孫士濤, 雷 雨, 張 杰, 宋 鵬

(華北電力科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，北京 100045)

0 引 言

隨著風(fēng)、光等新能源接入電網(wǎng)的規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大，電力系統(tǒng)功率波動(dòng)特征凸顯，給系統(tǒng)功率平衡帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)，而抽水蓄能機(jī)組作為調(diào)頻、調(diào)峰設(shè)備，對(duì)電力系統(tǒng)平衡起到了重要的作用[1-2]。與定速抽水蓄能機(jī)組相比較，變速抽水蓄能機(jī)組可改善水輪機(jī)水力性能，實(shí)現(xiàn)功率的快速調(diào)節(jié)[3-4]，在諸多抽水蓄能電站得到了建設(shè)和應(yīng)用。

變速抽水蓄能機(jī)組主要有兩種[5-6]：一種是基于全功率變流器的變速機(jī)組，采用電勵(lì)磁同步電機(jī)、鼠籠電機(jī)等作為發(fā)電電動(dòng)機(jī)，并通過(guò)全功率變流器與電網(wǎng)相連接；另一種是基于部分功率變流器的變速機(jī)組，采用雙饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)，其定子與電網(wǎng)直接相連，而其轉(zhuǎn)子則通過(guò)變流器與電網(wǎng)相連接。雙饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)由于其變流器容量小、成本低等優(yōu)勢(shì)，在變速抽水蓄能機(jī)組中得到了廣泛應(yīng)用。需要指出，由于雙饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)采用全控器件作為勵(lì)磁變流器，在保證有功功率輸出的前提下，也可利用其功率裕量輸出無(wú)功電流，使其作為無(wú)功電源，靈活參與系統(tǒng)調(diào)壓調(diào)相。

文獻(xiàn)[7-8]建立了完整的水-機(jī)-電聯(lián)合的定速與雙饋式變速抽水蓄能機(jī)組模型，探討了功率調(diào)節(jié)過(guò)程中的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，并指出，雙饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)可通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電流實(shí)現(xiàn)定子功率快速調(diào)節(jié)，而定速機(jī)組則需要依靠導(dǎo)葉開(kāi)度變化進(jìn)行調(diào)節(jié)，用時(shí)相對(duì)較長(zhǎng)。文獻(xiàn)[9-10]以雙饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)為對(duì)象，探究了其起動(dòng)、建壓和并網(wǎng)各階段的勵(lì)磁控制策略，在目標(biāo)受控功率變化時(shí)通過(guò)對(duì)雙饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子有功電流的有效控制，可完成對(duì)目標(biāo)功率的快速跟蹤，從而快速響應(yīng)系統(tǒng)功率目標(biāo)。文獻(xiàn)[11-12]以雙饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)為對(duì)象，研究了機(jī)側(cè)、網(wǎng)側(cè)變流器的無(wú)功調(diào)節(jié)機(jī)制及其優(yōu)先級(jí)。文獻(xiàn)[13]研究了有功功率和轉(zhuǎn)差率對(duì)雙饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)無(wú)功特性的影響。文獻(xiàn)[14]基于無(wú)功平衡方程，給出了不同工況下雙饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)定、轉(zhuǎn)子無(wú)功功率折算關(guān)系以及二者間的相互作用規(guī)律。上述研究說(shuō)明了雙饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)具備靈活強(qiáng)大的無(wú)功調(diào)節(jié)能力，但在保證有功功率平衡的條件下如何表征雙饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)無(wú)功功率特性還有待深入研究。

因此，本文針對(duì)變速抽水蓄能機(jī)組用雙饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)，構(gòu)建雙饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電流-定子電流的無(wú)功V形曲線(xiàn)，以直觀反映雙饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)的無(wú)功功率特性。本文首先根據(jù)雙饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)的等效電路，分析不同運(yùn)行工況下雙饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)電氣量的相量關(guān)系，明確定、轉(zhuǎn)子電流幅值間的規(guī)律，并基于此，探究了雙饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)無(wú)功功率特性的影響因素，構(gòu)建雙饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)的V形曲線(xiàn)，最后利用RTLAB硬件在環(huán)測(cè)試平臺(tái)，對(duì)本文理論分析進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 數(shù)學(xué)模型

如圖1所示，雙饋式變速抽水蓄能機(jī)組中雙饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)與水泵水輪機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)機(jī)械轉(zhuǎn)矩的傳動(dòng)；雙饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)定子繞組通過(guò)換相開(kāi)關(guān)與電網(wǎng)相接，通過(guò)換相開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)定子側(cè)電壓相序，以維持機(jī)組轉(zhuǎn)差處于合理范圍內(nèi)；雙饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子繞組通過(guò)AC-DC-AC背靠背變流器與電網(wǎng)相連，并通過(guò)對(duì)其轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電壓幅值和相位的調(diào)控，完成雙饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)的交流勵(lì)磁控制。

圖1 雙饋式變速抽水蓄能機(jī)組的結(jié)構(gòu)示意圖

在有功功率調(diào)節(jié)方面，雙饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)通過(guò)對(duì)其勵(lì)磁電壓相位的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械轉(zhuǎn)矩和電磁轉(zhuǎn)矩的平衡，使機(jī)械功率通過(guò)定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組分別饋送至電網(wǎng)。在無(wú)功功率調(diào)節(jié)方面，通過(guò)機(jī)側(cè)變流器調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電壓和網(wǎng)側(cè)輸出電壓幅值，可實(shí)現(xiàn)對(duì)雙饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)定子側(cè)、網(wǎng)側(cè)無(wú)功功率的按需調(diào)控。然而，由于雙饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)變流器容量相對(duì)較小，為雙饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)容量的10%左右，一般網(wǎng)側(cè)變流器按單位功率因數(shù)運(yùn)行。因此，本文著重分析雙饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)定子側(cè)無(wú)功功率特性，其輸出無(wú)功功率通過(guò)機(jī)側(cè)變流器調(diào)節(jié)與控制實(shí)現(xiàn)。

圖2給出了雙饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)的等效電路，其中定、轉(zhuǎn)子電流正方向指向雙饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)內(nèi)部，圖中所示電氣量已折算至雙饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)定子側(cè)。

圖2 雙饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)等效電路圖

如圖2所示，P1、Q1、P2、Q2分別是雙饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)的定子側(cè)有功功率、無(wú)功功率和轉(zhuǎn)子側(cè)有功功率、無(wú)功功率，其中P1> 0和Q1> 0表示定子輸入有功功率和感性無(wú)功功率；P2> 0和Q2> 0表示轉(zhuǎn)子輸入有功功率和感性無(wú)功功率。根據(jù)圖2，雙饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)定、轉(zhuǎn)子電壓和電流關(guān)系可表示為

(1)

根據(jù)式(1)，雙饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)定子輸入有功功率、無(wú)功功率可表示為

(2)

式中：Re、Im分別為相量的實(shí)部和虛部；U1為定子相電壓幅值;I1、I1r、I1i分別為定子電流及有功功率、無(wú)功功率分量幅值;上標(biāo)*表示共軛。

將式(2)代入式(1)，雙饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)相量和轉(zhuǎn)子電流相量可表示為

(3)

式中：X1=X1σ+Xm，為雙饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)定子電抗。

根據(jù)式(2)和式(3)，以雙饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)定子電壓和有功功率、無(wú)功功率作為自變量，則其轉(zhuǎn)子電流幅值可改寫(xiě)為

I2m=

(4)

通常，大容量雙饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)的定子電阻要遠(yuǎn)小于其電抗，因此可忽略雙饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)定子電阻的影響，則其定、轉(zhuǎn)子電流幅值可表示為

(5)

由于有功功率以二次項(xiàng)形式存在，式(5)所給出的雙饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)定、轉(zhuǎn)子電流幅值，與雙饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)所處發(fā)電模式、電動(dòng)模式無(wú)關(guān)，同時(shí)也與電機(jī)轉(zhuǎn)差角頻率無(wú)關(guān)。因此式(5)所給出的雙饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)定、轉(zhuǎn)子電流幅值，適用于發(fā)電、電動(dòng)兩種工況，并且與電機(jī)轉(zhuǎn)差無(wú)關(guān)。對(duì)于雙饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)而言，在機(jī)端電壓不變的情況下，其定子電流幅值完全由其定子視在功率大小決定，有功功率、無(wú)功功率的等量變化對(duì)定子電流影響相同，而轉(zhuǎn)子電流幅值不僅與定子視在功率有關(guān)，還與電機(jī)參數(shù)有關(guān)，同時(shí)由于存在無(wú)功功率的一次項(xiàng)，無(wú)功功率對(duì)轉(zhuǎn)子電流的影響會(huì)比有功功率更明顯。因此，根據(jù)式(5)，雙饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)可吸收、輸出的最大無(wú)功功率可表示為

(6)

式中：Q1,input為雙饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)可吸收的最大無(wú)功功率，對(duì)外呈現(xiàn)感性；Q1,output為雙饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)可輸出的最大無(wú)功功率，對(duì)外呈現(xiàn)容性。

可見(jiàn)，雙饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)無(wú)功功率由兩部分組成。第一部分由定子電壓、電抗決定，與雙饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)有功功率無(wú)關(guān)，這部分無(wú)功功率主要用于建立雙饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁磁場(chǎng)；第二部分由機(jī)側(cè)變流器提供，并與雙饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)有功功率有關(guān)，主要由機(jī)側(cè)變流器最大允許電流決定，并受機(jī)側(cè)變流器控制。

2 無(wú)功功率特性

根據(jù)上述分析可知，雙饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)的定子無(wú)功功率特性不僅與受控有功功率目標(biāo)有關(guān)，還與定子電壓、機(jī)側(cè)變流器最大允許電流有關(guān)。同時(shí)，當(dāng)考慮雙饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)非線(xiàn)性特征時(shí)，式(5)與式(6)所給出的雙饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)定、轉(zhuǎn)子電流幅值將與定子電抗X1、勵(lì)磁電抗Xm有關(guān)。本文重點(diǎn)關(guān)注雙饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)的無(wú)功功率特性影響因素，采用表1所示的雙饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)典型參數(shù)進(jìn)行分析研究。圖3給出單位功率因數(shù)下雙饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)定、轉(zhuǎn)子電流-有功功率的關(guān)系圖。

表1 雙饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)參數(shù)

圖3 雙饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)定、轉(zhuǎn)子電流與有功功率關(guān)系

由圖3可見(jiàn)，雙饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)發(fā)電模式與電動(dòng)模式下，其定、轉(zhuǎn)子電流幅值呈現(xiàn)對(duì)稱(chēng)、單調(diào)遞增特性。以電動(dòng)模式為例，隨著雙饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)有功功率的增加，其定子電流呈現(xiàn)線(xiàn)性單調(diào)遞增特性，并且在同樣有功功率出力下，定子電流幅值隨著電壓的升高而降低；然而，對(duì)于轉(zhuǎn)子電流而言，在雙饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)小出力、機(jī)端電壓較高的條件下，轉(zhuǎn)子電流幅值較大，這主要是由于在小出力時(shí)，雙饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電流以轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流為主，該勵(lì)磁電流以建立定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)并形成與機(jī)端電壓相匹配的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為目標(biāo)。然而，由于在大出力下轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩分量為主，隨著雙饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)有功功率出力的不斷提升，轉(zhuǎn)子電流幅值單調(diào)遞增，并且機(jī)端電壓較低的雙饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電流幅值較大。

圖4給出了雙饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)定、轉(zhuǎn)子電流-無(wú)功功率的關(guān)系圖，其中，雙饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)的有功功率輸出為0?？梢?jiàn)，雙饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)的定子電流幅值特性與圖3(a)相似，其幅值隨著無(wú)功功率出力的增加而增加，并且在電壓較低條件下定子電流幅值較大。然而，由于部分無(wú)功功率用于建立定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，雙饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電流不再呈現(xiàn)對(duì)稱(chēng)特性。在過(guò)勵(lì)時(shí)雙饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電流隨著無(wú)功功率出力增加而增加，但在欠勵(lì)時(shí)，雙饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電流呈現(xiàn)先減少再增加的特征，這主要是由于定子側(cè)部分感性無(wú)功功率被定子電抗消耗，用于建立定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，而傳遞到轉(zhuǎn)子側(cè)的無(wú)功功率降低，進(jìn)而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子電流幅值較小。

圖4 雙饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)定、轉(zhuǎn)子電流與無(wú)功功率關(guān)系

根據(jù)上述分析，圖5給出雙饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)定子有功功率與無(wú)功功率的關(guān)系。在雙饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子繞組不提供無(wú)功功率時(shí)，由于雙饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)需要吸收無(wú)功功率以建立定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，雙饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)可吸收的最大無(wú)功功率要超出其可發(fā)出的最大無(wú)功功率。同時(shí)，雙饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)可用功率裕量也將隨著有功功率的增加、機(jī)端電壓的降低而減小，進(jìn)而降低無(wú)功輸出能力。

圖5 雙饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)定子有功功率與無(wú)功功率關(guān)系圖

3 V形曲線(xiàn)

為進(jìn)一步分析雙饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁變流器對(duì)機(jī)端無(wú)功功率出力的影響特性，本節(jié)參照同步電機(jī)無(wú)功功率特性分析方法，以式(3)和式(4)表示的雙饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)定、轉(zhuǎn)子電流幅值為基礎(chǔ)，可得雙饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)無(wú)功V形曲線(xiàn)，如圖6所示。

圖6 雙饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)的無(wú)功V形曲線(xiàn)

由圖6可見(jiàn)，雙饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)由于有功功率、無(wú)功功率解耦控制特性，在發(fā)電和電動(dòng)狀態(tài)下無(wú)功調(diào)節(jié)特性基本一致。當(dāng)雙饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在A點(diǎn)處時(shí)，定子側(cè)為單位功率因數(shù)，此時(shí)雙饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)定子電流存在極小值；當(dāng)運(yùn)行點(diǎn)由A點(diǎn)向左或向右移動(dòng)時(shí)，定子側(cè)功率因數(shù)小于1.0，定子電流均增加；當(dāng)向B點(diǎn)移動(dòng)時(shí)，雙饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)進(jìn)入過(guò)勵(lì)運(yùn)行區(qū)間，轉(zhuǎn)子電流增加，而向C點(diǎn)移動(dòng)時(shí)，雙饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)進(jìn)入欠勵(lì)區(qū)間，轉(zhuǎn)子電流減小，在達(dá)到C點(diǎn)時(shí)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流分量為0，僅包含轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩電流分量，則此時(shí)雙饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電流達(dá)到最小值。

雙饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)的有功功率增加會(huì)使V形曲線(xiàn)縱向移動(dòng)，同時(shí)定子電流變化幅度即曲線(xiàn)開(kāi)口大小也隨之減小。由于有功功率出力增加，雙饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)單位功率因數(shù)曲線(xiàn)向右側(cè)傾斜，并貼近過(guò)勵(lì)曲線(xiàn)。相同的轉(zhuǎn)子電流在轉(zhuǎn)子側(cè)產(chǎn)生相同的無(wú)功功率，但在過(guò)勵(lì)狀態(tài)下部分無(wú)功功率用于建立定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，而導(dǎo)致其定子側(cè)輸出無(wú)功功率較小，過(guò)/欠勵(lì)分界線(xiàn)更貼近過(guò)勵(lì)曲線(xiàn)。在相同的轉(zhuǎn)子電流幅值下，處于過(guò)勵(lì)狀態(tài)下的雙饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)定子電流幅值較大，而處于欠勵(lì)狀態(tài)下雙饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)定子電流幅值較小。這主要是由于雙饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)需吸收一定的感性無(wú)功功率用于建立定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，也就是說(shuō)在轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流分量為0時(shí)，雙饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)從電網(wǎng)吸收無(wú)功功率。

4 硬件在環(huán)測(cè)試

為驗(yàn)證本文對(duì)雙饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)無(wú)功功率特性分析的正確性，并明確其無(wú)功功率動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過(guò)程，在RTLAB OP5700與NI PXIe 1071構(gòu)成的平臺(tái)上進(jìn)行硬件在環(huán)測(cè)試，系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。圖1所示的主電路在RTLAB中運(yùn)行，雙饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)采用Specialized Power Systems中繞線(xiàn)式異步電機(jī)模型；雙饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)的控制部分在NI PXIe 1071中運(yùn)行，輸出控制變流器的脈沖信號(hào)，如圖7所示。

圖7 硬件在環(huán)測(cè)試平臺(tái)

圖8給出了雙饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)空載時(shí)無(wú)功功率調(diào)節(jié)的硬件在環(huán)測(cè)試結(jié)果。其中，雙饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)的有功功率設(shè)定為0，機(jī)側(cè)變流器最大允許電流為額定電流的1.2倍，即4.5 kA。在測(cè)試中，雙饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)由過(guò)勵(lì)狀態(tài)逐步進(jìn)入欠勵(lì)狀態(tài)。由圖8可見(jiàn)，在過(guò)勵(lì)狀態(tài)下，隨著雙饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電流的減小，雙饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)定子無(wú)功功率由300 Mvar(容性)逐漸減小到0，同時(shí)其定子電流從15.6 kA降至0，雙饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)處于單位功率因數(shù)時(shí)，即過(guò)/欠勵(lì)分界點(diǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子電流不為0，這主要是需要轉(zhuǎn)子繞組提供建立定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)所需的無(wú)功電流。隨后進(jìn)入過(guò)勵(lì)狀態(tài)，雙饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電流繼續(xù)減小，而定子電流增加，當(dāng)轉(zhuǎn)子電流達(dá)到最小值時(shí)，雙饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)定子電流不為0，此時(shí)定子功率約為60 Mvar(感性)，這主要是因?yàn)闄C(jī)側(cè)變流器無(wú)法提供建立定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)所需的無(wú)功功率，需要從電網(wǎng)吸收無(wú)功功率。隨后定、轉(zhuǎn)子電流將同時(shí)增加，當(dāng)轉(zhuǎn)子電流達(dá)到其最大允許電流4.5 kA時(shí)，定子無(wú)功功率為420 Mvar(感性)，同時(shí)定子電流也將隨之增加到21.6 kA，大于過(guò)勵(lì)狀態(tài)下雙饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)定子電流最大值，這主要因?yàn)榻㈦p饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁磁場(chǎng)需要吸收一定量的無(wú)功功率。

圖8 空載時(shí)雙饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)無(wú)功功率調(diào)節(jié)特性

圖9給出了雙饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)在半載時(shí)無(wú)功調(diào)節(jié)的硬件在環(huán)測(cè)試結(jié)果。測(cè)試中，由于雙饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)在發(fā)電模式與電動(dòng)模式下無(wú)功特性相似，本節(jié)以發(fā)電模式為場(chǎng)景進(jìn)行驗(yàn)證，即雙饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)的有功功率出力為150 MW(發(fā)電模式)。在這種工況下，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩電流為1.9 kA，在保證轉(zhuǎn)子最大允許電流4.5 kA不變的前提下，雙饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流最大允許值為4.1 kA。在過(guò)勵(lì)狀態(tài)下，雙饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)輸出無(wú)功功率為260 Mvar，定子電流達(dá)到16.0 kA；而在欠勵(lì)狀態(tài)下，雙饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)吸收無(wú)功功率為380 Mvar，定子電流為21.3 kA。在過(guò)/欠勵(lì)分界處，雙饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)定子電流達(dá)到其極小值7.7 kA，而后進(jìn)入欠勵(lì)狀態(tài)，轉(zhuǎn)子電流繼續(xù)下降，當(dāng)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流降為0時(shí)，轉(zhuǎn)子電流達(dá)到其極小值1.9 kA。

圖9 半載時(shí)雙饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)無(wú)功功率調(diào)節(jié)特性

圖10給出了雙饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)的V形曲線(xiàn)。由圖10可見(jiàn)，模型給出的V形曲線(xiàn)與實(shí)測(cè)V形曲線(xiàn)存在較好的契合度，各運(yùn)行點(diǎn)誤差不超過(guò)5%，驗(yàn)證了雙饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)無(wú)功功率特性理論模型的有效性。

圖10 雙饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)的V形曲線(xiàn)

5 結(jié) 語(yǔ)

本文研究了變速抽水蓄能用雙饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)的無(wú)功V形曲線(xiàn)，得到以下結(jié)論：(1)雙饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)定子無(wú)功功率由建立定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)所需的無(wú)功功率、機(jī)側(cè)變流器提供的無(wú)功功率兩部分組成；(2)雙饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)需要消耗部分無(wú)功功率以建立其定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，因此定、轉(zhuǎn)子電流極小值所處工作點(diǎn)不同；(3)雙饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)有功功率出力會(huì)使V形曲線(xiàn)縱向移動(dòng)，同時(shí)其定子電流變化幅度即曲線(xiàn)開(kāi)口大小也隨之減小。通過(guò)構(gòu)造雙饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)基于轉(zhuǎn)子電流-定子電流的V形曲線(xiàn)，可直接刻畫(huà)雙饋發(fā)電電動(dòng)機(jī)的無(wú)功特性，簡(jiǎn)單直觀。