大型抽水蓄能變速機(jī)組交流勵(lì)磁系統(tǒng)功率回路研究

王 舒，常玉紅,周 敏，唐 侃，袁 景

(1.南瑞集團(tuán)有限公司(國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院有限公司)，江蘇南京211106；2.國(guó)電南瑞科技股份有限公司，江蘇南京211106；3.國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司，北京100761)

0 引 言

近年來(lái)，隨著大功率器件與現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展，采用雙饋機(jī)組來(lái)實(shí)現(xiàn)大容量抽水蓄能機(jī)組連續(xù)可變速運(yùn)行的技術(shù)得到飛速發(fā)展，并逐步投入商業(yè)應(yīng)用中。自20世紀(jì)80年代開(kāi)始，日本開(kāi)始研究雙饋電機(jī)交流勵(lì)磁發(fā)電技術(shù)，在飛輪蓄能以及抽水蓄能電站的應(yīng)用中取得成功。日立與關(guān)西電力公司合作，在1987年投運(yùn)了世界上首臺(tái)22 MW交流勵(lì)磁變速發(fā)電電動(dòng)機(jī)，并于1993年投運(yùn)了400 MW級(jí)的可變速抽水蓄能電站[1]。東芝公司與東京電力公司合作研究，1990年投運(yùn)了80 MW的變速發(fā)電機(jī)組，并且研制成功300 MW級(jí)的變速機(jī)組[2]。

雙饋發(fā)電機(jī)之所以具有超越傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)良好的調(diào)節(jié)性能、運(yùn)行的靈活性及可靠性，除了其電氣結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)相比，有多相轉(zhuǎn)子對(duì)稱(chēng)交流勵(lì)磁外，關(guān)鍵在于擁有一套能充分發(fā)揮該電機(jī)運(yùn)行特點(diǎn)的交流勵(lì)磁系統(tǒng)[3]。因此近年來(lái)針對(duì)雙饋發(fā)電機(jī)交流勵(lì)磁系統(tǒng)的研究倍受關(guān)注。雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁系統(tǒng)主回路通常采用雙PWM背靠背形式的電壓型變換器。傳統(tǒng)兩電平變換器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在現(xiàn)有抽水蓄能雙饋機(jī)組交流勵(lì)磁系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用。但是其電平數(shù)偏低，高壓大功率場(chǎng)合下存在串聯(lián)均壓難度大和開(kāi)關(guān)損耗大等問(wèn)題。

為了解決傳統(tǒng)兩電平變換器輸出電流諧波大、單個(gè)模塊耐壓要求高、輸出電壓du/dt大等問(wèn)題，對(duì)二電平、三電平、級(jí)聯(lián)等不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行比較，選擇適合大型抽水蓄能變速機(jī)組交流勵(lì)磁裝置的最優(yōu)拓?fù)浞桨?。搭建了一臺(tái)NPC三電平的5 MW功率柜樣機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)200 MW大型變速抽蓄機(jī)組的交流勵(lì)磁系統(tǒng)的功率單元設(shè)計(jì)具有重要的借鑒意義。

1 交流勵(lì)磁系統(tǒng)功率單元拓?fù)溲芯?/h2>

應(yīng)用于大功率場(chǎng)合的變頻器拓?fù)渲饕薪唤蛔冾l器和交直交變頻器二大類(lèi)，其中交直交拓?fù)淇筛鶕?jù)直流環(huán)節(jié)不同分為電流型和電壓型兩種[4]。

1.1 交交變頻器

變頻器每一相由二組三相晶閘管全控橋反并聯(lián)而成，全控橋的輸出接在每相繞組上。三相電源輸入端為公共交流母線，如圖1所示。由于晶閘管的耐壓高、串并聯(lián)技術(shù)成熟，因此采用這種結(jié)構(gòu)時(shí)電壓等級(jí)可以做到很高，容量可以做到很大。但由于晶閘管工作在工頻狀態(tài)，因此該拓?fù)渥畲筝敵鲱l率不得超過(guò)電網(wǎng)頻率的1/2。

控制性能方面，由于晶閘管工作在工頻狀態(tài)，使得該拓?fù)鋭?dòng)態(tài)響應(yīng)較慢，控制靈活度不高，輸出諧波的含量較高。隨著全控型器件的飛速發(fā)展，目前交交變頻器已逐步被淘汰，新建的抽蓄交流勵(lì)磁電站中不再采用。

圖1 輸出星形連結(jié)的三相交交變換器電路

1.2 交直交變頻器

交直交變頻器由整流側(cè)、直流側(cè)和逆變側(cè)組成。交流勵(lì)磁裝置適宜采用電壓型變頻器。電壓型按電平數(shù)可分為兩電平和多電平。其中，多電平變頻器中應(yīng)用較多的是中點(diǎn)箝位型三電平和級(jí)聯(lián)型多電平。

兩電平變頻器示意如圖2所示。受器件耐壓限制，在不串聯(lián)工況下，兩電平變頻器輸出電壓受限，僅適應(yīng)于中低壓場(chǎng)合，中高壓場(chǎng)合下必須通過(guò)器件的串聯(lián)來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于器件串聯(lián)應(yīng)用時(shí)對(duì)各器件的靜、動(dòng)態(tài)均壓要求嚴(yán)格，且模塊式功率器件失效模式為開(kāi)路，串聯(lián)回路中一個(gè)器件的損壞必將影響整體運(yùn)行，因此必須采用失效模式為短路的壓接式器件。

圖2 兩電平變換器

1.3 級(jí)聯(lián)式多電平變頻器

級(jí)聯(lián)式多電平變頻器如圖3所示。由于級(jí)聯(lián)多電平通過(guò)功率單元串聯(lián)很容易實(shí)現(xiàn)輸出高電壓，在中高壓領(lǐng)域該結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用。如果整流端采用二極管不控整流模式，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不能應(yīng)用于能量回饋場(chǎng)合。如果整流側(cè)采用全控型器件則可實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行，但每個(gè)功率單元都要獨(dú)立控制，大大增加了整個(gè)系統(tǒng)的控制復(fù)雜性，因此在抽水蓄能交流勵(lì)磁系統(tǒng)中不推薦使用。

圖3 級(jí)聯(lián)式多電平變頻器結(jié)構(gòu)示意

二極管箝位型三電平逆變器[5]，或稱(chēng)為NPC三電平逆變器，是級(jí)聯(lián)式多電平變頻器中應(yīng)用最廣泛的一種，如圖4所示。每一相由四個(gè)IGBT串聯(lián)，一、三管占空比互補(bǔ)，二、四管占空比互補(bǔ)。與二電平逆變器相比，相同功率器件下，輸出電壓為兩電平的兩倍，諧波含量低。如果整流側(cè)和逆變側(cè)都采用NPC三電平結(jié)構(gòu)，既提高了輸出電壓，又可以實(shí)現(xiàn)電路四象限運(yùn)行。

圖4 三電平中性點(diǎn)鉗位型變換器

綜上所述，針對(duì)大型抽水蓄能機(jī)組交流勵(lì)磁系統(tǒng)，優(yōu)先推薦交直交結(jié)構(gòu)，采用電壓型兩電平或三電平結(jié)構(gòu)。由于網(wǎng)側(cè)的諧波會(huì)污染電網(wǎng)，且電機(jī)側(cè)產(chǎn)生的du/dt在長(zhǎng)電纜上傳輸會(huì)反射產(chǎn)生更高的du/dt，從而影響轉(zhuǎn)子的絕緣。因此大型抽水蓄能機(jī)組交流勵(lì)磁裝置推薦采用NPC三電平交直交結(jié)構(gòu)。

2 NPC三電平拓?fù)涞目臻g矢量控制

三電平NPC結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋱D如圖4所示[6]。以其中A相電路為例，在開(kāi)關(guān)管S1、S2導(dǎo)通且S3、S4關(guān)斷時(shí)，如果電流方向與ia相同，則A相的輸出電壓為Ua=Udc/2；如果電流與ia反向，電流流過(guò)S1、S2的反并聯(lián)二極管，則A相的輸出電壓仍為Ua=Udc/2，此狀態(tài)稱(chēng)為P狀態(tài)。同理，當(dāng)開(kāi)關(guān)管S2、S3導(dǎo)通且S1、S4關(guān)斷時(shí)，A相的輸出電壓為Ua=0，此狀態(tài)稱(chēng)為O狀態(tài)；當(dāng)開(kāi)關(guān)管S3、S4導(dǎo)通且S1、S2關(guān)斷時(shí)，A相的輸出電壓為Ua=-Udc/2，此狀態(tài)稱(chēng)為N狀態(tài)。

圖5 三電平逆變器空間電壓矢量分布示意

每相都對(duì)應(yīng)P、O、N 3種狀態(tài)，總共對(duì)應(yīng)33=27種狀態(tài)，對(duì)應(yīng)27種空間電壓矢量分布。圖5是NPC三電平逆變器的空間矢量分布圖。根據(jù)矢量幅值不同，可以將27個(gè)矢量分成大、中、小和零矢量，其中小矢量又可分成正、負(fù)小矢量。圖4中，可定義中點(diǎn)電流in方向：流出中點(diǎn)時(shí)，定義為正方向(in>0)，流入中點(diǎn)時(shí)，定義為負(fù)方向(in<0)。按圖4所示方向，中點(diǎn)電流流出中點(diǎn)，對(duì)應(yīng)小矢量定義為正小矢量；如果中點(diǎn)電流流入中點(diǎn)，對(duì)應(yīng)小矢量定義為負(fù)小矢量。NPC三電平逆變器空間矢量分布如表1所示，Udc為母線電壓。

表1 NPC三電平逆變器空間矢量分布

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證三電平的控制策略，研制一臺(tái)5 MW的功率柜樣機(jī)，如圖6所示。采用成熟的背靠背二極管嵌位型三電平拓?fù)浜拖冗M(jìn)的IEGT元件，確保系統(tǒng)具有更大的容量和更低的電流諧波。

圖6 應(yīng)用于交流勵(lì)磁系統(tǒng)的5 MW功率樣柜

直流電壓5 kV，交流輸出線電壓3.3 kV，開(kāi)關(guān)頻率900 Hz。圖7為系統(tǒng)拓?fù)鋱D。主回路采用雙PWM控制四象限變流器，采用NPC三電平拓?fù)浼夹g(shù)，輸入輸出諧波小。機(jī)柜采用高防護(hù)等級(jí)，配備加熱、除濕設(shè)備，適用于交流勵(lì)磁系統(tǒng)。模塊化設(shè)計(jì)，易于安裝維護(hù)。

圖8是功率單元滿(mǎn)載時(shí)的輸出波形，從圖中可以看到，電壓環(huán)和電流環(huán)控制性能優(yōu)良，A相電壓電流相位正好差180°，這是由于程序中是以流向功率單元作為電流的正方向，功率單元向電網(wǎng)發(fā)有功時(shí)電壓電流正好反向。圖9是功率單元輸出線電壓波形。

圖8 5 MW有功輸出的波形

圖7 應(yīng)用于交流勵(lì)磁系統(tǒng)的三電平NPC背靠背拓?fù)?/p>

圖9 功率單元輸出線電壓AB波形

變流器采用壓裝式IGBT(PPI，如圖10所示)，相比于其他快速開(kāi)關(guān)半導(dǎo)體元器件，PPI具有很多出眾的性能：①安全可靠，不同于IGCT，由于PPI的內(nèi)部特性，在正常運(yùn)行和故障情況下(包括短路)，都可以限制過(guò)電流產(chǎn)生，從而實(shí)現(xiàn)安全關(guān)斷；②方便控制，通過(guò)較小的門(mén)極電流，簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng)電路，降低損耗，提高了效率和可靠性；③雙面冷卻，等同于壓裝式可控硅，提高了電流等級(jí)，提高了功率密度，減少了元器件數(shù)目，提高了可靠性；④適合于串聯(lián)連接，因?yàn)镻PI在故障后保持短路，從而允許n+1的冗余，提高可用性。

圖10 壓接式IGBT內(nèi)部結(jié)構(gòu)

4 結(jié) 論

本文針對(duì)大型抽水蓄能變速機(jī)組交流勵(lì)磁系統(tǒng)，對(duì)主回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的對(duì)比分析，最終選用中點(diǎn)鉗位型三電平交直交結(jié)構(gòu)。針對(duì)NPC三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，研究了空間矢量控制策略。搭建一臺(tái)5 MW的功率柜樣機(jī)，采用NPC三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，進(jìn)行了功率回路測(cè)試，充分驗(yàn)證了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和矢量控制策略的正確性。對(duì)200 MW大型變速抽蓄機(jī)組的交流勵(lì)磁系統(tǒng)的功率單元設(shè)計(jì)具有重要的借鑒意義。