小功率水電站變速恒頻控制系統(tǒng)研究

胡興洋，韓鴻凌，陳 堃，張隆恩，葉龐琪，張瀏亮

（1.國網(wǎng)湖北省電力有限公司電力科學(xué)研究，湖北 武漢 430077；2. 國網(wǎng)湖北省電力有限公司中超建設(shè)管理公司，湖北 武漢 430022；3.湖北方源東力電力科學(xué)研究有限公司，湖北 武漢 430077）

0 引言

我國的電力能源仍以煤炭為主，煤炭的大規(guī)模燃燒，引發(fā)溫室氣體排放、空氣污染、酸雨等一系列環(huán)境污染問題［1］。水電是當(dāng)今世界公認的可再生、綠色清潔能源［2］，各項指標(biāo)不僅遠遠優(yōu)于傳統(tǒng)化石能源和核能，也遠優(yōu)于風(fēng)能和太陽能等各種新能源，其中小水電各項指標(biāo)又優(yōu)于中大型水電［3］。20世紀(jì)80年代，在國家政策的扶持下，各地方開始自主建設(shè)小水電，規(guī)劃配套電網(wǎng)，逐漸形成40多個區(qū)域電網(wǎng)，600多個縣以小水電供電為主［4］。進入新世紀(jì)后，小水電從解決山區(qū)農(nóng)村無電用問題逐步轉(zhuǎn)向提高農(nóng)村電氣化發(fā)展水平、加快貧困地區(qū)脫貧致富步伐、帶動山區(qū)農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展、積極保護生態(tài)環(huán)境，逐步形成了以林蓄水、以水發(fā)電、以電養(yǎng)林的生態(tài)循環(huán)模式，有效保護了當(dāng)?shù)厣仲Y源不被破壞。

傳統(tǒng)的水力發(fā)電控制系統(tǒng)中，一般通過調(diào)速器來控制水輪機轉(zhuǎn)速來控制發(fā)電機三相電壓頻率，以及通過勵磁裝置調(diào)節(jié)勵磁電流，控制交流側(cè)三相電壓幅值，再通過專用的相位檢測裝置，來檢測發(fā)電機輸出電壓和電網(wǎng)電壓相位，進而實現(xiàn)同期并網(wǎng)發(fā)電?？刂葡到y(tǒng)復(fù)雜，成本高，而且并網(wǎng)運行時，水輪機固定運行在額定轉(zhuǎn)速，當(dāng)水流量低時，無法發(fā)揮水輪機組最大效率［5］，造成水資源浪費，若強行修渠引水發(fā)電，又會破壞河流生態(tài)，甚至影響周邊生產(chǎn)和居民生活［6］，因此提高小水電低流量下發(fā)電量成為小水電進一步發(fā)展亟待解決的問題。

針對上述問題，本文將雙PWM變流器［7-10］應(yīng)用于水力發(fā)電并網(wǎng)控制系統(tǒng)中，將并網(wǎng)過程和發(fā)電機傳輸功率過程分離開來，兩者通過高壓直流母線連接，來實現(xiàn)變速恒頻水力發(fā)電［11］?？刂葡到y(tǒng)分為網(wǎng)側(cè)系統(tǒng)和機側(cè)系統(tǒng)，網(wǎng)側(cè)系統(tǒng)控制直流母線電壓，通過鎖相環(huán)技術(shù)檢測電網(wǎng)相位，采用SVPWM算法，實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電和無功補償功能；機側(cè)系統(tǒng)控制發(fā)電機轉(zhuǎn)速，跟蹤水輪機最大功率輸出，將水流沖擊產(chǎn)生的能量以最大效率傳遞到直流母線上，提高發(fā)電量，兩個系統(tǒng)彼此獨立，而又緊密聯(lián)系。仿真及實驗表明該系統(tǒng)能有效實現(xiàn)水力并網(wǎng)發(fā)電和無功補償，同時還具有成本低、結(jié)構(gòu)簡單、維護方便等優(yōu)點，適合農(nóng)村、山林、濕地等環(huán)境惡劣但水資源豐富的地方發(fā)電上網(wǎng)。

1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與原理

整個控制系統(tǒng)主要包括水輪機、永磁同步發(fā)電機、背靠背雙PWM 變流器等結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。其中，水輪機與同步發(fā)電機同軸相連，為發(fā)電機提供驅(qū)動轉(zhuǎn)矩［12］，經(jīng)過SVPWM 變流器將機側(cè)的三相交流電能轉(zhuǎn)化為母線直流電能，網(wǎng)側(cè)系統(tǒng)穩(wěn)定直流母線電壓，再經(jīng)過一個SVPWM變流器將直流電能轉(zhuǎn)化為符合入網(wǎng)規(guī)范的三相交流電能并入電網(wǎng)。

圖1 水電并網(wǎng)控制系統(tǒng)Fig.1 Hydropower grid-connected control system

系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)如圖1 所示，包括網(wǎng)側(cè)和機側(cè)兩個部分，其工作原理和控制過程分別如下：

網(wǎng)側(cè)以直流母線電壓為控制對象，采用電壓電流雙閉環(huán)的控制策略，電壓環(huán)用于控制變流器直流母線電壓，電流環(huán)用于實現(xiàn)有功、無功分解控制。將電壓給定值Vdc*與電壓采集值Vdc的差值傳入電壓控制器，其輸出作為電流有功分量的給定值igd*，電流無功分量給定值igq*可根據(jù)小水電入網(wǎng)規(guī)定設(shè)置，將電流給定值igd*、igq*與電流采集值igd、igq的差值傳入電流控制器，經(jīng)過 前 饋 補 償 后 得 到 電 壓 給 定 值ugd*、ugq*，再 經(jīng) 過SVPWM模塊產(chǎn)生驅(qū)動變流器的脈沖信號，這樣變流器輸出電流將實時跟蹤直流母線功率變化，從而實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電控制。

機側(cè)以同步發(fā)電機轉(zhuǎn)速為控制對象，采用轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制策略，轉(zhuǎn)速外環(huán)用于穩(wěn)定發(fā)電機轉(zhuǎn)速，電流內(nèi)環(huán)實現(xiàn)對水輪機輸出功率的跟蹤控制。通過水輪機最大功率跟蹤控制算法得到發(fā)電機目標(biāo)轉(zhuǎn)速，再將發(fā)電機目標(biāo)轉(zhuǎn)速n*與實際轉(zhuǎn)速n的差值送入轉(zhuǎn)速控制器，其輸出作為轉(zhuǎn)矩電流分量的給定值ird*，勵磁電流分量給定值irq*設(shè)為0，將電流給定值ird*與電流采集值ird、irq的差值傳入電流控制器，經(jīng)過前饋補償后得到電壓給定值urd*、urq*，再經(jīng)過SVPWM 調(diào)制產(chǎn)生驅(qū)動變流器的控制信號，這樣變流器的輸出電流將實時跟蹤水輪機功率變化，實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)化和傳遞。

系統(tǒng)采用SVPWM 算法實現(xiàn)機側(cè)和網(wǎng)側(cè)系統(tǒng)的脈沖調(diào)制，能有效提高直流電壓利用率，減小損耗，提高系統(tǒng)效率。

2 并網(wǎng)變流器控制原理

2.1 電流內(nèi)環(huán)解耦控制

同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的并網(wǎng)變流器電壓分量方程［13］為

式（1）中，ugd、ugq、igd、igq、egd、egq分別為變流器輸出電壓矢量us、電流矢量is以及電網(wǎng)電壓矢量e的dq軸分量；Ls為網(wǎng)側(cè)等效電感；Rs為網(wǎng)側(cè)等效電阻；ωe為電網(wǎng)角頻率。

式（2）中，kp為電流環(huán)PI 控制器比例常數(shù)；ki為積分常數(shù)。

為實現(xiàn)網(wǎng)側(cè)控制系統(tǒng)有功、無功分離，假定電網(wǎng)電壓矢量e與dq坐標(biāo)系的d軸重合［15］，則其dq軸分量分別滿足egd=e且egq=0。

此時，輸送到電網(wǎng)的有功、無功功率可分別表示為

式（3）中，P為并網(wǎng)的有功功率；Q為并網(wǎng)的無功功率。

由式（3）可知，在基于電網(wǎng)電壓矢量定向的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，igd為有功電流分量，igq為無功電流分量，從而實現(xiàn)并網(wǎng)有功、無功獨立控制。P為正，表示系統(tǒng)向電網(wǎng)輸送有功；Q為正，表示系統(tǒng)向電網(wǎng)輸送感性無功。

2.2 并網(wǎng)變流器功率控制原理

忽略線路上雜散電阻的壓降，以電網(wǎng)電壓矢量e為參考矢量，通過控制變流器輸出電流矢量is相對于參考矢量的方向，可使并網(wǎng)變流器運行在不同的狀態(tài)，如圖2所示，變流器工作模式如下。

圖2 并網(wǎng)變流器工作模式Fig.2 Working modes of grid-connected converter

1）當(dāng)電流矢量is運行在a 點時，并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓相位相同，根據(jù)式（3），此時并網(wǎng)變流器工作于逆變狀態(tài)，電能從直流母線輸送到電網(wǎng)。

2）當(dāng)電流矢量is運行在b 點時，并網(wǎng)電流超前于電網(wǎng)電壓，根據(jù)式（3），此時并網(wǎng)變流器相當(dāng)于一個無功補償器，往電網(wǎng)傳輸容性無功電能。

3）當(dāng)電流矢量is運行在c 點時，并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓相位相反，根據(jù)式（3），此時變流器工作于整流狀態(tài)，電網(wǎng)往直流母線上釋放有功電能。

4）當(dāng)電流矢量is運行在d 點時，并網(wǎng)電流滯后于電網(wǎng)電壓，根據(jù)式（3），此并網(wǎng)變流器相當(dāng)于一個無功補償器，往電網(wǎng)傳輸感性無功電能。

由于小水電并網(wǎng)規(guī)定，系統(tǒng)不僅要能提供有功電能，上網(wǎng)時還需要提供一定的無功電能，所以在實際的控制中，一般讓變流器工作在ad 段，為電網(wǎng)提供所需要的感性無功，從而節(jié)省了并聯(lián)電容器的成本［16］。

3 機側(cè)變流器控制原理

3.1 同步發(fā)電機控制原理

按電動機慣例，在兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，令d軸與永磁同步發(fā)電機反電動勢矢量重合，電壓分量方程［17］為

式（4）中，urd、urq、ird、irq分別為發(fā)電機端電壓矢量、定子電流矢量的dq 軸分量；Rrs為定子電阻；e0為電機反電動勢；Ld、Lq分別為dq軸等效電感；ω為電角頻率。

在實際控制中，機側(cè)變流器采用單位功率因素控制［18］，即q 軸勵磁電流分量目標(biāo)值設(shè)為0，d 軸轉(zhuǎn)矩電流分量決定了能量流動的大小和方向。根據(jù)電機反電勢矢量與電流矢量的對應(yīng)關(guān)系，通過控制電流方向，可使機側(cè)變流器處于逆變或整流運行狀態(tài)，規(guī)律如下：

1）電流矢量與d 軸正方向重合，即電流矢量與電機反電勢矢量同相位時，發(fā)電機往直流母線注入有功電能，機側(cè)變流器工作在整流狀態(tài)。此種狀態(tài)反映的是水流量較大時，通過控制水閥，驅(qū)動水輪機葉輪做功，往直流母線饋入電能。

2）電流矢量與d 軸正方向相反，即電流矢量與電機反電勢矢量反相位時，發(fā)電機從直流母線吸收有功電能，機側(cè)變流器工作在逆變狀態(tài)。此種狀態(tài)反映的是水流量較小時，關(guān)閉閥門，從直流母線上吸收少量有功電能維持其正常運行。

在實際控制中，為減小系統(tǒng)損耗，當(dāng)水流量較小時，機側(cè)系統(tǒng)可停止運行。

3.2 水輪機最大功率跟蹤控制

在該系統(tǒng)中，水輪機與發(fā)電機同軸連接，能量直接從水輪機傳輸至發(fā)電機，將機械能轉(zhuǎn)化為電能。水輪機輸出功率［5］可表示為

式（5）中，W為水輪機輸出功率；γ為水的比重常數(shù)，一般取9.81；Q為水輪機的流量；H為水輪機的工作水頭；η為水輪機效率。

水輪機輸出扭矩為

式（6）中，Tm為水輪機輸出扭矩，n為水輪機轉(zhuǎn)速。

由式（5）、式（6）可知，影響水輪機輸出功率和輸出扭矩的主要因素為轉(zhuǎn)速、流量、工作水頭以及效率?？紤]到水頭和效率在水輪機運行過程中，無法直接控制，且其與流量存在一定的耦合關(guān)系，所以水輪機輸出功率模型可以簡化為與流量、轉(zhuǎn)速的對應(yīng)關(guān)系W=f（Q，n）。圖3為軸流式水輪機不同導(dǎo)葉開度和轉(zhuǎn)速下的出力曲線圖［19］，W/WN為功率比，n/nN為轉(zhuǎn)速比，a為導(dǎo)葉開度。從圖3 中可以看出，不同導(dǎo)葉開度下都對應(yīng)一個功率最大輸出的轉(zhuǎn)速點，額定轉(zhuǎn)速下水輪機輸出功率最大，當(dāng)導(dǎo)葉開度減小即流量降低時，最大功率輸出對應(yīng)轉(zhuǎn)速逐漸降低，若此時水輪機仍保持額定轉(zhuǎn)速運行，水輪機運行工況將逐漸偏移最佳運行區(qū)間，導(dǎo)致水輪機無法發(fā)揮最大效率，長期偏離最佳運行區(qū)間會加重水輪機的磨損，導(dǎo)致水輪機使用壽命降低。若水輪機轉(zhuǎn)速可調(diào)，當(dāng)水流量或水頭發(fā)生變化時，可采用爬坡法等［20-21］調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速來跟蹤水輪機最大出力點，使水輪機保持最大功率輸出。

圖3 不同導(dǎo)葉開度下水輪機轉(zhuǎn)速與功率關(guān)系Fig.3 Relationship between turbine speed and power under different guide vane opening

4 仿真與實驗研究

4.1 仿真研究

利用Matlab/Simulink 軟件建立如圖1 所示的控制系統(tǒng)仿真模型，相關(guān)參數(shù)如下：并網(wǎng)線電壓為400 V，頻率為50 Hz，等效電感為1 mH，直流母線電壓為900 V，發(fā)電機額定轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，極對數(shù)為2，轉(zhuǎn)子磁鏈為0.698 Wb，定子電阻為2.87×10-4Ω，dq 軸等效電感均為0.85 mH。

仿真中，網(wǎng)側(cè)系統(tǒng)將直流母線電壓穩(wěn)定在900 V，機側(cè)系統(tǒng)發(fā)電機轉(zhuǎn)速設(shè)置為1 500 r/min，通過功率閉環(huán)往網(wǎng)側(cè)輸送功率。系統(tǒng)初始功率值設(shè)置為20 kW，0.15 s 時功率上升至60 kW，0.3 s 繼續(xù)上升至100 kW。圖4為控制系統(tǒng)功率響應(yīng)曲線，圖5為發(fā)電機三相電流變化曲線，可以看出，當(dāng)目標(biāo)功率發(fā)生突變時，發(fā)電機輸出電流能快速跟蹤功率變化，將功率輸送至直流母線，并迅速趨于穩(wěn)定。

圖4 功率響應(yīng)曲線Fig.4 Curve of power response

圖5 發(fā)電機三相電流Fig.5 Three-phase current of generator

當(dāng)機側(cè)系統(tǒng)將功率輸送至直流母線，母線電壓在功率沖擊下會發(fā)生突變，但在網(wǎng)側(cè)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)下，電壓快速趨于穩(wěn)定，如圖6 所示。網(wǎng)側(cè)系統(tǒng)通過電壓外環(huán)將直流母線電壓穩(wěn)定在設(shè)定值，同時電流內(nèi)環(huán)快速跟蹤電壓環(huán)輸出值，將直流電能轉(zhuǎn)化為交流電能送至電網(wǎng)，如圖7所示。圖7為并網(wǎng)電壓電流變化曲線，可以看出，并網(wǎng)電流能快速響應(yīng)功率變化，并且并網(wǎng)電壓、電流相位相反，表示系統(tǒng)往電網(wǎng)傳輸有功電能。

圖6 直流母線電壓Fig.6 DC bus voltage

圖7 并網(wǎng)電壓電流Fig.7 Grid-connected voltage and current

4.2 實驗驗證

為了進一步驗證所提控制系統(tǒng)的有效性，對一座額定功率200 kW的小型水電站進行了系統(tǒng)改造，并開展了對比試驗，試驗現(xiàn)場如圖8。該電站原為恒速恒頻機組，最大工作水頭為1.73 m，調(diào)速器最大導(dǎo)葉開度為47，將原機組的電勵磁同步發(fā)電機以及勵磁控制柜替換為永磁同步發(fā)電機和雙PWM 變流器控制柜，水輪機和并網(wǎng)變壓器維持不變。改造完成后，水輪機與永磁同步發(fā)電機通過飛輪同軸連接，發(fā)電機三相母線接到雙PWM變流器控制柜，然后通過升壓變壓器接入電網(wǎng)。

圖8 試驗現(xiàn)場Fig.8 Testing site

改造完后，對控制系統(tǒng)的基本控制功能開展驗證，并網(wǎng)功率因素設(shè)置為0.85，系統(tǒng)啟動后通過最大功率跟蹤控制法自動搜尋水輪機最大功率輸出轉(zhuǎn)速。

圖9為系統(tǒng)穩(wěn)定運行時發(fā)電機和并網(wǎng)電壓電流波形?？梢钥闯觯⒕W(wǎng)電壓、電流相位相反并且相差一定角度，表明此時系統(tǒng)正往電網(wǎng)輸送有功電能，并提供一定的無功電能。由圖9 可知，此時并網(wǎng)點相電壓為231.8 V，并網(wǎng)相電流為191.5 A，按功率因素0.85計算，并網(wǎng)有功功率為112.5 kW，無功功率為69.6 kVar。

圖9 電壓電流波形Fig.9 Waveform of voltage and current

為充分驗證所提控制系統(tǒng)的有效性，在系統(tǒng)改造前后，對新舊機組不同工況下的輸出功率進行了對比測試。測試期間，水輪機工作水頭維持在最大值1.73 m，通過調(diào)速器調(diào)節(jié)導(dǎo)葉開度，改變水輪機流量和輸出功率。新舊機組在不同導(dǎo)葉開度下的輸出功率對比如表1所示。

表1 不同開度下新舊機組輸出功率對比Table 1 Comparison of output power of old and new units under different guide vane opening

由表1 所測數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)水輪機導(dǎo)葉開度在53.2%及以下時，原恒速恒頻機組輸出功率波動幅度大，無法正常發(fā)電，而新變速恒頻機組則能通過降低水輪機轉(zhuǎn)速從而增強水輪機的水能捕獲能力，使系統(tǒng)保持良好的工作狀態(tài)，在導(dǎo)葉開度降低至53.2%時，新機組仍能保持32.3 kW的輸出功率。當(dāng)水輪機導(dǎo)葉開度在63.8%～95.7%之間時，新機組的輸出功率都要大于舊機組，特別是在低開度（流量）下，相較舊機組，新機組的發(fā)電能力更加明顯，在導(dǎo)葉開度為63.8%時，新機組的輸出功率是舊機組的3.28倍。

上述數(shù)據(jù)表明，利用變速恒頻調(diào)速技術(shù)能顯著提升水輪機的水能捕獲能力，解決小型水電站在枯水期發(fā)電效率低的困境，有利于提升電站的年周期發(fā)電量。

5 結(jié)語

針對小水電站并網(wǎng)系統(tǒng)控制復(fù)雜、低流量下效率低等問題，本文將雙PWM變流器應(yīng)用于水力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)中，其特點在于：1）采用背靠背雙向PWM變流器將發(fā)電機傳輸功率過程與并網(wǎng)發(fā)電過程分離，實現(xiàn)變速恒頻水力發(fā)電；2）網(wǎng)側(cè)系統(tǒng)與靜止無功補償器結(jié)構(gòu)類似，采用SVPWM控制算法實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電的同時，為電網(wǎng)提供所需的無功功率，實現(xiàn)無功補償功能；3）機側(cè)系統(tǒng)控制發(fā)電機轉(zhuǎn)速，實時跟蹤水輪機最優(yōu)轉(zhuǎn)速點，使水輪機始終保持最大功率輸出，提高控制系統(tǒng)效率；4）低流量下，相較傳統(tǒng)水電并網(wǎng)控制系統(tǒng)，能顯著提高發(fā)電量。而且該控制系統(tǒng)體積小、結(jié)構(gòu)簡單、控制方便，能有效降低并網(wǎng)發(fā)電成本，適合位置較偏但水資源豐富的地方發(fā)電上網(wǎng)，與傳統(tǒng)水電控制系統(tǒng)相比，損耗更小、效率更高，最后實驗驗證了該水電并網(wǎng)控制系統(tǒng)的可靠性和有效性。