柔性功率調節(jié)器動態(tài)運行特性實驗

吳晉波 文勁宇 孫海順 程時杰 洪 權 李 勇 徐友平

（1. 華中科技大學強電磁工程與新技術國家重點實驗室 武漢 430074 2. 華中電力調度通信中心 武漢 430077）

1 引言

功率平衡是電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的根本保證。隨著風電、太陽能等新能源大規(guī)模地接入電網，它們的隨機性和波動性將使電網功率失衡的概率大大增加，嚴重威脅電力系統(tǒng)的安全運行。采用儲能技術快速補償電網的功率不平衡，是一種增強電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的有效辦法。

在現有的各種儲能技術中，蓄電池[1-4]是一種比較成熟的儲能方式，但是，充放電速度和次數限制以及對環(huán)境的影響制約了其在電力系統(tǒng)中廣泛應用；超級電容器[5-8]具有良好的充放電特性，但其單個元件的儲能容量太低，還難以在電力系統(tǒng)中應用；超導磁儲能（SEMS）[9-12]被認為是一種最有應用前景的儲能技術，但目前由于其高昂的制造和運行成本，還難以在電力系統(tǒng)中得到廣泛應用。

飛輪儲能具有能量密度高、充放電速度快、運行壽命長、對環(huán)境影響小等特性，已在風力發(fā)電、電動汽車、航空航天等領域得到應用[13-16]，其在電力系統(tǒng)中的應用也是近年來的研究熱點之一[17-21]。

文獻[17]提出了一種綜合飛輪儲能和雙饋電機兩者優(yōu)點的新型 FACTS裝置——多功能柔性功率調節(jié)器（Flexible Power Conditioner，FPC），FPC具有電能存儲、有功功率和無功功率獨立調節(jié)等多種功能。文獻[17-21]對FPC的工作原理、功率傳遞關系、控制策略、運行特性以及啟動方式等進行了系統(tǒng)的研究，取得了一系列研究成果，但是這些成果都局限于理論研究和仿真分析，缺少實驗驗證。

本文在上述研究成果的基礎上，研制了一套380V/4kW的FPC實驗樣機，如圖1所示，具體參數見附錄，對該樣機的運行特性進行了全面的實驗研究，并對結果進行了分析。

圖1 FPC實驗樣機Fig.1 The prototype of the FPC

2 柔性功率調節(jié)器（FPC）樣機

2.1 變量及符號說明

本文中，P、Q、U、I、R、L、ω分別表示有功功率、無功功率、電壓、電流、電阻、電感、轉速，下標s、r、m分別表示雙饋電機定、轉子側以及氣隙對應量，下標 ref表示來自上一環(huán)節(jié)的指令值，下標d、q表示相應的d、q軸分量，上標*表示實際測量值，無下標的P、Q特指FPC總的輸出功率。功率以向電網釋放功率為正方向，定子側電流以流出定子為正方向，轉子側電流以流入轉子為正方向。另外，ωs=ω1-ωr，ω1、ωr分別為同步轉速及雙饋電機轉子轉速，s=ωs/ω1為轉差率，σ=LsLr/Lm-Lm。

2.2 FPC樣機的構成與并網方式

FPC樣機由帶有大慣量飛輪的變速恒頻雙饋電機、用于交流勵磁控制和功率調控的雙 PWM電壓型變頻器和微機監(jiān)控系統(tǒng)三個部分組成，如圖1所示。樣機結構與文獻[17]給出的設計方案基本一致。

FPC樣機的控制系統(tǒng)可以分為上層控制、中層控制和下層控制等三個層次，其中：上層控制的功能由微機監(jiān)控系統(tǒng)實現，中層控制和下層控制的功能由雙PWM變頻器內嵌驅動控制系統(tǒng)實現。

微機監(jiān)控系統(tǒng)對FPC自身的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測，同時監(jiān)測FPC所接入電網的運行狀態(tài)，根據相應的控制目標確定FPC應該發(fā)出或吸收的有功功率和無功功率的參考值（Pref和Qref），并將參考值指令發(fā)送給中層控制。

中層控制將上層控制發(fā)來的功率參考值轉化為電壓控制指令并發(fā)送給下層控制。由于定子磁鏈的準確測量比較困難，而定子電壓的檢測和控制比較容易實現[18]，因此中層控制采用了基于定子電壓定向的矢量勵磁控制策略，即Usd=0、Usq=Us，具體控制結構為功率、電流雙環(huán)PI控制，如圖2所示。

圖2 中層控制器控制框圖Fig.2 Control diagrams of the middle level controller

下層控制將中層控制發(fā)來的電壓控制指令轉換為變換器三相全橋的開關管導通控制信號，采用的控制策略為電壓空間矢量SVPWM法。

FPC樣機的運行狀態(tài)按轉速可分為亞同步狀態(tài)（500r/min～1 000r/min）和超同步狀態(tài)（1 000r/min～1 500r/min）。根據設計要求，FPC樣機的輸出有功功率范圍為-4kW～4kW，輸出無功功率范圍為-4kvar～4kvar。

實驗時，FPC樣機接入 380V電網，其中：雙饋電機的定子直接與電網相連，轉子側所接的變頻器通過變壓器與定子并聯接入電網，具體實驗接線如圖3所示。

圖3 實驗接線示意圖Fig.3 Schematic diagram of the test

2.3 FPC實際運行特性分析

FPC正常運行時，將變頻器整流側的功率因數設定為 1，不與電網進行無功交換，因此，FPC的輸出功率P、Q與雙饋電機定子側和轉子側輸出功率關系如下[17]：

在現有的FPC相關研究中[18,19]，通常忽略其定子電阻，但在實際運行過程中，定子電阻不能忽略，根據基于定子電壓定向的矢量勵磁控制策略和雙饋電機模型[18,19]，可以推導得到定、轉子電流的d、q分量與FPC輸出功率P、Q的關系為

3 FPC啟動實驗

FPC樣機采用直接變頻啟動[22]。啟動時，Pref通過轉速控制獲得，如圖 4所示，這樣可以使Pref從零開始平緩增加，保證了啟動過程中轉速平穩(wěn)上升，減小了 FPC啟動對電網的沖擊；同時避免了FPC低轉速、特別是接近零轉速時，由于Pr過大對變頻器造成的沖擊，減小了對變頻器容量的要求。

圖4 轉速控制框圖Fig.4 Control diagram of the speed control

FPC啟動過程中，Qref按如下方式設定：在低轉速時，Qref設為-2kvar；達到一定轉速（樣機設定為250r/min）后，Qref設為0。這是因為：在啟動的初始階段，轉子電流較小，變頻器自身產生的無功功率不足以提供雙饋電機啟動需要，FPC樣機需向電網吸取無功功率；當轉子電流足夠大時，變頻器已能產生足夠的無功功率，則停止向電網吸取無功功率。

根據設計要求，FPC樣機應能在 500r/min～1 500r/min之間正常運行，圖 5給出了轉子從靜止開始啟動升速至800 r/min的實驗結果，其中圖5a～5d 分別為啟動過程中ωr、Ps、P、Q、Isq、Isd、Irq、Ird的錄波波形?？梢钥闯?，樣機從靜止啟動至 800 r/min所需時間約為 110s；啟動過程中，ωr變化平滑，沒有出現劇烈的加速或減速現象，超調量約30 r/min，超調時間約為20s；P從零開始緩慢增加，P的峰值約為-1.6kW，Ps則維持在-2kW附近，Ps與P變化關系同式（1）基本一致；啟動初始階段，Q約為-2kW，ωr達到250r/min之后，Q跳變?yōu)?，與Qref設定一致；計算分析表明，啟動過程中，Isq、Isd、Irq、Ird與P、Q之間的關系同式（2）基本一致。

由啟動實驗結果可知，FPC樣機較好地實現了直接變頻啟動，啟動過程中ωr變化平緩，對電網和變頻器的沖擊較小，達到設計要求。

圖5 FPC直接變頻啟動實驗結果Fig.5 Test results of the FPC prototype during frequency conversion start

4 FPC功率輸出特性實驗

分別在亞同步和超同步狀態(tài)下對FPC樣機進行了有功功率和無功功率單獨輸出特性實驗，實驗過程如下。

（1）有功功率輸出特性實驗。Qref始終保持為0，Pref按照 0、4kW、-4kW、0、-4kW、4kW、0的順序依次改變，在每個功率指令值上停留5s左右的時間。

（2）無功功率輸出特性實驗。Pref始終保持為0，Qref按照 0、4kvar、-4kvar、0、-4kvar、4kvar、0的順序依次改變，在每個功率指令值上停留 5 s左右的時間。

圖6和圖7為亞同步狀態(tài)下FPC樣機功率輸出特性實驗結果，圖6a～6d和圖7a～圖7d分別對應顯示了ωr、Ps、P、Q、Isq、Isd、Irq、Ird的錄波波形。從圖中可以看出，亞同步狀態(tài)下，FPC樣機能夠及時跟蹤有功功率和無功功率參考值的變化，功率輸出平穩(wěn)；ωr隨P的正負而下降或上升，由于自身損耗，P= 0時，ωr也在緩慢下降。通過計算分析表明：Ps與P的關系同式（1）基本一致，Isq、Isd、Irq、Ird與P、Q的關系同式（2）基本一致。

圖6 亞同步狀態(tài)下FPC有功功率輸出特性實驗結果Fig.6 Test results of the FPC prototype on P regulation at sub-synchronous

圖7 亞同步狀態(tài)下FPC無功功率輸出特性實驗結果Fig.7 Test results of the FPC prototype on Q regulation at sub-synchronous

超同步狀態(tài)下FPC樣機功率輸出特性實驗結果見附錄中的附圖 1和附圖2，從圖中也可以得到上述類似結論。

5 功率動態(tài)響應特性實驗

FPC樣機初始處于亞同步或超同步狀態(tài)，功率穩(wěn)定輸出，此時給樣機施加功率正負階躍指令信號，記錄FPC的輸出功率波形，檢驗FPC功率響應特性。圖8給出了FPC的有功功率和無功功率的功率響應特性實驗錄波曲線，從波形圖上觀察功率從初始穩(wěn)定值到階躍后穩(wěn)定值的時間即為功率響應時間。下表給出了具體實驗數據。

表 FPC樣機功率響應特性實驗數據Tab. Test data of the FPC prototype on power dynamic response

圖8 FPC樣機功率動態(tài)響應特性實驗結果Fig.8 Test results of the FPC prototype on power dynamic response

可以看出，無論是在亞同步狀態(tài)下，還是在超同步狀態(tài)下，FPC樣機均具有良好的功率動態(tài)響應特性，其中，有功功率的動態(tài)響應時間約為 70～100ms（亞同步狀態(tài)）和50～70ms（超同步狀態(tài)），無功功率Q的動態(tài)時間約為 60ms，能夠滿足增強電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求[17]。

6 FPC功率解耦調控特性實驗

分別在亞同步狀態(tài)和超同步狀態(tài)下對FPC樣機進行了有功功率和無功功率同時輸出的解耦調控特性實驗。實驗過程中，Pref和Qref分別設置為不同的參考值并進行變化，圖9給出了其中的一組實驗錄波波形?？梢钥闯?，FPC樣機的有功功率和無功功率能夠分別獨立控制，兩者之間幾乎沒有相互影響，說明FPC具備P-Q解耦調控的能力。

將實驗過程中記錄的FPC樣機同一時刻輸出的有功功率和無功功率數據畫在P-Q相平面上，可以得到如圖 10所示的P-Q相平面曲線，可以看出，FPC具備四象限功率調節(jié)能力，可對電力系統(tǒng)功率不平衡進行有效的補償。

圖9 FPC樣機P-Q解耦調控實驗結果Fig.9 Test results of the FPC prototype on P-Q decoupling regulation

圖10 FPC樣機的P-Q調節(jié)相平面圖Fig.10 P-Q regulation trajectory of FPC prototype

7 結論

本文介紹了柔性功率調節(jié)器（FPC）380V/4kW實驗樣機的構成，對樣機運行特性進行了全面的實驗研究，結果表明：FPC樣機可以實現直接變頻啟動，啟動過程中無需其他附加啟動設備，不會對電網造成沖擊；正常運行過程中，FPC的有功功率和無功功率的響應速度均在100ms以內，并可在四象限內解耦調控。FPC樣機實驗結果表明：FPC技術可行，采用FPC可以快速補償電力系統(tǒng)的功率不平衡，是一種增強電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的有效方法。

附 錄

1. FPC樣機參數

額定頻率f=50Hz，極對數p=3，額定輸出功率PN=4kW、QN=4kvar，額定定子電壓UsN=380V，變頻器直流電容電壓Udc=490V，同步轉速ω1=1 000r/min，正常運行范圍 500r/min＜ωr＜1 500r/min，額定功率因數λN=0.80，定子相電阻Rs=1.413 2Ω，轉子相電阻Rr=0.312 2 Ω，定子相漏感Ls=0.008 5H，轉子相漏感Lr=0.013 6H，氣隙相漏感Lm=0.314 0H，總轉動慣量J=19kg·m2，定子和轉子繞組為星形聯結。

2. 超同步狀態(tài)下FPC樣機功率輸出特性實驗結果

附圖1 超同步狀態(tài)下FPC樣機有功功率輸出特性實驗結果App. Fig.1 Test results of the FPC prototype on P regulation at super-synchronous

附圖2 超同步狀態(tài)下FPC樣機無功功率輸出特性實驗結果App. Fig.2 Test results of the FPC prototype on Q regulation at super-synchronous

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