大型抽水蓄能變速機組交流勵磁系統功率回路研究

王 舒，常玉紅,周 敏，唐 侃，袁 景

(1.南瑞集團有限公司(國網電力科學研究院有限公司)，江蘇南京211106；2.國電南瑞科技股份有限公司，江蘇南京211106；3.國網新源控股有限公司，北京100761)

0 引 言

近年來，隨著大功率器件與現代控制技術的發展，采用雙饋機組來實現大容量抽水蓄能機組連續可變速運行的技術得到飛速發展，并逐步投入商業應用中。自20世紀80年代開始，日本開始研究雙饋電機交流勵磁發電技術，在飛輪蓄能以及抽水蓄能電站的應用中取得成功。日立與關西電力公司合作，在1987年投運了世界上首臺22 MW交流勵磁變速發電電動機，并于1993年投運了400 MW級的可變速抽水蓄能電站[1]。東芝公司與東京電力公司合作研究，1990年投運了80 MW的變速發電機組，并且研制成功300 MW級的變速機組[2]。

雙饋發電機之所以具有超越傳統同步發電機良好的調節性能、運行的靈活性及可靠性，除了其電氣結構與傳統同步發電機相比，有多相轉子對稱交流勵磁外，關鍵在于擁有一套能充分發揮該電機運行特點的交流勵磁系統[3]。因此近年來針對雙饋發電機交流勵磁系統的研究倍受關注。雙饋電機轉子勵磁系統主回路通常采用雙PWM背靠背形式的電壓型變換器。傳統兩電平變換器結構簡單，在現有抽水蓄能雙饋機組交流勵磁系統中有著廣泛的應用。但是其電平數偏低，高壓大功率場合下存在串聯均壓難度大和開關損耗大等問題。

為了解決傳統兩電平變換器輸出電流諧波大、單個模塊耐壓要求高、輸出電壓du/dt大等問題，對二電平、三電平、級聯等不同拓撲結構進行比較，選擇適合大型抽水蓄能變速機組交流勵磁裝置的最優拓撲方案。搭建了一臺NPC三電平的5 MW功率柜樣機進行了試驗驗證，對200 MW大型變速抽蓄機組的交流勵磁系統的功率單元設計具有重要的借鑒意義。

1 交流勵磁系統功率單元拓撲研究

應用于大功率場合的變頻器拓撲主要有交交變頻器和交直交變頻器二大類，其中交直交拓撲可根據直流環節不同分為電流型和電壓型兩種[4]。

1.1 交交變頻器

變頻器每一相由二組三相晶閘管全控橋反并聯而成，全控橋的輸出接在每相繞組上。三相電源輸入端為公共交流母線，如圖1所示。由于晶閘管的耐壓高、串并聯技術成熟，因此采用這種結構時電壓等級可以做到很高，容量可以做到很大。但由于晶閘管工作在工頻狀態，因此該拓撲最大輸出頻率不得超過電網頻率的1/2。

控制性能方面，由于晶閘管工作在工頻狀態，使得該拓撲動態響應較慢，控制靈活度不高，輸出諧波的含量較高。隨著全控型器件的飛速發展，目前交交變頻器已逐步被淘汰，新建的抽蓄交流勵磁電站中不再采用。

圖1 輸出星形連結的三相交交變換器電路

1.2 交直交變頻器

交直交變頻器由整流側、直流側和逆變側組成。交流勵磁裝置適宜采用電壓型變頻器。電壓型按電平數可分為兩電平和多電平。其中，多電平變頻器中應用較多的是中點箝位型三電平和級聯型多電平。

兩電平變頻器示意如圖2所示。受器件耐壓限制，在不串聯工況下，兩電平變頻器輸出電壓受限，僅適應于中低壓場合，中高壓場合下必須通過器件的串聯來實現。由于器件串聯應用時對各器件的靜、動態均壓要求嚴格，且模塊式功率器件失效模式為開路，串聯回路中一個器件的損壞必將影響整體運行，因此必須采用失效模式為短路的壓接式器件。

圖2 兩電平變換器

1.3 級聯式多電平變頻器

級聯式多電平變頻器如圖3所示。由于級聯多電平通過功率單元串聯很容易實現輸出高電壓，在中高壓領域該結構被廣泛應用。如果整流端采用二極管不控整流模式，該拓撲結構不能應用于能量回饋場合。如果整流側采用全控型器件則可實現四象限運行，但每個功率單元都要獨立控制，大大增加了整個系統的控制復雜性，因此在抽水蓄能交流勵磁系統中不推薦使用。

圖3 級聯式多電平變頻器結構示意

二極管箝位型三電平逆變器[5]，或稱為NPC三電平逆變器，是級聯式多電平變頻器中應用最廣泛的一種，如圖4所示。每一相由四個IGBT串聯，一、三管占空比互補，二、四管占空比互補。與二電平逆變器相比，相同功率器件下，輸出電壓為兩電平的兩倍，諧波含量低。如果整流側和逆變側都采用NPC三電平結構，既提高了輸出電壓，又可以實現電路四象限運行。

圖4 三電平中性點鉗位型變換器

綜上所述，針對大型抽水蓄能機組交流勵磁系統，優先推薦交直交結構，采用電壓型兩電平或三電平結構。由于網側的諧波會污染電網，且電機側產生的du/dt在長電纜上傳輸會反射產生更高的du/dt，從而影響轉子的絕緣。因此大型抽水蓄能機組交流勵磁裝置推薦采用NPC三電平交直交結構。

2 NPC三電平拓撲的空間矢量控制

三電平NPC結構的拓撲圖如圖4所示[6]。以其中A相電路為例，在開關管S1、S2導通且S3、S4關斷時，如果電流方向與ia相同，則A相的輸出電壓為Ua=Udc/2；如果電流與ia反向，電流流過S1、S2的反并聯二極管，則A相的輸出電壓仍為Ua=Udc/2，此狀態稱為P狀態。同理，當開關管S2、S3導通且S1、S4關斷時，A相的輸出電壓為Ua=0，此狀態稱為O狀態；當開關管S3、S4導通且S1、S2關斷時，A相的輸出電壓為Ua=-Udc/2，此狀態稱為N狀態。

圖5 三電平逆變器空間電壓矢量分布示意

每相都對應P、O、N 3種狀態，總共對應33=27種狀態，對應27種空間電壓矢量分布。圖5是NPC三電平逆變器的空間矢量分布圖。根據矢量幅值不同，可以將27個矢量分成大、中、小和零矢量，其中小矢量又可分成正、負小矢量。圖4中，可定義中點電流in方向：流出中點時，定義為正方向(in>0)，流入中點時，定義為負方向(in<0)。按圖4所示方向，中點電流流出中點，對應小矢量定義為正小矢量；如果中點電流流入中點，對應小矢量定義為負小矢量。NPC三電平逆變器空間矢量分布如表1所示，Udc為母線電壓。

表1 NPC三電平逆變器空間矢量分布

3 實驗驗證

為了驗證三電平的控制策略，研制一臺5 MW的功率柜樣機，如圖6所示。采用成熟的背靠背二極管嵌位型三電平拓撲和先進的IEGT元件，確保系統具有更大的容量和更低的電流諧波。

圖6 應用于交流勵磁系統的5 MW功率樣柜

直流電壓5 kV，交流輸出線電壓3.3 kV，開關頻率900 Hz。圖7為系統拓撲圖。主回路采用雙PWM控制四象限變流器，采用NPC三電平拓撲技術，輸入輸出諧波小。機柜采用高防護等級，配備加熱、除濕設備，適用于交流勵磁系統。模塊化設計，易于安裝維護。

圖8是功率單元滿載時的輸出波形，從圖中可以看到，電壓環和電流環控制性能優良，A相電壓電流相位正好差180°，這是由于程序中是以流向功率單元作為電流的正方向，功率單元向電網發有功時電壓電流正好反向。圖9是功率單元輸出線電壓波形。

圖8 5 MW有功輸出的波形

圖7 應用于交流勵磁系統的三電平NPC背靠背拓撲

圖9 功率單元輸出線電壓AB波形

變流器采用壓裝式IGBT(PPI，如圖10所示)，相比于其他快速開關半導體元器件，PPI具有很多出眾的性能：①安全可靠，不同于IGCT，由于PPI的內部特性，在正常運行和故障情況下(包括短路)，都可以限制過電流產生，從而實現安全關斷；②方便控制，通過較小的門極電流，簡化驅動電路，降低損耗，提高了效率和可靠性；③雙面冷卻，等同于壓裝式可控硅，提高了電流等級，提高了功率密度，減少了元器件數目，提高了可靠性；④適合于串聯連接，因為PPI在故障后保持短路，從而允許n+1的冗余，提高可用性。

圖10 壓接式IGBT內部結構

4 結 論

本文針對大型抽水蓄能變速機組交流勵磁系統，對主回路拓撲結構進行了詳細的對比分析，最終選用中點鉗位型三電平交直交結構。針對NPC三電平拓撲結構，研究了空間矢量控制策略。搭建一臺5 MW的功率柜樣機，采用NPC三電平拓撲結構，進行了功率回路測試，充分驗證了拓撲結構和矢量控制策略的正確性。對200 MW大型變速抽蓄機組的交流勵磁系統的功率單元設計具有重要的借鑒意義。