抽水蓄能電站可變速機組啟動技術研究

閆 偉，張亞武，施一峰，石祥建，孫景輝，吳 龍，劉為群

(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

隨著電網中核電、燃氣發電及聯合循環電廠等穩定供電電源和風電、太陽能間歇性可再生能源的大規模利用，導致電網的穩定運行，尤其是夜間頻率控制變得更為困難。恒速蓄能機組以水泵工況運行時，不能調節輸入功率，因此無法滿足電網快速準確進行電網頻率調節的要求，可變速抽水蓄能機組就是解決該問題的辦法之一。可變速抽水蓄能發電電動機方案包括變極變速(雙轉子雙定子變速)、定子側變頻變速和交流勵磁變速3種。第1種方案已難以滿足當今電網和電站對于抽水蓄能機組在效率和性能上的要求；第2種方案要求變頻器的容量按照電機容量設計，造價昂貴，并且電機在低速下運行時功率因數較低，這種方式也未能得到推廣[1- 2]。

交流勵磁可變速抽水蓄能機組(AC excitation variable speed pump storage unit，ACE-VSPSU)轉子勵磁繞組為三相對稱繞組，采用交流勵磁方式，勵磁電壓的頻率、幅值、相位及相序均為可調，通過調節轉子勵磁可以控制發電機勵磁磁場大小及其相對于轉子本體的位置，實現機械轉速與電網頻率的解耦運行，實現柔性連接。通過變機械轉速運行，交流勵磁可變速抽水蓄能機組在發電和抽水2種工況下都能獲得較高的效率，提高機組對水頭變化的適應能力，同時避開機組運行的不穩定區。交流勵磁變速抽水蓄能機組具有有功和無功解耦控制、深度進相能力及功角與轉子位置解耦的特性，使其具有良好的電力系統穩定運行支撐能力。水泵工況下可變速機組穩態吸收功率與轉速的3次方成正比，通過改變機組轉速，可快速調節吸收的有功功率，從而突破抽水蓄能機組水泵工況下只能“開機-滿負荷-停機”的運行束縛，提高電網對系統頻率的控制能力，參與電網的調頻[3- 6]。

ACE-VSPSU發電工況下的勵磁控制與風電雙饋感應發電機(DFIG)勵磁控制有相似之處。在風電運行條件約束下，針對DFIG的勵磁控制研究較多，但針對ACE-VSPSU水泵工況下的交流勵磁控制，包括ACE-VSPSU啟動控制及水泵工況運行的勵磁控制研究尚不足。ACE-VSPSU的啟動理論上也可以采用與定速抽蓄機組類似的通過外加的靜止變頻器(SFC)設備實現啟動，但需要再另外配置較昂貴的SFC設備，所以利用ACE-VSPSU自身的交流勵磁變流器設備，實現ACE-VSPSU啟動的自啟動技術研究得到關注。文獻[7]提出了將定子繞組短接，通過轉子交流勵磁控制，實現ACE-VSPSU的自啟動方法；文獻[8]針對自啟動的方法，介紹了啟動過程及并網控制策略，并在文獻[9]中對自啟動的啟動時間優化控制算法進行了研究。

本文重點研究ACE-VSPSU抽水工況下的自啟動矢量控制技術。首先，建立定子繞組短接時ACE-VSPSU的數學模型，以此為基礎，提出了便于實現的定子磁鏈定向ACE-VSPSU自啟動矢量控制策略，并提出了自適應的偏移量檢測方法，對轉子位置傳感器偏差進行校正。最后，通過ACE-VSPSU動模仿真系統，對提出的策略及方法進行了仿真驗證。

1 ACE-VSPSU自啟動控制模型

1.1 ACE-VSPSU在兩相同步旋轉坐標下的狀態方程

當ACE-VSPSU的定子短路時，定子電流不宜選做狀態量。因此，選擇轉子電流ird、irq和定子磁鏈ψsd、ψsq為狀態量。假設條件：①忽略空間諧波，假定轉子各自三相繞組對稱，空間上相差120°，各繞組產生的磁動勢按正弦規律分布；②忽略磁路飽和，即各繞組的自感和互感恒定；③繞組電阻恒定，定子側各矢量正方向取發電機慣例，轉子側各矢量正方向取電動機慣例。ACE-VSPSU電機的磁鏈方程、任意旋轉坐標系中的電壓方程及轉矩方程為

(1)

(2)

Te=npLm(isqird-isdirq)

(3)

式中，ψ為磁鏈；R為電阻；Ls、Lr分別是定子、轉子自感；Lm為定轉子間互感；Te為電磁轉矩；p為微分算子；np為電機極對數；下標s表示定子側量，r表示轉子側量，d、q分別表示d軸、q軸分量。

由式(1)有

(4)

將式(4)代入(3)有

(5)

ω1為同步角速度，轉子的機械角速度為ω，在同步旋轉坐標系中，ωdqs=ω1，則dq軸相對于轉子的角轉速ωdqr=ω1-ω=ωs，即轉差；ACE-VSPSU自啟動時定子短路，即usd=usq=0。ACE-VSPSU的電壓平衡方程為

(6)

將式(1)代入式(6)，消去isd、isq、ψrd、ψrq，整理后得到與拖動相關的狀態方程為

(7)

(8)

式中，Ts=Ls/Rs，為定子時間常數。運動方程為

(9)

式中，J是機組轉動慣量；TL為負載轉矩。

1.2 ACE-VSPSU自啟動矢量控制模型

即使選用dq同步坐標，并沒有改變ACE-VSPSU電機方程非線性、多變量的本質，基于此設計性能良好的ACE-VSPSU自啟動控制策略比較困難，需要進一步對其進行簡化。對d、q兩軸與電動機旋轉磁場的相對位置進行限定，即將d軸軸線控制在電機的定子磁鏈矢量的方向上，能使上述狀態方程進一步得到簡化。此時，ψsd=ψs，ψsq=0，代入式(5)、(7)、(8)、(9)中有

(10)

(11)

(12)

(13)

由式(11)、(12)分別可得

(14)

(15)

式(14)表明，定子磁鏈僅由轉子電流勵磁分量ird產生，與轉矩分量irq無關，即實現轉子電流中勵磁分量與轉矩分量的解耦。ψs與ird之間的傳遞函數是一階慣性環節，時間常數為定子時間常數。式(10)、(13)、(14)、(15)構成了ACE-VSPSU自啟動矢量控制方程。從式(10)、(13)、(14)、(15)可以看到，電磁轉矩Te受irq和ψs的影響，基于此設計的轉速控制子系統及定子磁鏈控制子系統之間存在耦合，需要在電磁轉矩控制中消除定子磁鏈變化對轉矩的影響。在實際控制中，可以很容易實現轉子電流的勵磁分量ird保持不變，則定子磁鏈為恒定量，代入上述ACE-VSPSU自啟動矢量控制方程，可得到進一步簡化的ACE-VSPSU自啟動矢量控制方程，即

ψs=Lmird

(16)

(17)

控制中可設置轉子勵磁分量ird為常值，如果irq變化，電磁轉矩Te將立即隨之成正比例變化，這樣就實現電磁轉矩Te僅受控于轉子電流的轉矩分量，便于得到滿意的ACE-VSPSU自啟動控制特性。

2 ACE-VSPSU自啟動轉子位置傳感器偏差校正

ACE-VSPSU的自啟動控制需要獲得轉子轉速及轉子位置信息，對于轉子位置的檢測包括有位置傳感器和無位置傳感器2種方法。ACE-VSPSU的無位置傳感器轉子位置檢測目前理論研究較多，因其運行的特殊性，難以直接對轉子磁鏈進行觀測[10]，速度觀測精度受電機轉子參數的影響大，算法復雜，采樣、離散化運算等的偏差及積分漂移等都會直接影響觀測精度及可靠性[11- 12]，目前尚不能完全滿足工程應用的要求。實際工程中，通過安裝光電編碼器實現轉速及位置檢測。

在光電編碼器安裝時，理論上需要當定子A相軸線與轉子a相軸線重合時，編碼器輸出轉子位置角為0。在此基礎上，當轉子a相轉動時，光電編碼器輸出才能準確反映轉子位置。而由于安裝精度問題，光電編碼器輸出轉子位置角為0時，轉子a相繞組軸線與定子A相繞組軸線存在某個固定的角度差，即為轉子位置角固定偏移量Δθ。該偏移量會使勵磁矢量方向與程序計算的矢量方向產生偏差，導致并網沖擊變大、功率波動、拖動轉速不穩等一系列問題。

本文采用自適應的偏移量檢測方法來修正該固定偏移量。在ACE-VSPSU空載升壓控制中，以電網電壓相位θG作為參考，定子電壓相位θs作為控制反饋，兩者之差θerr輸入轉子位置偏差校正控制器，控制器輸出的轉子位置校正偏差Δθ對實測轉子位置角θm進行校正，升壓控制以校正后的角度θr作為轉子位置角。當定子電壓相位與電網電壓相位一致時，Δθ停止變化，此時的Δθ為轉子位置角的校正量。自適應偏移量檢測原理見圖1。

圖1 自適應偏移量檢測原理

3 動模試驗驗證

在ACE-VSPSU動模系統上對上述控制策略進行了驗證。30 kW交流勵磁動模系統由變頻器、異步電動機、可變速電機、交流勵磁設備、勵磁變壓器、開關及其控制回路等組成。動模交流勵磁設備主回路采用三電平拓撲，在其控制器中實現自啟動、升壓、并網及功率控制等控制策略。用異步電動機模擬水輪機帶動發電機發電，可使機組工作于不同轉速、不同輸出功率的運行狀態。可變速電機定子側設置短路開關，用于模擬ACE-VSPSU的自啟動控制時將定子短路。動模平臺組成示意見圖2。

圖2 動模平臺組成示意

3.1 轉子位置傳感器偏差校正動模試驗

對提出的變速機組轉子位置傳感器偏差校正方法進行動模試驗驗證。由原動機拖動可變速電機至850 r/min，交流勵磁進入空載勵磁控制模式，勵磁電壓的頻率跟蹤轉差頻率，保證轉子磁場為同步轉速。同時，勵磁電壓相位根據轉子位置偏差校正控制器輸出進行實時調整。當電機定子電壓相位與電網電壓相位相同時，轉子位置校正偏差Δθ基本保持恒定，用其對位置傳感器測量的轉子位置進行校正。轉子位置傳感器偏差校正波形見圖3。

圖3 轉子位置傳感器偏差校正波形

圖3a是未采用偏差校正的電機定子電壓與電網電壓相位差波形，其變化范圍較大，并且有角差突變情況；圖3b是采用偏差校正器后的電機定子電壓與電網電壓相位差波形，可以看到調節過程具有很好的收斂性，角差也沒有出現突變情況；圖3c是位置轉子位置偏差校正控制器的輸出，與圖3b相對應，當校正控制器輸出趨于穩定時，相角差則趨近于0。可見ACE-VSPSU自啟動轉子位置傳感器偏差校正具有良好的補償效果。

3.2 ACE-VSPSU自啟動矢量控制策略動模試驗

定速抽水蓄能機組水泵工況啟動時，機組轉速跟隨SFC設定的轉速曲線上升，變速機組采用類似的方式。在ACE-VSPSU動模交流勵磁控制器中設定機組轉速參考，由交流勵磁設備提出的ACE-VSPSU自啟動矢量控制策略，對動模ACE-VSPSU進行自啟動試驗。試驗波形見圖4。圖中，Nref為轉速參考，N為實測電機轉速。

圖4 動模ACE-VSPSU自啟動升速波形

從圖4可知，按每秒上升20 r/min的速率上升，電機轉速隨之上升，約50 s從靜止加速到設定的1 000 r/min；按每秒上升10 r/min的速率上升，電機轉速隨之上升，約100 s從靜止加速到設定的1 000 r/min。對于不同的轉速參考上升速率，采用本文ACE-VSPSU自啟動控制策略，機組轉速對轉速參考的跟蹤性良好，證明該策略具有良好的動態控制性能，能夠滿足抽水蓄能電站ACE-VSPSU自啟動要求。

4 結 語

本文研究了ACE-VSPSU抽水工況下的自啟動矢量控制技術，建立了定子繞組短接時ACE-VSPSU的數學模型，以此為基礎，提出了定子磁鏈定向的ACE-VSPSU自啟動矢量控制策略及自適應轉子位置傳感器偏移量檢測方法，并通過ACE-VSPSU動模系統對提出的策略及方法進行了驗證。動模結果表明，基于轉子位置傳感器偏移量檢測方法能準確補償位置檢測偏差。本文提出的啟動控制策略實現ACE-VSPSU的自啟動具有良好的控制特性。