可變速發電電動機交流勵磁技術路線探討

周 平，楊 偉

（東方電機控制設備有限公司，四川 德陽 618000）

可變速發電電動機交流勵磁技術路線探討

周 平，楊 偉

（東方電機控制設備有限公司，四川 德陽 618000）

介紹了可變速抽水蓄能機組采用的交流勵磁方式的原理，對在抽水工況和發電工況下交流勵磁的優勢進行了分析，對國產化交流勵磁裝置的技術路線進行了探討。

交流勵磁控制技術；矢量控制；定子磁鏈定向；交直交變頻器；交交變頻器

0 引言

抽水蓄能電站可以很好地適應電力系統負荷曲線的變化，承擔負荷尖峰和填平負荷低谷的作用，國際公認抽水蓄能電站機組采用可逆型最佳，因為這種機組結構緊湊，廠房和輔助設備少，造價低，但該機組由于水輪機兼做水泵，要使其在發電和電動狀態下達到最高效率，需機組連續可變速運行，機組轉速一般希望有±10%的變化，我們把這類機組叫做連續可變速發電電動機組，簡稱可變速抽水蓄能機組，而傳統的采用同步電機的抽水蓄能機組叫做定速抽水蓄能機組，定速機組不能調速，則在發電/抽水工況不能保持在最佳效率運行，且在抽水工況不能調節負荷，因而運行特性欠佳，以下是這兩種類型的機組在抽水工況和發電工況下的比較。

表1 定速機組與可變速機組在抽水工況的比較

表2 定速機組與可變速機組在發電工況的比較

由表1，2可以看到，由于可變速發電電動機具有傳統同步發電機無可比擬的優越性和廣闊的應用前景，因此其理論研究和實踐設計已經成為國內外研究和關注的焦點，日本在上世紀80年代開始研究交流勵磁發電機技術，在1993年投運了400MW的可變速抽水蓄能電站，經過日本試驗機組的運行研究表明∶通過水輪機的變速運行可以提高水輪機的運行效率，增加水泵運行工況下的自動調頻能力，并通過有功功率和無功功率的快速調節可以提高電力系統穩定性。

1 交流勵磁發電機原理概述

交流勵磁發電機也通常被稱為異步化同步發電機，它在結構上類似于繞線式異步感應電機，定子與一般的交流發電機一樣，為三相分布式繞組，轉子也是三相分布式繞組，這一點與普通發電機不同。運行時定子側直接接入三相工頻電網，而轉子側通過變頻器接入所需低頻電流。因為轉子側通過變頻器接入的三相低頻電流起到了勵磁的作用，所以被稱為交流勵磁發電機。其結構如圖1所示。

圖1 交流勵磁發電系統結構圖

交流勵磁發電機的可調量∶勵磁電流的頻率、相位和幅值。可以通過接在轉子側的變頻器來調節勵磁電流的頻率，保證在變速運行情況下發出恒頻電力；也可以通過改變勵磁電流的幅值和相位，調節輸出有功功率和無功功率。當轉子電流相位改變時，由轉子電流產生的轉子旋轉磁場位置發生了空間位移，這就使得交流勵磁發電機定子感應電勢矢量相對于電網電壓矢量位置發生變化，即功率角發生了變化，使有功功率和無功功率得以調節。

2 交流勵磁發電機控制策略

現有的交流勵磁發電機勵磁控制策略大體可分為三類∶一是雙通道多變量反饋勵磁控制系統；二是建立在電機多標量模型基礎上的多標量勵磁控制系統；三是基于異步電機變頻調速矢量控制的矢量勵磁控制系統。這三類勵磁控制策略都是根據交流勵磁發電機在同步旋轉軸系下定子的有功功率、無功功率分別只與轉子勵磁電流的d、q軸分量有關這一基本原理推出的，前兩類只是近似解耦，控制系統復雜而且數學模型不準確，必然導致交流勵磁發電機在瞬態過程中響應變差、暫態穩定性不好；第三類矢量控制技術可以實現穩態下有功、無功的充分解耦，提高交流電機控制系統的性能。

矢量控制技術是在電機交流調速的應用中發展起來的，其基本思路是利用d-q旋轉坐標變換，將定子三相電流分解為直軸勵磁電流id1和交軸勵磁電流iq1，在調速過程中保持直軸勵磁電流id1不變，即磁通不變，此時就可以模擬直流電機的轉矩控制規律，通過控制交軸勵磁電流iq1來控制電磁轉矩Te。

通常異步電動機矢量控制系統是以轉子磁鏈為基準，將轉子磁鏈方向定為同步坐標系d軸，但是交流勵磁變速恒頻發電系統有別于電動機調速系統，若仍然以轉子磁鏈定向，因為在定子繞組中存在漏抗壓降的影響，會使得發電機端電壓矢量和矢量控制參考軸之間有一定的相位差，這樣定子有功功率和無功功率的計算會變得復雜，使控制系統復雜化。若以定子磁鏈定向，取定子磁鏈矢量方向為同步坐標系d軸，則定子電壓矢量將落在超前d軸90°的q軸上，如圖2所示，這樣可以簡化同步坐標系下的交流勵磁電機的數學模型，從而得到矢量控制所需的控制方程。

圖2 定子磁鏈定向的交流勵磁矢量圖

根據矢量控制方程式，主電路采用電壓控制型交交變頻器的交流勵磁發電機在定子磁鏈定向下的矢量控制系統框圖，如圖3所示。

圖3 定子磁鏈定向矢量控制系統框圖

3 交流勵磁發電機勵磁系統變頻器

變頻器總體上可分為交直交變頻器和交交變頻器兩種類型，交直交變頻器，顧名思義就是一種頻率的交流電在變換成另一種頻率的交流電之前，還經過一個中間直流環節，是間接變頻；而交交變頻器是直接變頻，沒有中間直流環節，直接將一種頻率的交流電變換成另一種頻率的交流電，又稱為循環變換器或周波變換器。

表3 交交變頻器與交直交變頻器的比較

交交變頻器與交直交變頻器相比效率較高，可達90%以上，為自然換流，不需要額外的換流裝置，電路簡單，工作可靠，交直交變頻器采用PWM技術可以得到非常好的輸出波形，在不少場合其電路結構、輸出頻率等與交交變頻器比起來有優勢。但在交流勵磁發電系統中，轉子勵磁需要的是一個頻率很低（10Hz以下）的輸入電流，而交交變頻器在低頻時的輸出波形質量非常好，工作可靠，功率可以做得很大，盡管元器件多，但從發展大功率的水電系統來看還是經濟有效的。

交交變頻器在應用中把工頻的三相電源輸入變換成低頻三相輸出，在結構上由正反組整流器組成，正反組整流器周期性地循環換組整流，可以實現四象限運行。為分析其工作原理，先研究一下理想的單相輸出交交變頻器，即略去輸出電壓中的高次諧波，把每個整流器均視為一個理想的交流電源和一個理想的可控硅相串聯，其等效電路如圖4所示，圖中，下標字母P表示正組，下標字母N表示反組為負載電壓，

圖4 交交變頻器理想等效電路

當這一理想的交交變頻器帶純電阻負載時，在負載電流的正半周，正組整流器處于整流狀態，反組整流器阻斷；在負載電流的負半周，反組整流器處于整流狀態，正組整流器阻斷；當這一理想的交交變頻器帶感性負載時，如圖5所示，由于整流橋的單向導電性，在負載電流的正半周（t1～t3）只能由正組流過電流，反組被阻斷。在此期間的t1～t2階段正組輸出電壓為正，處于整流狀態；t2～t3階段正組電流方向沒有變，輸出電壓卻變為負，正組處于逆變狀態。在t3時刻，負載電流反向，正組阻斷，反組導通，進入負載電流的負半周（t3～t5），在 t3～t4階段反組輸出電壓電流均為負，反組處于整流狀態，t4～t5階段反組電流方向沒變，輸出電壓卻變為正，反組處于逆變狀態。

圖5 帶感性負載時的工作狀態

所以，決定哪一組整流器導通與該組輸出電壓的極性無關，只由電流的方向決定，導通的那組整流器是處于整流狀態還是逆變狀態，由該組輸出電壓和電流的極性相同還是相反決定。

圖6 單相輸出交交變頻器等效原理圖

實際變頻器工作時，有可能出現正反組同時工作而出現環流，交交變頻器有三種運行方式∶無環流運行方式、自然環流運行方式、局部環流運行方式。

在實際工程應用中均以三相輸出的交交變頻器為主，而為了降低電網的諧波，一般采用6脈波橋式三相交交變頻器，如圖7所示，其結構雖然復雜，可控硅元器件數量多，但電壓輸出波形較好。

圖7 6脈波橋式三相交交變頻器

4 結語

我國在交流勵磁發電機技術的研究方面起步較晚，理論水平與工程應用經驗與國外公司相比有較大差距，特別是在基礎功率元器件的研發方面，日本已經應用IEGT功率元件，ABB采用IGCT技術，如果我國的交流勵磁變頻器技術走交直交路線會受這兩種功率元器件的限制，沒有競爭優勢，所以走交交技術路線無論是從技術成熟的角度還是經濟上的考慮都是首選，先積累經驗，待IEGT或IGCT功率器件實現國產化以后，再進行交直交技術路線研發。

TK734

A

1672-5387（2014）02-0027-03

2013-11-28

周 平（1969-），男，高級工程師，從事勵磁系統的技術開發及設計。