機(jī)轉(zhuǎn)矩恒定，模擬點(diǎn)火后，燃機(jī)轉(zhuǎn)矩開(kāi)始逐漸變?yōu)閱?dòng)轉(zhuǎn)矩。

圖5 燃機(jī)轉(zhuǎn)矩和電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩曲線Fig.5 Curves of gas turbine torque and motor output torque

4.3 電壓電流曲線

啟動(dòng)過(guò)程中直流電流和機(jī)端電壓曲線如圖6所示。由圖6可知，脈沖換相階段直流電流存在斷續(xù)，清吹時(shí)直流電流減小，LCI閉鎖時(shí)直流電流為零，點(diǎn)火后隨著轉(zhuǎn)速升高直流電流逐漸減小，在轉(zhuǎn)速達(dá)90%處，LCI退出，直流電流為零，燃機(jī)仍拖動(dòng)電機(jī)加速，機(jī)端電壓持續(xù)上升到額定轉(zhuǎn)速。

從啟動(dòng)開(kāi)始到自然換相不同階段的細(xì)節(jié)波形如圖7～圖9所示，每張波形圖從上到下依次為電機(jī)轉(zhuǎn)矩、燃機(jī)轉(zhuǎn)矩、機(jī)端三相相電壓和一相線電壓、直流電流、定子三相電流曲線。

圖6 直流電流和機(jī)端電壓Fig.6 Curves of DC current and terminal voltage

從圖7～圖9可看出，脈沖換相開(kāi)始之前，機(jī)端感應(yīng)電壓很小，其他信號(hào)都為零，利用機(jī)端電壓計(jì)算出轉(zhuǎn)子初始位置角后激發(fā)逆變橋的第1個(gè)控制脈沖，啟動(dòng)器開(kāi)始工作，機(jī)端電壓也逐漸增大。脈沖換相時(shí)直流電流和定子電流出現(xiàn)斷續(xù)，這是因?yàn)閺?qiáng)制關(guān)斷整流橋進(jìn)行換相控制。脈沖換相向負(fù)載換相過(guò)渡時(shí)，直流電流首先降為零，待重新觸發(fā)后，直流電流和定子電流才重建。自然換相時(shí)直流電流和定子電流連續(xù)。

圖7 脈沖換相波形Fig.7 Curves during pulse commutated control

圖8 脈沖換相向負(fù)載換相過(guò)渡Fig.8 Curves during pulse to load commutated control

圖9 負(fù)載換相波形Fig.9 Curves during load commutated control

5 結(jié)論

本文對(duì)大型燃?xì)猓羝?lián)合循環(huán)機(jī)組靜止變頻啟動(dòng)進(jìn)行了研究，用RTDS對(duì)燃機(jī)靜止啟動(dòng)進(jìn)行了建模仿真，得出了和理論分析一致的結(jié)果，本文的內(nèi)容對(duì)深入研究燃機(jī)LCI啟動(dòng)有著重要參考價(jià)值。

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