雙饋水輪發電機勵磁系統設計

王 丹，孫 靜，馬 濤

（1.蘭州交通大學自動化與電氣工程學院，甘肅蘭州730070；2.西北勘測設計研究院，陜西西安710065；3.陜西省電力設計院，陜西西安710054）

1 引言

雙饋水輪發電系統是一種新型的水力發電系統，通過調節勵磁電壓的幅值、頻率、相位和相序，控制發電機勵磁磁場的大小及其相對轉子的位置和電機轉速，獨立調節有功功率與無功功率。為了更好地實現雙饋水輪發電機系統負荷的優化調節，提高系統并網的穩定性，研究設計具有良好的靜態穩定性、快速的動態相應能力、魯棒性強、自適應能力好的勵磁控制系統有重要的理論意義和工程價值。

2 系統組成及工作原理

采用雙PWM交-直-交變頻器可獲得任意功率因數的正弦輸入電流，具有能量雙向流動的能力，它是一種滿足雙饋水輪發電機交流勵磁電源要求的理想變頻電源。勵磁系統的主要兩個部分是PWM整流和PWM逆變，這其中包括了交流側電感、直流側電容、采樣電路、隔離驅動電路、DSP外圍的鍵盤、LCD顯示模塊、通信接口。當發電機處于亞同步發電運行狀態時，電機軸上的機械功率和轉子輸入的轉差功率都以電磁功率的形式送到定子側，再回饋電網，此時電機轉子要從電網吸收功率，通過控制事件管理器輸出的PWM脈沖信號的幅值和頻率，實現調速，調節有功、無功的功率［1]。以DSP為控制核心的雙PWM雙饋水輪發電機勵磁控制系統的結構圖如圖1所示。

圖1 雙PWM勵磁控制系統結構框圖

3 硬件部分設計

3.1 主電路結構與參數選擇

對于雙饋水輪發電機來說，水頭、負荷的變化［2]，決定了雙饋水輪發電機可以工作在不同的工況下：同步速、亞同步速、超同步速，采用雙PWM控制的勵磁電源滿足了這種四象限運行，主電路結構形式如圖2所示，圖2中ua、ub、uc為三相電網電壓，L、R分別為交流進線電抗器的電感和等效電阻，轉子側接雙饋水輪發電機。

圖2 雙饋水輪發電機勵磁控制系統主電路結構圖

本文設計的雙饋發電機功率400kW，額定電壓為400V，勵磁電流150A，電網最高電壓（機端）460V。變頻器的選擇實際上就是功率開關管IGBT的選擇，當采用SPWM控制時，IGBT橋路輸出線電壓最大值為460V，考慮2-3倍的安全系數，取額定電壓為1200V，本系統選用IPM PM500CLA120，額定電壓1200V，額定電流500A，開關頻率最大15kHz；針對交流電感作用和選取要求，取L＝0.7mH，電感采用鐵粉芯制作，可以保證在較大的電感電流下磁芯不飽和；直流環節電容主要考慮開關頻率、開關紋波電流、直流輸出電壓、輸出紋波電壓等因素，選用220μF電容并聯入電路，耐壓為400V。

3.2 主電路驅動電路設計

由于IPM（變頻器）功率管內部把功率開關器件和驅動電路集成在一起，DSP輸出的PWM信號經過光電隔離后送給IGBT的柵極。光電隔離選用IPM專用光耦HCPL-4504，該光耦具有極短的寄生延時；瞬時共模為15kV/μs；TTL兼容；開路輸出等特點［3]。如圖3所示為IPM驅動的典型電路。

圖3 IPM驅動典型電路

3.3 同步電路設計

所設計的同步方波變換電路由遲滯電壓比較電路、高速光耦、過零比較電路組成，電路圖如圖4所示，54AC11151FK為八選一數據選擇器，DSP的地址線A12、A13、A14控制輸入模擬量的選擇，選中的模擬量送給DSP ADCIN0端，數據選擇器的使能端由IOPB5控制。

4 軟件部分設計

4.1 網側變換器的控制程序

圖4 同步電路

網側變換器控制程序框圖如圖5所示。主要功能是通過控制PWM信號的幅值和頻率使輸出的直流電壓跟隨給定直流電壓，維持輸出直流電壓的穩定性，使得網側功率因數接近1。同時計算有功、無功功率，作為轉子側變換器的輸入信號，也作為電能計算的依據。

圖5 電網側變換器控制軟件流程圖

4.2 轉子側變換器控制程序

轉子側變換器控制軟件流程如圖6所示。主要功能是調節轉速，獨立調節有功、無功功率，調節電壓相位，使輸出的電能滿足用戶要求［4]。

5 仿真實驗

基于DSP的雙饋水輪發電機轉子側逆變器的仿真曲線如圖7所示。電機有關參數如下：P=400 kW，R1=1.89 Ω,R2=1.4 Ω,J=2.2kg·m2,LS=0.196 H,Lm=0.187H,np=4，ne=120 rad/min。

開始時，發電機空載起動，在1.5 s時,逐漸加負載直至額定負載30 N·m，發電機實際負載轉矩逐漸上升,定子三相電流也逐漸升高直至額定電流。3.5 s后負載突減為20 N·m，4.3 s時，負載又突變為30 N·m。從仿真曲線可以看出，全壓起動時，在0.3s內速度、轉矩等的瞬態值基本趨于穩態，電機完成了全壓起動過程，實際轉速為120rad/min；在0.3s以后，瞬態轉矩、轉速趨于穩定。系統上升時間約為0.2s，超調很小，對負載變化波動較小。實際轉速在負載突變時，有一定的波動，但波動持續時間很短，很快趨于穩定。

圖6 轉子側變換器控制軟件流程圖

圖7 雙饋水輪發電機轉子側逆變器的仿真曲線

6 結論

本文介紹了雙饋水輪發電機勵磁控制系統的設計，對系統的主電路選擇、主電路的驅動電路、專用電源電路、同步串行電路等分別進行了研究。軟件設計部分對網側、轉子側變換器控制程序設計時，結合水輪機PID調節器的調節量、無功、有功功率、水頭等因素，可以實現雙饋水輪發電的勵磁控制和水輪機調節系統聯合控制，從而達到系統負荷的優化調節。仿真結果表明，雙饋水輪發電機動、靜態性能良好，驗證了軟件編程的可行性和硬件設計的正確性。

［1] 劉和平.TM3S320LF240XDSP結構、原理及應用［M] .北京：航空航天大學出版社，2003.

［2] 李 輝.雙饋水輪發電機系統建筑與仿真及其智能控制策略的研究［D] .重慶：重慶大學，2004.

［3] 崔 瑋，Protel DXP實用手冊［M] .北京：海洋出版社，2003.

［4] Mike Salo，Heikki Tuusa.A Vector Controlled Current-Source PWM Rectifier with a Novel Current Damping.Methed［J] .IEEE Trans.Power Electron，2000，15（6）：464-470.