基于静止变频装置启动燃气轮机组的建模及仿真

胡 静，朱振飞，朱英英，张慧婷，邹 宁，陆小冬

（1.国电南瑞科技股份有限公司，江苏 南京 210003；2.武汉工程大学 化工与制药学院，湖北 武汉 430073）

随着人类社会对清洁能源的依赖程度不断加深，常规燃煤火力发电受到能源、环境等因素的限制，燃气轮机以其独特的优点在一些领域中逐渐代替常规火力发电.相比于机械式的燃气轮机组的启动方式，静止变频器的软启动功能可以尽可能平稳地启动同步电机，而较小的启动电流对电网的扰动不是很大.目前，利用晶闸管变频器产生可变频的交流电进行电机调速，保证了大型燃气轮机组的快速启动和稳定运行.

根据实际工程分析，SFC在启动同步电机时会产生较复杂的电磁暂态过程，通过建模仿真分析主电路设备的选型与合理设计［1］以及该过程对电网的影响，对其投入运行后确保电力系统可靠运行具有重要的意义.在分析SFC的拓扑结构和工作原理后，笔者利用PSCAD／EMTDC电磁暂态仿真软件搭建SFC的仿真模型［2］，根据控制策略采用用户自定义模块设计出控制系统.着重研究SFC运行中的电磁暂态过程，对仿真结果进行分析，验证该SFC模型的正确性和控制策略的可行性.

1 SFC结构

1.1 SFC的一次结构

对于同步电动机的调速系统，目前的静止变频装置主要采用半控型电力电子器件-晶闸管（SCR）.把交-直-交电流型变频器与同步电机结合，利用负载反电动势来关断逆变桥的晶闸管，使整个控制变得简单.

同时，一般变频器采用六脉波整流桥，其线电流中含有6k±1（k=1，2，…）次的谐波.由变压器二次侧采用星形和三角形接法，使供电电压相差30°的相角，2个6脉波的整流桥构成12脉波，减少线路中的谐波分量.

SFC装置由隔离变压器、整流桥、平波电抗器和逆变桥组成［3］，如图1所示.

1.2 转子位置测量方法

为了使转子获得最大正向启动加速力矩，选择应该通电定子绕组的相位，从而确定该导通的桥臂.根据仪征电厂启动要求，通过盘车系统给予频率高于0.15Hz的初始转速.机端电压的幅值足够大，可以很精确地计算转子位置.

如图2所示，R和X分别为同步电机的电阻和电感，e″是定子绕组的感应电动势，U是机侧三相电压.

图1 SFC主电路结构Figure 1 SFC main circuit

图2 同步电机等效电路Figure 2 Synchronous motor equivalent circuit

通过PT，实时监测三相电压波形UU，UV，UW.根据公式，得出定子绕组三相感应电动势，并将三相坐标系转换为两相坐标系，即αβ坐标系，α轴与定子U相磁场轴线相重合.U，V，W坐标系转换到α-β坐标系的公式为

由转子磁场矢量关系，可以得出转子位置角θ，即

式中 θ就是α轴和转子之间的夹角.

通过转子位置测量方法检查到发电机转子位置角θ，来控制机侧的触发信号.根据转子角度测量波形，转子位置是从0°～360°的周期型变化，其周期即为转速频率.角度参数Angle＿ref就是转子轴线与U相轴的夹角.将电机定子内的空间划分为6个60°的扇形区，根据转子位置角度确定此刻需要导通的机侧桥臂，并触发相应晶闸管回路的脉冲.定子产生的旋转磁场作用于磁体转子，发电机则通过转子位置角获得最大正向启动加速力矩.

1.3 SFC调速系统工作特性

此系统采用自控式变频调速，输出频率由转子位置信号进行严格控制，使电动机工作在自同步状态.根据同步电动机的工作原理可以得出，其调速方式与直流电动机的转速特性［4］十分相似，为n=调速方法有2种，即改变整流桥触发角α和改变励磁磁通Φ.

实际工程中，结合这2种方法的使用可以增加调速范围.在基准电压以下，采用恒磁调压的调速方法；基准电压以上，采用恒压调磁的调速方法.

1.4 换相方法

通过转子位置导通相应桥臂的晶闸管，并按照一定规律进行换相.然而晶闸管一旦开通，门极控制就失去作用，关断晶闸管必须遵守2个条件中的一个，即施加反向电压和关断晶闸管的供电电压／电流源.

在启动的开始阶段，当转速低于额定值的10%时，电机的反电动势较低，不能够关断晶闸管，需要强制脉冲换相.根据晶闸管关断条件，需要将直流侧电流下降到0，整流桥的触发控制超前90°，由整流转换成逆变过程.与此同时，为了增大启动转矩，取超前换相角为0°.在控制策略上，只采用电流单闭环控制，电流闭环的电流给定值固定.

随着机端电压的不断升高，逆变桥取超前换相角为60°，使电动机的转矩和脉动分量都在较合理的数值范围内.由于负载电机的反电动势足够大，可以关断晶闸管进行自然换相.在控制策略上，采用转速／电流双闭环调节系统.

结合该文中采用的控制策略，包括电流环、转速环的调节设置，如图3所示，控制的目标是整流桥和逆变桥的触发脉冲角.

图3 SFC控制结构Figure 3 SFC control structure

网侧整流器的功能是通过控制直流侧电流的大小，以便达到控制电机电磁转矩的目的.整流器采用的是双闭环PI控制，即内环为电流闭环控制，外环是转速闭环控制.

逆变器控制系统主要是以转子位置检测控制脉冲的生成，结合强制换相和自然换相的不同阶段下的控制策略完成SFC的启动运行.

PID调节方式可实现电流的精准动态控制，使系统的稳定性更高、响应速度更快、性能更好［5］.

2 基于PSCAD建模与C语言的接口

PSCAD是电力系统电磁暂态模拟研究的工程软件工具，其优点包括：图形化实时模拟、参数调整及时运行反馈、模块研究内容等［6］.基于PSCAD仿真软件的工程动模设计，其流程如图4所示.

图4 工程设计流程Figure 4 Engineering design flow diagram

鉴于PSCAD软件的模块化优点，将SFC的控制算法、检测功能设计封装进行模块化处理.验证模块功能成功后，按照模块的要求进行C语言程序对照编写.

PSCAD调用编译好的C语言程序，存于PSCAD与用户自定义模块之间的接口衔接处［7］.PSCAD程序内通过外部Fortran子程序启动和C语言之间的通讯，将两者相互结合在一起.

3 PSCAD仿真实验波形

笔者采用PSCAD电机模型，以仪征电厂1台容量为211.8MW·A的汽轮发电机为例.同步发电机的一次参数如表1所示，发电机的内部实际参数如表2所示，按照此参数设定PSCAD电机模型［8］.其仿真实验波形如图5～9所示.

发电机在燃机进行盘车系统后，具有一定的初始转速，测量机端的Ua，Ub，Uc三相电压波形（图5），采用转子位置测量方法进行计算，得出电机转子位置角θ.

表1 同步发电机的一次参数Table 1 Primary parameters of synchronous generator

表2 211.8MW·A汽轮发电机参数Table 2 211.8MW·A gas turbine generator parameters

图5 转子位置角度波形Figure 5 Rotor position angle waveform

当转子位置角度确定后，SFC进入电机启动状态.当同步电机在较低转速时（一般设定为额定转速的10%），机端反电动势较低，需要进行强制脉冲换相；当机端电压足够高时，晶闸管利用机端反电动势进行自然换相.因此，在不同方式下控制策略不同，所产生的定子电压、定子电流和直流侧电流的波形都有所不同.强制脉冲换相和自然换相的仿真结果分别如图6，7所示.

由图6，7的机端电压波形得出，超前换相角分别是0°和60°的位置时，在控制策略中实现了超前变换角变化的要求.图6的直流侧电流是脉冲换相时的波形，直流侧电流下降到0，确保逆变桥晶闸管关断，实现换相条件.而图7的直流侧电流是自然换相时的波形，反电动势足够大，可以关断晶闸管进行换相操作，不需要整流桥改变触发角来调节直流侧电流.

由图6，7的定子侧电流波形可以看出，在脉冲换相阶段，机侧电流由于直流侧电流下降到0而进行换相.为了确保直流侧电流彻底为0，在时间t0后逆变桥再给触发脉冲导通相应桥臂.而在负载换相阶段，逆变桥进入了自然换相过程.相邻换相的晶闸管之间，一方由于短路电流的增大而减小一个绕组的电流；另一方直流侧电流的存在继续在新导通晶闸管内续流.经过换相之后，定子绕组中只存在2个绕组导通的情况.

图6 脉冲换相时的电压、电流波形Figure 6 Voltage and current waveforms of pulse commutation

图7 负载换相时的电压、电流波形Figure 7 Voltage and current waveforms of load commutation

图8 切换点时的电压、电流波形Figure 8 Voltage and current waveforms of control switching points

控制算法中切换依据是设定转速频率达到5Hz，观测在切换点时的电压、电流波形（图8）.从波形中可以看出，脉冲换相到负载换相的切换点处，机端电流能够可靠稳定地进行过渡，未出现很大的波动.

根据PSCAD仿真调节电机模型，实测其速度曲线（图9）.

图9 电机转速波形Figure 9 Motor speed waveform

4 结语

通过仿真结果分析，基于PSCAD仿真软件的控制策略能够很好地实现SFC启动燃气轮机的过程.在脉冲换相、脉冲换相-负载换相的过渡及负载换相控制时，直流侧电流、电机输出的定子电压、定子电流与实际过程的情况一致，转速波形表明电机的启动过程能够平稳进行.同时，鉴于PSCAD和C语言接口完成自定义模块设计的控制系统正确，可以实现在自主平台上的开发研究工作.

［1］杨波，李官军，胡旭光，等.基于RTDS的抽水蓄能机组静止变频器启动技术研究［J］.电气传动，2010，40（5）：20-23.YANG Bo，LI Guan-jun，HU Xu-guang，et al.Research static frequency converter of large pumped storage machines based on RTDS［J］.Electric Drive，2010，40（5）：20-23.

［2］王林锁，索丽生，曹小红.蓄水蓄能电站过渡过程调节控制计算模型研究［J］.水电能源科学，2003，21（4）：75-77.WANG Lin-suo，SUO Li-sheng，CAO Xiao-hong.Study on model of regulating control for hydraulic transients at pumped storage plants［J］.International Journal Hydroelectric Energy，2003，21（4）：75-77.

［3］刘明行，赵玉，项立铮.燃气轮机发电机静止变频启动装置研究［J］.能源研究与信息，2006，22（2）：98-102.LIU Ming-hang，ZHAO Yu，XIANG Li-zheng.Study on the static frequency converter for gas turbine generator sets［J］.Energy Research and Information，2006，22（2）：98-102.

［4］谭波，张荣，王江淮.基于物理机理建模的抽水蓄能机组仿真研究［J］.电力科学与工程，2011，27（6）：57-62.TAN Bo，ZHANG Rong，WANG Jiang-huai.Simulation Study of pumpde storage power based on physical principle modeling［J］.Electric Power Science and Enginneering，2011，27（6）：57-62.

［5］杨波，李官军，胡旭光，等.基于RTDS的大型抽水蓄能机组无速度传感器SFC启动仿真［J］.水电自动化与大坝监测，2010，34（2）：13-16.YANG Bo，LI Guan-jun，HU Xu-guang，et al.RTDSbased simulation of starting of speed sensorless static frequency converter of large pumped storage units［J］.Hydropower Automation and Dam Monitoring，2010，34（2）：13-16.

［6］刘永浩，蔡泽祥，李爱民.PSCAD／EMTDC自定义建模及在直流线路保护仿真中的应用［J］.电力系统保护与控制，2011，39（9）：119-124.LIU Yong-hao，CAI Ze-xiang，LI Ai-min.The user-defined model of PSCAD／EMTDC and its application in simulation of HVDC transmission line protection［J］.Power System Protection and Control，2011，39（9）：119-124.

［7］黄志玲，柴济民，李钢.PSCAD／EMTDC与直流控制仿真模型接口研究［J］.江苏电机工程，2008，27（3）：43-46.HUANG Zhi-ling，CHAI Ji-min，LI Gang.Research on interface technique connecting PSCAD／EMTDC and HVDC control system simulation model［J］.Jiangsu Electrical Engineering，2008，27（3）：43-46.

［8］蔡青春.大型燃气—蒸汽联合循环发电机组控制策略［J］.燃气轮机技术，2010，24（3）：11-14.CAI Qing-chun.The control tactics of large gas-steam combined cycle power generation plant model［J］.Gas Turbine Technology，2010，24（3）：11-14.