可变速抽水蓄能机组控制系统研究

周金邢，姜建国，吴玮

(上海交通大学 电子信息与电气工程学院 电力传输与功率变换控制教育部重点实验室，上海 200240)

0 引言

抽水蓄能电站是目前世界上广泛应用的高效大储能技术，具有调峰、填谷、调频、调相和事故备用等特点。国际公认抽水蓄能电站采用可变速机组最佳，结构紧凑，辅助设备少，造价低，机组转速有10%左右的可调范围［1］。1995年，日本大河内电站建成两个可独立调速395 MVA抽水蓄能系统，是目前世界上容量最大电站［2］。2004年德国金谷抽水蓄能电站投运2台331 MVA可变速机组，在水泵工况下可调节负荷的性能，电网总体经济效益最佳。上述机组的运行表明:变速运行可以提高水轮机的运行效率，增加水泵运行工况下的自动调频能力，并可以通过快速调节有功功率和无功功率，提高电网系统的稳定性。目前我国尚未有此类电站，而我国水力资源丰富，大力推广这种技术，对经济环保意义重大。

1 可变速抽水蓄能机组工作原理

可变速抽水蓄能机组系统结构如图1所示，该系统主要由水泵水轮机、发电电动机、变频器和控制装置组成［3］。水泵水轮机是系统的负载或原动机，自带机械调速器。发电电动机为双馈感应电机，可工作在发电和电动状态下。当电机转子旋转频率f1变化时，控制励磁电流频率f2保证定子输出频率f不变，即f=f1+f2，实现电机的变速恒频运行［4］。变频器为发电电动机提供交流励磁，考虑到功率，一般采用循环变流器。控制装置用于产生功率和速度给定信号，分别用于控制变频器和导叶。

2 抽水蓄能机组的控制策略

2.1 总体控制方案

图1 可变速抽水蓄能机组系统结构

图2 总体控制方案

总体控制方案如图2所示。频率调节器根据电网频率的变化产生控制信号，并与功率给定信号叠加形成总功率给定信号，然后该信号和功率反馈经功率调节器后产生转子电流给定信号，转子电流给定信号经过循环变流器产生三相功率输出作用于电机［5］。转子电流发生变化，导致电机转速改变。根据当前的总功率给定信号产生最优的转速给定信号，经过水力放大器调节导叶，使转速最优，并提高电机效率。

2.2 发电电动机的控制策略

发电电动机采用双馈电机，其按定子磁链定向的数学模型如式(1)所示。

式中 udr、uqr为转子电压 d、q 轴分量，idr、iqr为转子电压 d、q 轴分量，Rr为转子电阻，ωs为同步角频率 ωs=2πf，Lr为转子电感，Ls为定子电感，rs为定子电阻。

从式(1)可以看出，在定子磁势保持不变的情况下，电磁转矩只与转子电流q轴分量有关。定子磁链ψs仅由idr产生，而与iqr无关，ψs与idr之间的传函为一阶惯性环节，和直流电机惯性一致［6］。由坐标变换理论和双馈电机矢量控制理论可将电机的有功功率P和无功功率Q用dq坐标系上的分量表示。

由于 uds=0，uqs=Us，故有:

式中Us为电网额定电压，ids、iqs为定子电压d、q轴分量。

由式(2)可知，发电机定子侧有功功率P与iqs成正比，而无功功率Q与ids成正比［7］。因此，定子电流有功分量和无功分量都是通过转子电压实现控制的，由于转子电压udr、uqr彼此独立，从而可以单独对ids和iqs进行控制。

由上述分析可得发电电动机的功率控制原理如图3所示。整个系统采用双闭环结构，外环为功率环，内环为电流控制环。

图3 发电电动机功率控制原理

2.3 基于循环变流器的励磁控制

循环变流器相电流控制模块如图4所示，主要包含电流调节、模拟量采样、基波提取、断续补偿、零电流检测、无环流逻辑、同步信号检测和触发等部分。对于三相电流控制，使用三个相电流控制模块，每个模块控制一相。

3 仿真研究

为了验证控制策略的可行性，进行了MATLAB的仿真研究，仿真模型中电机的额定功率为300 MW，额定电压18 kV，频率为50 Hz，定子电阻标幺值为 0.038 4 pu，定子电感标幺值为 0.18

图4 循环变流器相电流控制原理

3.1 电动状态

可变速抽水蓄能机组在电动状态下的仿真如图5所示。

仿真在0.6 s时发出增加吸收有功功率的斜坡给定，给定最大为额定功率的50%。从图5(b)可以看出，实际有功功率可以较好的跟随给定。从图5(a)和(d)可以看出，在给定发出的初期，有功功率导致电动机转速升高，同时励磁电流的频率跟随转速变化。速度调节器控制导叶的开度增加机械功率，保证速度调节在给定值。在1 s时施加无功功率斜坡给定，给定最大为额定功率的40%，从图5(b)和(c)可以看出，本文仿真模型可以实现有功功率和无功功率之间的独立控制。在1.2 s时施加转速斜坡给定，给定最大为额定转速的10%，从图5(a)和(b)可以看出，转速和有功功率之间可以独立控制。

图5 电动状态仿真波形

从仿真可以看出，交流磁链机组在电机电动状态下可以实现变速恒频运行，具有较快的功率响应速度，可实现负荷的快速调节，进行实现电网频率调节，此外电机转速可以运行在最佳工作点，提高了系统运行效率。

3.2 发电状态

可变速抽水蓄能机组在发电状态下的仿真如图6所示。

图6 发电状态仿真波形

仿真在0.6 s时发出增加输出有功功率的斜坡给定，给定最大为额定功率的50%。从图6(b)可以看出，实际有功功率可以较好的跟随给定。从图6(a)和(d)可以看出，在给定发出的初期，有功功率导致电动机转速降低，同时励磁电流的频率跟随转速变化。速度调节器控制导叶的开度，保证速度调节在给定值。在1 s时施加无功功率斜坡给定，给定最大为额定功率的40%，从图6(b)和(c)可以看出，本文仿真模型可以实现有功功率和无功功率之间的独立控制。在1.2 s时施加转速斜坡给定，给定最大为额定转速的10%，从图6(a)和(b)可以看出，转速和有功功率之间可以独立控制。

4 实验研究

为了进一步验证控制策略的可行性，搭建了实验平台，采用了基于VME总线“DSP+FPGA”的控制系统。

图7(a)为恒转矩负载时的实际转子电流波形，从图中可以看出，负载转矩不变时，转子电流的幅值保持不变，随着电机转速的升高，转子电流的频率也升高。图7(b)为控制系统内部的电流给定(通道A)和反馈波形(通道B)，反馈波形经过了滤波处理。从图中可以看出，反馈电流可以很好的跟踪给定。

5 结束语

本文对循环变流器励磁的可变速抽水蓄能机组控制系统进行了研究。搭建了仿真模型，从仿真结果可以看出，交流磁链机组在电机电动和发电状态下均可以实现变速恒频运行，具有较快的功率响应速度，有功功率、无功功率和转速均可独立调节。搭建了实验平台，实现了电机的转子电流控制，实验结果表明循环变流器可以准确的控制转子的电流。

［1］周平，杨伟.可变速发电电动机交流励磁技术路线探讨［J］.水电站机电技术，2014，37(2):27-29.

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