基于矢量控制的可變速抽水蓄能機組仿真研究

楊昕樵，黃 松，張海龍，馮宇鵬

(1.上海理工大學 光電信息與計算機工程學院，上海 200093；2.西安許繼電力電子技術有限公司，陜西 西安 710075)

當前，風電與光伏等清潔能源帶來經濟與環境收益的同時，自身周期性與不穩定性的特點所帶來的負面問題愈發顯現，對電網造成了波動與沖擊。并且由于電網潮流不均與消納能力不足，導致了棄光棄風的現象[1]。抽水蓄能作為優良的調節電源，其削峰填谷能力是不穩定并網電源較好的配合手段。傳統抽水蓄能機組使用同步發電機，由于轉速固定導致水輪機磨損嚴重，功率調節慢且效率不高。新型抽水蓄能機組使用雙饋感應電機(Doubly-Feed Inductor Generator，DFIG)，有轉差范圍內的調速能力，機組效率提高，水輪機磨損降低，且功率調節迅速，在我國抽水蓄能建設中逐漸受到關注。本文由主回路設計為基礎，提出一種改進的可變速抽水蓄能機組矢量控制策略，實現不同工況與轉速范圍內的有功與無功功率控制。

1 主回路拓撲設計

針對一臺300 MW雙饋感應電機，本文結合工程與變流器容量設計的可行性，考慮當前商用的最大功率等級開關器件為4 500 V/3 000 A的電子注入增強晶體管IEGT，提出一種用于雙饋感應電機勵磁系統中的模塊并聯的背靠背電力電子變換器拓撲結構。其中所使用的雙饋感應電機關鍵參數如表1所示。

表1 300 MW雙饋感應電機參數

定義轉差s如式(1)所示。

(1)

其中，ωr為轉子繞組電壓電流的角頻率，ωs為定子繞組電壓電流的角頻率。同時定義ωm為轉子軸上與電機機械軸角頻率有關的折算角頻率，雙饋感應電機的角頻率關系如式(2)所示。

ωr=ωs-ωm

(2)

根據雙饋感應電機定轉子功率關系式，可得出在設計最大轉差s=-0.1時轉子最大饋出有功功率Pr如式3所示。

(3)

由于網側變流器不向電網提供無功，考慮損耗與裕量，即選取網側變流器容量為28 MVA。

機側變流器在提供有功通道的同時，還要為雙饋感應電機提供勵磁與無功電流。

(4)

其中，Ird1為機側提供的勵磁電流，Ird2為轉子側的無功電流，Q為定子最大無功輸出值，這里選取150 Mvar，Irq為轉子有功電流，Ur為轉子繞組電壓。

即可根據表1的電機參數計算出機側變流器理論容量如式(5)所示。

(5)

考慮到裕量，選取機側變流器容量為42 MVA。即可得到表2所示的背靠背變流器參數。

圖1 可變速抽水蓄能機組主回路拓撲

表2 背靠背變流器參數表

同時設計可變速抽水蓄能組主回路拓撲如圖1所示，構建網側4模塊并聯，機側6模塊并聯的背靠背變流器，其中單模塊容量為7 MVA。圖中同時標示出了濾波器、啟動裝置與換向開關等系統組成部分。電機軸轉速由水輪機系統給定，抽水工況下，電機正轉，發電工況下，電機反轉。

2 控制模型與矢量控制策略

雙饋感應電機在dq同步旋轉坐標系下的模型方程如式(6)所示[2-4]。

(6)

其中，角標為s的是定子的電壓磁鏈以及電流關系式，角標為r的是轉子電壓磁鏈與電流關系式。當控制采用電網電壓定向的情況下，可簡化方程組為

(7)

dq軸電壓控制方程為

(8)

機側控制器使用功率外環與電流內環控制策略，通過控制轉子繞組為定子提供勵磁，控制定子功率；網側控制器使用母線電壓外環與電流內環，用于穩定直流母線電壓同時為背靠背變流器提供功率流動通道。

為了綜合考慮上述電機反轉與機組低電壓穿越能力，提出一種雙重控制電流內環，可以在電機軸反轉時切換電流角頻率的同時為電網電壓跌落等異常工況時出現的電流負序分量作處理，如圖2所示。

圖2 單模塊雙重控制電流內環

當系統運行于抽水工況時，電流內環上部分作為正序分量，下半部分作為負序分量，此時負序分量的dq軸電流給定值應為0；當系統運行于發電工況時，應使圖1中的定子側ACB-ABC換向開關動作，同時下半部分作為正序分量，上半部分作為負序分量，同樣使負序電流環dq軸電流給定值設為0。

機側控制系統使用功率外環配合電流內環，外環輸出量平均分配給6個電流內環，定子功率可由式(9)得出[5-7]。

(9)

網側控制使用母線電壓外環配合有功電流內環，同時使iq始終控制為0。

有功功率與無功功率計算沒有相互耦合項，在使用閉環結構的PI控制器前提下可簡化控制環節，功率外環結構如圖3所示。

圖3 功率外環

3 仿真實驗

使用MATLAB/Simulink搭建如上主回路拓撲與控制環路。

圖4 抽水工況功率控制圖

圖4與圖5分別為可變速抽水蓄能機組在抽水工況下與發電工況下的功率響應仿真圖，系統按照如下的流程運行，其中負功率為抽水工況，定子換相開關應與定子接觸器同時動作。系統以如下流程運行。

0～0.2 s，系統待機，變流器閉鎖，定子接觸器保持斷開。

0.2 s，變流器工作，直流母線電容充電，并對保持開放狀態的定子勵磁。

0.6 s，定子接觸器動作，定子繞組并網。

0.8 s，執行功率控制器指令，無功設定0 MW，有功設定0.1 s從0～±300 MW的斜坡響應。

1.5 s，無功設定為100 MW。

2 s，有功功率設定0.1 s從±300 MW斜坡響應到±100 MW。

2.5 s，響應模擬水輪機的變速行為，轉差從-0.1變化到0.1。

圖5 發電工況功率控制圖

由圖4及圖5可見，機組定子可以在0.4 s內完成啟動勵磁。電機穩定工作時，有功與無功功率波動均在5%以內，在功率指令變化時，機組功率可以迅速調節到指令值，且超調很小。有功與無功實現了良好的解耦控制。并且電機變速過程對機組的功率響應沒有顯著影響。

圖6 并網電流的FFT分析

在300 MW滿載發電工況下，對1.6～1.8 s期間的并網電流進行FFT分析，如圖6所示?？梢娫诜€態時，電網電流THD<5%，波形畸變小，滿足設計要求。

4 結束語

設計了基于一臺300 MW雙饋感應電機的可變速抽水蓄能機組主回路拓撲，使用單模塊7 MW的模塊并聯背靠背變流器，并基于矢量控制設計了可變速抽水蓄能機組功率解耦控制策略，使用基于雙重控制的電流內環，實現了有功與無功功率的解耦控制。實際工程中，發電機并網需要考慮到當前電網的工作情況，在研究基礎上，可研究三電平調制策略與環流抑制策略[8]，可針對電網的低頻振蕩研究可變速抽水蓄能機組的電力系統穩定器功能[9-12]，可研究機組的低電壓穿越技術[13-16]，為工程應用提供了參考。