大型抽水蓄能变速机组交流励磁系统功率回路研究

大型抽水蓄能变速机组交流励磁系统功率回路研究
王舒;常玉红;周敏;唐侃;袁景
【摘要】For designing the ac-excitation system for large pumped-storage variable speed units,the topological structure of the main loop is analyzed and the three-level NPC converters are finally selected.The vector control strategy of the three-level NPC converters is also studied herein.A 5-MW power cabinet prototype is built by using the NPC three-level topology,and the correctness of the topological structure and vector control strategy is verified by power circuit test.This study has great significance on power unit design of the ac-excitation system of 200 MW large pumped-storage variable speed unit.%针对大型抽水蓄能变速机组交流励磁系统,对主回路拓扑结构进行了详细的对比分析,最终选用NPC三电平交直交结构.针对该拓扑结构,详细研究了其矢量控制策略.搭建一台5 MW的功率柜样机,采用NPC三电平拓扑,进行了功率回路测试,充分验证了拓扑结构和矢量控制策略的正确性.对200 MW大型变速抽蓄机组的交流励磁系统的功率单元设计具有重要的借鉴意义.
【期刊名称】《水力发电》
【年(卷),期】2018(044)004
【总页数】4页(P73-76)
【关键词】抽水蓄能;变速机组;交流励磁;功率回路
【作者】王舒;常玉红;周敏;唐侃;袁景
【作者单位】南瑞集团有限公司(国网电力科学研究院有限公司),江苏南京211106;国电南瑞科技股份有限公司,江苏南京211106;国网新源控股有限公司,北京100761;南瑞集团有限公司(国网电力科学研究院有限公司),江苏南京211106;国电南瑞科技股份有限公司,江苏南京211106;南瑞集团有限公司(国网电力科学研究院有限公司),江苏南京211106;国电南瑞科技股份有限公司,江苏南京211106;南瑞集团有限公司(国网电力科学研究院有限公司),江苏南京211106;国电南瑞科技股份有限公司,江苏南京211106
【正文语种】中文
【中图分类】TK73
0 引言
近年来，随着大功率器件与现代控制技术的发展，采用双馈机组来实现大容量抽水蓄能机组连续可变速运行的技术得到飞速发展，并逐步投入商业应用中。

自20世纪80年代开始，日本开始研究双馈电机交流励磁发电技术，在飞轮蓄能以及抽水蓄能电站的应用中取得成功。

日立与关西电力公司合作，在1987年投运了世界上首台22 MW交流励磁变速发电电动机，并于1993年投运了400 MW级的可变速抽水蓄能电站[1]。

东芝公司与东京电力公司合作研究，1990年投运了80 MW 的变速发电机组，并且研制成功300 MW级的变速机组[2]。

双馈发电机之所以具有超越传统同步发电机良好的调节性能、运行的灵活性及可靠性，除了其电气结构与传统同步发电机相比，有多相转子对称交流励磁外，关键在于拥有一套能充分发挥该电机运行特点的交流励磁系统[3]。

因此近年来针对双馈发电机交流励磁系统的研究倍受关注。

双馈电机转子励磁系统主回路通常采用双PWM背靠背形式的电压型变换器。

传统两电平变换器结构简单，在现有抽水蓄能
双馈机组交流励磁系统中有着广泛的应用。

但是其电平数偏低，高压大功率场合下存在串联均压难度大和开关损耗大等问题。

为了解决传统两电平变换器输出电流谐波大、单个模块耐压要求高、输出电压
du/dt大等问题，对二电平、三电平、级联等不同拓扑结构进行比较，选择适合大型抽水蓄能变速机组交流励磁装置的最优拓扑方案。

搭建了一台NPC三电平的5 MW功率柜样机进行了试验验证，对200 MW大型变速抽蓄机组的交流励磁系统的功率单元设计具有重要的借鉴意义。

1 交流励磁系统功率单元拓扑研究
应用于大功率场合的变频器拓扑主要有交交变频器和交直交变频器二大类，其中交直交拓扑可根据直流环节不同分为电流型和电压型两种[4]。

1.1 交交变频器
变频器每一相由二组三相晶闸管全控桥反并联而成，全控桥的输出接在每相绕组上。

三相电源输入端为公共交流母线，如图1所示。

由于晶闸管的耐压高、串并联技
术成熟，因此采用这种结构时电压等级可以做到很高，容量可以做到很大。

但由于晶闸管工作在工频状态，因此该拓扑最大输出频率不得超过电网频率的1/2。

控制性能方面，由于晶闸管工作在工频状态，使得该拓扑动态响应较慢，控制灵活度不高，输出谐波的含量较高。

随着全控型器件的飞速发展，目前交交变频器已逐步被淘汰，新建的抽蓄交流励磁电站中不再采用。

图1 输出星形连结的三相交交变换器电路
1.2 交直交变频器
交直交变频器由整流侧、直流侧和逆变侧组成。

交流励磁装置适宜采用电压型变频器。

电压型按电平数可分为两电平和多电平。

其中，多电平变频器中应用较多的是中点箝位型三电平和级联型多电平。

两电平变频器示意如图2所示。

受器件耐压限制，在不串联工况下，两电平变频
器输出电压受限，仅适应于中低压场合，中高压场合下必须通过器件的串联来实现。

由于器件串联应用时对各器件的静、动态均压要求严格，且模块式功率器件失效模式为开路，串联回路中一个器件的损坏必将影响整体运行，因此必须采用失效模式为短路的压接式器件。

图2 两电平变换器
1.3 级联式多电平变频器
级联式多电平变频器如图3所示。

由于级联多电平通过功率单元串联很容易实现
输出高电压，在中高压领域该结构被广泛应用。

如果整流端采用二极管不控整流模式，该拓扑结构不能应用于能量回馈场合。

如果整流侧采用全控型器件则可实现四象限运行，但每个功率单元都要独立控制，大大增加了整个系统的控制复杂性，因此在抽水蓄能交流励磁系统中不推荐使用。

图3 级联式多电平变频器结构示意
二极管箝位型三电平逆变器[5]，或称为NPC三电平逆变器，是级联式多电平变频器中应用最广泛的一种，如图4所示。

每一相由四个IGBT串联，一、三管占空比互补，二、四管占空比互补。

与二电平逆变器相比，相同功率器件下，输出电压为两电平的两倍，谐波含量低。

如果整流侧和逆变侧都采用NPC三电平结构，既提高了输出电压，又可以实现电路四象限运行。

图4 三电平中性点钳位型变换器
综上所述，针对大型抽水蓄能机组交流励磁系统，优先推荐交直交结构，采用电压型两电平或三电平结构。

由于网侧的谐波会污染电网，且电机侧产生的du/dt在
长电缆上传输会反射产生更高的du/dt，从而影响转子的绝缘。

因此大型抽水蓄能机组交流励磁装置推荐采用NPC三电平交直交结构。

2 NPC三电平拓扑的空间矢量控制
三电平NPC结构的拓扑图如图4所示[6]。

以其中A相电路为例，在开关管S1、
S2导通且S3、S4关断时，如果电流方向与ia相同，则A相的输出电压为
Ua=Udc/2；如果电流与ia反向，电流流过S1、S2的反并联二极管，则A相的
输出电压仍为Ua=Udc/2，此状态称为P状态。

同理，当开关管S2、S3导通且
S1、S4关断时，A相的输出电压为Ua=0，此状态称为O状态；当开关管S3、
S4导通且S1、S2关断时，A相的输出电压为Ua=-Udc/2，此状态称为N状态。

图5 三电平逆变器空间电压矢量分布示意
每相都对应P、O、N 3种状态，总共对应33=27种状态，对应27种空间电压矢量分布。

图5是NPC三电平逆变器的空间矢量分布图。

根据矢量幅值不同，可以将27个矢量分成大、中、小和零矢量，其中小矢量又可分成正、负小矢量。

图4中，可定义中点电流in方向：流出中点时，定义为正方向(in>0)，流入中点时，
定义为负方向(in<0)。

按图4所示方向，中点电流流出中点，对应小矢量定义为正小矢量；如果中点电流流入中点，对应小矢量定义为负小矢量。

NPC三电平逆变
器空间矢量分布如表1所示，Udc为母线电压。

表1 NPC三电平逆变器空间矢量分布矢量类型电压矢量幅值大矢量PNN，PPN，NPNNPP，NNP，PNP23Udc中矢量PON，OPN，NPONOP，ONP，
PNO33Udc小矢量正小矢量ONN，OON，NONNOO，NNO，ONO负小矢量POO，PPO，OPOOPP，OOP，POP13Udc零矢量PPP，OOO，NNN0
3 实验验证
为了验证三电平的控制策略，研制一台5 MW的功率柜样机，如图6所示。

采用
成熟的背靠背二极管嵌位型三电平拓扑和先进的IEGT元件，确保系统具有更大的容量和更低的电流谐波。

图6 应用于交流励磁系统的5 MW功率样柜
直流电压5 kV，交流输出线电压3.3 kV，开关频率900 Hz。

图7为系统拓扑图。

主回路采用双PWM控制四象限变流器，采用NPC三电平拓扑技术，输入输出谐
波小。

机柜采用高防护等级，配备加热、除湿设备，适用于交流励磁系统。

模块化设计，易于安装维护。

图8是功率单元满载时的输出波形，从图中可以看到，电压环和电流环控制性能
优良，A相电压电流相位正好差180°，这是由于程序中是以流向功率单元作为电
流的正方向，功率单元向电网发有功时电压电流正好反向。

图9是功率单元输出
线电压波形。

图8 5 MW有功输出的波形
图7 应用于交流励磁系统的三电平NPC背靠背拓扑
图9 功率单元输出线电压AB波形
变流器采用压装式IGBT(PPI，如图10所示)，相比于其他快速开关半导体元器件，PPI具有很多出众的性能：①安全可靠，不同于IGCT，由于PPI的内部特性，在
正常运行和故障情况下(包括短路)，都可以限制过电流产生，从而实现安全关断；②方便控制，通过较小的门极电流，简化驱动电路，降低损耗，提高了效率和可靠性；③双面冷却，等同于压装式可控硅，提高了电流等级，提高了功率密度，减少了元器件数目，提高了可靠性；④适合于串联连接，因为PPI在故障后保持短路，从而允许n+1的冗余，提高可用性。

图10 压接式IGBT内部结构
4 结论
本文针对大型抽水蓄能变速机组交流励磁系统，对主回路拓扑结构进行了详细的对比分析，最终选用中点钳位型三电平交直交结构。

针对NPC三电平拓扑结构，研究了空间矢量控制策略。

搭建一台5 MW的功率柜样机，采用NPC三电平拓扑结构，进行了功率回路测试，充分验证了拓扑结构和矢量控制策略的正确性。

对
200 MW大型变速抽蓄机组的交流励磁系统的功率单元设计具有重要的借鉴意义。

参考文献：
【相关文献】
[1] 桑原尚夫. 大河内电站400 MW变速抽水蓄能机组的设计及动态响应特性[J]. 水利水电快报, 1997(3): 1- 5.
[2] 张滇生, 陈涛, 李永兴, 等. 日本抽水蓄能电站在电网中的作用研究[J]. 电力技术, 2010, 19(1): 15- 19.
[3] PRONIN P, SHONIN O, VORONTSOV A, et al. A pumped storage power plant with double-fed induction machine and cascaded frequency converter[C] // European Conference on Power Electronics and Applications, 2011: 1- 9.
[4] 苗亚. 5MW三电平中压风电变流器关键技术研究[D]. 南京: 东南大学, 2016.
[5] 马一博. 三电平逆变器SVPWM控制策略研究[D]. 西安: 西安交通大学, 2008.
[6] 王舒, 苗亚, 袁景, 等. 偶次谐波消除的NPC逆变器矢量调制策略[J]. 电力电子技术, 2016, 50(7): 14- 17.。