杨昕樵，黄 松，张海龙，冯宇鹏

(1.上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093；2.西安许继电力电子技术有限公司，陕西 西安 710075)

当前，风电与光伏等清洁能源带来经济与环境收益的同时，自身周期性与不稳定性的特点所带来的负面问题愈发显现，对电网造成了波动与冲击。并且由于电网潮流不均与消纳能力不足，导致了弃光弃风的现象[1]。抽水蓄能作为优良的调节电源，其削峰填谷能力是不稳定并网电源较好的配合手段。传统抽水蓄能机组使用同步发电机，由于转速固定导致水轮机磨损严重，功率调节慢且效率不高。新型抽水蓄能机组使用双馈感应电机(Doubly-Feed Inductor Generator，DFIG)，有转差范围内的调速能力，机组效率提高，水轮机磨损降低，且功率调节迅速，在我国抽水蓄能建设中逐渐受到关注。本文由主回路设计为基础，提出一种改进的可变速抽水蓄能机组矢量控制策略，实现不同工况与转速范围内的有功与无功功率控制。

1 主回路拓扑设计

针对一台300 MW双馈感应电机，本文结合工程与变流器容量设计的可行性，考虑当前商用的最大功率等级开关器件为4 500 V/3 000 A的电子注入增强晶体管IEGT，提出一种用于双馈感应电机励磁系统中的模块并联的背靠背电力电子变换器拓扑结构。其中所使用的双馈感应电机关键参数如表1所示。

表1 300 MW双馈感应电机参数

定义转差s如式(1)所示。

(1)

其中，ωr为转子绕组电压电流的角频率，ωs为定子绕组电压电流的角频率。同时定义ωm为转子轴上与电机机械轴角频率有关的折算角频率，双馈感应电机的角频率关系如式(2)所示。

ωr=ωs-ωm

(2)

根据双馈感应电机定转子功率关系式，可得出在设计最大转差s=-0.1时转子最大馈出有功功率Pr如式3所示。

(3)

由于网侧变流器不向电网提供无功，考虑损耗与裕量，即选取网侧变流器容量为28 MVA。

机侧变流器在提供有功通道的同时，还要为双馈感应电机提供励磁与无功电流。

(4)

其中，Ird1为机侧提供的励磁电流，Ird2为转子侧的无功电流，Q为定子最大无功输出值，这里选取150 Mvar，Irq为转子有功电流，Ur为转子绕组电压。

即可根据表1的电机参数计算出机侧变流器理论容量如式(5)所示。

(5)

考虑到裕量，选取机侧变流器容量为42 MVA。即可得到表2所示的背靠背变流器参数。

图1 可变速抽水蓄能机组主回路拓扑

表2 背靠背变流器参数表

同时设计可变速抽水蓄能组主回路拓扑如图1所示，构建网侧4模块并联，机侧6模块并联的背靠背变流器，其中单模块容量为7 MVA。图中同时标示出了滤波器、启动装置与换向开关等系统组成部分。电机轴转速由水轮机系统给定，抽水工况下，电机正转，发电工况下，电机反转。

2 控制模型与矢量控制策略

双馈感应电机在dq同步旋转坐标系下的模型方程如式(6)所示[2-4]。

(6)

其中，角标为s的是定子的电压磁链以及电流关系式，角标为r的是转子电压磁链与电流关系式。当控制采用电网电压定向的情况下，可简化方程组为

(7)

dq轴电压控制方程为

(8)

机侧控制器使用功率外环与电流内环控制策略，通过控制转子绕组为定子提供励磁，控制定子功率；网侧控制器使用母线电压外环与电流内环，用于稳定直流母线电压同时为背靠背变流器提供功率流动通道。

为了综合考虑上述电机反转与机组低电压穿越能力，提出一种双重控制电流内环，可以在电机轴反转时切换电流角频率的同时为电网电压跌落等异常工况时出现的电流负序分量作处理，如图2所示。

图2 单模块双重控制电流内环

当系统运行于抽水工况时，电流内环上部分作为正序分量，下半部分作为负序分量，此时负序分量的dq轴电流给定值应为0；当系统运行于发电工况时，应使图1中的定子侧ACB-ABC换向开关动作，同时下半部分作为正序分量，上半部分作为负序分量，同样使负序电流环dq轴电流给定值设为0。

机侧控制系统使用功率外环配合电流内环，外环输出量平均分配给6个电流内环，定子功率可由式(9)得出[5-7]。

(9)

网侧控制使用母线电压外环配合有功电流内环，同时使iq始终控制为0。

有功功率与无功功率计算没有相互耦合项，在使用闭环结构的PI控制器前提下可简化控制环节，功率外环结构如图3所示。

图3 功率外环

3 仿真实验

使用MATLAB/Simulink搭建如上主回路拓扑与控制环路。

图4 抽水工况功率控制图

图4与图5分别为可变速抽水蓄能机组在抽水工况下与发电工况下的功率响应仿真图，系统按照如下的流程运行，其中负功率为抽水工况，定子换相开关应与定子接触器同时动作。系统以如下流程运行。

0～0.2 s，系统待机，变流器闭锁，定子接触器保持断开。

0.2 s，变流器工作，直流母线电容充电，并对保持开放状态的定子励磁。

0.6 s，定子接触器动作，定子绕组并网。

0.8 s，执行功率控制器指令，无功设定0 MW，有功设定0.1 s从0～±300 MW的斜坡响应。

1.5 s，无功设定为100 MW。

2 s，有功功率设定0.1 s从±300 MW斜坡响应到±100 MW。

2.5 s，响应模拟水轮机的变速行为，转差从-0.1变化到0.1。

图5 发电工况功率控制图

由图4及图5可见，机组定子可以在0.4 s内完成启动励磁。电机稳定工作时，有功与无功功率波动均在5%以内，在功率指令变化时，机组功率可以迅速调节到指令值，且超调很小。有功与无功实现了良好的解耦控制。并且电机变速过程对机组的功率响应没有显著影响。

图6 并网电流的FFT分析

在300 MW满载发电工况下，对1.6～1.8 s期间的并网电流进行FFT分析，如图6所示。可见在稳态时，电网电流THD<5%，波形畸变小，满足设计要求。

4 结束语

设计了基于一台300 MW双馈感应电机的可变速抽水蓄能机组主回路拓扑，使用单模块7 MW的模块并联背靠背变流器，并基于矢量控制设计了可变速抽水蓄能机组功率解耦控制策略，使用基于双重控制的电流内环，实现了有功与无功功率的解耦控制。实际工程中，发电机并网需要考虑到当前电网的工作情况，在研究基础上，可研究三电平调制策略与环流抑制策略[8]，可针对电网的低频振荡研究可变速抽水蓄能机组的电力系统稳定器功能[9-12]，可研究机组的低电压穿越技术[13-16]，为工程应用提供了参考。