交流勵磁變頻器動模系統主回路設計

袁江偉，李璟延,施一峰，閆 偉，劉 騰，丁 勇，石祥建

(1.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇南京211102；2.國網新源控股有限公司，北京100761)

20世紀60年代開始，國內外水電行業就開始了變速抽水蓄能機組的研究及試驗工作，歐洲、日本在這方面研究成果卓著。其中，日本是應用連續可變速交流勵磁蓄能機組最早且最多的國家，占目前全世界可變速機組總容量的76.26%，其次是德國，占18.33%[1]。我國目前還沒有可變速交流勵磁蓄能機組的工程應用，對交流勵磁技術的研究多是理論研究，工程化技術研究較少[2]。國網新源控股有限公司已于2014年完成可變速抽水蓄能機組技術可行性研究，以河北豐寧抽水蓄能電站二期工程為目標電站，對裝設變速機組進行了初步設計。工業和信息化部提出的電力裝備發展的5個重點方向中的可再生能源裝備方向就包括“15 MW及以上可變速抽水蓄能機組”的內容。從我國電網發展的需要，以及抽水蓄能機組建設布局達到一定水平后，輔以適當變速蓄能機組，將會大大提高電網安全穩定水平和調節能力。

本文針對三電平交流勵磁系統，給出了主回路濾波器及平波電容的設計方法，并利用所設計的動模平臺，驗證了本文設計方法的可行性。

1 交流勵磁系統原理

交流勵磁調速的發電電動機具有相對于轉子旋轉的勵磁磁場，有功功率、轉速及無功功率由三相循環變頻器控制，由變頻器控制單元經滑環送到轉子的三相交流繞組。這類可變速發電電動機在結構上類似異步電機，而在電氣上類似常規的同步電機。

可變速機為圓筒式轉子，與三相線圈感應電動機相似，其三相分布式線圈鑲嵌在圓筒轉子鐵心線槽內，在三相分布的轉子磁極線圈中通入交流勵磁電流，在轉子上形成一個相對于轉子旋轉的磁場。轉子磁場轉速No與轉子機械轉速Nm的關系如下

No=Nm+Ne

式中，Ne為由交流勵磁產生的轉子磁場相對于轉子的轉速，與Nm的轉向相同的為正，相反的為負[3]。

定速同步機組轉子為直流勵磁，轉子磁場與轉子相對靜止，即Ne=0，轉子機械轉速與轉子磁場轉速相等(No=Nm)。而可變速機組轉子磁極采用交流勵磁，Ne不再為0，改變勵磁電流頻率和相位，形成一個轉速大小和方向均可變的交流磁場，使此磁場和機組機械轉動磁場之和為50 Hz，當機組抽水或發電時，電源均為50 Hz，而機組轉速是可變的，從而實現對轉子機械轉速的控制。交流勵磁系統原理見圖1。

圖1 交流勵磁系統原理

2 交流勵磁動模系統主回路設計

2.1 整體設計

交流勵磁動模系統包括勵磁變壓器、機組平臺、功率支路、測速光編、拖動變頻器等。ACEX系統主接線見圖2。其中，勵磁變壓器作為交流勵磁功率橋輸入電源，需要根據變速機組的參數、轉差率等來設計容量。

勵磁變單卷容量按照滿足變速機組勵磁容量來設計。變速機組的轉子電壓和轉子電流與變速機組工況有關。通常，轉差率越小，轉子電壓越??；同時，轉差率越小，變速機組功率輸出越大，轉子電流越大。計算轉子勵磁容量需要發電機廠家提供不同轉速-功率下的轉子電壓和轉子電流。

機組平臺需要能夠模擬交流勵磁機組的發電、電動運行工況。因此，采用1臺繞線式電機和1臺異步電動機同軸連接作為機組平臺，繞線式異步電機作為雙饋電機，異步電動機可為繞線式電機提供動力，模擬水輪機的作用，變頻器用來拖動異步電動機。雙饋電機的轉子軸安裝有光電編碼器，用于測量轉子轉速及位置。

圖2 ACEX系統主接線

變速機組電機轉子由“背靠背”連接的電壓型PWM變流器(分別稱為機側變流器和網側變流器)進行勵磁，PWM變流器向轉子繞組饋入所需的勵磁電流，實現有功和無功的調節。其中，網側變流器經勵磁變接電網。為滿足并網電流質量和諧波要求，需設計LCL濾波器對三電平變頻器產生的高頻諧波進行濾除，LCL濾波器的設計對系統性能十分重要。直流側平波電容作為整流橋和逆變橋的連接橋梁，解耦了整流和逆變的控制，對穩定直流電壓，支撐系統運行具有重要作用。

2.2 網側濾波器設計

在大功率并網系統的應用場合下，為降低開關管和系統的功率損耗，一般開關頻率都較低，若采用傳統的單電感濾波器，其感值需要很大，體積笨重，價格昂貴，控制響應速度較慢，不適用于大功率低開關頻率場合[4]。LCL濾波器克服了單電感的不足之處，在低開關頻率場合，濾波電感值可以選擇的較小，濾波效果好，降低了系統的體積與損耗，提高了系統的動態響應速度[5]。但是，由于系統的阻尼較小，LCL濾波器也存在自身的諧振特性，可通過在濾波回路串入電阻的無源阻尼的方法來抑制LCL濾波器的諧振特性。LCL濾波器是1個三階的濾波系統，由電網側電感Lg，濾波電容Cf，橋臂側電感L組成。網側LCL濾波電路結構見圖3。圖中，R為功率電阻，用于抑制三階LCL濾波器的諧振尖峰，icf為電容支路電流，V2為電網側電壓，i2為電網側電流，V1為功率橋臂側電壓，i1為功率橋側電流。

圖3 網側LCL濾波電路結構

2.2.1 電容Cf參數設計

2.2.2 電網側總電感量的設計上限

電感上限值決定了變流器發送無功的能力。低頻情況下，LCL濾波器可等效為一個“L”形濾波器，且網側等效的總電感LT=L+Lg。LT的設計限制在于必須保證橋臂側交流電壓V1足夠大，確保網側變流器對有功、無功的四象限調節。網側變流器穩態運行時的相量見圖4。圖中，V2為網側電壓矢量；V1為PWM變流器交流側電壓矢量；VL為電感上的壓降；IL為流過電感的電流。

圖4 網側變流器穩態運行時的相量

變流器運行于四個不同象限分別代表不同的功率特性。當|V2|不變，且|I2|一定的條件下，通過控制VSR交流側電壓V1的幅值、相角，即可實現變流器的四象限運行，且矢量V1端點軌跡是以|VL|為半徑的圓，由于|VL|=ωL|I2|，其中，ω為網側電壓角頻率，因此變流器交流側穩態矢量關系體現了對其交流電感LT的約束，即

式中，M為調制比，采用SVPWM，取M=0.9時，電機輸出單位功率因數，且有功功率達到額定值；V2m為電網側相電壓峰值，取65.3 V(電網側線電壓有效值取80 V)；Im為相電流峰值，取30 A；Vdc為直流母線電壓。取400 V。則LT≤15.0 mH。

2.2.3 橋側電感L的設計上限

對三電平電路來說，考慮電流跟蹤能力設計橋側電感。考慮A相電流過零時一個開關周期Ts電流變化過程。高頻下三電平整流器的A相橋臂電壓方程為

式中，L為橋側電感值；ea為a相電壓源電壓；ia為a相電壓源電流；Sxp(x=a,b,c)為整流橋正3個橋臂的開通函數，1開通，0為關閉；Sxn(x=a,b,c)為整流橋負3個橋臂的開通函數，1開通，0為關閉。

2.2.4 諧振頻率及阻尼電阻設計

LCL濾波器的波特圖見圖5。從圖5可知，LCL(實線)諧振頻率fres=584 Hz，高頻處-60 dB衰減，具有很好的低通特性，因為阻尼電阻的引入，在諧振頻率處濾波器依然收斂(虛線)。

圖5 LCL濾波器波特圖

2.2.5 模型仿真

根據計算出的LCL濾波器參數，代入仿真模型，網橋濾波器前后電流波形見圖6。圖6上半幅波形是網側的并網電流，下半幅波形是整流橋側電流。因為濾波器的引入，并網電流有了極大地改善，滿足了并網條件。

圖6 濾波器效果仿真

2.3 平波電容設計

對“背靠背”結構的變頻器拓撲結構而言，直流母線電容器主要起到在網側變流器和轉子側變流器之間進行能量緩沖的作用，考慮從抗擾性能指標方面對支撐電容進行設計。直流側電容過小時不利于轉子側控制系統對電網電壓波動的抑制能力。

2.3.1 網側變流器的抗擾性能

網側變流器的抗擾性能主要考慮在電網正常情況下，網側變流器對抗直流負載的擾動能力，考慮嚴重工況即負載從0到滿載的階躍響應情況，額定負載按電機轉子側額定功率計算。電容抗擾特性設計的目的是負載發生階躍擾動時，電容電壓的變化不應太大，即電容不能過小。

轉子負載功率階躍增加，網側變流器采用PI調節，此時積分項飽和，電流環給定為最大電流允許值。由于實際電流無法突變，將漸變過程描述為

式中，Idm為網側電流的限幅值。

網側變流器直流電壓在負載擾動過程中，網側變流器直流側動態等效電路見圖7。對電路列舉電壓方程并求解，可得轉子電路有功功率階躍時，直流電壓時域表達式為

Vdc(t)=Vdc1(t)+Vdc2(t)=kdRLe(t-τd)+

式中，RLe為負載電阻；Vdc為初始電容電壓；Ti為電流環等效時間常數；τd為直流負載側時間常數，τd=RLeC。

圖7 動態等效電路

令轉子側額定功率為Pm，并且考慮轉子功率從-Pm階躍增加到Pm，即轉子功率階躍變化量為2Pm這一嚴重工況時，求電壓跌落幅值。整理得到直流電容選取的下限約束條件為

動模系統中，可取Ti=0.8 ms，Pm=10 kW(轉子側額定功率)，Vdc=400 V，Vdc的下降最大幅度為10%，則C>417 uF。

2.3.2 電網故障對直流側電容的影響

考慮三相故障，并且從轉子側有功波動對直流電壓的影響這一方面來考慮直流電容的設計。電網電壓跌落時候，轉子側功率除出現穩態的增大和減小外，還有工頻交流脈動量，轉子功率脈動量的最大值為

式中，ωs位定子角頻率；ωr為轉子角頻率；Irm為轉子電流幅值；ΔVs為定子電壓跌落量。則轉子側有功功率脈動量導致的直流電壓波動為

圖8 并網試驗波形

圖9 有功階躍試驗波形

為了滿足不同條件下所允許的直流電壓脈動量，則

故直流電壓脈動量一定情況下，支撐電容與雙饋電機的轉速成正比，取ωr=1.3ωs，此時電網電壓跌落時所需要的直流母線支撐電容最大，即

3 試驗驗證

根據上文的思路和參數，設計了一套動模試驗系統，與控制保護系統可形成完整的閉環。該系統可模擬交流勵磁的正常運行及各種工況下的運行特性，開展交流勵磁系統的控制、保護策略的研究，對掌握交流勵磁的控制特性，大功率樣機的研發等具有指導意義。利用動模平臺進行發電方向并網試驗，并網波形見圖8。在并網令發出后，交流勵磁系統瞬間完成了并網，定子沖擊電流2.4 A，轉子勵磁電流平滑，系統工作正常。

為驗證電容對系統極限工作狀態的支撐作用，對系統進行有功階躍試驗，有功階躍波形見圖9。有功階躍25 kW，此時功率支路直流電壓由400 V跌落至388 V，跌幅3%，能可靠支撐系統工作，在外部環境較惡劣的情況下也能保障系統的響應特性。

4 結 語

本文基于交流勵磁的特性設計了一套交流勵磁動模系統，并針對影響系統運行性能的網側濾波器和直流平波電容進行了深入分析。經過仿真及試驗驗證，本文設計的交流勵磁動模系統并網順利，電流沖擊小，諧波含量低，在系統面對負載階躍等惡劣情況時，仍能正常工作，及時響應，為接下來的大功率樣機及工程應用提供技術支撐。