一種300MW變速抽水蓄能機組自啟動策略

來 璐，馮宇鵬，張海龍，吳金龍，陳旭東，宋曉梅

（西安許繼電力電子技術(shù)有限公司，陜西省西安市 710075）

0 引言

隨著風(fēng)電、光伏并網(wǎng)容量的不斷增加，對電網(wǎng)的調(diào)峰和調(diào)頻能力提出了更高的要求，作為削峰填谷、調(diào)頻調(diào)相最好工具的抽水蓄能電站，在電力系統(tǒng)中占據(jù)了越來越重要的地位[1-4]。變速抽水蓄能機組具有抽水工況功率可以調(diào)節(jié)，發(fā)電工況效率更高，功率調(diào)節(jié)速度快，可自啟動，無需單獨的啟動裝置靜止變頻器（Static Frequency Convertor，SFC）等優(yōu)點，已成為了我國抽水蓄能電站新的發(fā)展方向。

目前，國內(nèi)外關(guān)于變速抽水蓄能機組的研究主要為功率解耦控制和電網(wǎng)頻率控制[[5-7]，對機組自啟動方面的研究較少。文獻[8]指出變速機組啟動的基本原理是將定子短接，通過交流勵磁系統(tǒng)給轉(zhuǎn)子施加幅值和頻率逐漸增大的電壓，使轉(zhuǎn)子在磁場作用下旋轉(zhuǎn)并加速，轉(zhuǎn)速升高到接近同步轉(zhuǎn)速的一個規(guī)定值，但未進行具體的啟動策略研究。文獻[9]研究了一種基于轉(zhuǎn)子勵磁的雙饋電機零速自啟動的矢量控制策略，但未考慮到實際交流勵磁系統(tǒng)輸出電壓為轉(zhuǎn)差電壓，不能將電機恒轉(zhuǎn)矩加速至額定轉(zhuǎn)速。

本文首先對定子短接，轉(zhuǎn)子勵磁啟動的工況進行了建模，分析了轉(zhuǎn)子磁場定向下轉(zhuǎn)矩和磁鏈與轉(zhuǎn)子dq軸電流的關(guān)系，推導(dǎo)了磁通觀測器模型，然后分析了電機運行的電壓極限、電流極限和轉(zhuǎn)矩極限，提出了一種變速機組的自啟動策略，仿真結(jié)果證明了理論分析和自啟動策略的正確性。

本文所述的自啟動策略適用于不同功率等級的變速機組在抽水模式通過電機定子短接，利用交流勵磁系統(tǒng)在轉(zhuǎn)子勵磁啟動的工況。該啟動方法利用變速抽水蓄能機組的交流勵磁系統(tǒng)，將機組從靜止狀態(tài)平穩(wěn)升速到設(shè)定轉(zhuǎn)速，無需輸出變壓器和額外的啟動裝置靜止變頻器。

1 磁場定向矢量控制

1.1 變速抽水蓄能系統(tǒng)

300MW變速抽水蓄能系統(tǒng)如圖1所示，主要包括主變壓器、定子斷路器K2、換相開關(guān)、定子短接開關(guān)K3、發(fā)電電動機、水泵水輪機、機組控制保護系統(tǒng)、調(diào)速器、勵磁斷路器K1和交流勵磁系統(tǒng)。交流勵磁系統(tǒng)主要包括勵磁變壓器、軟起斷路器K4和K6、并網(wǎng)斷路器K5和K7、網(wǎng)側(cè)、直流Crowbar、機側(cè)、交流Crowbar、控制保護系統(tǒng)和水冷系統(tǒng)。交流勵磁系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)由4個NPC三電平功率模塊并聯(lián)組成，機側(cè)由6個NPC三電平功率模塊并聯(lián)組成。

圖1 300MW變速抽水蓄能系統(tǒng)Fig.1 A 300MW variable speed hydro pumped storage system

1.2 建模分析

定子短接，電機按照轉(zhuǎn)子磁鏈定向時，電壓和磁鏈在旋轉(zhuǎn)坐標系下的方程為

電壓方程

磁鏈方程

式中：Rs為定子電阻，isd和isq為定子電流的dq軸分量，p為微分算子，ψsd和ψsq為定子磁鏈的dq軸分量，ωsl為轉(zhuǎn)差角速度，ω0為交流勵磁系統(tǒng)（AC Excitation System，AES）輸出電壓角速度，urd和urq為轉(zhuǎn)子dq軸電壓，Rr為轉(zhuǎn)子電阻，ψr為轉(zhuǎn)子磁鏈，ird和irq為轉(zhuǎn)子dq軸電流，Ls為定子電感，Lm為定、轉(zhuǎn)子之間的互感，Lr為轉(zhuǎn)子電感。

根據(jù)磁鏈方程（2）可得

根據(jù)式（3）可得轉(zhuǎn)子磁鏈與轉(zhuǎn)子電流的關(guān)系為

式中：τs=Ls/Rs為定子時間常數(shù)，σ=1-Lm2/LsLr為漏感系數(shù)。

根據(jù)式（3）和式（1）可得，轉(zhuǎn)差角速度與轉(zhuǎn)子dq軸電流的關(guān)系為

電機的轉(zhuǎn)矩方程為

根據(jù)式（3）和（6）可得電機轉(zhuǎn)矩為

式中：np為電機的極對數(shù)，ψr為轉(zhuǎn)子磁鏈，irq為轉(zhuǎn)矩電流，因此，變速機組定子短接，當轉(zhuǎn)子磁通保持恒定時，電機轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)子q軸電流成正比，通過控制轉(zhuǎn)子q軸電流就實現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩的控制。

1.3 磁通觀測器

變速機組按照轉(zhuǎn)子磁場定向變頻啟動，轉(zhuǎn)子磁通觀測的準確性直接影響機組的啟動特性，本節(jié)對電機定子短接，轉(zhuǎn)子變頻啟動的工況，推導(dǎo)出磁鏈觀測器模型。

磁通觀測器主要有電壓模型和電流模型[10-12]，由于電壓模型在低速工況下不能準確獲得電機磁鏈，而300MW的變速機組轉(zhuǎn)動慣量大，采用電壓型磁通觀測器，機組容易啟動失敗，本文采用電流型磁通觀測器。從式（4）可見，采用轉(zhuǎn)子電流直接計算轉(zhuǎn)子磁鏈存在微分環(huán)節(jié)，會導(dǎo)致觀測不準確，因此需首先求出定子磁鏈，再根據(jù)定子磁鏈求解轉(zhuǎn)子磁鏈。

以定子磁鏈為旋轉(zhuǎn)坐標系的d軸，電機的定子電壓為

定子磁鏈滿足

根據(jù)式（8）和（9）可得定子磁鏈與轉(zhuǎn)差角速度為

定子磁鏈與轉(zhuǎn)子磁鏈滿足

因此，根據(jù)轉(zhuǎn)子電流就可以求得轉(zhuǎn)子磁鏈的幅值和相位，如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)子磁鏈觀測器Fig.2 Rotor flux estimator

2 轉(zhuǎn)矩電流限制

交流勵磁系統(tǒng)在啟動變速機組時，其轉(zhuǎn)矩電流會受到電壓極限、電流極限和轉(zhuǎn)矩極限的限制。

2.1 電壓極限

電機定子短接，勵磁系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制，其穩(wěn)態(tài)電壓滿足

勵磁系統(tǒng)輸出電壓滿足

根據(jù)式（13）和式（14）可得

式中：Umax為AES輸出的最大電壓。

2.2 電流極限

AES輸出的最大轉(zhuǎn)矩電流在電流應(yīng)力方面有兩個限制，一為AES機側(cè)所能輸出的最大電流Imax，二為AES網(wǎng)側(cè)能夠傳輸?shù)淖畲笥泄β蔖GSC_max，如式（16）所示。

式中：PRSC為AES機側(cè)輸出的有功功率。

因此，轉(zhuǎn)矩電流需滿足

式中，Urate_GSC為AES網(wǎng)側(cè)額定電壓，Irate_GSC為AES網(wǎng)側(cè)額定電流，Urate_RSC為AES機側(cè)額定電壓。

2.3 轉(zhuǎn)矩極限

根據(jù)式（4）和式（5），在穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)子磁鏈和轉(zhuǎn)差角速度為

根據(jù)式（19）可得

由于

故轉(zhuǎn)矩電流需滿足

3 自啟動策略

變速機組定子短接后，AES啟動機組包括以下幾個階段

（1）準備階段。

設(shè)定變速機組為抽水啟動模式，確認定子斷路器K2處于斷開狀態(tài)，向機組控制系統(tǒng)請求閉合定子短接開關(guān)K3，閉合勵磁斷路器K1。

（2）穩(wěn)壓階段。

啟動交流勵磁系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)，閉合網(wǎng)側(cè)軟起斷路器K4和K6，電網(wǎng)通過軟起電阻和網(wǎng)側(cè)的反并聯(lián)二極管給直流側(cè)充電，當直流電壓大于0.6pu且持續(xù)3s后，閉合網(wǎng)側(cè)并網(wǎng)斷路器K5和K7，斷開網(wǎng)側(cè)軟起斷路器K4和K6，當直流電壓大于0.8pu且持續(xù)2s后，開啟網(wǎng)側(cè)控制脈沖，將直流電壓控制為設(shè)定值。

（3）勵磁階段。

AES對電機轉(zhuǎn)子進行勵磁，轉(zhuǎn)子磁通大于0.25pu后，給定轉(zhuǎn)矩電流，機組開始升速。

（4）恒轉(zhuǎn)矩啟動階段。

機組磁通達到額定磁通后，AES輸出最大轉(zhuǎn)矩電流，機組恒轉(zhuǎn)矩升速。

（5）恒功率啟動階段。

變速機組在并網(wǎng)運行工況，AES輸出的電壓與轉(zhuǎn)差率成正比，能夠輸出的最大電壓為

式中，smax為機組運行的最大轉(zhuǎn)差率，Urate_rotor為轉(zhuǎn)子額定電壓，近似為

式中，ωr_rate為機組轉(zhuǎn)子的額定角速度，ψrate為轉(zhuǎn)子額定磁鏈。忽略定子電阻壓降，根據(jù)式（13）、式（23）和式（24）可得

因此，當機組轉(zhuǎn)速大于smaxωr_rate時，需要減小轉(zhuǎn)子磁通，進行弱磁控制。在這個階段，AES輸出電壓和轉(zhuǎn)矩電流保持不變，機組恒功率升速。

（6）降功率啟動階段。

隨著轉(zhuǎn)速的上升，轉(zhuǎn)子磁通不斷減小，當轉(zhuǎn)矩電流大于轉(zhuǎn)矩極限限制時，AES需按照式（22）輸出轉(zhuǎn)矩電流，以保證機組的穩(wěn)定運行，機組降功率升速。

交流勵磁系統(tǒng)啟動變速機組的機側(cè)控制策略如圖3所示，采用轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制，控制內(nèi)環(huán)為轉(zhuǎn)子dq軸電流，控制外環(huán)為磁通環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)，由于電機轉(zhuǎn)動慣量大，為了防止電機轉(zhuǎn)速在目標值附近波動，轉(zhuǎn)速環(huán)采用P調(diào)節(jié)器。

4 仿真驗證

為了驗證本文所提交流勵磁系統(tǒng)啟動變速機組策略的正確性，利用Matlab/Simulink搭建了一臺15.75kV/300MW變速機組抽水蓄能系統(tǒng)，仿真參數(shù)如表1和表2所示。

圖4為電機啟動的整體仿真波形，圖5為電機啟動初始階段的仿真波形，交流勵磁系統(tǒng)先對直流母線軟起充電，然后開啟網(wǎng)側(cè)脈沖，將直流電壓控制為設(shè)定值。網(wǎng)側(cè)運行后，機側(cè)開啟脈沖對電機進行勵磁，達到額定磁通后，電機恒轉(zhuǎn)矩運行，當轉(zhuǎn)速大于0.1pu時，機組開始弱磁升速，磁通和轉(zhuǎn)矩都開始減小，但AES輸出的有功功率保持不變，隨著轉(zhuǎn)速的進一步上升，AES輸出的有功功率開始減小。在啟動過程中，電機的轉(zhuǎn)子電流頻率為AES輸出的頻率，定子電流頻率為轉(zhuǎn)差頻率。圖6為AES的轉(zhuǎn)矩電流極限，AES首先運行于電流極限，當轉(zhuǎn)矩極限大于電流極限后，AES按照轉(zhuǎn)矩極限輸出轉(zhuǎn)矩電流。

圖3 交流勵磁系統(tǒng)啟動機組的控制策略Fig.3 Control strategy of AES starting motor

圖4 機組啟動整體仿真波形Fig.4 The whole simulition result of motor start

5 結(jié)束語

本文推導(dǎo)了變速機組定子短接，轉(zhuǎn)子勵磁工況的電機方程和轉(zhuǎn)子磁通觀測器，分析了電機弱磁升速過程中的電壓極限、電流極限和轉(zhuǎn)矩極限，提出了一種變速機組的自啟動策略。仿真結(jié)果表明，電機經(jīng)勵磁、恒轉(zhuǎn)矩升速、恒功率升速和降功率升速四個階段后，平穩(wěn)升速至設(shè)定轉(zhuǎn)速。

圖5 機組啟動初始階段仿真結(jié)果Fig.5 The initial simulition result of motor start

表1 變速電機參數(shù)Tab.1 Parameter of variable speed motor

表2 交流勵磁系統(tǒng)參數(shù)Tab.2 Parameter of AC excitation system

圖6 轉(zhuǎn)矩電流極限Fig.6 Limit of torque current