變速抽水蓄能機組交流勵磁系統功率拓撲結構淺析

施一峰，高蘇杰，常玉紅，閆 偉，石祥建，牟 偉，丁 勇

(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)

0 引 言

隨著核電等基荷電源和風電、光伏等間歇性可再生能源在電網中所占比例的日益增大，電網安全穩定運行(尤其是夜間頻率控制)變得更為困難，棄風棄光問題愈加突出。抽水蓄能電站在調峰填谷、保障電網穩定運行方面作用突出，但一方面，常規定速抽水蓄能機組作為水泵運行時，水泵的功率不可調節，限制了其對電網調節作用的發揮；另一方面，抽水蓄能機組需要運行在發電和抽水兩種不同的工況下，兩種工況有著不同的轉速—效率曲線，恒速抽水蓄能機組不可能在兩種工況下都獲得最高效率。而交流勵磁可變速抽水蓄能機組(以下簡稱“變速抽蓄機組”)有諸多優點，能夠較好地解決恒速機組存在的上述幾個問題[1- 5]。變速抽蓄機組是一種高效先進的調峰調頻電源，可為電網安全穩定運行提供更有力的保障，是電網發展到一定階段后電力系統管理的必要工具。基于對電網安全穩定運行、電能質量以及節能減排等新的更高的要求，可以預見變速抽蓄機組具有較好的應用前景。

1 典型變頻拓撲結構適用性分析

目前，中高壓四象限變流器還未形成一個統一的拓撲結構，其主要原因主要有兩點：一是電力電子器件限制了變頻器的輸出功率，如果需要大功率輸出，則需要多個電力電子器件串并聯才能得到，而器件串并聯是一個技術難點；二是復雜的拓撲結構增加了驅動及控制的難度。經過多年技術研究，行業中逐漸對中高壓四象限變頻器形成幾個主流的拓撲結構，并分別在實際工程中投入使用。從變頻器是否具有直流環節，將變頻器拓撲結構分為交-直-交和交-交兩大類，而交-直-交又有多種不同的組成結構，具體有兩電平、多電平、H橋級聯以及MMC等形式，下面分別對這幾種結構進行適用性分析。

1.1 交-直-交拓撲結構

1.1.1 兩電平變流器

圖1是兩電平變流器的拓撲原理圖，它由2個完全相同的兩電平電壓源型變換器經過一個直流電容背靠背連接而成，其基本元件是可關斷全控器件，由PWM進行控制，從結構上歸為交-直-交類型變流器。

圖1 兩電平電壓源型電路原理

該變流器網側為一個三相可控整流橋串聯一個電感，其主要作用為維持直流母線電壓的穩定和維持整流橋輸入功率因數恒定，并且當電網側發生短路故障時，能輸出無功來加快故障恢復。由于PWM整流橋的調制比太低會增大負載的諧波含量，因此在直流電壓一定的情況下，網側的電壓不能太高，這有利于全控器件的選型。

變流器機側變換器結構與網側相同，輸出電壓、頻率和相位均可調的三相交流電壓。其主要作用為當電機在發電工況時，利用對定子磁鏈的矢量跟蹤，實現對變速電機有功、無功的解耦控制，由于能直接控制電機的功角，因此變速電機能更快地抑制電網的有功振蕩；當電機在電動工況時，實現對轉子轉速的穩定控制。

圖2 箝位型5電平原理

從以上分析可以得出，兩電平變流器具備四象限運行能力，同時其輸出電壓的頻率范圍不受限制，滿足0～55 Hz的需求，除此之外，還有以下幾點優點：①電路結構簡單，便于控制，技術成熟；②網測變換器和機側變換器由直流電容解耦，當電網側發生短路故障時，通過改變網側變換器的控制算法，穩定直流電壓，使機側變換器維持正常運行不受影響，更容易實現低電壓穿越。

當然除了上述優點外，兩電平變流器也有不少缺點：①兩電平結構應用于交流勵磁系統時，需要對器件進行串聯使用，而器件串聯存在控制和均壓等技術難點。②輸出波形諧波大，不僅增大電機損耗，而且影響到電機定子側電壓和電流的波形質量，因此需要配置LC濾波器。③為減小輸出諧波，一般兩電平的PWM開關頻率較高(2～5 kHz)，損耗增加，效率降低。③du/dt大，影響電機的絕緣耐受能力，需要額外配置抑制器。

兩電平變流器對交流勵磁的適用性評價：可在電壓等級較低的小容量交流勵磁中使用，通過橋的并聯，實現大電流輸出，但需要配置諧波濾波器和du/dt抑制器，來降低諧波對機組的不利影響。

1.1.2 多電平變流器

多電平的出現彌補了兩電平輸出諧波大的缺點，主要有兩種拓撲結構：二極管箝位型和電容箝位型。圖2為二極管箝位和電容箝位兩種類型的五電平拓撲，每個開關器件上承受的電壓為總母線電壓的1/5。在電壓合成方面，電容箝位型多電平變流器的電平合成的靈活性要高于二極管箝位型多電平變流器，但這以復雜的控制方式為代價，實用性較差。

在二極管箝位多電平中，三電平拓撲結構是相對簡單、最先走上實用化的拓撲結構。圖3為二極管箝位型三電平構成的交流勵磁變流器，其網側變換器主要作用是維持電容電壓穩定和控制網側功率因數；機側變換器輸出可調三相電壓，用于變速電機的控制。其中，二極管的主要作用是在功率器件開關過程中，將開關器件上所承受的正向阻斷電壓限定在1/2的直流電壓內，避免回路在工作過程中，整個直流母線電壓加在開關器件上導致器件損壞。

圖3 二極管箝位型三電平原理

二極管箝位三電平變流器用于交流勵磁中的優點有：①由于功率開關器件只承受母線電壓的1/2，因此在器件相同的情況下，輸出的電壓更高，更接近于交流勵磁的應用場合。②輸出波形電平數增多，顯著降低諧波含量，使得電機定子側的電壓、電流波形得到改善。③降低功率器件的開關頻率，從而降低器件的開關損耗，提高變流器的整體效率。

缺點為：①仍然存在du/dt較高的問題，雖然比兩電平的要小，但為了電機安全運行，仍需要配置抑制器。②存在中點電位波動的問題[6]，而中點電位波動過大，會損壞功率器件。因此，必須對中點電壓進行抑制，通常有控制算法或硬件補償兩種方法，但是不管采用什么方法，只能降低中點波動幅度，不能完全消除中點波動現象。③箝位二極管的耐壓要求較高，且數量較多，增加變流器系統的成本。

圖5 有源前端H橋級聯原理

二極管箝位型三電平變流器對交流勵磁的適用性評價：可適用于大中型變速機組的交流勵磁，輸出電壓等級高，通過多橋并聯輸出大電流；輸出波形比兩電平拓撲好，但輸出波形諧波仍較大；du/dt需要抑制。目前ABB公司采用三電平拓撲的交流勵磁產品已投入工程應用。

1.1.3 有源前端的H橋級聯型變流器

動態無功補償SVG采用的是H橋級聯型結構，圖4是H橋的一個基本功率單元，它由4個可關斷器件和一個電容組成，通過將若干個單元串聯實現高電壓輸出。利用低壓單元串聯實現高電壓輸出的思路，在H橋基本單元的電容前端增加一個可控三相整流橋，即形成有源前端的H橋單元，如圖5。該基本單元的有源前端穩定電容電壓，控制網側無功功率，并且可將有功功率反饋到電網，實現四象限運行；H橋逆變部分經過串聯輸出高壓，其電壓波形非常接近于正弦波，諧波含量非常小。

圖4 SVG的H橋基本單元結構

有源前端H橋變流器用于交流勵磁中的優點有：①通過低壓功率單元的串聯，得到高電壓等級的輸出，易于實現模塊化設計。②各功率單元工作負荷一致，冗余性及可靠性高。③輸出波形非常接近正弦波，諧波含量低，無需濾波器，du/dt含量低，不會對電機絕緣產生影響。

缺點有：①需要配置移相變壓器。目前，受限于變壓器制造技術及移相抽頭的空間布置，移相變壓器的容量不能做的太大。如果輸出大電流需要H橋并聯，每個并聯的H橋都要配置移相變壓器，這大大增加了設備體積和成本。②每個單元需要10個功率開關器件，一個典型的輸出為3 kV的變流器，至少需要3個單元串聯，則一個完整的三相支路就需要90個功率管。而相同電壓等級的二極管箝位型三電平僅需要24個功率管，即使加上箝位二極管也就增加了12個二極管，連H橋的一半都不到。因此，H橋的器件需求量大，成本高。

有源前端H橋變流器對交流勵磁的適用性評價：H橋級聯拓撲輸出波形好，無需濾波器；模塊化級聯容易實現高電壓、多電平輸出；網側橋采用可控整流方式實現四象限運行；可通過元件并聯實現較大電流輸出；但各單元分別需要獨立的電源，需要設置多繞組隔離變壓器，增加設備體積及成本。

1.1.4 MMC型變流器

MMC全稱模塊化多電平變流器，通過調整子模塊串聯個數來實現電壓和功率等級的靈活變動，可以擴展到任意電平輸出，其串聯及單元結構如圖6所示，每個單元由2個功率開關器件和1個電容組成。工作時，每個單元控制自身電容C0上的電壓，然后將每個單元的直流電壓通過開關管T1和T2串聯，保持每相上下兩個橋臂的總開通數不變，對上橋臂的單元開通數量正弦調制，則相輸出為一個多電平正弦電壓，電平數越多，諧波含量小。由于功率開關器件的工藝方面的限制，單個功率管的容量較小，如果需要輸出大電流，則需要多個相支路并聯。

圖6 MMC型變換器及功率單元原理

相對于傳統變流器，MMC型變流器用于交流勵磁中的優點主要體現在以下幾方面：①高度模塊化的拓撲結構。MMC主電路和控制電路均采用模塊化結構設計，通過調節子模塊數量，可靈活調整MMC系統電壓和輸出波形電平數。②具有公共直流母線。MMC無需進行直流側濾波，避免直流側短路引起的浪涌電流及系統機械破壞的風險，提高了系統可靠性。③具有較低的諧波含量和電磁干擾。由于MMC的等效開關頻率較高，使其具有較低的諧波含量和電磁干擾，電路中僅需很小的濾波電感，不會對變速電機絕緣產生影響。

缺點有：①交流勵磁為中壓大電流系統，MMC由單管功率管串聯，輸出為小電流，如要大電流輸出，則需要通過均流電抗器進行橋并聯。事實上，MMC的優勢是多電平形成的高壓小電流，主要用于高壓直流輸電場合。②開關器件數量與同等級的有源前端H橋相比，增加了約74%的用量，整體設備占地大，成本高。

MMC變流器對交流勵磁的適用性評價：可方便實現四象限運行；容易實現高電壓、多電平輸出，輸出波形好，諧波含量低，但輸出電流較小，需要多支路并聯實現大電流輸出，但這又帶來均流問題；同時器件用量較大，設備占地大，成本高。

1.2 交-交變流器

交-交變流器是國外早期在交流勵磁中采用的一種變流器，如圖7所示。早期的可關斷功率器件的技術還不成熟，容量較小，因此研究人員設計出了采用成熟技術的晶閘管作為功率器件的交-交變換器，這種變換器采用晶閘管自然換流方式工作，其每一相由2個輸出相反的整流橋并聯而成，分別輸出正半波和負半波。這種結構的變流器最高輸出頻率是電網頻率的1/3～1/2，在大功率低頻范圍有很大的優勢。而且交-交變頻沒有直流環節，變頻效率高，容易實現四象限運行。但是其功率因數低，高次諧波多，輸出頻率范圍窄，使之應用受到了一定的限制。它在傳統大功率電機調速系統中應用較多。

交-交變流器用于交流勵磁中的優點主要有：①采用成熟晶閘管器件，在不需要器件并聯的情況下輸出大電流。②沒有直流環節，主回路簡單可靠，整體效率高。

交-交變流器的缺點有：①變頻范圍窄。在抽蓄機組作為電動機運行時，仍然需要SFC來進行拖動，這大大增加了電站的整體建設成本。②功率因數低，無法對網側的無功功率進行控制，因此對于大容量的交流勵磁，還需要配備專門的無功補償裝置，無形中也增加了設備的建造成本。

交-交變流器對交流勵磁的適用性評價：交-交變頻器拓撲在輸出大電流(5 000 A以上)、大功率(30 MV·A以上)方面有突出優勢；主回路簡單、晶閘管器件可靠耐用；不含直流電路及其濾波部分，可實現四象限運行；輸出頻率范圍窄，無法將電機拖動到同步轉速。

圖7 交-交變頻器結構

2 結 語

從功能上來看，上述5種變流器均可用于交流勵磁，但是交-交變流器由于變頻范圍窄，現在國外新建變速抽蓄機組已經不采用該技術。H橋和MMC相對于其他3種變流器，所用器件較多，成本較高，主要應用在高壓小電流場合。兩電平變流器輸出諧波較重，對電機運行不利，并且需要器件串并聯才能輸出中壓大電流，而可關斷器件的串并聯技術仍然是一個技術難點。多電平中的三電平變流器和其他幾種變流器相比，無需器件串聯，采用多繞組變壓器隔離實現并聯大電流輸出，器件數量適中，增加少量濾波器即可抑制輸出諧波。因此，對于小容量交流勵磁系統，可采用較為成熟的兩電平變流器；而對于大容量交流勵磁系統，則建議采用三電平變流器。