變速抽水蓄能機(jī)組交流勵(lì)磁系統(tǒng)功率拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)淺析

施一峰，高蘇杰，常玉紅，閆 偉，石祥建，牟 偉，丁 勇

(1.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇南京211102；2.國網(wǎng)新源控股有限公司，北京100761)

0 引 言

隨著核電等基荷電源和風(fēng)電、光伏等間歇性可再生能源在電網(wǎng)中所占比例的日益增大，電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行(尤其是夜間頻率控制)變得更為困難，棄風(fēng)棄光問題愈加突出。抽水蓄能電站在調(diào)峰填谷、保障電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行方面作用突出，但一方面，常規(guī)定速抽水蓄能機(jī)組作為水泵運(yùn)行時(shí)，水泵的功率不可調(diào)節(jié)，限制了其對電網(wǎng)調(diào)節(jié)作用的發(fā)揮；另一方面，抽水蓄能機(jī)組需要運(yùn)行在發(fā)電和抽水兩種不同的工況下，兩種工況有著不同的轉(zhuǎn)速—效率曲線，恒速抽水蓄能機(jī)組不可能在兩種工況下都獲得最高效率。而交流勵(lì)磁可變速抽水蓄能機(jī)組(以下簡稱“變速抽蓄機(jī)組”)有諸多優(yōu)點(diǎn)，能夠較好地解決恒速機(jī)組存在的上述幾個(gè)問題[1- 5]。變速抽蓄機(jī)組是一種高效先進(jìn)的調(diào)峰調(diào)頻電源，可為電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行提供更有力的保障，是電網(wǎng)發(fā)展到一定階段后電力系統(tǒng)管理的必要工具?；趯﹄娋W(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行、電能質(zhì)量以及節(jié)能減排等新的更高的要求，可以預(yù)見變速抽蓄機(jī)組具有較好的應(yīng)用前景。

1 典型變頻拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)適用性分析

目前，中高壓四象限變流器還未形成一個(gè)統(tǒng)一的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其主要原因主要有兩點(diǎn)：一是電力電子器件限制了變頻器的輸出功率，如果需要大功率輸出，則需要多個(gè)電力電子器件串并聯(lián)才能得到，而器件串并聯(lián)是一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)；二是復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)增加了驅(qū)動(dòng)及控制的難度。經(jīng)過多年技術(shù)研究，行業(yè)中逐漸對中高壓四象限變頻器形成幾個(gè)主流的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并分別在實(shí)際工程中投入使用。從變頻器是否具有直流環(huán)節(jié)，將變頻器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分為交-直-交和交-交兩大類，而交-直-交又有多種不同的組成結(jié)構(gòu)，具體有兩電平、多電平、H橋級聯(lián)以及MMC等形式，下面分別對這幾種結(jié)構(gòu)進(jìn)行適用性分析。

1.1 交-直-交拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.1.1 兩電平變流器

圖1是兩電平變流器的拓?fù)湓韴D，它由2個(gè)完全相同的兩電平電壓源型變換器經(jīng)過一個(gè)直流電容背靠背連接而成，其基本元件是可關(guān)斷全控器件，由PWM進(jìn)行控制，從結(jié)構(gòu)上歸為交-直-交類型變流器。

圖1 兩電平電壓源型電路原理

該變流器網(wǎng)側(cè)為一個(gè)三相可控整流橋串聯(lián)一個(gè)電感，其主要作用為維持直流母線電壓的穩(wěn)定和維持整流橋輸入功率因數(shù)恒定，并且當(dāng)電網(wǎng)側(cè)發(fā)生短路故障時(shí)，能輸出無功來加快故障恢復(fù)。由于PWM整流橋的調(diào)制比太低會(huì)增大負(fù)載的諧波含量，因此在直流電壓一定的情況下，網(wǎng)側(cè)的電壓不能太高，這有利于全控器件的選型。

變流器機(jī)側(cè)變換器結(jié)構(gòu)與網(wǎng)側(cè)相同，輸出電壓、頻率和相位均可調(diào)的三相交流電壓。其主要作用為當(dāng)電機(jī)在發(fā)電工況時(shí)，利用對定子磁鏈的矢量跟蹤，實(shí)現(xiàn)對變速電機(jī)有功、無功的解耦控制，由于能直接控制電機(jī)的功角，因此變速電機(jī)能更快地抑制電網(wǎng)的有功振蕩；當(dāng)電機(jī)在電動(dòng)工況時(shí)，實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定控制。

圖2 箝位型5電平原理

從以上分析可以得出，兩電平變流器具備四象限運(yùn)行能力，同時(shí)其輸出電壓的頻率范圍不受限制，滿足0～55 Hz的需求，除此之外，還有以下幾點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：①電路結(jié)構(gòu)簡單，便于控制，技術(shù)成熟；②網(wǎng)測變換器和機(jī)側(cè)變換器由直流電容解耦，當(dāng)電網(wǎng)側(cè)發(fā)生短路故障時(shí)，通過改變網(wǎng)側(cè)變換器的控制算法，穩(wěn)定直流電壓，使機(jī)側(cè)變換器維持正常運(yùn)行不受影響，更容易實(shí)現(xiàn)低電壓穿越。

當(dāng)然除了上述優(yōu)點(diǎn)外，兩電平變流器也有不少缺點(diǎn)：①兩電平結(jié)構(gòu)應(yīng)用于交流勵(lì)磁系統(tǒng)時(shí)，需要對器件進(jìn)行串聯(lián)使用，而器件串聯(lián)存在控制和均壓等技術(shù)難點(diǎn)。②輸出波形諧波大，不僅增大電機(jī)損耗，而且影響到電機(jī)定子側(cè)電壓和電流的波形質(zhì)量，因此需要配置LC濾波器。③為減小輸出諧波，一般兩電平的PWM開關(guān)頻率較高(2～5 kHz)，損耗增加，效率降低。③du/dt大，影響電機(jī)的絕緣耐受能力，需要額外配置抑制器。

兩電平變流器對交流勵(lì)磁的適用性評價(jià)：可在電壓等級較低的小容量交流勵(lì)磁中使用，通過橋的并聯(lián)，實(shí)現(xiàn)大電流輸出，但需要配置諧波濾波器和du/dt抑制器，來降低諧波對機(jī)組的不利影響。

1.1.2 多電平變流器

多電平的出現(xiàn)彌補(bǔ)了兩電平輸出諧波大的缺點(diǎn)，主要有兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：二極管箝位型和電容箝位型。圖2為二極管箝位和電容箝位兩種類型的五電平拓?fù)?，每個(gè)開關(guān)器件上承受的電壓為總母線電壓的1/5。在電壓合成方面，電容箝位型多電平變流器的電平合成的靈活性要高于二極管箝位型多電平變流器，但這以復(fù)雜的控制方式為代價(jià)，實(shí)用性較差。

在二極管箝位多電平中，三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是相對簡單、最先走上實(shí)用化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖3為二極管箝位型三電平構(gòu)成的交流勵(lì)磁變流器，其網(wǎng)側(cè)變換器主要作用是維持電容電壓穩(wěn)定和控制網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)；機(jī)側(cè)變換器輸出可調(diào)三相電壓，用于變速電機(jī)的控制。其中，二極管的主要作用是在功率器件開關(guān)過程中，將開關(guān)器件上所承受的正向阻斷電壓限定在1/2的直流電壓內(nèi)，避免回路在工作過程中，整個(gè)直流母線電壓加在開關(guān)器件上導(dǎo)致器件損壞。

圖3 二極管箝位型三電平原理

二極管箝位三電平變流器用于交流勵(lì)磁中的優(yōu)點(diǎn)有：①由于功率開關(guān)器件只承受母線電壓的1/2，因此在器件相同的情況下，輸出的電壓更高，更接近于交流勵(lì)磁的應(yīng)用場合。②輸出波形電平數(shù)增多，顯著降低諧波含量，使得電機(jī)定子側(cè)的電壓、電流波形得到改善。③降低功率器件的開關(guān)頻率，從而降低器件的開關(guān)損耗，提高變流器的整體效率。

缺點(diǎn)為：①仍然存在du/dt較高的問題，雖然比兩電平的要小，但為了電機(jī)安全運(yùn)行，仍需要配置抑制器。②存在中點(diǎn)電位波動(dòng)的問題[6]，而中點(diǎn)電位波動(dòng)過大，會(huì)損壞功率器件。因此，必須對中點(diǎn)電壓進(jìn)行抑制，通常有控制算法或硬件補(bǔ)償兩種方法，但是不管采用什么方法，只能降低中點(diǎn)波動(dòng)幅度，不能完全消除中點(diǎn)波動(dòng)現(xiàn)象。③箝位二極管的耐壓要求較高，且數(shù)量較多，增加變流器系統(tǒng)的成本。

圖5 有源前端H橋級聯(lián)原理

二極管箝位型三電平變流器對交流勵(lì)磁的適用性評價(jià)：可適用于大中型變速機(jī)組的交流勵(lì)磁，輸出電壓等級高，通過多橋并聯(lián)輸出大電流；輸出波形比兩電平拓?fù)浜?，但輸出波形諧波仍較大；du/dt需要抑制。目前ABB公司采用三電平拓?fù)涞慕涣鲃?lì)磁產(chǎn)品已投入工程應(yīng)用。

1.1.3 有源前端的H橋級聯(lián)型變流器

動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償SVG采用的是H橋級聯(lián)型結(jié)構(gòu)，圖4是H橋的一個(gè)基本功率單元，它由4個(gè)可關(guān)斷器件和一個(gè)電容組成，通過將若干個(gè)單元串聯(lián)實(shí)現(xiàn)高電壓輸出。利用低壓單元串聯(lián)實(shí)現(xiàn)高電壓輸出的思路，在H橋基本單元的電容前端增加一個(gè)可控三相整流橋，即形成有源前端的H橋單元，如圖5。該基本單元的有源前端穩(wěn)定電容電壓，控制網(wǎng)側(cè)無功功率，并且可將有功功率反饋到電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行；H橋逆變部分經(jīng)過串聯(lián)輸出高壓，其電壓波形非常接近于正弦波，諧波含量非常小。

圖4 SVG的H橋基本單元結(jié)構(gòu)

有源前端H橋變流器用于交流勵(lì)磁中的優(yōu)點(diǎn)有：①通過低壓功率單元的串聯(lián)，得到高電壓等級的輸出，易于實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)。②各功率單元工作負(fù)荷一致，冗余性及可靠性高。③輸出波形非常接近正弦波，諧波含量低，無需濾波器，du/dt含量低，不會(huì)對電機(jī)絕緣產(chǎn)生影響。

缺點(diǎn)有：①需要配置移相變壓器。目前，受限于變壓器制造技術(shù)及移相抽頭的空間布置，移相變壓器的容量不能做的太大。如果輸出大電流需要H橋并聯(lián)，每個(gè)并聯(lián)的H橋都要配置移相變壓器，這大大增加了設(shè)備體積和成本。②每個(gè)單元需要10個(gè)功率開關(guān)器件，一個(gè)典型的輸出為3 kV的變流器，至少需要3個(gè)單元串聯(lián)，則一個(gè)完整的三相支路就需要90個(gè)功率管。而相同電壓等級的二極管箝位型三電平僅需要24個(gè)功率管，即使加上箝位二極管也就增加了12個(gè)二極管，連H橋的一半都不到。因此，H橋的器件需求量大，成本高。

有源前端H橋變流器對交流勵(lì)磁的適用性評價(jià)：H橋級聯(lián)拓?fù)漭敵霾ㄐ魏?，無需濾波器；模塊化級聯(lián)容易實(shí)現(xiàn)高電壓、多電平輸出；網(wǎng)側(cè)橋采用可控整流方式實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行；可通過元件并聯(lián)實(shí)現(xiàn)較大電流輸出；但各單元分別需要獨(dú)立的電源，需要設(shè)置多繞組隔離變壓器，增加設(shè)備體積及成本。

1.1.4 MMC型變流器

MMC全稱模塊化多電平變流器，通過調(diào)整子模塊串聯(lián)個(gè)數(shù)來實(shí)現(xiàn)電壓和功率等級的靈活變動(dòng)，可以擴(kuò)展到任意電平輸出，其串聯(lián)及單元結(jié)構(gòu)如圖6所示，每個(gè)單元由2個(gè)功率開關(guān)器件和1個(gè)電容組成。工作時(shí)，每個(gè)單元控制自身電容C0上的電壓，然后將每個(gè)單元的直流電壓通過開關(guān)管T1和T2串聯(lián)，保持每相上下兩個(gè)橋臂的總開通數(shù)不變，對上橋臂的單元開通數(shù)量正弦調(diào)制，則相輸出為一個(gè)多電平正弦電壓，電平數(shù)越多，諧波含量小。由于功率開關(guān)器件的工藝方面的限制，單個(gè)功率管的容量較小，如果需要輸出大電流，則需要多個(gè)相支路并聯(lián)。

圖6 MMC型變換器及功率單元原理

相對于傳統(tǒng)變流器，MMC型變流器用于交流勵(lì)磁中的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾方面：①高度模塊化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。MMC主電路和控制電路均采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過調(diào)節(jié)子模塊數(shù)量，可靈活調(diào)整MMC系統(tǒng)電壓和輸出波形電平數(shù)。②具有公共直流母線。MMC無需進(jìn)行直流側(cè)濾波，避免直流側(cè)短路引起的浪涌電流及系統(tǒng)機(jī)械破壞的風(fēng)險(xiǎn)，提高了系統(tǒng)可靠性。③具有較低的諧波含量和電磁干擾。由于MMC的等效開關(guān)頻率較高，使其具有較低的諧波含量和電磁干擾，電路中僅需很小的濾波電感，不會(huì)對變速電機(jī)絕緣產(chǎn)生影響。

缺點(diǎn)有：①交流勵(lì)磁為中壓大電流系統(tǒng)，MMC由單管功率管串聯(lián)，輸出為小電流，如要大電流輸出，則需要通過均流電抗器進(jìn)行橋并聯(lián)。事實(shí)上，MMC的優(yōu)勢是多電平形成的高壓小電流，主要用于高壓直流輸電場合。②開關(guān)器件數(shù)量與同等級的有源前端H橋相比，增加了約74%的用量，整體設(shè)備占地大，成本高。

MMC變流器對交流勵(lì)磁的適用性評價(jià)：可方便實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行；容易實(shí)現(xiàn)高電壓、多電平輸出，輸出波形好，諧波含量低，但輸出電流較小，需要多支路并聯(lián)實(shí)現(xiàn)大電流輸出，但這又帶來均流問題；同時(shí)器件用量較大，設(shè)備占地大，成本高。

1.2 交-交變流器

交-交變流器是國外早期在交流勵(lì)磁中采用的一種變流器，如圖7所示。早期的可關(guān)斷功率器件的技術(shù)還不成熟，容量較小，因此研究人員設(shè)計(jì)出了采用成熟技術(shù)的晶閘管作為功率器件的交-交變換器，這種變換器采用晶閘管自然換流方式工作，其每一相由2個(gè)輸出相反的整流橋并聯(lián)而成，分別輸出正半波和負(fù)半波。這種結(jié)構(gòu)的變流器最高輸出頻率是電網(wǎng)頻率的1/3～1/2，在大功率低頻范圍有很大的優(yōu)勢。而且交-交變頻沒有直流環(huán)節(jié)，變頻效率高，容易實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行。但是其功率因數(shù)低，高次諧波多，輸出頻率范圍窄，使之應(yīng)用受到了一定的限制。它在傳統(tǒng)大功率電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中應(yīng)用較多。

交-交變流器用于交流勵(lì)磁中的優(yōu)點(diǎn)主要有：①采用成熟晶閘管器件，在不需要器件并聯(lián)的情況下輸出大電流。②沒有直流環(huán)節(jié)，主回路簡單可靠，整體效率高。

交-交變流器的缺點(diǎn)有：①變頻范圍窄。在抽蓄機(jī)組作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，仍然需要SFC來進(jìn)行拖動(dòng)，這大大增加了電站的整體建設(shè)成本。②功率因數(shù)低，無法對網(wǎng)側(cè)的無功功率進(jìn)行控制，因此對于大容量的交流勵(lì)磁，還需要配備專門的無功補(bǔ)償裝置，無形中也增加了設(shè)備的建造成本。

交-交變流器對交流勵(lì)磁的適用性評價(jià)：交-交變頻器拓?fù)湓谳敵龃箅娏?5 000 A以上)、大功率(30 MV·A以上)方面有突出優(yōu)勢；主回路簡單、晶閘管器件可靠耐用；不含直流電路及其濾波部分，可實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行；輸出頻率范圍窄，無法將電機(jī)拖動(dòng)到同步轉(zhuǎn)速。

圖7 交-交變頻器結(jié)構(gòu)

2 結(jié) 語

從功能上來看，上述5種變流器均可用于交流勵(lì)磁，但是交-交變流器由于變頻范圍窄，現(xiàn)在國外新建變速抽蓄機(jī)組已經(jīng)不采用該技術(shù)。H橋和MMC相對于其他3種變流器，所用器件較多，成本較高，主要應(yīng)用在高壓小電流場合。兩電平變流器輸出諧波較重，對電機(jī)運(yùn)行不利，并且需要器件串并聯(lián)才能輸出中壓大電流，而可關(guān)斷器件的串并聯(lián)技術(shù)仍然是一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。多電平中的三電平變流器和其他幾種變流器相比，無需器件串聯(lián)，采用多繞組變壓器隔離實(shí)現(xiàn)并聯(lián)大電流輸出，器件數(shù)量適中，增加少量濾波器即可抑制輸出諧波。因此，對于小容量交流勵(lì)磁系統(tǒng)，可采用較為成熟的兩電平變流器；而對于大容量交流勵(lì)磁系統(tǒng)，則建議采用三電平變流器。