发电机励磁

抽水蓄能变速机组励磁系统关键技术综述

吕鑫昌，田侃，李伟

(国网新源控股有限公司技术中心，北京　100161)

【摘　要】　与传统同步电机相比，具有恒频异步特性的抽水蓄能变速机组具有诸多技术优势，发展前景十分广阔。目前，已有许多国家进行了抽水蓄能变速机组的研究，并取得了很大的进展。本文首先阐述了抽水蓄能变速机组的原理，继而从变频器变频方式、功率元件、励磁系统容量和转速调节范围、谐波分析和抑制等方面，综述了抽水蓄能变速机组励磁系统关键技术，最后介绍了抽水蓄能变速机组控制策略。本文对我国发展抽水蓄能变速机组技术，具有一定的参考意义。

【关键词】　抽水蓄能;变速机组;励磁系统;关键技术;控制策略

0　引言

随着经济与社会的发展，电力负荷迅速增长，峰谷差不断加大，同时用户对电力供应的安全和质量要求也越来越高。作为一种特殊的电源形式，抽水蓄能电站可以有效地实现电网调峰填谷、紧急事故备用、调频、调相、黑启动等功能，对电网的安全稳定运行具有重要意义[1-2]。

传统的抽水蓄能机组通常釆用同步电机，系统正常运行时，机组只能在额定转速下运行。近年来，为了改善机组运行工况，可变速抽水蓄能电站机组逐渐兴起。抽水蓄能变速机组的变速方式大致分为两种:一种是分档调速，包括变极变速和双转子双定子变速等，由于转速不能连续调节，已逐渐淘汰;另一种是连续调速，包括定子侧全功率变频和转子侧变频[3]，定子侧变频需要励磁系统容量与发电机容量相当，造价较高，近来发展较快的是转子侧变频。与传统同步电机相比，具有恒频异步特性的抽水蓄能变速机组具有诸多技术优势，如水泵工况下提供频率自动控制容量，适应更宽水头范围，提高水泵水轮机运行效率，实现有功功率的高速调节，提高机组运行稳定性，水泵工况下可实现自启动等[4]，发展前景十分广阔。目前，已有许多国家进行了抽水蓄能变速机组的研究，并取得了很大的进展。在日本、德国等国家已有新建或改建的抽水蓄能电站使用变速机组，积累了大量的运行经验[4-8]。在我国，尚未有连续可调抽水蓄能变速机组。

1　抽水蓄能变速机组原理

抽水蓄能变速机组原理与常规定速机组类似，两者的区别表现在励磁系统。常规定速电机的励磁电流频率是由电机的转速来决定的，不可调节，可变速机组的优势在于电机转子侧接有变频装置的励磁电源，励磁电流频率、相位及幅值均可调节，通过调节和控制转子电流来实现定子侧功率的恒定输出，其原理结构见图1[9]。

图1中，n1为同步转速，n2为转子磁场相对于转子的速度，nm为转子的机械速度。

式中:p为转子极对数;f2为转子励磁电流频率，通过变频装置调节f2可达到调节nm的目的。

2　抽水蓄能变速机组励磁系统关键技术

抽水蓄能变速机组与常规定速机组区别在励磁系统，抽水蓄能变速机组励磁系统通常由电力电子器件构成的变频装置实现，该励磁系统应具备容量大、快速电流控制、过电压抑制、机组的平稳启动、较小的高次谐波、高可靠性等性能，是抽水蓄能变速机组研发的重点。其变频器变频方式、功率元件类型、励磁系统容量和转速调节范围、谐波控制等，是抽水蓄能变速机组励磁系统关键技术。

2.1　变频器变频方式

抽水蓄能变速机组励磁装置按变频方式分主要有交交变频和交直交变频两种方式，具体选择哪类变频器应考虑多种条件才能决定。如电网的无功状况、电网的稳定性状况、电网对高次谐波的限制、机组造价、发电电动机在制造工艺上、安装空间上的限制等[10]。

2.1.1　交交变频器

交交变频器采用晶闸管器件将工频电流转变为数赫兹的交流电流。交交变频器可分为电流型与电压型。电流型交交变频器在输出侧采用电抗器将输出电流强制变为矩形波(或阶梯波)并缓冲负载的无功能量;电压型交交变频器输出端直接接负载，由于供电电源的低阻抗使其具有电压源性质，负载的无功能量直接来自电源[11]。其中，电流型交交变频器输出矩形波电流谐波太大，不适用于抽水蓄能变速机组[12]。

日本大河内可变速机组即采用交交变频器。机组容量为395MVA，励磁容量为72MVA，装置于1995年投入运行[13]。

交交变频方式具有易于大容量化、器件少、可靠性高等优点。但这类变频器频率只能整数倍减小，无法实现频率的大范围连续调节，且受晶闸管关断时间的限制，响应速度较交直交方式要低。随着晶闸管单体耐压水平和通流能力的提高，有望减少这类变频器每个阀臂的器件串并联数目，更利于实现大容量和提高装置的可靠性[10]。

2.1.2　交直交变频器

交直交变频器基于全控功率元件实现，系统交流电源通过整流回路变为直流，直流母线通过过电压斩波电路、平波电容连接到低频交流逆变回路。另外，变频电路中还包括控制、保护必须的测量回路及断路器、限流器等元件[10]。

交直交变频器采用PWM技术可以得到非常好的输出波形，其电路结构、输出频率等在不少场合与交交变频器比起来有优势[14]。且这种全控型变频器可以实现功率的反送，为系统提供动态无功，支持电网的电压稳定控制。

交直交变频器励磁系统已在日本奥清津二期发电厂成功运行[15]。随着容量大、损耗小、频率高的电力电子器件的进一步发展，这类励磁方式取得了越来越广泛的应用，有取代交交变频器的趋势。

2.2　功率元件类型

目前世界上抽水蓄能电站采用转子侧变频调速的机组最多的是日本，其变频器功率元件经历了从可控硅(CYC)到门极可关断晶闸管(GTO)或换流晶闸管(GCT)，再到电子注入增强型晶闸管(IEGT)的发展阶段。目前，日本东芝公司等已经有了应用IEGT功率元件的抽水蓄能变速机组。采用GTO与IEGT的变频器，其AC/DC转换器可以控制电源功率因数近似为1，因此可以减少发电电动机和电源变压器的容量，也可以不需要谐波滤波器。但当电力系统发生故障时，定子绕组会流过三相不平衡电流或大的故障电流，同时在转子绕组中感应出高电压或大电流。这些高电压或大电流会对转子绕组、逆变器等造成严重损害，需要装设过电压保护装置，以确保系统安全可靠。IEGT开关频率、通态压降均高于GTO，虽然单管容量小于GTO，但其安全工作区宽，在电力电子设备中应用时，可使驱动电路、缓冲电路得到简化，从而提高整个电力电子设备的效率，并且设备尺寸较小，较适用于抽水蓄能电站空间有限的地下厂房[16]。此外，还有ABB公司采用的集成门极换流晶闸管(IGCT)技术，具有高速开关、高阻断电压、低导通损耗、高可靠性、结构紧凑等特性，同样具有广阔的应用前景。

我国在交流励磁基础功率元件的研发方面起步较晚，理论水平和工程经验与国外公司有较大差距。因此，有观点认为如果我国的交流励磁变频器技术向交直交变频发展会受到全控功率元件的限制，缺乏竞争优势，而交交变频无论是从技术成熟角度还是经济角度考虑，都仍然存在较大的优势。可以先积累经验，待IEGT或IGCT等功率元件实现国产化以后，再发展交直交变频技术[17]。

2.3　励磁系统容量和转速调节范围

对于传统同步发电电动机，励磁容量取决于负载励磁电流和励磁电压(取决于转子电阻);对于变速交流励磁发电电动机，转子变频器向电网输出或馈入功率，通过计算，其变频容量与定子工频输出容量的比值等于转速变化范围与同步转速之比，即转差率s。机组容量确定的情况下，调速范围越宽，转差率s越大，转子交流励磁电源的容量越大，且成正比增加[18-19]。变速机组性能上的优越性(即转子转速在一定范围内可调)是依靠交流励磁电源的容量和成本增加来实现的。在定子输出容量中，有一部分来源于转子交流励磁电源，其比值与转差率s成正比。依据水轮机的最优运行特性和水头变化范围，确定抽水蓄能变速机组的转速调节范围，从而确定交流励磁电源的容量。文献[20]中提到，对于速度调节范围约为10%的机组，其交流变频装置所需的容量为发电电动机容量的20%～30%，此时机组的输入功率调节范围可达30%。

2.4　谐波控制

对于相控方式下工作的交交变频器，其输出电压中富含谐波，其中的低频谐波特性相当恶劣[21]。故交交变频器用于交流励磁发电系统时必须实行有效的谐波抑制。研究表明，有环流模式谐的波影响比无环流模式有所改善;12脉波变频器比6脉波变频器有明显的优势，适用于交流励磁变速电机较广的工况范围;通过减少死区时间，可以减少交交变频器引起的谐波;另外，适当选择转子边外接电抗对削弱并网运行的谐波也有一定作用[22]。

而应用PWM调制技术(主要是固定载波型)的交—直—交变频器，其作为变速机组励磁电源最突出的优点在于输出低频谐波特性优异。交—直—交变频器输出电压谐波表现为一系列以整数倍载波频率为中心的谐波群，谐波群中心频率处的谐波分量幅值很高，基本上决定于直流环节电压幅值而与调制比关系甚小。随着调制比减小，各谐波群逐渐向两边分散，反之则向中心集中[23-24]。另外，交—直—交变频器输出电压谐波的各种低频分量幅值会自然地衰减至零，从而可以认为不含次谐波分量，而且这种特性与调制比无关，这是交—直—交变频器明显优越于交交变频器之处。由于载波频率谐波为高次谐波，可以方便地采用无源滤波器滤除，较好地保证变速机组输出电能的质量[12]。

另外，文献[24]中研究表明，对于固定载波型PWM中常用的正弦脉宽调制(SPWM)与空间电压矢量脉宽调制(SVPWM)两种调制方案相比时，在载波的一倍频处SVPWM的谐波电压明显较SPWM小而分散，在定子端得到的谐波电流值也相应较小;在载波的二倍频处，两者相差无几。在交流励磁发电机输出电力谐波抑制中，最重要的是对靠近基波处谐波的抑制，鉴于这一点，SVPWM方案更具优势。

3　抽水蓄能变速机组控制策略

3.1　控制策略类型

现有的交流励磁发电机励磁控制策略大体可分为三类[14]:一是双通道多变量反馈励磁控制系统;二是建立在电机多标量模型基础上的多标量励磁控制系统;三是基于异步电机变频调速矢量控制的矢量励磁控制系统。这三类励磁控制策略都是根据交流励磁发电机在同步旋转轴系下定子的有功、无功分别只与转子励磁电流的d轴、q轴分量有关推出的，前两类只是近似解耦，控制系统复杂而且数学模型不准确;第三类矢量控制技术可以实现稳态下有功、无功的充分解耦，提高交流电机控制系统的性能。

矢量控制技术是在电机交流调速的应用中发展起来的，其基本思路是利用d-q旋转坐标变换，将定子三相电流分解为直轴励磁电流和交轴励磁电流，在调速过程中保持直轴励磁电流不变，即磁通不变，此时就可以模拟直流电机的转矩控制规律，通过控制交轴励磁电流来控制电磁转矩。交流励磁变速恒频发电系统一般取定子磁链矢量方向为同步坐标系d轴，则定子电压矢量将落在超前d轴90°的q轴上，这样可以简化同步坐标系下的交流励磁电机的数学模型，从而得到矢量控制所需的控制方程[25]。

本文主要对交直交变频器的控制策略进行介绍。

3.2　网侧变频器控制策略

抽水、发电、自启动、电气制动、调相等各工况，网侧变频器在交直交变频拓扑中的作用都是维持直流电压稳定，因此网侧采用直流电压外环，电流内环的控制策略[8，26]，其控制原理图见图2。

3.3　转子侧变频器控制策略

3.3.1　发电、抽水、调相工况的控制策略[27]

发电工况运行是通过水轮机带动电机旋转，当转速接近同步转速时开始同期控制;抽水工况运行是通过启动装置(背靠背、SFC、自启动等)启动电机，当接近同步转速时开始同期控制。两种工况下从同期到稳定运行只是电流(功率)流向不同，原理和控制策略一致，即在同期并网的过程中，采取定子电压外环，转子电流内环的控制策略;当并网以后，抽水工况下的定子电压与电网一致，切换为功率外环电流内环的控制方式。发电方式仍然保持电压外环电流内环，目的是为了维持电网电压的额定值。在抽水或者发电过程中的调相运行是在抽水或者发电时同时吸收或发出无功功率，在控制上仅仅是改变了有功和无功给定值。

3.3.2　自启动、电气制动工况的控制策略[27]

自启动或电气制动工况都是把定子短接，在转子上施加幅值和频率都变化的电压，与感应电机的原理类似(感应电机是转子短接，定子施加电压)。此时按照变压变频(VVVF)的控制方式。

感应电机的定子反电势方程为

式中:E1为定子反电势，f1为定子频率;Φm为每极气隙磁通量;N1 kw1为定子相绕组等效匝数，电机一定时为定值。

为了保证电机铁芯不饱和并且充分利用，在调节定子电压时要同时调节供电频率，确保反电势幅值E1和频率之比f1为常量。

机端电压方程(电动机参考方向)为

在转速较高时，机端电压和电动势较大，定子电阻上压降I1 R1可以忽略。但是在转速较低时，机端电压和电动势都比较小，I1 R1就不能忽略，必须把电机定子机端电压适当提升，以补偿定子电阻上的压降。

相比国内目前的定速机组的混合制动方式，可以通过能量回馈的方式加速停机，减小功率损耗，以提高效率。

4　结语

在抽水蓄能电站中应用变速机组在日本、欧美等发达国家已逐渐成为发展趋势，但在我国还没有得到实际应用。抽水蓄能变速机组技术的实现，关键在于其励磁系统变频器技术及控制策略的研发，从本质上讲是电力电子换流技术及控制技术的应用。因此，未来该领域的技术发展重点将是变频器中新器件、新拓扑的应用与协调控制，以期打破国外技术垄断，使抽水蓄能变速机组在我国未来电网中更好地发挥作用。

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作者简介:

吕鑫昌(1987—　)，男，山东淄博人，硕士，工程师，主要研究方向为抽水蓄能电站发电电动机相关技术。E-mail:lxch007@qq.com

田侃(1981—　)，男，湖北武汉人，硕士，高级工程师，主要研究方向为水电站电气一次相关技术。E-mail:27633261@qq.com

李伟(1978—　)，男，湖北汉川人，博士，工程师，主要研究方向为抽水蓄能电站电气二次相关技术。E-mail:8807214@qq.com