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有限公司，陜西省西安市 710075）

0 引言

隨著風電、光伏并網容量的不斷增加，對電網的調峰和調頻能力提出了更高的要求，作為削峰填谷、調頻調相最好工具的抽水蓄能電站，在電力系統中占據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節，發電工況效率更高，功率調節速度快，可自啟動，無需單獨的啟動裝置靜止變頻器（Static Frequency Convertor，SFC）等優點，已成為了我國抽水蓄能電站新的發展方向。

目前，國內外關于變速抽水蓄能機組的研究主要為功率解耦控制和電網頻率控制[[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，通過交流勵磁系統給轉子施加幅值和頻率逐漸增大的電壓，使轉子在磁場作用下旋轉并加速，轉速升高到接近同步轉速的一個規定值，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輸出電壓為轉差電壓，不能將電機恒轉矩加速至額定轉速。

本文首先對定子短接，轉子勵磁啟動的工況進行了建模，分析了轉子磁場定向下轉矩和磁鏈與轉子dq軸電流的關系，推導了磁通觀測器模型，然后分析了電機運行的電壓極限、電流極限和轉矩極限，提出了一種變速機組的自啟動策略，仿真結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，利用交流勵磁系統在轉子勵磁啟動的工況。該啟動方法利用變速抽水蓄能機組的交流勵磁系統，將機組從靜止狀態平穩升速到設定轉速，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

300MW變速抽水蓄能系統如圖1所示，主要包括主變壓器、定子斷路器K2、換相開關、定子短接開關K3、發電電動機、水泵水輪機、機組控制保護系統、調速器、勵磁斷路器K1和交流勵磁系統。交流勵磁系統主要包括勵磁變壓器、軟起斷路器K4和K6、并網斷路器K5和K7、網側、直流Crowbar、機側、交流Crowbar、控制保護系統和水冷系統。交流勵磁系統網側由4個NPC三電平功率模塊并聯組成，機側由6個NPC三電平功率模塊并聯組成。

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

1.2 建模分析

定子短接，電機按照轉子磁鏈定向時，電壓和磁鏈在旋轉坐標系下的方程為

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為轉差角速度，ω0為交流勵磁系統（AC Excitation System，AES）輸出電壓角速度，urd和urq為轉子dq軸電壓，Rr為轉子電阻，ψr為轉子磁鏈，ird和irq為轉子dq軸電流，Ls為定子電感，Lm為定、轉子之間的互感，Lr為轉子電感。

根據磁鏈方程（2）可得

根據式（3）可得轉子磁鏈與轉子電流的關系為

式中：τs=Ls/Rs為定子時間常數，σ=1-Lm2/LsLr為漏感系數。

根據式（3）和式（1）可得，轉差角速度與轉子dq軸電流的關系為

電機的轉矩方程為

根據式（3）和（6）可得電機轉矩為

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

1.3 磁通觀測器

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

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，采用轉子電流直接計算轉子磁鏈存在微分環節，會導致觀測不準確，因此需首先求出定子磁鏈，再根據定子磁鏈求解轉子磁鏈。

以定子磁鏈為旋轉坐標系的d軸，電機的定子電壓為

定子磁鏈滿足

根據式（8）和（9）可得定子磁鏈與轉差角速度為

定子磁鏈與轉子磁鏈滿足

因此，根據轉子電流就可以求得轉子磁鏈的幅值和相位，如圖2所示。

圖2 轉子磁鏈觀測器Fig.2 Rotor flux estimator

2 轉矩電流限制

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

2.1 電壓極限

電機定子短接，勵磁系統采用轉子磁場定向矢量控制，其穩態電壓滿足

勵磁系統輸出電壓滿足

根據式（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輸出的最大轉矩電流在電流應力方面有兩個限制，一為AES機側所能輸出的最大電流Imax，二為AES網側能夠傳輸的最大有功功率PGSC_max，如式（16）所示。

式中：PRSC為AES機側輸出的有功功率。

因此，轉矩電流需滿足

式中，Urate_GSC為AES網側額定電壓，Irate_GSC為AES網側額定電流，Urate_RSC為AES機側額定電壓。

2.3 轉矩極限

根據式（4）和式（5），在穩態轉子磁鏈和轉差角速度為

根據式（19）可得

由于

故轉矩電流需滿足

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，向機組控制系統請求閉合定子短接開關K3，閉合勵磁斷路器K1。

（2）穩壓階段。

啟動交流勵磁系統網側，閉合網側軟起斷路器K4和K6，電網通過軟起電阻和網側的反并聯二極管給直流側充電，當直流電壓大于0.6pu且持續3s后，閉合網側并網斷路器K5和K7，斷開網側軟起斷路器K4和K6，當直流電壓大于0.8pu且持續2s后，開啟網側控制脈沖，將直流電壓控制為設定值。

（3）勵磁階段。

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

（4）恒轉矩啟動階段。

機組磁通達到額定磁通后，AES輸出最大轉矩電流，機組恒轉矩升速。

（5）恒功率啟動階段。

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

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

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

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

（6）降功率啟動階段。

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

交流勵磁系統啟動變速機組的機側控制策略如圖3所示，采用轉子磁鏈定向矢量控制，控制內環為轉子dq軸電流，控制外環為磁通環和轉速環，由于電機轉動慣量大，為了防止電機轉速在目標值附近波動，轉速環采用P調節器。

4 仿真驗證

為了驗證本文所提交流勵磁系統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，仿真參數如表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，交流勵磁系統先對直流母線軟起充電，然后開啟網側脈沖，將直流電壓控制為設定值。網側運行后，機側開啟脈沖對電機進行勵磁，達到額定磁通后，電機恒轉矩運行，當轉速大于0.1pu時，機組開始弱磁升速，磁通和轉矩都開始減小，但AES輸出的有功功率保持不變，隨著轉速的進一步上升，AES輸出的有功功率開始減小。在啟動過程中，電機的轉子電流頻率為AES輸出的頻率，定子電流頻率為轉差頻率。圖6為AES的轉矩電流極限，AES首先運行于電流極限，當轉矩極限大于電流極限后，AES按照轉矩極限輸出轉矩電流。

圖3 交流勵磁系統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 結束語

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

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

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

表2 交流勵磁系統參數Tab.2 Parameter of AC excitation system

圖6 轉矩電流極限Fig.6 Limit of torque current