交流勵(lì)磁變頻器動(dòng)模系統(tǒng)主回路設(shè)計(jì)

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(guó)網(wǎng)新源控股有限公司，北京100761)

20世紀(jì)60年代開(kāi)始，國(guó)內(nèi)外水電行業(yè)就開(kāi)始了變速抽水蓄能機(jī)組的研究及試驗(yàn)工作，歐洲、日本在這方面研究成果卓著。其中，日本是應(yīng)用連續(xù)可變速交流勵(lì)磁蓄能機(jī)組最早且最多的國(guó)家，占目前全世界可變速機(jī)組總?cè)萘康?6.26%，其次是德國(guó)，占18.33%[1]。我國(guó)目前還沒(méi)有可變速交流勵(lì)磁蓄能機(jī)組的工程應(yīng)用，對(duì)交流勵(lì)磁技術(shù)的研究多是理論研究，工程化技術(shù)研究較少[2]。國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司已于2014年完成可變速抽水蓄能機(jī)組技術(shù)可行性研究，以河北豐寧抽水蓄能電站二期工程為目標(biāo)電站，對(duì)裝設(shè)變速機(jī)組進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)。工業(yè)和信息化部提出的電力裝備發(fā)展的5個(gè)重點(diǎn)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(jī)組”的內(nèi)容。從我國(guó)電網(wǎng)發(fā)展的需要，以及抽水蓄能機(jī)組建設(shè)布局達(dá)到一定水平后，輔以適當(dāng)變速蓄能機(jī)組，將會(huì)大大提高電網(wǎng)安全穩(wěn)定水平和調(diào)節(jié)能力。

本文針對(duì)三電平交流勵(lì)磁系統(tǒng)，給出了主回路濾波器及平波電容的設(shè)計(jì)方法，并利用所設(shè)計(jì)的動(dòng)模平臺(tái)，驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)方法的可行性。

1 交流勵(lì)磁系統(tǒng)原理

交流勵(lì)磁調(diào)速的發(fā)電電動(dòng)機(jī)具有相對(duì)于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的勵(lì)磁磁場(chǎng)，有功功率、轉(zhuǎn)速及無(wú)功功率由三相循環(huán)變頻器控制，由變頻器控制單元經(jīng)滑環(huán)送到轉(zhuǎn)子的三相交流繞組。這類(lèi)可變速發(fā)電電動(dòng)機(jī)在結(jié)構(gòu)上類(lèi)似異步電機(jī)，而在電氣上類(lèi)似常規(guī)的同步電機(jī)。

可變速機(jī)為圓筒式轉(zhuǎn)子，與三相線(xiàn)圈感應(yīng)電動(dòng)機(jī)相似，其三相分布式線(xiàn)圈鑲嵌在圓筒轉(zhuǎn)子鐵心線(xiàn)槽內(nèi)，在三相分布的轉(zhuǎn)子磁極線(xiàn)圈中通入交流勵(lì)磁電流，在轉(zhuǎn)子上形成一個(gè)相對(duì)于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)。轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速No與轉(zhuǎn)子機(jī)械轉(zhuǎn)速Nm的關(guān)系如下

No=Nm+Ne

式中，Ne為由交流勵(lì)磁產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相對(duì)于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，與Nm的轉(zhuǎn)向相同的為正，相反的為負(fù)[3]。

定速同步機(jī)組轉(zhuǎn)子為直流勵(lì)磁，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子相對(duì)靜止，即Ne=0，轉(zhuǎn)子機(jī)械轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速相等(No=Nm)。而可變速機(jī)組轉(zhuǎn)子磁極采用交流勵(lì)磁，Ne不再為0，改變勵(lì)磁電流頻率和相位，形成一個(gè)轉(zhuǎn)速大小和方向均可變的交流磁場(chǎng)，使此磁場(chǎng)和機(jī)組機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)磁場(chǎng)之和為50 Hz，當(dāng)機(jī)組抽水或發(fā)電時(shí)，電源均為50 Hz，而機(jī)組轉(zhuǎn)速是可變的，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)子機(jī)械轉(zhuǎn)速的控制。交流勵(lì)磁系統(tǒng)原理見(jiàn)圖1。

圖1 交流勵(lì)磁系統(tǒng)原理

2 交流勵(lì)磁動(dòng)模系統(tǒng)主回路設(shè)計(jì)

2.1 整體設(shè)計(jì)

交流勵(lì)磁動(dòng)模系統(tǒng)包括勵(lì)磁變壓器、機(jī)組平臺(tái)、功率支路、測(cè)速光編、拖動(dòng)變頻器等。ACEX系統(tǒng)主接線(xiàn)見(jiàn)圖2。其中，勵(lì)磁變壓器作為交流勵(lì)磁功率橋輸入電源，需要根據(jù)變速機(jī)組的參數(shù)、轉(zhuǎn)差率等來(lái)設(shè)計(jì)容量。

勵(lì)磁變單卷容量按照滿(mǎn)足變速機(jī)組勵(lì)磁容量來(lái)設(shè)計(jì)。變速機(jī)組的轉(zhuǎn)子電壓和轉(zhuǎn)子電流與變速機(jī)組工況有關(guān)。通常，轉(zhuǎn)差率越小，轉(zhuǎn)子電壓越小；同時(shí)，轉(zhuǎn)差率越小，變速機(jī)組功率輸出越大，轉(zhuǎn)子電流越大。計(jì)算轉(zhuǎn)子勵(lì)磁容量需要發(fā)電機(jī)廠(chǎng)家提供不同轉(zhuǎn)速-功率下的轉(zhuǎn)子電壓和轉(zhuǎn)子電流。

機(jī)組平臺(tái)需要能夠模擬交流勵(lì)磁機(jī)組的發(fā)電、電動(dòng)運(yùn)行工況。因此，采用1臺(tái)繞線(xiàn)式電機(jī)和1臺(tái)異步電動(dòng)機(jī)同軸連接作為機(jī)組平臺(tái)，繞線(xiàn)式異步電機(jī)作為雙饋電機(jī)，異步電動(dòng)機(jī)可為繞線(xiàn)式電機(jī)提供動(dòng)力，模擬水輪機(jī)的作用，變頻器用來(lái)拖動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)。雙饋電機(jī)的轉(zhuǎn)子軸安裝有光電編碼器，用于測(cè)量轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速及位置。

圖2 ACEX系統(tǒng)主接線(xiàn)

變速機(jī)組電機(jī)轉(zhuǎn)子由“背靠背”連接的電壓型PWM變流器(分別稱(chēng)為機(jī)側(cè)變流器和網(wǎng)側(cè)變流器)進(jìn)行勵(lì)磁，PWM變流器向轉(zhuǎn)子繞組饋入所需的勵(lì)磁電流，實(shí)現(xiàn)有功和無(wú)功的調(diào)節(jié)。其中，網(wǎng)側(cè)變流器經(jīng)勵(lì)磁變接電網(wǎng)。為滿(mǎn)足并網(wǎng)電流質(zhì)量和諧波要求，需設(shè)計(jì)LCL濾波器對(duì)三電平變頻器產(chǎn)生的高頻諧波進(jìn)行濾除，LCL濾波器的設(shè)計(jì)對(duì)系統(tǒng)性能十分重要。直流側(cè)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(duì)穩(wěn)定直流電壓，支撐系統(tǒng)運(yùn)行具有重要作用。

2.2 網(wǎng)側(cè)濾波器設(shè)計(jì)

在大功率并網(wǎng)系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)合下，為降低開(kāi)關(guān)管和系統(tǒng)的功率損耗，一般開(kāi)關(guān)頻率都較低，若采用傳統(tǒng)的單電感濾波器，其感值需要很大，體積笨重，價(jià)格昂貴，控制響應(yīng)速度較慢，不適用于大功率低開(kāi)關(guān)頻率場(chǎng)合[4]。LCL濾波器克服了單電感的不足之處，在低開(kāi)關(guān)頻率場(chǎng)合，濾波電感值可以選擇的較小，濾波效果好，降低了系統(tǒng)的體積與損耗，提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度[5]。但是，由于系統(tǒng)的阻尼較小，LCL濾波器也存在自身的諧振特性，可通過(guò)在濾波回路串入電阻的無(wú)源阻尼的方法來(lái)抑制LCL濾波器的諧振特性。LCL濾波器是1個(gè)三階的濾波系統(tǒng)，由電網(wǎng)側(cè)電感Lg，濾波電容Cf，橋臂側(cè)電感L組成。網(wǎng)側(cè)LCL濾波電路結(jié)構(gòu)見(jiàn)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(wǎng)側(cè)電壓，i2為電網(wǎng)側(cè)電流，V1為功率橋臂側(cè)電壓，i1為功率橋側(cè)電流。

圖3 網(wǎng)側(cè)LCL濾波電路結(jié)構(gòu)

2.2.1 電容Cf參數(shù)設(shè)計(jì)

2.2.2 電網(wǎng)側(cè)總電感量的設(shè)計(jì)上限

電感上限值決定了變流器發(fā)送無(wú)功的能力。低頻情況下，LCL濾波器可等效為一個(gè)“L”形濾波器，且網(wǎng)側(cè)等效的總電感LT=L+Lg。LT的設(shè)計(jì)限制在于必須保證橋臂側(cè)交流電壓V1足夠大，確保網(wǎng)側(cè)變流器對(duì)有功、無(wú)功的四象限調(diào)節(jié)。網(wǎng)側(cè)變流器穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的相量見(jiàn)圖4。圖中，V2為網(wǎng)側(cè)電壓矢量；V1為PWM變流器交流側(cè)電壓矢量；VL為電感上的壓降；IL為流過(guò)電感的電流。

圖4 網(wǎng)側(cè)變流器穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的相量

變流器運(yùn)行于四個(gè)不同象限分別代表不同的功率特性。當(dāng)|V2|不變，且|I2|一定的條件下，通過(guò)控制VSR交流側(cè)電壓V1的幅值、相角，即可實(shí)現(xiàn)變流器的四象限運(yùn)行，且矢量V1端點(diǎn)軌跡是以|VL|為半徑的圓，由于|VL|=ωL|I2|，其中，ω為網(wǎng)側(cè)電壓角頻率，因此變流器交流側(cè)穩(wěn)態(tài)矢量關(guān)系體現(xiàn)了對(duì)其交流電感LT的約束，即

式中，M為調(diào)制比，采用SVPWM，取M=0.9時(shí)，電機(jī)輸出單位功率因數(shù)，且有功功率達(dá)到額定值；V2m為電網(wǎng)側(cè)相電壓峰值，取65.3 V(電網(wǎng)側(cè)線(xiàn)電壓有效值取80 V)；Im為相電流峰值，取30 A；Vdc為直流母線(xiàn)電壓。取400 V。則LT≤15.0 mH。

2.2.3 橋側(cè)電感L的設(shè)計(jì)上限

對(duì)三電平電路來(lái)說(shuō)，考慮電流跟蹤能力設(shè)計(jì)橋側(cè)電感。考慮A相電流過(guò)零時(shí)一個(gè)開(kāi)關(guān)周期Ts電流變化過(guò)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(cè)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(gè)橋臂的開(kāi)通函數(shù)，1開(kāi)通，0為關(guān)閉；Sxn(x=a,b,c)為整流橋負(fù)3個(gè)橋臂的開(kāi)通函數(shù)，1開(kāi)通，0為關(guān)閉。

2.2.4 諧振頻率及阻尼電阻設(shè)計(jì)

LCL濾波器的波特圖見(jiàn)圖5。從圖5可知，LCL(實(shí)線(xiàn))諧振頻率fres=584 Hz，高頻處-60 dB衰減，具有很好的低通特性，因?yàn)樽枘犭娮璧囊耄谥C振頻率處濾波器依然收斂(虛線(xiàn))。

圖5 LCL濾波器波特圖

2.2.5 模型仿真

根據(jù)計(jì)算出的LCL濾波器參數(shù)，代入仿真模型，網(wǎng)橋?yàn)V波器前后電流波形見(jiàn)圖6。圖6上半幅波形是網(wǎng)側(cè)的并網(wǎng)電流，下半幅波形是整流橋側(cè)電流。因?yàn)闉V波器的引入，并網(wǎng)電流有了極大地改善，滿(mǎn)足了并網(wǎng)條件。

圖6 濾波器效果仿真

2.3 平波電容設(shè)計(jì)

對(duì)“背靠背”結(jié)構(gòu)的變頻器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)而言，直流母線(xiàn)電容器主要起到在網(wǎng)側(cè)變流器和轉(zhuǎn)子側(cè)變流器之間進(jìn)行能量緩沖的作用，考慮從抗擾性能指標(biāo)方面對(duì)支撐電容進(jìn)行設(shè)計(jì)。直流側(cè)電容過(guò)小時(shí)不利于轉(zhuǎn)子側(cè)控制系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)的抑制能力。

2.3.1 網(wǎng)側(cè)變流器的抗擾性能

網(wǎng)側(cè)變流器的抗擾性能主要考慮在電網(wǎng)正常情況下，網(wǎng)側(cè)變流器對(duì)抗直流負(fù)載的擾動(dòng)能力，考慮嚴(yán)重工況即負(fù)載從0到滿(mǎn)載的階躍響應(yīng)情況，額定負(fù)載按電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)額定功率計(jì)算。電容抗擾特性設(shè)計(jì)的目的是負(fù)載發(fā)生階躍擾動(dòng)時(shí)，電容電壓的變化不應(yīng)太大，即電容不能過(guò)小。

轉(zhuǎn)子負(fù)載功率階躍增加，網(wǎng)側(cè)變流器采用PI調(diào)節(jié)，此時(shí)積分項(xiàng)飽和，電流環(huán)給定為最大電流允許值。由于實(shí)際電流無(wú)法突變，將漸變過(guò)程描述為

式中，Idm為網(wǎng)側(cè)電流的限幅值。

網(wǎng)側(cè)變流器直流電壓在負(fù)載擾動(dòng)過(guò)程中，網(wǎng)側(cè)變流器直流側(cè)動(dòng)態(tài)等效電路見(jiàn)圖7。對(duì)電路列舉電壓方程并求解，可得轉(zhuǎn)子電路有功功率階躍時(shí)，直流電壓時(shí)域表達(dá)式為

Vdc(t)=Vdc1(t)+Vdc2(t)=kdRLe(t-τd)+

式中，RLe為負(fù)載電阻；Vdc為初始電容電壓；Ti為電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)；τd為直流負(fù)載側(cè)時(shí)間常數(shù)，τd=RLeC。

圖7 動(dòng)態(tài)等效電路

令轉(zhuǎn)子側(cè)額定功率為Pm，并且考慮轉(zhuǎn)子功率從-Pm階躍增加到Pm，即轉(zhuǎn)子功率階躍變化量為2Pm這一嚴(yán)重工況時(shí)，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(dòng)模系統(tǒng)中，可取Ti=0.8 ms，Pm=10 kW(轉(zhuǎn)子側(cè)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(wǎng)故障對(duì)直流側(cè)電容的影響

考慮三相故障，并且從轉(zhuǎn)子側(cè)有功波動(dòng)對(duì)直流電壓的影響這一方面來(lái)考慮直流電容的設(shè)計(jì)。電網(wǎng)電壓跌落時(shí)候，轉(zhuǎn)子側(cè)功率除出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)的增大和減小外，還有工頻交流脈動(dòng)量，轉(zhuǎn)子功率脈動(dòng)量的最大值為

式中，ωs位定子角頻率；ωr為轉(zhuǎn)子角頻率；Irm為轉(zhuǎn)子電流幅值；ΔVs為定子電壓跌落量。則轉(zhuǎn)子側(cè)有功功率脈動(dòng)量導(dǎo)致的直流電壓波動(dòng)為

圖8 并網(wǎng)試驗(yàn)波形

圖9 有功階躍試驗(yàn)波形

為了滿(mǎn)足不同條件下所允許的直流電壓脈動(dòng)量，則

故直流電壓脈動(dòng)量一定情況下，支撐電容與雙饋電機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比，取ωr=1.3ωs，此時(shí)電網(wǎng)電壓跌落時(shí)所需要的直流母線(xiàn)支撐電容最大，即

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)上文的思路和參數(shù)，設(shè)計(jì)了一套動(dòng)模試驗(yàn)系統(tǒng)，與控制保護(hù)系統(tǒng)可形成完整的閉環(huán)。該系統(tǒng)可模擬交流勵(lì)磁的正常運(yùn)行及各種工況下的運(yùn)行特性，開(kāi)展交流勵(lì)磁系統(tǒng)的控制、保護(hù)策略的研究，對(duì)掌握交流勵(lì)磁的控制特性，大功率樣機(jī)的研發(fā)等具有指導(dǎo)意義。利用動(dòng)模平臺(tái)進(jìn)行發(fā)電方向并網(wǎng)試驗(yàn)，并網(wǎng)波形見(jiàn)圖8。在并網(wǎng)令發(fā)出后，交流勵(lì)磁系統(tǒng)瞬間完成了并網(wǎng)，定子沖擊電流2.4 A，轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流平滑，系統(tǒng)工作正常。

為驗(yàn)證電容對(duì)系統(tǒng)極限工作狀態(tài)的支撐作用，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行有功階躍試驗(yàn)，有功階躍波形見(jiàn)圖9。有功階躍25 kW，此時(shí)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(tǒng)工作，在外部環(huán)境較惡劣的情況下也能保障系統(tǒng)的響應(yīng)特性。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文基于交流勵(lì)磁的特性設(shè)計(jì)了一套交流勵(lì)磁動(dòng)模系統(tǒng)，并針對(duì)影響系統(tǒng)運(yùn)行性能的網(wǎng)側(cè)濾波器和直流平波電容進(jìn)行了深入分析。經(jīng)過(guò)仿真及試驗(yàn)驗(yàn)證，本文設(shè)計(jì)的交流勵(lì)磁動(dòng)模系統(tǒng)并網(wǎng)順利，電流沖擊小，諧波含量低，在系統(tǒng)面對(duì)負(fù)載階躍等惡劣情況時(shí)，仍能正常工作，及時(shí)響應(yīng)，為接下來(lái)的大功率樣機(jī)及工程應(yīng)用提供技術(shù)支撐。