抽水蓄能機組靜止變頻器起動控制系統半實物仿真

2011-06-02 09:54:12李官軍陶以彬王德順桑丙玉

電機與控制應用 2011年1期

關鍵詞：系統

李官軍，楊波，陶以彬，王德順，俞斌，桑丙玉

(國網電力科學研究院，江蘇南京 210003)

0 引言

抽水蓄能作為一種電力儲能的最主要的方式，具有容量大、儲能單位容量經濟性高、使用壽命長等優點;抽水蓄能電站對于電力系統具有調峰、填谷、調頻、調相、事故備用等多種用途。隨著風能、太陽能等新能源大規模接入電力系統，抽水蓄能必將得到更大的發展空間，同時也對電力系統的安全穩定運行肩負更加重要的作用。

目前，國內抽水蓄能機組變頻起動器全部采用國外的產品，導致投資成本高、維護和更新困難。突破靜止變頻器(Static Frequency Converter，SFC)產品的關鍵技術難點，是打破國外企業在SFC產品上的壟斷，實現10 MW級特大容量變頻器的國產化是當前迫切需要進行的工作。

抽水蓄能電站電機起動系統的標準配置為變頻器起動為主，背靠背起動為輔。目前，抽水蓄能機組的靜止變頻器主電路拓撲結構主要包括“6脈波高－高”、“6脈波高－低－高”、“12脈波高－高”和“12脈波高－低－高”四種。

由于抽水蓄能電站的發電電動機容量比較大，從經濟角度考慮，高－低－高型SFC投資較大;但從可靠性的角度，高－高結構需要多個晶閘管串聯，這就對閥串的均壓特性及晶閘管開關特性的一致性有較高要求，同時對觸發系統的精度也有很高要求。從控制策略研究角度，無論哪種拓撲結構的SFC起動方式都基本一致，本文擬對基于高－高型SFC抽水蓄能機組起動關鍵控制技術進行研究。

1 SFC起動原理

1.1 SFC起動系統構成

SFC起動系統主要包括網側整流器、直流電抗器、機側逆變器、大功率同步電機、勵磁整流器、網側斷路器、機側斷路器、并網斷路器等設備。其主電路拓撲如圖1所示。

圖1 SFC系統主電路拓撲結構

1.2 SFC起動同步機組流程

在抽水蓄能機組中，SFC實現機組由靜止狀態加速起動，直至并網的全部控制流程。它主要包括投入勵磁、脈沖換相運行、換相方式切換過渡過程控制、負載換相運行、同期調節和并網六個階段［1］:

(1)在機組處于靜止狀態時，首先投入勵磁電流，通過勵磁強勵，根據在定子中感應的三相電壓計算轉子初始位置，確定第一組逆變器觸發脈沖;

(2)待勵磁電流上升至額定值并穩定后，變頻器解鎖，進入脈沖換相方式運行;

(3)當機組加速到額定轉速的10%時，首先按照脈沖換相運行至電流過零時刻，再進行換相方式的切換，SFC由脈沖換相運行轉入負載換相運行;

(4)完成換相方式的切換后，SFC靠電機反電動勢進行負載換相，按設定轉速加速;

(5)當機組加速到額定轉速的97%時，系統進入同期調節運行階段;

(6)在同期調整過程中，一旦符合并網條件，封鎖變流器脈沖，合上并網控制斷路器，機組與電網并列運行，退出變頻器。

1.3 SFC起動控制策略

SFC起動控制策略包括整流器、逆變器和勵磁控制三部分;對整流器、勵磁控制已有大量文獻進行詳細說明，在此僅作簡單描述;主要介紹逆變器的控制原理。

1.3.1 網側整流器控制

網側整流器的功能是通過控制直流電流的大小，以達到控制電機電磁轉矩的目的。在脈沖換相階段，網側整流器還應與逆變器配合控制實現在低頻階段的逆變器換相控制。

整流器的控制系統采用雙閉環PI控制，即外環為轉速閉環控制，內環為電流閉環控制。

1.3.2 勵磁控制

勵磁控制采用電壓、電流雙閉環控制。

1.3.3 逆變器控制

逆變器控制［2］系統模型主要包括轉子位置檢測及控制脈沖生成。轉子初始位置角檢測是起動的關鍵，初始角計算不正確會導致起動失敗。

①低速轉子位置檢測算法。

利用三相線電壓經3/2靜止坐標變換，求出靜止坐標系下的兩相相電壓分量uα、uβ，兩相電壓積分求出靜止坐標系下的轉子矢量的兩相分量，反正切求解可得轉子位置角。

式中:θt——轉子t時刻的轉子位置角。

②逆變器控制主要分為以下階段:脈沖換相控制、負載換相控制、同期調節。

脈沖換相逆變器控制方式:在電機起動的低頻階段，定子感應較小，不能依靠反電勢實現逆變器的換相，只能依靠整流逆變使定子電流為零，逆變器所有開關均關斷后整流器恢復整流狀態，逆變器按換相脈沖運行，實現換相。因此，在脈沖換相階段需要整流器、逆變器協調控制。脈沖換相的中間直流電流id以及電機相電流i、相電壓u示意圖如圖2所示。在脈沖換相階段采用超前角為γ=0°的控制方式。

脈沖換相、轉子位置角與脈沖換相矢量控制關系如表1所示，規定發電狀態時轉子的旋轉方向為正轉。由于在低速階段電機感應電壓很低且含有大量諧波，即使經過濾波仍然存在線電壓過零波動情況，故在電機頻率低于5 Hz，不能利用線電壓過零來確定電機的換相點。

圖2 脈沖換相運行圖

表1 脈沖換相矢量控制

負載換相逆變器控制方式:隨著轉速上升，電機的反電勢能夠實現電機換相，為保證可靠換相，采用超前角γ=60°的控制方式;隨著速度上升，機端電壓增大，通過機端電壓試驗換相過程會更快。因此，可以適當減小超前角，以達到增大電機輸出轉矩、減小轉矩脈動、縮短起動時間的目的。負載換相的中間直流電流id、電機相電流i及相電壓u示意圖如圖3所示。

圖3 負載換相運行圖

負載換相控制，在負載換相時采用線電壓過零為換相點。逆變器實現換相控制與線電壓關系如表2所示，表2為負載換相為理論上超前角為60°時，線電壓過零與開關通斷之間的關系。在實際控制中，由于電壓采樣需要經過濾波，會產生一定的相移，會導致逆變器控制的超前角小于60°。如需要將超前角精度控制在60°，需要將過零參考點前移60°，然后通過控制器后移一定角度實現超前角60°控制。

表2 負載換相控制

當機側、網側的頻差、壓差、相差滿足以下條件時即可并網:

電機電磁轉矩為

θrs——定、轉子磁鏈之間夾角。

2 半實物仿真平臺搭建

半實物仿真平臺主要由RTDS仿真系統、功率放大器、SFC、人機界面構成SFC控制器，主要完成同步電機起動算法驗證，控制器通過對同步電機網側電壓、網側電流、機側電壓及開關量(監控系統)等信息讀取，并通過相應控制算法輸出12路變流器的脈沖控制信號、勵磁控制信號、開關量控制信號，并將這些信號輸入到RTDS仿真系統中去實現同步電機的變頻起動。RTDS仿真系統功能模擬出控制器以外SFC系統的硬件設備，包括同步電機、PT、CT、負載、斷路器、變流器、電抗器等;仿真過程中，RTDS仿真系統將指定的模擬量、開關量通過相應的硬件模塊輸出接入功率放大器。功率放大器的功能是將RTDS輸出模擬量信號轉化為與控制器對應功率信號，將開關量轉化為與控制對應的電平要求輸入至控制器。監控軟件可以實現對SFC起動過程中涉及到的模擬量、開關量進行實時顯示及數據存儲。

SFC控制原理圖如圖4所示，原理圖虛線框內由RTDS仿真系統模擬，虛線框以外的算法由SFC控制器實現。