抽水蓄能機組高-低-高變頻起動控制策略研究

武 磊，李誠帥，方書博，李 剛，李坤鵬，常東亮，羅海冰

(1.河南國網寶泉抽水蓄能有限公司，河南 新鄉 453636；2.河南九域恩湃電力技術有限公司，河南 鄭州 450052)

0 引 言

抽水蓄能電站主要應用于電力系統的調峰填谷，利用電力負荷低谷時的富余電能抽水至上水庫，在電力負荷高峰期放水至下水庫發電。此外還具備調頻、調相、穩定電壓、事故備用等作用，對于電力系統的穩定有重要作用[1-3]。抽水蓄能機組作為水泵工作在抽水工況，由于通常機組容量比較大，而且起停頻繁，需要解決機組起動問題。目前抽水蓄能機組主要起動方式為靜止變頻起動，由靜止變頻器(Static Frequency Converter，SFC)完成。這種靜止變頻器通常為晶閘管拓撲結構，依賴于負載電機完成晶閘管換流，因此又稱作負載換流逆變器(LCI，Load Commutated Inverter)，屬于電流源型變換器[2- 4]。

靜止變頻器分為高-高結構和高-低-高結構。高-低-高結構輸入側和輸出側加入了降壓變壓器和升壓變壓器。文獻[2]和[5]研究了高-高結構靜止變頻器在抽水蓄能機組起動中的應用，通過非電氣量測量的低頻階段脈沖換相時刻計算方法建立數學模型完成Matlab/Simulink仿真。這種研究方法可以得到抽水蓄能機組起動過程的基本規律，但對實際應用的參考意義有限。文獻[6]和[7]設計了高-高結構靜止變頻器應用于抽水蓄能機組起動的控制策略，并在現場應用中得到驗證，對于高-低-高結構變頻起動控制策略有借鑒意義。文獻[3]研究了多種拓撲結構的靜止變頻器，并就高-低-高結構輸出升壓變壓器低頻運行做了理論分析，然而沒有考慮變壓器接入時移相對控制策略的影響。

本文針對抽水蓄能機組使用高-低-高靜止變頻器的起動問題，建立了抽水蓄能機組起動平均轉矩數學模型，分析了升壓變壓器在負載換流階段較低頻

率時的運行特性。結合抽水蓄能機組起動過程的特點，以平均轉矩數學模型和變壓器低頻運行特性為基礎，設計了抽水蓄能機組變頻起動不同轉速階段的控制策略和實現方式。通過在Matlab/Simulink中構建抽水蓄能機組變頻起動系統仿真模型，對控制策略進行仿真驗證，結果表明起動性能良好，驗證了控制策略的有效性。

1 高-低-高變頻起動分析

高-低-高變頻起動系統示意圖如圖1所示，這里采用12- 6脈波結構。輸入降壓變壓器通過二次繞組接法的不同獲得移相30°的兩路三相交流電，經三相全橋串聯結構的12脈波整流器的整流作用和平波電抗器的濾波作用，得到相對平滑的直流電流id，經由6脈波逆變器產生頻率可變的三相交流電[2，6，8-9]。低速階段(低于10%額定轉速)由于逆變器采用斷續換流，要保證直流電流快速下降到0，因此將輸出升壓變壓器旁路。轉速達到高速階段(高于10%額定轉速)時，逆變器采用負載換流，接入輸出升壓變壓器。

圖1 高-低-高變頻起動系統示意

1.1 抽水蓄能機組起動轉矩分析

不考慮抽水蓄能機組的機械部分，則其在電氣上為大型同步電機，由靜止變頻器提供的三相交流電產生的定子繞組旋轉磁場和直流勵磁產生的轉子繞組磁場相作用，產生電磁轉矩拖動轉子跟隨靜止變頻器提供的三相交流電的頻率同步旋轉。從電路角度對起動轉矩作定量分析。如圖1所示，12脈波整流器輸出電壓有效值UDs為

(1)

式中，Us為輸入降壓變壓器二次側相電壓有效值；μr為整流器晶閘管換流重疊角；α為整流器整流觸發角。

逆變器輸入電壓有效值UDc為

(2)

式中，Uc為輸出升壓變壓器一次側相電壓有效值；μi為整流器晶閘管換流重疊角；γ為逆變器換流超前角，即超前于自然換流點的電角度。低速階段斷續換流時γ=0°，高速階段負載換流時通常γ=60°。

分析直流回路，可得動態電壓方程式為

(3)

在非換流狀態，id近似為幅值恒定為ID的直流電流，則有

UDs=UDc+IDR∑

(4)

式中，R∑為回路總電阻；L為回路總電感，包含平波電抗器電感LD，換流過程中還包含換流電感。

設輸出到電機的電流(定子電流)基波有效值I保持恒定，若忽略逆變器和電機定子繞組的壓降和損耗，以及逆變器換流重疊角μi，當升壓變壓器未接入時，靜止變頻器輸出的有功功率為

(5)

式中，E為定子繞組感應電動勢有效值。當升壓變壓器接入系統后，式(5)依然成立。

可以看出忽略逆變器和電機定子繞組的壓降和損耗，以及逆變器換流重疊角μi后，靜止變頻器輸出的有功功率即為電機的電磁功率，換流超前角γ即為功率因數角。

可以得到平均起動轉矩為

(6)

式中，E=Kω；Ω=npω；K為感應電動勢系數；np為電機極對數。

因此，恒定勵磁電流條件下，若ID(I∝ID)和γ不變，則平均起動轉矩T恒定不變?？蛰d狀態下起動，忽略阻轉矩，由于機組慣性常數大，可以認為機組為恒加速起動。

1.2 升壓變壓器低頻工作分析

低速階段(低于10%額定轉速)由于逆變器采用斷續換流，要保證直流電流快速下降到0，因此將輸出升壓變壓器旁路。升壓變壓器在機組高于10%額定轉速時接入運行，但仍較長時間工作于遠低于工頻的低頻狀態，因此需要就升壓變壓器低頻工作的運行特性進行理論分析。

忽略漏磁通和繞組電阻壓降的影響，在正弦電壓下變壓器正弦主磁通的幅值為

(7)

式中，f為工作頻率；N1、N2分別為一次側和二次側繞組匝數；E1、E2分別為一次側和二次側繞組感應電動勢有效值。由于升壓變壓器二次側繞組和電機定子繞組連接，故E2同時也是機端相電壓有效值。若忽略相繞組壓降，則E2等于電機相感應電動勢。

變壓器正常工作，要求Φm不能過大，避免磁路達到飽和。當電機勵磁電流恒定時，電動勢與轉速成正比。設電機工作在額定轉速的1/kn，忽略繞組壓降，則此時二次側繞組感應電動勢為

同時頻率也降為f的1/kn，因此有

(9)

主磁通幅值不變，因此在低頻狀態下升壓變壓器不會出現飽和狀況，接入系統后可以正常工作。

2 高-低-高變頻起動控制策略

由1.1的分析和式(7)可知，若保持勵磁電流恒定，即感應電動勢系數K不變，平均起動轉矩T由直流電流和ID和換流超前角γ決定。因此控制對象為整流器、逆變器和輸出升壓變壓器，涉及到整流觸發角α的計算、逆變觸發邏輯控制、變壓器移相電角度補償等。高-低-高靜止變頻器控制系統示意如圖2所示。

圖2 高-低-高靜止變頻器控制系統示意

2.1 整流器觸發控制策略

在低于10%額定轉速的低速階段，機端電壓過小，不足以確保逆變器換流的可靠完成，需要借助整流器的控制實現斷續換流。逆變器換流時刻到來時，封鎖轉速-電流閉環的輸出，直接給定大于90°的整流觸發角α(通常為120°)完成整流器觸發，使整流器工作于有源逆變狀態，直流電流id快速下降到0，實現逆變器可靠換流。高速階段逆變器負載換流，無需整流器的配合，整流器觸發僅由轉速-電流閉環計算獲得的觸發角α決定。

2.2 逆變器觸發控制策略

低速階段逆變器采用斷續換流，通過整流器有源逆變狀態輔助完成換流過程，為獲得更大的起動轉矩，將換流超前角γ設定為0。高速階段采用負載換流，依賴于電機機端電壓完成逆變器換流，為保證換流的可靠完成，換流超前角γ通常設定為60°。

給定逆變器換流超前角γ后，采用30°雙窄脈沖觸發方式，逆變器晶閘管編號如圖1，初始轉子位置電角度滯后于電機A相90°電角度，故制定逆變器觸發信號的轉子位置電角度和換流超前角γ的關系見表1。

表1 逆變器晶閘管觸發信號對應關系

2.3 升壓變壓器切換及其影響部分的控制策略

由1.2小節的分析可知，升壓變壓器在負載換流低頻狀態下可以正常工作。故高于10%額定轉速后，如圖2控制K1斷開、K2接通，將升壓變壓器接入系統，起動系統進入負載換流模式。但升壓變壓器接入后會帶來兩方面影響，二次側繞組電壓移相和逆變器輸出電流減小。

位置辨識則通過機端電壓即變壓器二次側繞組電壓計算獲取，無法正確反映出變壓器一次側繞組電壓相位，導致逆變器觸發信號對應關系發生角度偏移。例如連接組別Dyn11的輸出升壓變壓器，一次側繞組電壓滯后于二次側繞組電壓相位的30°電角度，會導致出現實時轉矩為負、平均轉矩為零的情況。對辨識獲得的轉子位置電角度進行補償，即能夠確保γ=60°負載換流的可靠完成。

3 控制策略仿真驗證

在Matlab/Simulink中構建抽水蓄能機組高-低-高靜止變頻器起動模型。抽水蓄能機組使用Matlab/Simulink同步電機模型。

抽水蓄能機組基本參數為：額定容量334 MV·A，額定電壓18 kV，額定頻率50 Hz，極對數6，飛輪轉矩3 750 t·m2。輸入降壓變壓器基本參數為：額定容量(23.5/11.75-11.75)MV·A，額定電壓(18±10%)/2.5-2.5 kV，連接組別Dd0y1。輸出升壓變壓器基本參數為：額定容量23.5MV·A，額定電壓4.75/18 kV，連接組別Dyn11。

保持輸出給抽水蓄能機組電流的有效值和95%額定轉速之前的勵磁電流不變，應用第2節設計的控制策略，得到起動轉速如圖3。其中0～A時刻為低速階段，加速度大于高速階段的A時刻～B時刻，符合式(7)中換流超前角γ與平均轉矩的關系；B時刻達到95%額定轉速，增加勵磁將機端電壓提高到額定值，因此加速度提高；C時刻滿足并網條件，切除靜止變頻器，抽水蓄能機組并網運行。A時刻對應于10.05 s，斷續換流切換到負載換流，升壓變壓器接入系統。如圖4所示為低高速切換時段實時轉矩和平均轉矩，通過移相電角度補償實現了低速斷續換流階段到高速負載換流階段的平滑過渡，沒有出現實時轉矩為負、平均轉矩為零的情況；圖5和圖6為低高速切換時段升壓變壓器一次側和機側線電壓、相電流波形，通過移相電角度補償和轉速環輸出限幅值重新設定，實現了低速斷續換流階段到高速負載換流階段的電壓和電流平滑過渡。以上結果表明，設計的控制策略可以實現抽水蓄能機組良好的起動性能。

圖3 抽水蓄能機組起動轉速

圖4 低高速切換時段實時轉矩和平均轉矩

圖5 低高速切換時段升壓變壓器一次側線電壓、相電流波形

圖6 低高速切換時段機側線電壓、相電流波形

4 結 論

本文針對抽水蓄能機組高-低-高靜止變頻器起動系統的特點，通過數學公式描述了恒定勵磁電流下，直流電流ID和換流超前角γ對于與平均起動轉矩T的正比，并且分析了升壓變壓器的低頻工作特性。從平均轉矩的影響因素ID和γ入手，制定了整流器和逆變器的觸發，和接入升壓變壓器后移相電角度補償及轉速環輸出限幅值重新設定的控制策略。通過在Matlab/Simulink平臺上的仿真，得到了抽水蓄能機組的良好起動性能，驗證了控制策略的有效性。