楊昕樵，黃 松，張海龍，馮宇鵬

(1.上海理工大學(xué) 光電信息與計算機工程學(xué)院，上海 200093；2.西安許繼電力電子技術(shù)有限公司，陜西 西安 710075)

當(dāng)前，風(fēng)電與光伏等清潔能源帶來經(jīng)濟與環(huán)境收益的同時，自身周期性與不穩(wěn)定性的特點所帶來的負(fù)面問題愈發(fā)顯現(xiàn)，對電網(wǎng)造成了波動與沖擊。并且由于電網(wǎng)潮流不均與消納能力不足，導(dǎo)致了棄光棄風(fēng)的現(xiàn)象[1]。抽水蓄能作為優(yōu)良的調(diào)節(jié)電源，其削峰填谷能力是不穩(wěn)定并網(wǎng)電源較好的配合手段。傳統(tǒng)抽水蓄能機組使用同步發(fā)電機，由于轉(zhuǎn)速固定導(dǎo)致水輪機磨損嚴(yán)重，功率調(diào)節(jié)慢且效率不高。新型抽水蓄能機組使用雙饋感應(yīng)電機(Doubly-Feed Inductor Generator，DFIG)，有轉(zhuǎn)差范圍內(nèi)的調(diào)速能力，機組效率提高，水輪機磨損降低，且功率調(diào)節(jié)迅速，在我國抽水蓄能建設(shè)中逐漸受到關(guān)注。本文由主回路設(shè)計為基礎(chǔ)，提出一種改進的可變速抽水蓄能機組矢量控制策略，實現(xiàn)不同工況與轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的有功與無功功率控制。

1 主回路拓?fù)湓O(shè)計

針對一臺300 MW雙饋感應(yīng)電機，本文結(jié)合工程與變流器容量設(shè)計的可行性，考慮當(dāng)前商用的最大功率等級開關(guān)器件為4 500 V/3 000 A的電子注入增強晶體管IEGT，提出一種用于雙饋感應(yīng)電機勵磁系統(tǒng)中的模塊并聯(lián)的背靠背電力電子變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其中所使用的雙饋感應(yīng)電機關(guān)鍵參數(shù)如表1所示。

表1 300 MW雙饋感應(yīng)電機參數(shù)

定義轉(zhuǎn)差s如式(1)所示。

(1)

其中，ωr為轉(zhuǎn)子繞組電壓電流的角頻率，ωs為定子繞組電壓電流的角頻率。同時定義ωm為轉(zhuǎn)子軸上與電機機械軸角頻率有關(guān)的折算角頻率，雙饋感應(yīng)電機的角頻率關(guān)系如式(2)所示。

ωr=ωs-ωm

(2)

根據(jù)雙饋感應(yīng)電機定轉(zhuǎn)子功率關(guān)系式，可得出在設(shè)計最大轉(zhuǎn)差s=-0.1時轉(zhuǎn)子最大饋出有功功率Pr如式3所示。

(3)

由于網(wǎng)側(cè)變流器不向電網(wǎng)提供無功，考慮損耗與裕量，即選取網(wǎng)側(cè)變流器容量為28 MVA。

機側(cè)變流器在提供有功通道的同時，還要為雙饋感應(yīng)電機提供勵磁與無功電流。

(4)

其中，Ird1為機側(cè)提供的勵磁電流，Ird2為轉(zhuǎn)子側(cè)的無功電流，Q為定子最大無功輸出值，這里選取150 Mvar，Irq為轉(zhuǎn)子有功電流，Ur為轉(zhuǎn)子繞組電壓。

即可根據(jù)表1的電機參數(shù)計算出機側(cè)變流器理論容量如式(5)所示。

(5)

考慮到裕量，選取機側(cè)變流器容量為42 MVA。即可得到表2所示的背靠背變流器參數(shù)。

圖1 可變速抽水蓄能機組主回路拓?fù)?/p>

表2 背靠背變流器參數(shù)表

同時設(shè)計可變速抽水蓄能組主回路拓?fù)淙鐖D1所示，構(gòu)建網(wǎng)側(cè)4模塊并聯(lián)，機側(cè)6模塊并聯(lián)的背靠背變流器，其中單模塊容量為7 MVA。圖中同時標(biāo)示出了濾波器、啟動裝置與換向開關(guān)等系統(tǒng)組成部分。電機軸轉(zhuǎn)速由水輪機系統(tǒng)給定，抽水工況下，電機正轉(zhuǎn)，發(fā)電工況下，電機反轉(zhuǎn)。

2 控制模型與矢量控制策略

雙饋感應(yīng)電機在dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的模型方程如式(6)所示[2-4]。

(6)

其中，角標(biāo)為s的是定子的電壓磁鏈以及電流關(guān)系式，角標(biāo)為r的是轉(zhuǎn)子電壓磁鏈與電流關(guān)系式。當(dāng)控制采用電網(wǎng)電壓定向的情況下，可簡化方程組為

(7)

dq軸電壓控制方程為

(8)

機側(cè)控制器使用功率外環(huán)與電流內(nèi)環(huán)控制策略，通過控制轉(zhuǎn)子繞組為定子提供勵磁，控制定子功率；網(wǎng)側(cè)控制器使用母線電壓外環(huán)與電流內(nèi)環(huán)，用于穩(wěn)定直流母線電壓同時為背靠背變流器提供功率流動通道。

為了綜合考慮上述電機反轉(zhuǎn)與機組低電壓穿越能力，提出一種雙重控制電流內(nèi)環(huán)，可以在電機軸反轉(zhuǎn)時切換電流角頻率的同時為電網(wǎng)電壓跌落等異常工況時出現(xiàn)的電流負(fù)序分量作處理，如圖2所示。

圖2 單模塊雙重控制電流內(nèi)環(huán)

當(dāng)系統(tǒng)運行于抽水工況時，電流內(nèi)環(huán)上部分作為正序分量，下半部分作為負(fù)序分量，此時負(fù)序分量的dq軸電流給定值應(yīng)為0；當(dāng)系統(tǒng)運行于發(fā)電工況時，應(yīng)使圖1中的定子側(cè)ACB-ABC換向開關(guān)動作，同時下半部分作為正序分量，上半部分作為負(fù)序分量，同樣使負(fù)序電流環(huán)dq軸電流給定值設(shè)為0。

機側(cè)控制系統(tǒng)使用功率外環(huán)配合電流內(nèi)環(huán)，外環(huán)輸出量平均分配給6個電流內(nèi)環(huán)，定子功率可由式(9)得出[5-7]。

(9)

網(wǎng)側(cè)控制使用母線電壓外環(huán)配合有功電流內(nèi)環(huán)，同時使iq始終控制為0。

有功功率與無功功率計算沒有相互耦合項，在使用閉環(huán)結(jié)構(gòu)的PI控制器前提下可簡化控制環(huán)節(jié)，功率外環(huán)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 功率外環(huán)

3 仿真實驗

使用MATLAB/Simulink搭建如上主回路拓?fù)渑c控制環(huán)路。

圖4 抽水工況功率控制圖

圖4與圖5分別為可變速抽水蓄能機組在抽水工況下與發(fā)電工況下的功率響應(yīng)仿真圖，系統(tǒng)按照如下的流程運行，其中負(fù)功率為抽水工況，定子換相開關(guān)應(yīng)與定子接觸器同時動作。系統(tǒng)以如下流程運行。

0～0.2 s，系統(tǒng)待機，變流器閉鎖，定子接觸器保持?jǐn)嚅_。

0.2 s，變流器工作，直流母線電容充電，并對保持開放狀態(tài)的定子勵磁。

0.6 s，定子接觸器動作，定子繞組并網(wǎng)。

0.8 s，執(zhí)行功率控制器指令，無功設(shè)定0 MW，有功設(shè)定0.1 s從0～±300 MW的斜坡響應(yīng)。

1.5 s，無功設(shè)定為100 MW。

2 s，有功功率設(shè)定0.1 s從±300 MW斜坡響應(yīng)到±100 MW。

2.5 s，響應(yīng)模擬水輪機的變速行為，轉(zhuǎn)差從-0.1變化到0.1。

圖5 發(fā)電工況功率控制圖

由圖4及圖5可見，機組定子可以在0.4 s內(nèi)完成啟動勵磁。電機穩(wěn)定工作時，有功與無功功率波動均在5%以內(nèi)，在功率指令變化時，機組功率可以迅速調(diào)節(jié)到指令值，且超調(diào)很小。有功與無功實現(xiàn)了良好的解耦控制。并且電機變速過程對機組的功率響應(yīng)沒有顯著影響。

圖6 并網(wǎng)電流的FFT分析

在300 MW滿載發(fā)電工況下，對1.6～1.8 s期間的并網(wǎng)電流進行FFT分析，如圖6所示?？梢娫诜€(wěn)態(tài)時，電網(wǎng)電流THD<5%，波形畸變小，滿足設(shè)計要求。

4 結(jié)束語

設(shè)計了基于一臺300 MW雙饋感應(yīng)電機的可變速抽水蓄能機組主回路拓?fù)?，使用單模塊7 MW的模塊并聯(lián)背靠背變流器，并基于矢量控制設(shè)計了可變速抽水蓄能機組功率解耦控制策略，使用基于雙重控制的電流內(nèi)環(huán)，實現(xiàn)了有功與無功功率的解耦控制。實際工程中，發(fā)電機并網(wǎng)需要考慮到當(dāng)前電網(wǎng)的工作情況，在研究基礎(chǔ)上，可研究三電平調(diào)制策略與環(huán)流抑制策略[8]，可針對電網(wǎng)的低頻振蕩研究可變速抽水蓄能機組的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器功能[9-12]，可研究機組的低電壓穿越技術(shù)[13-16]，為工程應(yīng)用提供了參考。