一種利用異步發電機的微型水電控制方法

王鴻騰，孟 鵬，江依妹，韋正鵬

(1.華電電力科學研究院有限公司，浙江 杭州 310000；2.新大陸支付技術有限公司，福建 福州 350015)

0 引言

現代發電產業發展的主要趨勢是向分布式發電系統的過渡和使用生態清潔的可再生能源。主要由于以下因素：能量消耗的快速增長導致工業、農業、畜牧業以及居民供電能力的增長；為了減少由發電產生的二氧化碳而導致的溫室效應；不可再生能源的減少；電能在電網中隨傳輸距離增加造成電量損失增加。

小水流水力資源是一種有前景的清潔可再生能源。其優點有：不需要大額投資和高水平的維護人員，水利結構不會引起洪澇，不需要移民，建造時無需毀壞動植物的生存環境。而且微型水電站可提供周邊用戶用電，其土建的施工量較小。

1 微型水電站的主要結構

微型水電站是由水輪機、傳輸設備、發電機和電能轉換器控制系統組成，與此同時，替代轉換器的電容電池可以提供發電機勵磁所需的無功功率，其結構如圖1所示。

水輪機把水能轉換成機械能，在典型的微型水電站里，轉輪葉片角度通常是固定不可變的，這個可以使結構更簡單，價格更低廉。水流方向和水流速度決定所使用的轉輪類型[1]。

圖1 微型水電站結構簡圖

目前，微型水電站發電機通常有3種:同步發電機、異步發電機和雙饋異步發電機。從成本效益的角度來看，應用較多的是異步發電機(AG)，它具有以下優點。

1)結構簡單。

2)不需要電刷組件。

3)對短路靈敏度低。

4)可靠性高，并網操作簡便。

異步發電機的主要特點是發電時需要在定子繞組上產生磁通。為了產生這種通量，必須將無功功率饋送給異步發電機的定子繞組。異步發電機操作要么是發電機空轉自激，要么是電網激磁。在第一種方式中，所需的無功功率是通過并聯于電源三相繞組的電容器來產生的。在第二種方式中，所需的無功功率是通過使用功率轉換器轉換外部電源的能量產生的。

下面介紹一下自激式異步發電機。

電流自激是目前廣泛應用的一種發電方法，此方法需要發電機有剩磁來建立剩磁電壓。如果沒有，異步發電機自激過程可以由一個初步充電的電容電池在定子繞組上的放電來啟動[2]。

空載狀態下的無功功率(當滑動等于0時)電容器之間可以用“星形”連接

(1)

QAG是無功功率，QC是電容電池的無功功率，m1是相數，ω1是發電機電壓的角頻率(rad/s)，C是電容的相位容量(F)，Uph是電容器相位的電壓(V)。

在空載狀態下，用于激勵電流的電容器容量是根據對電容器和L形等效電路的磁化電路二者無功功率的平衡來選擇。磁化電路的無功功率是基于規范數據決定的：AG產生的有功功率PAG和反饋給電網和發電機的功率系數cosφAG。如果這些數據丟失了，需要計算AG的L形等效電路并得出磁化電路的電抗性能為了更一步的確定所需的無功功率QAG。

在一些情況下，要提高發電機的運行性能，一般會采用電容式混合連接(并聯電容器和復合電容)。

當有負載時，電容器的無功功率必須保證異步發電機的無功功率恒定，也就是補償由負載引起的無功功率的變化。當提供電容負載時，必須通過在電路中引入相應的電感來消除過補償。對于有功電感負載，無功功率計算如下：

(2)

Q1d是負載(VAr)的無功功率；I是負載電流(A)；L是負載相位的電感(H)；C1是空閑模式下所需的電容的相位容量(F)；C1是補償負載所需的電容的相位容量(F)。

因此，產生穩定的電壓和頻率所需的總容量包括發電機自激所需的恒容量和補償負載感應效應所需的可變容量。

在式(1)和式(2)中，AG電壓的角頻率ω1是由轉子自旋的頻率和以滑動為特征的負載決定的：

(3)

p是極數，nr是轉子旋轉的頻率(每秒轉數)，s是轉差率。

對于空閑模式，假定滑動為零。在這種情況下，發電機電壓的角頻率是轉子旋轉頻率和極對數的函數。

2 能量轉換

轉換產生能量有許多設計解決方案[3]。這些解決方案可分為以下幾類。

1)經典的補償方案：同步補償器工作在過激勵模式，或1個控制飽和的電抗器與異步發電機輸出并聯。這2種方法由于成本高、重量參數大等特點，在小水電工業中均未得到應用。

2)采用電容激磁的方法，根據轉子轉速或負載的變化，將不同容量的電容電池分步連接到異步發電機輸出端，如圖2所示。開關K1和K2可以用可控硅整流器或現代IGBT晶體管。電容電池C1與電源輸出相直接連接，用于產生自激電壓。電容電池C2和C3經過開關K1和K2連接到電源輸出，用于穩壓。電壓Ua、Ub和Uc是通過傳感器將信息傳輸到可編程邏輯控制器(PLC)進行測量，然后與參考電壓Uref比較。當電壓值偏離PLC要求的電壓值時，會產生1個信號來打開K1和K2，然后在異步發電機端輸出穩定電壓。為了擴大與輸出電壓平行的異步發電機電壓控制范圍，有時控制器的信號會涉及電抗器。

電容激磁的主要缺點是重量大，電容成本高和難以實現。

圖2 電容激磁式異步發電機結構簡圖

3)采用柔性交流輸電系統(FACTS)，其主要元件是電容器、電抗器和半導體鍵(可控硅整流器或IGBT晶體管)。有了這樣的控制，在連接鏈路上的無功阻抗就得到了調節，其結果是，控制了電源消耗電流的幅值和相位，控制電源的無功功率。

3 異步發電機電壓調節

近年來，人們對基于IGBT晶體管的半導體變換器越來越感興趣。通過功率變換器調節電壓和頻率有很多種方法，其中最廣泛使用的方法是以下幾種。

1)直流鏈路的能量雙重轉換方案(AC-DC-AC轉換器)。按整流器的類型，有以下2種方案：

(1)完全可控整流器方案。

(2)不可控整流器的方案，與直流控制器串聯(AC-DC-DC-AC轉換器)。

2)與靜態補償器并聯(STATCOM)用于調節從網絡消耗的電流的幅值和相位的負載。

在異步發電機運行過程中，其輸出電壓的特性在很大程度上受水流特性變化的驅動，既受負載變化的影響，又受力矩的變化的影響。為了補償后一種影響，電流互感器通常通過直流環節與負載相連[2]。

采用不可控整流器、升壓直流控制器和獨立電壓逆變器(IVI)的方案如圖3所示。

圖3 采用不可控整流器的方案

可控整流器和IVI的方案如圖4所示[5-6]。該方案的給定配置廣泛用于發電及其向單個電力系統(網絡)的傳輸，以及獨立網絡。可控整流(CR)具有雙向電流傳導特性，它避免了額外的電容器和使用直流鏈接電容器C2的發電機自勵。整流控制單元CU1控制定子電流的有功分量和無功分量在轉子磁鏈矢量所指向的坐標系中的值(DQ系統)。CU1的輸入值是轉子旋轉的速度ω和發電機的相電流Ia，Ib和Ic。發電機的磁通量由定子電流的無功分量驅動，保持在恒定的水平，它為微型電廠提供了最優效率。轉子的轉速是通過改變定子電流的有效分量來控制的，它定義了發電機的電磁力矩。CU2控制單元起到同步微型電廠的輸出電壓與電網或所需的輸出電壓的作用。CU2的輸入值是直流鏈路電容處的電壓UC2以及IVI的輸出電流Ia，Ib和Ic和IVI的輸出相電壓Ua，Ub和Uc。電感L起濾波作用。

圖4 采用可控整流器的方案

直流電路系統的總體缺點是能量的雙重轉換，它增加了能量損失，降低了整個系統的可靠性。

另一種控制微型電廠輸出電壓和頻率的方法是使用基于STATCOM的設計方案。其中一種系統配置如圖5所示[7]。STATCOM將頻率控制器和輸出電壓幅值控制器的功能結合起來。

圖5 基于STATCOM調節電壓和頻率的方案

結果，就控制了從網絡消耗的電流的振幅。當無功負荷變化時，PI1形成信號m*，它與異步發電機輸出端Ua，Ub和Uc的電壓成正比，這個信號影響電壓和STATCOM消耗電流之間的相移。通過控制無功功率對無功負荷變化進行補償，使輸出電壓維持在設定的水平上。電感L作為一個濾波器，平滑STATCOM合成電流的脈沖。

STATCOM的控制系統可以與FACTS柔性系統相結合，也可以與異步發電機輸出并聯于整流器，消耗負荷急劇下降時產生的剩余有功功率[8]。