可變速發(fā)電電動(dòng)機(jī)交流勵(lì)磁技術(shù)路線探討

周 平，楊 偉

（東方電機(jī)控制設(shè)備有限公司，四川 德陽 618000）

可變速發(fā)電電動(dòng)機(jī)交流勵(lì)磁技術(shù)路線探討

周 平，楊 偉

（東方電機(jī)控制設(shè)備有限公司，四川 德陽 618000）

介紹了可變速抽水蓄能機(jī)組采用的交流勵(lì)磁方式的原理，對(duì)在抽水工況和發(fā)電工況下交流勵(lì)磁的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了分析，對(duì)國產(chǎn)化交流勵(lì)磁裝置的技術(shù)路線進(jìn)行了探討。

交流勵(lì)磁控制技術(shù)；矢量控制；定子磁鏈定向；交直交變頻器；交交變頻器

0 引言

抽水蓄能電站可以很好地適應(yīng)電力系統(tǒng)負(fù)荷曲線的變化，承擔(dān)負(fù)荷尖峰和填平負(fù)荷低谷的作用，國際公認(rèn)抽水蓄能電站機(jī)組采用可逆型最佳，因?yàn)檫@種機(jī)組結(jié)構(gòu)緊湊，廠房和輔助設(shè)備少，造價(jià)低，但該機(jī)組由于水輪機(jī)兼做水泵，要使其在發(fā)電和電動(dòng)狀態(tài)下達(dá)到最高效率，需機(jī)組連續(xù)可變速運(yùn)行，機(jī)組轉(zhuǎn)速一般希望有±10%的變化，我們把這類機(jī)組叫做連續(xù)可變速發(fā)電電動(dòng)機(jī)組，簡(jiǎn)稱可變速抽水蓄能機(jī)組，而傳統(tǒng)的采用同步電機(jī)的抽水蓄能機(jī)組叫做定速抽水蓄能機(jī)組，定速機(jī)組不能調(diào)速，則在發(fā)電/抽水工況不能保持在最佳效率運(yùn)行，且在抽水工況不能調(diào)節(jié)負(fù)荷，因而運(yùn)行特性欠佳，以下是這兩種類型的機(jī)組在抽水工況和發(fā)電工況下的比較。

表1 定速機(jī)組與可變速機(jī)組在抽水工況的比較

表2 定速機(jī)組與可變速機(jī)組在發(fā)電工況的比較

由表1，2可以看到，由于可變速發(fā)電電動(dòng)機(jī)具有傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)無可比擬的優(yōu)越性和廣闊的應(yīng)用前景，因此其理論研究和實(shí)踐設(shè)計(jì)已經(jīng)成為國內(nèi)外研究和關(guān)注的焦點(diǎn)，日本在上世紀(jì)80年代開始研究交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)技術(shù)，在1993年投運(yùn)了400MW的可變速抽水蓄能電站，經(jīng)過日本試驗(yàn)機(jī)組的運(yùn)行研究表明∶通過水輪機(jī)的變速運(yùn)行可以提高水輪機(jī)的運(yùn)行效率，增加水泵運(yùn)行工況下的自動(dòng)調(diào)頻能力，并通過有功功率和無功功率的快速調(diào)節(jié)可以提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性。

1 交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)原理概述

交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)也通常被稱為異步化同步發(fā)電機(jī)，它在結(jié)構(gòu)上類似于繞線式異步感應(yīng)電機(jī)，定子與一般的交流發(fā)電機(jī)一樣，為三相分布式繞組，轉(zhuǎn)子也是三相分布式繞組，這一點(diǎn)與普通發(fā)電機(jī)不同。運(yùn)行時(shí)定子側(cè)直接接入三相工頻電網(wǎng)，而轉(zhuǎn)子側(cè)通過變頻器接入所需低頻電流。因?yàn)檗D(zhuǎn)子側(cè)通過變頻器接入的三相低頻電流起到了勵(lì)磁的作用，所以被稱為交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 交流勵(lì)磁發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的可調(diào)量∶勵(lì)磁電流的頻率、相位和幅值。可以通過接在轉(zhuǎn)子側(cè)的變頻器來調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流的頻率，保證在變速運(yùn)行情況下發(fā)出恒頻電力；也可以通過改變勵(lì)磁電流的幅值和相位，調(diào)節(jié)輸出有功功率和無功功率。當(dāng)轉(zhuǎn)子電流相位改變時(shí)，由轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)位置發(fā)生了空間位移，這就使得交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)定子感應(yīng)電勢(shì)矢量相對(duì)于電網(wǎng)電壓矢量位置發(fā)生變化，即功率角發(fā)生了變化，使有功功率和無功功率得以調(diào)節(jié)。

2 交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)控制策略

現(xiàn)有的交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制策略大體可分為三類∶一是雙通道多變量反饋勵(lì)磁控制系統(tǒng)；二是建立在電機(jī)多標(biāo)量模型基礎(chǔ)上的多標(biāo)量勵(lì)磁控制系統(tǒng)；三是基于異步電機(jī)變頻調(diào)速矢量控制的矢量勵(lì)磁控制系統(tǒng)。這三類勵(lì)磁控制策略都是根據(jù)交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)在同步旋轉(zhuǎn)軸系下定子的有功功率、無功功率分別只與轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流的d、q軸分量有關(guān)這一基本原理推出的，前兩類只是近似解耦，控制系統(tǒng)復(fù)雜而且數(shù)學(xué)模型不準(zhǔn)確，必然導(dǎo)致交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)在瞬態(tài)過程中響應(yīng)變差、暫態(tài)穩(wěn)定性不好；第三類矢量控制技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)下有功、無功的充分解耦，提高交流電機(jī)控制系統(tǒng)的性能。

矢量控制技術(shù)是在電機(jī)交流調(diào)速的應(yīng)用中發(fā)展起來的，其基本思路是利用d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，將定子三相電流分解為直軸勵(lì)磁電流id1和交軸勵(lì)磁電流iq1，在調(diào)速過程中保持直軸勵(lì)磁電流id1不變，即磁通不變，此時(shí)就可以模擬直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制規(guī)律，通過控制交軸勵(lì)磁電流iq1來控制電磁轉(zhuǎn)矩Te。

通常異步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)是以轉(zhuǎn)子磁鏈為基準(zhǔn)，將轉(zhuǎn)子磁鏈方向定為同步坐標(biāo)系d軸，但是交流勵(lì)磁變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)有別于電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，若仍然以轉(zhuǎn)子磁鏈定向，因?yàn)樵诙ㄗ永@組中存在漏抗壓降的影響，會(huì)使得發(fā)電機(jī)端電壓矢量和矢量控制參考軸之間有一定的相位差，這樣定子有功功率和無功功率的計(jì)算會(huì)變得復(fù)雜，使控制系統(tǒng)復(fù)雜化。若以定子磁鏈定向，取定子磁鏈?zhǔn)噶糠较驗(yàn)橥阶鴺?biāo)系d軸，則定子電壓矢量將落在超前d軸90°的q軸上，如圖2所示，這樣可以簡(jiǎn)化同步坐標(biāo)系下的交流勵(lì)磁電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，從而得到矢量控制所需的控制方程。

圖2 定子磁鏈定向的交流勵(lì)磁矢量圖

根據(jù)矢量控制方程式，主電路采用電壓控制型交交變頻器的交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)在定子磁鏈定向下的矢量控制系統(tǒng)框圖，如圖3所示。

圖3 定子磁鏈定向矢量控制系統(tǒng)框圖

3 交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)變頻器

變頻器總體上可分為交直交變頻器和交交變頻器兩種類型，交直交變頻器，顧名思義就是一種頻率的交流電在變換成另一種頻率的交流電之前，還經(jīng)過一個(gè)中間直流環(huán)節(jié)，是間接變頻；而交交變頻器是直接變頻，沒有中間直流環(huán)節(jié)，直接將一種頻率的交流電變換成另一種頻率的交流電，又稱為循環(huán)變換器或周波變換器。

表3 交交變頻器與交直交變頻器的比較

交交變頻器與交直交變頻器相比效率較高，可達(dá)90%以上，為自然換流，不需要額外的換流裝置，電路簡(jiǎn)單，工作可靠，交直交變頻器采用PWM技術(shù)可以得到非常好的輸出波形，在不少場(chǎng)合其電路結(jié)構(gòu)、輸出頻率等與交交變頻器比起來有優(yōu)勢(shì)。但在交流勵(lì)磁發(fā)電系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)子勵(lì)磁需要的是一個(gè)頻率很低（10Hz以下）的輸入電流，而交交變頻器在低頻時(shí)的輸出波形質(zhì)量非常好，工作可靠，功率可以做得很大，盡管元器件多，但從發(fā)展大功率的水電系統(tǒng)來看還是經(jīng)濟(jì)有效的。

交交變頻器在應(yīng)用中把工頻的三相電源輸入變換成低頻三相輸出，在結(jié)構(gòu)上由正反組整流器組成，正反組整流器周期性地循環(huán)換組整流，可以實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行。為分析其工作原理，先研究一下理想的單相輸出交交變頻器，即略去輸出電壓中的高次諧波，把每個(gè)整流器均視為一個(gè)理想的交流電源和一個(gè)理想的可控硅相串聯(lián)，其等效電路如圖4所示，圖中，下標(biāo)字母P表示正組，下標(biāo)字母N表示反組為負(fù)載電壓，

圖4 交交變頻器理想等效電路

當(dāng)這一理想的交交變頻器帶純電阻負(fù)載時(shí)，在負(fù)載電流的正半周，正組整流器處于整流狀態(tài)，反組整流器阻斷；在負(fù)載電流的負(fù)半周，反組整流器處于整流狀態(tài)，正組整流器阻斷；當(dāng)這一理想的交交變頻器帶感性負(fù)載時(shí)，如圖5所示，由于整流橋的單向?qū)щ娦?，在?fù)載電流的正半周（t1～t3）只能由正組流過電流，反組被阻斷。在此期間的t1～t2階段正組輸出電壓為正，處于整流狀態(tài)；t2～t3階段正組電流方向沒有變，輸出電壓卻變?yōu)樨?fù)，正組處于逆變狀態(tài)。在t3時(shí)刻，負(fù)載電流反向，正組阻斷，反組導(dǎo)通，進(jìn)入負(fù)載電流的負(fù)半周（t3～t5），在 t3～t4階段反組輸出電壓電流均為負(fù)，反組處于整流狀態(tài)，t4～t5階段反組電流方向沒變，輸出電壓卻變?yōu)檎唇M處于逆變狀態(tài)。

圖5 帶感性負(fù)載時(shí)的工作狀態(tài)

所以，決定哪一組整流器導(dǎo)通與該組輸出電壓的極性無關(guān)，只由電流的方向決定，導(dǎo)通的那組整流器是處于整流狀態(tài)還是逆變狀態(tài)，由該組輸出電壓和電流的極性相同還是相反決定。

圖6 單相輸出交交變頻器等效原理圖

實(shí)際變頻器工作時(shí)，有可能出現(xiàn)正反組同時(shí)工作而出現(xiàn)環(huán)流，交交變頻器有三種運(yùn)行方式∶無環(huán)流運(yùn)行方式、自然環(huán)流運(yùn)行方式、局部環(huán)流運(yùn)行方式。

在實(shí)際工程應(yīng)用中均以三相輸出的交交變頻器為主，而為了降低電網(wǎng)的諧波，一般采用6脈波橋式三相交交變頻器，如圖7所示，其結(jié)構(gòu)雖然復(fù)雜，可控硅元器件數(shù)量多，但電壓輸出波形較好。

圖7 6脈波橋式三相交交變頻器

4 結(jié)語

我國在交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)技術(shù)的研究方面起步較晚，理論水平與工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)與國外公司相比有較大差距，特別是在基礎(chǔ)功率元器件的研發(fā)方面，日本已經(jīng)應(yīng)用IEGT功率元件，ABB采用IGCT技術(shù)，如果我國的交流勵(lì)磁變頻器技術(shù)走交直交路線會(huì)受這兩種功率元器件的限制，沒有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，所以走交交技術(shù)路線無論是從技術(shù)成熟的角度還是經(jīng)濟(jì)上的考慮都是首選，先積累經(jīng)驗(yàn)，待IEGT或IGCT功率器件實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化以后，再進(jìn)行交直交技術(shù)路線研發(fā)。

TK734

A

1672-5387（2014）02-0027-03

2013-11-28

周 平（1969-），男，高級(jí)工程師，從事勵(lì)磁系統(tǒng)的技術(shù)開發(fā)及設(shè)計(jì)。