采用定子控制繞組的轉子儲能調相機

陳 謙，張 琦，仇 娜，王晨晟，何承樹

（河海大學能源與電氣學院，南京 210000）

近年來，電力電子技術在電力系統中得到了廣泛應用，比如輸電網中的高壓直流HVDC（high volt?age direct current）輸電、靜止無功補償器SVC（stat?ic var compensator）等，以及配電網中廣泛應用的變頻驅動電機、分布式發電設備等。隨著電力電子技術應用比例的增高，電力系統中直連的旋轉電機比例下降，造成整體慣性及動態電壓支持能力的下降，對電網的安全穩定運行造成了嚴重的影響。

針對上述問題需要從兩方面著手解決，一方面采用更加快速有效的控制手段，如基于電力電子技術的動態電壓補償設備[1?3]；另一方面也需要改善電力系統固有的特性，如增設一定比例的調相機[4?6]。基于電力電子技術的動態電壓補償設備方面，已開展了較多的研究與實踐，例如：基于新型級聯變換器PUC（packed U cells）拓撲結構調節動態電壓[7]、采用新型自適應動態規劃GrHDP（goal representa?tion heuristic dynamic programming）的靜止無功補償器能快速補償系統無功功率[8]、虛擬同步發電機VSG（virtual synchronous generator）平衡電流控制架構及方法[9]、動態無功補償裝置替代電容補償[10]等；改善電力系統固有特性方面，近幾年來國家電網公司在多回特高壓直流的送受端加裝了調相機[11]，其容量、瞬時無功支撐能力、響應速度等比早期的調相機都有顯著提高[12?13]，主要應用于大直流落點附近，用于改善無功支撐能力及響應速度[14?16]，另外用于某些光伏等新能源發電大規模接入地區，用于改善電壓支撐薄弱的問題[17?19]。

然而，目前新增的調相機補償暫態調節能力仍然有限，對系統因直流閉鎖等造成的有功缺失而產生的頻率波動問題難以進行有效補償，且故障率偏高、維修期長、維修成本高[20]。所以，對調相機功能的進一步改善是值得深入研究的。

20世紀五六十年代之前，電網的調控手段少，調控能力弱，因此設置調相機可以顯著增強系統運行的安全穩定性[21?23]。隨著電力電子、控制、通訊、計算機等技術的發展，電力系統的調控手段逐漸增多、控制能力得到增強，因此傳統的調相機逐漸退出了運行。21世紀以來，電力系統的空心化趨勢日趨明顯，因此重新設置調相機成為一種迫切的需求。目前，新設置的調相機雖然比早期的調相機性能顯著提高，但是仍然存在容量不足、成本較高、頻率支撐能力弱等缺點。

為此，本文提出了一種新型的調相機，通過增設一組定子控制繞組以及附加的電力電子換流裝置，使得電力系統動態過程中轉子不再保持同步，通過轉子儲能的變化提升頻率支撐的能力。設計了該調相機的總體結構，分析了其運行方式，并對其控制方式進行了研究分析。

1 原理與設計

傳統同步電機是一種轉子轉速和定子旋轉磁場轉速保持同步的交流電機，而同步調相機與一般同步電機的區別在于同步調相機不用原動機來拖動或不帶機械負載。其主要作用是增加電力系統旋轉慣性，并提供電力系統相應的無功支撐，即通過勵磁來調節調相機的無功輸出[24?25]。

電網正常運行時，調相機可采用過勵運行方式，即勵磁電流較大，定子電流滯后于端電壓，發出滯后的無功功率；若采用欠勵運行方式，即減小勵磁電流，定子電流反之變大，并超前于端電壓，從電網中吸收無功功率。電網受到較大擾動后，較短時間內由于轉子的旋轉慣量作用以及定子耦合磁鏈的保持作用，可以為電網提供較大的有功和無功支撐。

1.1 原理分析

目前，由于局部電網的設備總體特性變化較大，如特高壓直流落點附近區域、新能源發電密集區域等，可以為電網提供的有功和無功支撐仍然不足，特別是有功支撐方面。電網的動態有功支撐能力不足，會使局部發生失步，或使系統頻率短時間變化明顯，因此需要快速的儲能容量參與平衡控制。目前，電網中的儲能設備逐漸增加，但可以快速動作的儲能容量并不充足，因此亟需充分挖掘可利用的快速有功調節能力。

傳統調相機雖然在電力系統動態過程中可以提供有功功率平衡的能力，但是由于其需要保持同步運行，因此轉子的旋轉儲能并不能充分利用。因此，本文研究一種新的控制方法，使得動態過程中轉子放棄同步旋轉的約束，進而可以更多地吸收或釋放能量，從而更有效地參與系統功率調節。

本文提出一種調相機的改進措施，其系統結構如圖1所示。該系統主要包括電機部分和換流器部分，其中電機模型由定子固定繞組、定子控制繞組和轉子繞組構成，換流器模型由固定側換流器、控制側換流器和背靠背直流電容組成。與現有調相機區別在于，該機采用了雙定子繞組結構，每個定子繞組都接有相應的電力電子換流器，通過開關K1～K3改變拓撲結構可工作在不同的運行模式下。

圖1 系統結構示意Fig.1 Schematic of system structure

為了使得調相機充分介入電網的一次調頻，從而為二次調頻預留出充足裕度，需要調相機具有一定的能量吸收或補充能力，或視為一種儲能能力。但調相機的轉子側是沒有原動機或負載的，因此如何配置一定的儲能設備是實現該目標的關鍵。在沒有其他儲能設備的前提下，如何利用轉子的旋轉機械儲能是一個比較切實可行的選擇，但必須采用一定的技術措施使得轉子不必要再維持機械同步運行。

轉子儲能的優點是容量較大、交換功率較高、響應速度很快，因此可以充分用于電力系統的一次調頻。目前已有一些相關的研究，如利用DFIG風電機組的轉子旋轉儲能參與電網的一次調頻[26?29]。DIFG機組單機功率較小，因此其交換功率的調節可以通過附加在轉子勵磁控制上實現。然而，調相機的容量較大，將轉子改為三相交流勵磁技術難度較大。因此，針對調相機單機容量較大的特點，本文提出了增設一組定子繞組用于附加功率控制，如此可降低技術實現難度，并充分利用調相機的轉子旋轉儲能。

1.2 電機設計與運行模式

設置定子控制繞組后，電機的本體結構如圖2所示。圖中的電機設置了雙定子繞組，其中繞組Aa、Bb、Cc為定子固定繞組，繞組Xx、Yy、Zz為定子控制繞組；轉子繞組Ff與現有同步電機一致。

圖2 電機設計示意Fig.2 Schematic of motor design

相應的運行模式可安排如下：

（1）常規調相模式。若開關K1閉合，K2、K3斷開，則定子固定繞組和定子控制繞組是并聯運行的，而換流器部分退出運行。整個系統相當于現有的常規調相機工作，此時可以為電網提供旋轉慣性補償及暫態電壓支撐，以及通過轉子勵磁進行無功功率控制。

（2）無功增強模式。開關K1、K2、K3都處于閉合狀態，兩側換流器同時提供額外的電機并網點無功補償，而背靠背換流器無直流功率交換。此時，相當于在常規調相機模式下，增加了電力電子并聯裝置的無功補償作用，可進一步增該調相機的動態無功/電壓支撐能力。

（3）轉子儲能模式。開關K1斷開，K2、K3閉合。此時，定子固定繞組側的換流器控制注入并網點的無功功率以及直流電壓恒定，而定子控制繞組側的換流器控制交流勵磁電壓（頻率與幅值）以及直流交換功率。通過第二個定子繞組（定子控制繞組）的勵磁控制，改變電機氣隙里的磁場分布，迫使轉子加速或減速的同時，使得第一個定子繞組耦合的旋轉磁場仍保持同步。相應的轉速與頻率約束方程為

式中：ωp為定子固定繞組的轉速，對應的頻率為fp；ωc為定子控制繞組的轉速，對應的頻率為fc；ωr為轉子的轉速，對應的頻率為fr。

一般情況下，該調相機可工作在模式1或模式2下，定子由2個繞組并聯構成，容量利用率較高，而作為同步電機其轉子轉速保持不變。如果工作在模式3下，當電網出現有功缺失造成轉速下降后，調相機可按照預先整定的功率參與一次調頻，使轉子轉速下降，短時間內向電網注入更多的有功功率。本文重點討論模式3的運行控制。

1.3 換流器設計

運行在模式3的背靠背換流器組中，VSC1的作用是控制并網點無功補償，并控制直流電壓，如圖3所示；VSC2的作用是控制第二組定子繞組（定子控制繞組）勵磁（頻率/幅值），并控制直流交換功率，如圖4所示。

圖3 VSC1控制結構Fig.3 Control structure ofVSC1

圖4 VSC2控制結構Fig.4 Control structure ofVSC2

本文只討論了常規的背靠背三相全控型換流器以及相應的雙環型PWM控制結構，實際工程中，可根據性能、容量、成本等實際需求而采用其他的換流器及其控制方式。

1.4 運行機理分析

1）初始運行狀態

由于背靠背換流器采用了雙環型PWM結構，為分析簡便將只考慮基波的作用，而忽略諧波等因素的影響。另外，假定并網點的電壓U?s維持不變，其狀態向量圖如圖5所示。

圖5 向量圖Fig.5 Vector diagram

擾動發生前，電力系統處于穩定平衡狀態，在轉子儲能模式下運行，調相機的轉子轉速與定子旋轉磁場保持同步，而定子控制繞組處于空載狀態。VSC1控制其交流側的無功功率，作為并網點無功功率的增強控制；VSC2控制其交流側電壓與定子控制繞組空載電壓一致；直流交換功率為0。調相機系統的初始運行狀態如圖5（a）所示，U?s是系統電壓，E?f是轉子勵磁電勢，轉子勵磁電勢滯后系統電壓一個較小的角度δ0，表示其相應的損耗（下文中，假定不同運行狀態下損耗不變）。

2）轉子降速控制與附加有功補償

當電網受到較大擾動后，可造成轉子轉速下降，為了增強調相機的等效慣性，當檢測到轉子轉速下降，定子控制繞組及其聯接的換流器VSC2投入工作。即進入轉子降速控制與附加有功補償狀態。另外，也可根據收到的外部指令，進行相應的功率補償控制。

其主要機理在于，通過定子控制繞組和轉子繞組的共同作用，使得轉子轉速下降，但定子固定繞組交聯的磁鏈仍然與并網點的系統頻率同步。這樣，從電網側看來，該調相機仍然是與電網同步運行的，但是實際的轉子轉速下降，釋放出的轉子旋轉儲能可以用于提高等效慣性，并補充電網的一次調頻能力。

換一個角度，對于轉子而言，此時兩個定子繞組產生綜合旋轉磁場的轉速是逐漸降低的，但是該旋轉磁場與轉子的機械旋轉是保持同步的，如圖5（b）所示。其中，U?c是定子控制繞組的等效電勢，E??是兩個定子繞組磁場疊加后的等效電勢。E??的轉速是逐步降低的，但是與轉子勵磁電勢之間仍然保持同步運行。

定子控制繞組電勢U?c、定子綜合電勢E??以及U?s和E??的夾角θ之間的關系為

雖然降低轉子轉速，可以快速釋放一定的機械儲能參與電網的有功補償，但是受到機械結構、換流器容量等條件的制約，以及為了達到補償功率與補償時長的總體最佳效果，需要合理整定轉子的轉速下降控制。

設轉子轉速的初值為ω0、轉動慣量為J、功率為P，則其相互關系及夾角θ分別為

假設經過整定的功率為P，整個補償持續時間為t，可得U?s和U?c的夾角 ∠U?c為

從功率流動的方面而言，上述的補償過程是依靠背靠背換流器的控制實現的。其中，轉子轉速下降釋放出的能量，一部分通過定子固定繞組注入并網點，另一部分通過VSC2、直流回路及VSC1，注入并網點。

3）擾動結束后的轉子轉速復歸

轉子釋放了一部分能量后，其轉速會變慢，與系統電壓向量會存在一定的差拍，或可認為是一種靠電力電子換流器聯系起來的不穩定運行狀態。因此，電網擾動結束一段時間后（可按一定的延時整定，如并網點電氣信號恢復穩定后10～20 min）需要進行復歸控制，應當重新使轉子轉速升高，恢復初始的運行狀態。

若想轉子電動勢E?f和系統電壓U?s的轉速重新恢復一致，如圖5（a）所示，需要進行轉子旋轉儲能的吸收控制，即之前釋放旋轉儲能的逆控制。轉子復歸控制的整定功率可以相對更小，復歸時間可以相對更長。

2 仿真分析與驗證

為了驗證該調相機利用轉子儲能進行補償控制的作用，利用Simulink進行了建模仿真。

2.1 基于轉子轉速改變的功率補償控制

調相機正常運行時，檢測機端頻率下降后，觸發預先整定的功率補償控制，整定值如圖6（a）所示。整定補償功率為10 kW，整定補償時間為3 s。在5 s時，轉子轉速開始下降并釋放額外的能量，相應的有功和無功功率、轉子轉速ω及U?s和E??的夾角θ的變化分別如圖6（b）、（c）、（d）所示。

圖6 轉子轉速變化功率補償控制Fig.6 Rotor speed related power compensation control

整定時間結束后，有功功率輸出恢復到初始狀態（接近于0），轉子因動能釋放保持在低轉速而非同步運行，E??和U?s之間的夾角θ也不斷增大，而θ在控制繞組作用下保持不變。

2.2 轉子轉速的恢復控制

調相機正常運行時，收到外部指令進行補償控制，補償功率為10 kW，補償時間為3 s（第5～8 s）。此時，調相機的運行狀態與上一個仿真案例等同，隨后接受外部指令進行轉速復歸，即補償功率為?10 kW（從電網吸收功率），補償時間仍然為3 s（第15～18 s）。相應的外部指令如圖7（a）所示。

圖7 轉子轉速復歸仿真結果Fig.7 Simulation results of rotor speed resetting

可見，轉子釋放的能量與之后補充的能量是相等的，最終轉子轉速應恢復原有的同步轉速。相應的有功功率/無功功率、轉子轉速、θ、δ及U的動態變化如圖7所示。圖7（e）中的兩條曲線分別是δ的絕對值及其與2kπ共模后的余值。

可見，θ和δ的絕對值逐步增大，且θ、δ及U在轉子能量補充結束后為定值，但是一般情況下與初始值是不同的。即此時轉子雖然與電網同步運行，但是其姿態與初始姿態不一樣，定值靠定子控制繞組的控制維持運行。

2.3 轉子運行姿態的復歸控制

若擾動結束后且保持平穩運行一段時間后，應啟用轉子姿態復歸控制，使δ恢復到δ0。姿態復歸控制，實質上就是一個小的功率驅動，使得轉子轉速變化不大的情況下，逐步改變其運行姿態，最后δ恢復到δ0，且定子控制繞組的控制置零。

加入復歸控制后，θ、δ及U的變化趨勢如圖8所示。

圖8 角度復歸控制仿真結果Fig.8 Simulation results of angle resetting control

將圖7（d）和圖8（a）中復歸前后θ的變化曲線對比可知，θ經過復歸控制后可以恢復到初始姿態，同理可通過圖7（e）和圖8（b）、圖7（f）和圖8（c）的對比看出，2個定子繞組仍然可與并網點的系統頻率同步，轉子勵磁電動勢E?f和系統電壓U?s的轉速重新恢復一致，且電壓在復歸后也保持在穩定值。

由仿真結果可知，定子控制繞組的控制，可迫使轉子改變轉速并釋放/吸收能量，從而對電網提供額外的有功支撐，在電網擾動結束一段時間后可自行復歸，從而提高了電力系統的等效慣性。

3 結語

采用定子控制繞組的轉子儲能調相機結構簡單，容量較大，且兼容現有的普通調相機運行機理。可以適應較廣的補償環境、拓寬了調相機的調節補償范圍。

本文主要研究了該調相的儲能控制機理與方法，但是調相機一般還要用于無功功率的控制。在后續的研究中，仍需要進一步關注無功調節與動態電壓支持的方法，以及有功和無功的多目標優化控制。