袁江伟，李璟延,施一峰，闫 伟，刘 腾，丁 勇，石祥建

(1.南京南瑞继保电气有限公司，江苏南京211102；2.国网新源控股有限公司，北京100761)

20世纪60年代开始，国内外水电行业就开始了变速抽水蓄能机组的研究及试验工作，欧洲、日本在这方面研究成果卓著。其中，日本是应用连续可变速交流励磁蓄能机组最早且最多的国家，占目前全世界可变速机组总容量的76.26%，其次是德国，占18.33%[1]。我国目前还没有可变速交流励磁蓄能机组的工程应用，对交流励磁技术的研究多是理论研究，工程化技术研究较少[2]。国网新源控股有限公司已于2014年完成可变速抽水蓄能机组技术可行性研究，以河北丰宁抽水蓄能电站二期工程为目标电站，对装设变速机组进行了初步设计。工业和信息化部提出的电力装备发展的5个重点方向中的可再生能源装备方向就包括“15 MW及以上可变速抽水蓄能机组”的内容。从我国电网发展的需要，以及抽水蓄能机组建设布局达到一定水平后，辅以适当变速蓄能机组，将会大大提高电网安全稳定水平和调节能力。

本文针对三电平交流励磁系统，给出了主回路滤波器及平波电容的设计方法，并利用所设计的动模平台，验证了本文设计方法的可行性。

1 交流励磁系统原理

交流励磁调速的发电电动机具有相对于转子旋转的励磁磁场，有功功率、转速及无功功率由三相循环变频器控制，由变频器控制单元经滑环送到转子的三相交流绕组。这类可变速发电电动机在结构上类似异步电机，而在电气上类似常规的同步电机。

可变速机为圆筒式转子，与三相线圈感应电动机相似，其三相分布式线圈镶嵌在圆筒转子铁心线槽内，在三相分布的转子磁极线圈中通入交流励磁电流，在转子上形成一个相对于转子旋转的磁场。转子磁场转速No与转子机械转速Nm的关系如下

No=Nm+Ne

式中，Ne为由交流励磁产生的转子磁场相对于转子的转速，与Nm的转向相同的为正，相反的为负[3]。

定速同步机组转子为直流励磁，转子磁场与转子相对静止，即Ne=0，转子机械转速与转子磁场转速相等(No=Nm)。而可变速机组转子磁极采用交流励磁，Ne不再为0，改变励磁电流频率和相位，形成一个转速大小和方向均可变的交流磁场，使此磁场和机组机械转动磁场之和为50 Hz，当机组抽水或发电时，电源均为50 Hz，而机组转速是可变的，从而实现对转子机械转速的控制。交流励磁系统原理见图1。

图1 交流励磁系统原理

2 交流励磁动模系统主回路设计

2.1 整体设计

交流励磁动模系统包括励磁变压器、机组平台、功率支路、测速光编、拖动变频器等。ACEX系统主接线见图2。其中，励磁变压器作为交流励磁功率桥输入电源，需要根据变速机组的参数、转差率等来设计容量。

励磁变单卷容量按照满足变速机组励磁容量来设计。变速机组的转子电压和转子电流与变速机组工况有关。通常，转差率越小，转子电压越小；同时，转差率越小，变速机组功率输出越大，转子电流越大。计算转子励磁容量需要发电机厂家提供不同转速-功率下的转子电压和转子电流。

机组平台需要能够模拟交流励磁机组的发电、电动运行工况。因此，采用1台绕线式电机和1台异步电动机同轴连接作为机组平台，绕线式异步电机作为双馈电机，异步电动机可为绕线式电机提供动力，模拟水轮机的作用，变频器用来拖动异步电动机。双馈电机的转子轴安装有光电编码器，用于测量转子转速及位置。

图2 ACEX系统主接线

变速机组电机转子由“背靠背”连接的电压型PWM变流器(分别称为机侧变流器和网侧变流器)进行励磁，PWM变流器向转子绕组馈入所需的励磁电流，实现有功和无功的调节。其中，网侧变流器经励磁变接电网。为满足并网电流质量和谐波要求，需设计LCL滤波器对三电平变频器产生的高频谐波进行滤除，LCL滤波器的设计对系统性能十分重要。直流侧平波电容作为整流桥和逆变桥的连接桥梁，解耦了整流和逆变的控制，对稳定直流电压，支撑系统运行具有重要作用。

2.2 网侧滤波器设计

在大功率并网系统的应用场合下，为降低开关管和系统的功率损耗，一般开关频率都较低，若采用传统的单电感滤波器，其感值需要很大，体积笨重，价格昂贵，控制响应速度较慢，不适用于大功率低开关频率场合[4]。LCL滤波器克服了单电感的不足之处，在低开关频率场合，滤波电感值可以选择的较小，滤波效果好，降低了系统的体积与损耗，提高了系统的动态响应速度[5]。但是，由于系统的阻尼较小，LCL滤波器也存在自身的谐振特性，可通过在滤波回路串入电阻的无源阻尼的方法来抑制LCL滤波器的谐振特性。LCL滤波器是1个三阶的滤波系统，由电网侧电感Lg，滤波电容Cf，桥臂侧电感L组成。网侧LCL滤波电路结构见图3。图中，R为功率电阻，用于抑制三阶LCL滤波器的谐振尖峰，icf为电容支路电流，V2为电网侧电压，i2为电网侧电流，V1为功率桥臂侧电压，i1为功率桥侧电流。

图3 网侧LCL滤波电路结构

2.2.1 电容Cf参数设计

2.2.2 电网侧总电感量的设计上限

电感上限值决定了变流器发送无功的能力。低频情况下，LCL滤波器可等效为一个“L”形滤波器，且网侧等效的总电感LT=L+Lg。LT的设计限制在于必须保证桥臂侧交流电压V1足够大，确保网侧变流器对有功、无功的四象限调节。网侧变流器稳态运行时的相量见图4。图中，V2为网侧电压矢量；V1为PWM变流器交流侧电压矢量；VL为电感上的压降；IL为流过电感的电流。

图4 网侧变流器稳态运行时的相量

变流器运行于四个不同象限分别代表不同的功率特性。当|V2|不变，且|I2|一定的条件下，通过控制VSR交流侧电压V1的幅值、相角，即可实现变流器的四象限运行，且矢量V1端点轨迹是以|VL|为半径的圆，由于|VL|=ωL|I2|，其中，ω为网侧电压角频率，因此变流器交流侧稳态矢量关系体现了对其交流电感LT的约束，即

式中，M为调制比，采用SVPWM，取M=0.9时，电机输出单位功率因数，且有功功率达到额定值；V2m为电网侧相电压峰值，取65.3 V(电网侧线电压有效值取80 V)；Im为相电流峰值，取30 A；Vdc为直流母线电压。取400 V。则LT≤15.0 mH。

2.2.3 桥侧电感L的设计上限

对三电平电路来说，考虑电流跟踪能力设计桥侧电感。考虑A相电流过零时一个开关周期Ts电流变化过程。高频下三电平整流器的A相桥臂电压方程为

式中，L为桥侧电感值；ea为a相电压源电压；ia为a相电压源电流；Sxp(x=a,b,c)为整流桥正3个桥臂的开通函数，1开通，0为关闭；Sxn(x=a,b,c)为整流桥负3个桥臂的开通函数，1开通，0为关闭。

2.2.4 谐振频率及阻尼电阻设计

LCL滤波器的波特图见图5。从图5可知，LCL(实线)谐振频率fres=584 Hz，高频处-60 dB衰减，具有很好的低通特性，因为阻尼电阻的引入，在谐振频率处滤波器依然收敛(虚线)。

图5 LCL滤波器波特图

2.2.5 模型仿真

根据计算出的LCL滤波器参数，代入仿真模型，网桥滤波器前后电流波形见图6。图6上半幅波形是网侧的并网电流，下半幅波形是整流桥侧电流。因为滤波器的引入，并网电流有了极大地改善，满足了并网条件。

图6 滤波器效果仿真

2.3 平波电容设计

对“背靠背”结构的变频器拓扑结构而言，直流母线电容器主要起到在网侧变流器和转子侧变流器之间进行能量缓冲的作用，考虑从抗扰性能指标方面对支撑电容进行设计。直流侧电容过小时不利于转子侧控制系统对电网电压波动的抑制能力。

2.3.1 网侧变流器的抗扰性能

网侧变流器的抗扰性能主要考虑在电网正常情况下，网侧变流器对抗直流负载的扰动能力，考虑严重工况即负载从0到满载的阶跃响应情况，额定负载按电机转子侧额定功率计算。电容抗扰特性设计的目的是负载发生阶跃扰动时，电容电压的变化不应太大，即电容不能过小。

转子负载功率阶跃增加，网侧变流器采用PI调节，此时积分项饱和，电流环给定为最大电流允许值。由于实际电流无法突变，将渐变过程描述为

式中，Idm为网侧电流的限幅值。

网侧变流器直流电压在负载扰动过程中，网侧变流器直流侧动态等效电路见图7。对电路列举电压方程并求解，可得转子电路有功功率阶跃时，直流电压时域表达式为

Vdc(t)=Vdc1(t)+Vdc2(t)=kdRLe(t-τd)+

式中，RLe为负载电阻；Vdc为初始电容电压；Ti为电流环等效时间常数；τd为直流负载侧时间常数，τd=RLeC。

图7 动态等效电路

令转子侧额定功率为Pm，并且考虑转子功率从-Pm阶跃增加到Pm，即转子功率阶跃变化量为2Pm这一严重工况时，求电压跌落幅值。整理得到直流电容选取的下限约束条件为

动模系统中，可取Ti=0.8 ms，Pm=10 kW(转子侧额定功率)，Vdc=400 V，Vdc的下降最大幅度为10%，则C>417 uF。

2.3.2 电网故障对直流侧电容的影响

考虑三相故障，并且从转子侧有功波动对直流电压的影响这一方面来考虑直流电容的设计。电网电压跌落时候，转子侧功率除出现稳态的增大和减小外，还有工频交流脉动量，转子功率脉动量的最大值为

式中，ωs位定子角频率；ωr为转子角频率；Irm为转子电流幅值；ΔVs为定子电压跌落量。则转子侧有功功率脉动量导致的直流电压波动为

图8 并网试验波形

图9 有功阶跃试验波形

为了满足不同条件下所允许的直流电压脉动量，则

故直流电压脉动量一定情况下，支撑电容与双馈电机的转速成正比，取ωr=1.3ωs，此时电网电压跌落时所需要的直流母线支撑电容最大，即

3 试验验证

根据上文的思路和参数，设计了一套动模试验系统，与控制保护系统可形成完整的闭环。该系统可模拟交流励磁的正常运行及各种工况下的运行特性，开展交流励磁系统的控制、保护策略的研究，对掌握交流励磁的控制特性，大功率样机的研发等具有指导意义。利用动模平台进行发电方向并网试验，并网波形见图8。在并网令发出后，交流励磁系统瞬间完成了并网，定子冲击电流2.4 A，转子励磁电流平滑，系统工作正常。

为验证电容对系统极限工作状态的支撑作用，对系统进行有功阶跃试验，有功阶跃波形见图9。有功阶跃25 kW，此时功率支路直流电压由400 V跌落至388 V，跌幅3%，能可靠支撑系统工作，在外部环境较恶劣的情况下也能保障系统的响应特性。

4 结 语

本文基于交流励磁的特性设计了一套交流励磁动模系统，并针对影响系统运行性能的网侧滤波器和直流平波电容进行了深入分析。经过仿真及试验验证，本文设计的交流励磁动模系统并网顺利，电流冲击小，谐波含量低，在系统面对负载阶跃等恶劣情况时，仍能正常工作，及时响应，为接下来的大功率样机及工程应用提供技术支撑。