抽水蓄能電站可變速機(jī)組啟動(dòng)技術(shù)研究

閆 偉，張亞武，施一峰，石祥建，孫景輝，吳 龍，劉為群

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

0 引 言

隨著電網(wǎng)中核電、燃?xì)獍l(fā)電及聯(lián)合循環(huán)電廠等穩(wěn)定供電電源和風(fēng)電、太陽(yáng)能間歇性可再生能源的大規(guī)模利用，導(dǎo)致電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，尤其是夜間頻率控制變得更為困難。恒速蓄能機(jī)組以水泵工況運(yùn)行時(shí)，不能調(diào)節(jié)輸入功率，因此無(wú)法滿足電網(wǎng)快速準(zhǔn)確進(jìn)行電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)的要求，可變速抽水蓄能機(jī)組就是解決該問(wèn)題的辦法之一。可變速抽水蓄能發(fā)電電動(dòng)機(jī)方案包括變極變速(雙轉(zhuǎn)子雙定子變速)、定子側(cè)變頻變速和交流勵(lì)磁變速3種。第1種方案已難以滿足當(dāng)今電網(wǎng)和電站對(duì)于抽水蓄能機(jī)組在效率和性能上的要求；第2種方案要求變頻器的容量按照電機(jī)容量設(shè)計(jì)，造價(jià)昂貴，并且電機(jī)在低速下運(yùn)行時(shí)功率因數(shù)較低，這種方式也未能得到推廣[1- 2]。

交流勵(lì)磁可變速抽水蓄能機(jī)組(AC excitation variable speed pump storage unit，ACE-VSPSU)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組為三相對(duì)稱繞組，采用交流勵(lì)磁方式，勵(lì)磁電壓的頻率、幅值、相位及相序均為可調(diào)，通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁可以控制發(fā)電機(jī)勵(lì)磁磁場(chǎng)大小及其相對(duì)于轉(zhuǎn)子本體的位置，實(shí)現(xiàn)機(jī)械轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)頻率的解耦運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)柔性連接。通過(guò)變機(jī)械轉(zhuǎn)速運(yùn)行，交流勵(lì)磁可變速抽水蓄能機(jī)組在發(fā)電和抽水2種工況下都能獲得較高的效率，提高機(jī)組對(duì)水頭變化的適應(yīng)能力，同時(shí)避開(kāi)機(jī)組運(yùn)行的不穩(wěn)定區(qū)。交流勵(lì)磁變速抽水蓄能機(jī)組具有有功和無(wú)功解耦控制、深度進(jìn)相能力及功角與轉(zhuǎn)子位置解耦的特性，使其具有良好的電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行支撐能力。水泵工況下可變速機(jī)組穩(wěn)態(tài)吸收功率與轉(zhuǎn)速的3次方成正比，通過(guò)改變機(jī)組轉(zhuǎn)速，可快速調(diào)節(jié)吸收的有功功率，從而突破抽水蓄能機(jī)組水泵工況下只能“開(kāi)機(jī)-滿負(fù)荷-停機(jī)”的運(yùn)行束縛，提高電網(wǎng)對(duì)系統(tǒng)頻率的控制能力，參與電網(wǎng)的調(diào)頻[3- 6]。

ACE-VSPSU發(fā)電工況下的勵(lì)磁控制與風(fēng)電雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)(DFIG)勵(lì)磁控制有相似之處。在風(fēng)電運(yùn)行條件約束下，針對(duì)DFIG的勵(lì)磁控制研究較多，但針對(duì)ACE-VSPSU水泵工況下的交流勵(lì)磁控制，包括ACE-VSPSU啟動(dòng)控制及水泵工況運(yùn)行的勵(lì)磁控制研究尚不足。ACE-VSPSU的啟動(dòng)理論上也可以采用與定速抽蓄機(jī)組類似的通過(guò)外加的靜止變頻器(SFC)設(shè)備實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)，但需要再另外配置較昂貴的SFC設(shè)備，所以利用ACE-VSPSU自身的交流勵(lì)磁變流器設(shè)備，實(shí)現(xiàn)ACE-VSPSU啟動(dòng)的自啟動(dòng)技術(shù)研究得到關(guān)注。文獻(xiàn)[7]提出了將定子繞組短接，通過(guò)轉(zhuǎn)子交流勵(lì)磁控制，實(shí)現(xiàn)ACE-VSPSU的自啟動(dòng)方法；文獻(xiàn)[8]針對(duì)自啟動(dòng)的方法，介紹了啟動(dòng)過(guò)程及并網(wǎng)控制策略，并在文獻(xiàn)[9]中對(duì)自啟動(dòng)的啟動(dòng)時(shí)間優(yōu)化控制算法進(jìn)行了研究。

本文重點(diǎn)研究ACE-VSPSU抽水工況下的自啟動(dòng)矢量控制技術(shù)。首先，建立定子繞組短接時(shí)ACE-VSPSU的數(shù)學(xué)模型，以此為基礎(chǔ)，提出了便于實(shí)現(xiàn)的定子磁鏈定向ACE-VSPSU自啟動(dòng)矢量控制策略，并提出了自適應(yīng)的偏移量檢測(cè)方法，對(duì)轉(zhuǎn)子位置傳感器偏差進(jìn)行校正。最后，通過(guò)ACE-VSPSU動(dòng)模仿真系統(tǒng)，對(duì)提出的策略及方法進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

1 ACE-VSPSU自啟動(dòng)控制模型

1.1 ACE-VSPSU在兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下的狀態(tài)方程

當(dāng)ACE-VSPSU的定子短路時(shí)，定子電流不宜選做狀態(tài)量。因此，選擇轉(zhuǎn)子電流ird、irq和定子磁鏈ψsd、ψsq為狀態(tài)量。假設(shè)條件：①忽略空間諧波，假定轉(zhuǎn)子各自三相繞組對(duì)稱，空間上相差120°，各繞組產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)按正弦規(guī)律分布；②忽略磁路飽和，即各繞組的自感和互感恒定；③繞組電阻恒定，定子側(cè)各矢量正方向取發(fā)電機(jī)慣例，轉(zhuǎn)子側(cè)各矢量正方向取電動(dòng)機(jī)慣例。ACE-VSPSU電機(jī)的磁鏈方程、任意旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的電壓方程及轉(zhuǎn)矩方程為

(1)

(2)

Te=npLm(isqird-isdirq)

(3)

式中，ψ為磁鏈；R為電阻；Ls、Lr分別是定子、轉(zhuǎn)子自感；Lm為定轉(zhuǎn)子間互感；Te為電磁轉(zhuǎn)矩；p為微分算子；np為電機(jī)極對(duì)數(shù)；下標(biāo)s表示定子側(cè)量，r表示轉(zhuǎn)子側(cè)量，d、q分別表示d軸、q軸分量。

由式(1)有

(4)

將式(4)代入(3)有

(5)

ω1為同步角速度，轉(zhuǎn)子的機(jī)械角速度為ω，在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中，ωdqs=ω1，則dq軸相對(duì)于轉(zhuǎn)子的角轉(zhuǎn)速ωdqr=ω1-ω=ωs，即轉(zhuǎn)差；ACE-VSPSU自啟動(dòng)時(shí)定子短路，即usd=usq=0。ACE-VSPSU的電壓平衡方程為

(6)

將式(1)代入式(6)，消去isd、isq、ψrd、ψrq，整理后得到與拖動(dòng)相關(guān)的狀態(tài)方程為

(7)

(8)

式中，Ts=Ls/Rs，為定子時(shí)間常數(shù)。運(yùn)動(dòng)方程為

(9)

式中，J是機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩。

1.2 ACE-VSPSU自啟動(dòng)矢量控制模型

即使選用dq同步坐標(biāo)，并沒(méi)有改變ACE-VSPSU電機(jī)方程非線性、多變量的本質(zhì)，基于此設(shè)計(jì)性能良好的ACE-VSPSU自啟動(dòng)控制策略比較困難，需要進(jìn)一步對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化。對(duì)d、q兩軸與電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的相對(duì)位置進(jìn)行限定，即將d軸軸線控制在電機(jī)的定子磁鏈?zhǔn)噶康姆较蛏?，能使上述狀態(tài)方程進(jìn)一步得到簡(jiǎn)化。此時(shí)，ψsd=ψs，ψsq=0，代入式(5)、(7)、(8)、(9)中有

(10)

(11)

(12)

(13)

由式(11)、(12)分別可得

(14)

(15)

式(14)表明，定子磁鏈僅由轉(zhuǎn)子電流勵(lì)磁分量ird產(chǎn)生，與轉(zhuǎn)矩分量irq無(wú)關(guān)，即實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子電流中勵(lì)磁分量與轉(zhuǎn)矩分量的解耦。ψs與ird之間的傳遞函數(shù)是一階慣性環(huán)節(jié)，時(shí)間常數(shù)為定子時(shí)間常數(shù)。式(10)、(13)、(14)、(15)構(gòu)成了ACE-VSPSU自啟動(dòng)矢量控制方程。從式(10)、(13)、(14)、(15)可以看到，電磁轉(zhuǎn)矩Te受irq和ψs的影響，基于此設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)速控制子系統(tǒng)及定子磁鏈控制子系統(tǒng)之間存在耦合，需要在電磁轉(zhuǎn)矩控制中消除定子磁鏈變化對(duì)轉(zhuǎn)矩的影響。在實(shí)際控制中，可以很容易實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子電流的勵(lì)磁分量ird保持不變，則定子磁鏈為恒定量，代入上述ACE-VSPSU自啟動(dòng)矢量控制方程，可得到進(jìn)一步簡(jiǎn)化的ACE-VSPSU自啟動(dòng)矢量控制方程，即

ψs=Lmird

(16)

(17)

控制中可設(shè)置轉(zhuǎn)子勵(lì)磁分量ird為常值，如果irq變化，電磁轉(zhuǎn)矩Te將立即隨之成正比例變化，這樣就實(shí)現(xiàn)電磁轉(zhuǎn)矩Te僅受控于轉(zhuǎn)子電流的轉(zhuǎn)矩分量，便于得到滿意的ACE-VSPSU自啟動(dòng)控制特性。

2 ACE-VSPSU自啟動(dòng)轉(zhuǎn)子位置傳感器偏差校正

ACE-VSPSU的自啟動(dòng)控制需要獲得轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)子位置信息，對(duì)于轉(zhuǎn)子位置的檢測(cè)包括有位置傳感器和無(wú)位置傳感器2種方法。ACE-VSPSU的無(wú)位置傳感器轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)目前理論研究較多，因其運(yùn)行的特殊性，難以直接對(duì)轉(zhuǎn)子磁鏈進(jìn)行觀測(cè)[10]，速度觀測(cè)精度受電機(jī)轉(zhuǎn)子參數(shù)的影響大，算法復(fù)雜，采樣、離散化運(yùn)算等的偏差及積分漂移等都會(huì)直接影響觀測(cè)精度及可靠性[11- 12]，目前尚不能完全滿足工程應(yīng)用的要求。實(shí)際工程中，通過(guò)安裝光電編碼器實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速及位置檢測(cè)。

在光電編碼器安裝時(shí)，理論上需要當(dāng)定子A相軸線與轉(zhuǎn)子a相軸線重合時(shí)，編碼器輸出轉(zhuǎn)子位置角為0。在此基礎(chǔ)上，當(dāng)轉(zhuǎn)子a相轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，光電編碼器輸出才能準(zhǔn)確反映轉(zhuǎn)子位置。而由于安裝精度問(wèn)題，光電編碼器輸出轉(zhuǎn)子位置角為0時(shí)，轉(zhuǎn)子a相繞組軸線與定子A相繞組軸線存在某個(gè)固定的角度差，即為轉(zhuǎn)子位置角固定偏移量Δθ。該偏移量會(huì)使勵(lì)磁矢量方向與程序計(jì)算的矢量方向產(chǎn)生偏差，導(dǎo)致并網(wǎng)沖擊變大、功率波動(dòng)、拖動(dòng)轉(zhuǎn)速不穩(wěn)等一系列問(wèn)題。

本文采用自適應(yīng)的偏移量檢測(cè)方法來(lái)修正該固定偏移量。在ACE-VSPSU空載升壓控制中，以電網(wǎng)電壓相位θG作為參考，定子電壓相位θs作為控制反饋，兩者之差θerr輸入轉(zhuǎn)子位置偏差校正控制器，控制器輸出的轉(zhuǎn)子位置校正偏差Δθ對(duì)實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)子位置角θm進(jìn)行校正，升壓控制以校正后的角度θr作為轉(zhuǎn)子位置角。當(dāng)定子電壓相位與電網(wǎng)電壓相位一致時(shí)，Δθ停止變化，此時(shí)的Δθ為轉(zhuǎn)子位置角的校正量。自適應(yīng)偏移量檢測(cè)原理見(jiàn)圖1。

圖1 自適應(yīng)偏移量檢測(cè)原理

3 動(dòng)模試驗(yàn)驗(yàn)證

在ACE-VSPSU動(dòng)模系統(tǒng)上對(duì)上述控制策略進(jìn)行了驗(yàn)證。30 kW交流勵(lì)磁動(dòng)模系統(tǒng)由變頻器、異步電動(dòng)機(jī)、可變速電機(jī)、交流勵(lì)磁設(shè)備、勵(lì)磁變壓器、開(kāi)關(guān)及其控制回路等組成。動(dòng)模交流勵(lì)磁設(shè)備主回路采用三電平拓?fù)?，在其控制器中?shí)現(xiàn)自啟動(dòng)、升壓、并網(wǎng)及功率控制等控制策略。用異步電動(dòng)機(jī)模擬水輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，可使機(jī)組工作于不同轉(zhuǎn)速、不同輸出功率的運(yùn)行狀態(tài)?？勺兯匐姍C(jī)定子側(cè)設(shè)置短路開(kāi)關(guān)，用于模擬ACE-VSPSU的自啟動(dòng)控制時(shí)將定子短路。動(dòng)模平臺(tái)組成示意見(jiàn)圖2。

圖2 動(dòng)模平臺(tái)組成示意

3.1 轉(zhuǎn)子位置傳感器偏差校正動(dòng)模試驗(yàn)

對(duì)提出的變速機(jī)組轉(zhuǎn)子位置傳感器偏差校正方法進(jìn)行動(dòng)模試驗(yàn)驗(yàn)證。由原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)可變速電機(jī)至850 r/min，交流勵(lì)磁進(jìn)入空載勵(lì)磁控制模式，勵(lì)磁電壓的頻率跟蹤轉(zhuǎn)差頻率，保證轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)為同步轉(zhuǎn)速。同時(shí)，勵(lì)磁電壓相位根據(jù)轉(zhuǎn)子位置偏差校正控制器輸出進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。當(dāng)電機(jī)定子電壓相位與電網(wǎng)電壓相位相同時(shí)，轉(zhuǎn)子位置校正偏差Δθ基本保持恒定，用其對(duì)位置傳感器測(cè)量的轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行校正。轉(zhuǎn)子位置傳感器偏差校正波形見(jiàn)圖3。

圖3 轉(zhuǎn)子位置傳感器偏差校正波形

圖3a是未采用偏差校正的電機(jī)定子電壓與電網(wǎng)電壓相位差波形，其變化范圍較大，并且有角差突變情況；圖3b是采用偏差校正器后的電機(jī)定子電壓與電網(wǎng)電壓相位差波形，可以看到調(diào)節(jié)過(guò)程具有很好的收斂性，角差也沒(méi)有出現(xiàn)突變情況；圖3c是位置轉(zhuǎn)子位置偏差校正控制器的輸出，與圖3b相對(duì)應(yīng)，當(dāng)校正控制器輸出趨于穩(wěn)定時(shí)，相角差則趨近于0?？梢?jiàn)ACE-VSPSU自啟動(dòng)轉(zhuǎn)子位置傳感器偏差校正具有良好的補(bǔ)償效果。

3.2 ACE-VSPSU自啟動(dòng)矢量控制策略動(dòng)模試驗(yàn)

定速抽水蓄能機(jī)組水泵工況啟動(dòng)時(shí)，機(jī)組轉(zhuǎn)速跟隨SFC設(shè)定的轉(zhuǎn)速曲線上升，變速機(jī)組采用類似的方式。在ACE-VSPSU動(dòng)模交流勵(lì)磁控制器中設(shè)定機(jī)組轉(zhuǎn)速參考，由交流勵(lì)磁設(shè)備提出的ACE-VSPSU自啟動(dòng)矢量控制策略，對(duì)動(dòng)模ACE-VSPSU進(jìn)行自啟動(dòng)試驗(yàn)。試驗(yàn)波形見(jiàn)圖4。圖中，Nref為轉(zhuǎn)速參考，N為實(shí)測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速。

圖4 動(dòng)模ACE-VSPSU自啟動(dòng)升速波形

從圖4可知，按每秒上升20 r/min的速率上升，電機(jī)轉(zhuǎn)速隨之上升，約50 s從靜止加速到設(shè)定的1 000 r/min；按每秒上升10 r/min的速率上升，電機(jī)轉(zhuǎn)速隨之上升，約100 s從靜止加速到設(shè)定的1 000 r/min。對(duì)于不同的轉(zhuǎn)速參考上升速率，采用本文ACE-VSPSU自啟動(dòng)控制策略，機(jī)組轉(zhuǎn)速對(duì)轉(zhuǎn)速參考的跟蹤性良好，證明該策略具有良好的動(dòng)態(tài)控制性能，能夠滿足抽水蓄能電站ACE-VSPSU自啟動(dòng)要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文研究了ACE-VSPSU抽水工況下的自啟動(dòng)矢量控制技術(shù)，建立了定子繞組短接時(shí)ACE-VSPSU的數(shù)學(xué)模型，以此為基礎(chǔ)，提出了定子磁鏈定向的ACE-VSPSU自啟動(dòng)矢量控制策略及自適應(yīng)轉(zhuǎn)子位置傳感器偏移量檢測(cè)方法，并通過(guò)ACE-VSPSU動(dòng)模系統(tǒng)對(duì)提出的策略及方法進(jìn)行了驗(yàn)證。動(dòng)模結(jié)果表明，基于轉(zhuǎn)子位置傳感器偏移量檢測(cè)方法能準(zhǔn)確補(bǔ)償位置檢測(cè)偏差。本文提出的啟動(dòng)控制策略實(shí)現(xiàn)ACE-VSPSU的自啟動(dòng)具有良好的控制特性。