基于靜止變頻裝置啟動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)組的建模及仿真

胡 靜，朱振飛，朱英英，張慧婷，鄒 寧，陸小冬

（1.國(guó)電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 210003；2.武漢工程大學(xué) 化工與制藥學(xué)院，湖北 武漢 430073）

隨著人類(lèi)社會(huì)對(duì)清潔能源的依賴(lài)程度不斷加深，常規(guī)燃煤火力發(fā)電受到能源、環(huán)境等因素的限制，燃?xì)廨啓C(jī)以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)在一些領(lǐng)域中逐漸代替常規(guī)火力發(fā)電.相比于機(jī)械式的燃?xì)廨啓C(jī)組的啟動(dòng)方式，靜止變頻器的軟啟動(dòng)功能可以盡可能平穩(wěn)地啟動(dòng)同步電機(jī)，而較小的啟動(dòng)電流對(duì)電網(wǎng)的擾動(dòng)不是很大.目前，利用晶閘管變頻器產(chǎn)生可變頻的交流電進(jìn)行電機(jī)調(diào)速，保證了大型燃?xì)廨啓C(jī)組的快速啟動(dòng)和穩(wěn)定運(yùn)行.

根據(jù)實(shí)際工程分析，SFC在啟動(dòng)同步電機(jī)時(shí)會(huì)產(chǎn)生較復(fù)雜的電磁暫態(tài)過(guò)程，通過(guò)建模仿真分析主電路設(shè)備的選型與合理設(shè)計(jì)［1］以及該過(guò)程對(duì)電網(wǎng)的影響，對(duì)其投入運(yùn)行后確保電力系統(tǒng)可靠運(yùn)行具有重要的意義.在分析SFC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作原理后，筆者利用PSCAD／EMTDC電磁暫態(tài)仿真軟件搭建SFC的仿真模型［2］，根據(jù)控制策略采用用戶自定義模塊設(shè)計(jì)出控制系統(tǒng).著重研究SFC運(yùn)行中的電磁暫態(tài)過(guò)程，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析，驗(yàn)證該SFC模型的正確性和控制策略的可行性.

1 SFC結(jié)構(gòu)

1.1 SFC的一次結(jié)構(gòu)

對(duì)于同步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)，目前的靜止變頻裝置主要采用半控型電力電子器件-晶閘管（SCR）.把交-直-交電流型變頻器與同步電機(jī)結(jié)合，利用負(fù)載反電動(dòng)勢(shì)來(lái)關(guān)斷逆變橋的晶閘管，使整個(gè)控制變得簡(jiǎn)單.

同時(shí)，一般變頻器采用六脈波整流橋，其線電流中含有6k±1（k=1，2，…）次的諧波.由變壓器二次側(cè)采用星形和三角形接法，使供電電壓相差30°的相角，2個(gè)6脈波的整流橋構(gòu)成12脈波，減少線路中的諧波分量.

SFC裝置由隔離變壓器、整流橋、平波電抗器和逆變橋組成［3］，如圖1所示.

1.2 轉(zhuǎn)子位置測(cè)量方法

為了使轉(zhuǎn)子獲得最大正向啟動(dòng)加速力矩，選擇應(yīng)該通電定子繞組的相位，從而確定該導(dǎo)通的橋臂.根據(jù)儀征電廠啟動(dòng)要求，通過(guò)盤(pán)車(chē)系統(tǒng)給予頻率高于0.15Hz的初始轉(zhuǎn)速.機(jī)端電壓的幅值足夠大，可以很精確地計(jì)算轉(zhuǎn)子位置.

如圖2所示，R和X分別為同步電機(jī)的電阻和電感，e″是定子繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，U是機(jī)側(cè)三相電壓.

圖1 SFC主電路結(jié)構(gòu)Figure 1 SFC main circuit

圖2 同步電機(jī)等效電路Figure 2 Synchronous motor equivalent circuit

通過(guò)PT，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)三相電壓波形UU，UV，UW.根據(jù)公式，得出定子繞組三相感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，并將三相坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為兩相坐標(biāo)系，即αβ坐標(biāo)系，α軸與定子U相磁場(chǎng)軸線相重合.U，V，W坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到α-β坐標(biāo)系的公式為

由轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)矢量關(guān)系，可以得出轉(zhuǎn)子位置角θ，即

式中 θ就是α軸和轉(zhuǎn)子之間的夾角.

通過(guò)轉(zhuǎn)子位置測(cè)量方法檢查到發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置角θ，來(lái)控制機(jī)側(cè)的觸發(fā)信號(hào).根據(jù)轉(zhuǎn)子角度測(cè)量波形，轉(zhuǎn)子位置是從0°～360°的周期型變化，其周期即為轉(zhuǎn)速頻率.角度參數(shù)Angle＿ref就是轉(zhuǎn)子軸線與U相軸的夾角.將電機(jī)定子內(nèi)的空間劃分為6個(gè)60°的扇形區(qū)，根據(jù)轉(zhuǎn)子位置角度確定此刻需要導(dǎo)通的機(jī)側(cè)橋臂，并觸發(fā)相應(yīng)晶閘管回路的脈沖.定子產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)作用于磁體轉(zhuǎn)子，發(fā)電機(jī)則通過(guò)轉(zhuǎn)子位置角獲得最大正向啟動(dòng)加速力矩.

1.3 SFC調(diào)速系統(tǒng)工作特性

此系統(tǒng)采用自控式變頻調(diào)速，輸出頻率由轉(zhuǎn)子位置信號(hào)進(jìn)行嚴(yán)格控制，使電動(dòng)機(jī)工作在自同步狀態(tài).根據(jù)同步電動(dòng)機(jī)的工作原理可以得出，其調(diào)速方式與直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速特性［4］十分相似，為n=調(diào)速方法有2種，即改變整流橋觸發(fā)角α和改變勵(lì)磁磁通Φ.

實(shí)際工程中，結(jié)合這2種方法的使用可以增加調(diào)速范圍.在基準(zhǔn)電壓以下，采用恒磁調(diào)壓的調(diào)速方法；基準(zhǔn)電壓以上，采用恒壓調(diào)磁的調(diào)速方法.

1.4 換相方法

通過(guò)轉(zhuǎn)子位置導(dǎo)通相應(yīng)橋臂的晶閘管，并按照一定規(guī)律進(jìn)行換相.然而晶閘管一旦開(kāi)通，門(mén)極控制就失去作用，關(guān)斷晶閘管必須遵守2個(gè)條件中的一個(gè)，即施加反向電壓和關(guān)斷晶閘管的供電電壓／電流源.

在啟動(dòng)的開(kāi)始階段，當(dāng)轉(zhuǎn)速低于額定值的10%時(shí)，電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)較低，不能夠關(guān)斷晶閘管，需要強(qiáng)制脈沖換相.根據(jù)晶閘管關(guān)斷條件，需要將直流側(cè)電流下降到0，整流橋的觸發(fā)控制超前90°，由整流轉(zhuǎn)換成逆變過(guò)程.與此同時(shí)，為了增大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，取超前換相角為0°.在控制策略上，只采用電流單閉環(huán)控制，電流閉環(huán)的電流給定值固定.

隨著機(jī)端電壓的不斷升高，逆變橋取超前換相角為60°，使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和脈動(dòng)分量都在較合理的數(shù)值范圍內(nèi).由于負(fù)載電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)足夠大，可以關(guān)斷晶閘管進(jìn)行自然換相.在控制策略上，采用轉(zhuǎn)速／電流雙閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng).

結(jié)合該文中采用的控制策略，包括電流環(huán)、轉(zhuǎn)速環(huán)的調(diào)節(jié)設(shè)置，如圖3所示，控制的目標(biāo)是整流橋和逆變橋的觸發(fā)脈沖角.

圖3 SFC控制結(jié)構(gòu)Figure 3 SFC control structure

網(wǎng)側(cè)整流器的功能是通過(guò)控制直流側(cè)電流的大小，以便達(dá)到控制電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的目的.整流器采用的是雙閉環(huán)PI控制，即內(nèi)環(huán)為電流閉環(huán)控制，外環(huán)是轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制.

逆變器控制系統(tǒng)主要是以轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)控制脈沖的生成，結(jié)合強(qiáng)制換相和自然換相的不同階段下的控制策略完成SFC的啟動(dòng)運(yùn)行.

PID調(diào)節(jié)方式可實(shí)現(xiàn)電流的精準(zhǔn)動(dòng)態(tài)控制，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性更高、響應(yīng)速度更快、性能更好［5］.

2 基于PSCAD建模與C語(yǔ)言的接口

PSCAD是電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)模擬研究的工程軟件工具，其優(yōu)點(diǎn)包括：圖形化實(shí)時(shí)模擬、參數(shù)調(diào)整及時(shí)運(yùn)行反饋、模塊研究?jī)?nèi)容等［6］.基于PSCAD仿真軟件的工程動(dòng)模設(shè)計(jì)，其流程如圖4所示.

圖4 工程設(shè)計(jì)流程Figure 4 Engineering design flow diagram

鑒于PSCAD軟件的模塊化優(yōu)點(diǎn)，將SFC的控制算法、檢測(cè)功能設(shè)計(jì)封裝進(jìn)行模塊化處理.驗(yàn)證模塊功能成功后，按照模塊的要求進(jìn)行C語(yǔ)言程序?qū)φ站帉?xiě).

PSCAD調(diào)用編譯好的C語(yǔ)言程序，存于PSCAD與用戶自定義模塊之間的接口銜接處［7］.PSCAD程序內(nèi)通過(guò)外部Fortran子程序啟動(dòng)和C語(yǔ)言之間的通訊，將兩者相互結(jié)合在一起.

3 PSCAD仿真實(shí)驗(yàn)波形

筆者采用PSCAD電機(jī)模型，以儀征電廠1臺(tái)容量為211.8MW·A的汽輪發(fā)電機(jī)為例.同步發(fā)電機(jī)的一次參數(shù)如表1所示，發(fā)電機(jī)的內(nèi)部實(shí)際參數(shù)如表2所示，按照此參數(shù)設(shè)定PSCAD電機(jī)模型［8］.其仿真實(shí)驗(yàn)波形如圖5～9所示.

發(fā)電機(jī)在燃機(jī)進(jìn)行盤(pán)車(chē)系統(tǒng)后，具有一定的初始轉(zhuǎn)速，測(cè)量機(jī)端的Ua，Ub，Uc三相電壓波形（圖5），采用轉(zhuǎn)子位置測(cè)量方法進(jìn)行計(jì)算，得出電機(jī)轉(zhuǎn)子位置角θ.

表1 同步發(fā)電機(jī)的一次參數(shù)Table 1 Primary parameters of synchronous generator

表2 211.8MW·A汽輪發(fā)電機(jī)參數(shù)Table 2 211.8MW·A gas turbine generator parameters

圖5 轉(zhuǎn)子位置角度波形Figure 5 Rotor position angle waveform

當(dāng)轉(zhuǎn)子位置角度確定后，SFC進(jìn)入電機(jī)啟動(dòng)狀態(tài).當(dāng)同步電機(jī)在較低轉(zhuǎn)速時(shí)（一般設(shè)定為額定轉(zhuǎn)速的10%），機(jī)端反電動(dòng)勢(shì)較低，需要進(jìn)行強(qiáng)制脈沖換相；當(dāng)機(jī)端電壓足夠高時(shí)，晶閘管利用機(jī)端反電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行自然換相.因此，在不同方式下控制策略不同，所產(chǎn)生的定子電壓、定子電流和直流側(cè)電流的波形都有所不同.強(qiáng)制脈沖換相和自然換相的仿真結(jié)果分別如圖6，7所示.

由圖6，7的機(jī)端電壓波形得出，超前換相角分別是0°和60°的位置時(shí)，在控制策略中實(shí)現(xiàn)了超前變換角變化的要求.圖6的直流側(cè)電流是脈沖換相時(shí)的波形，直流側(cè)電流下降到0，確保逆變橋晶閘管關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)換相條件.而圖7的直流側(cè)電流是自然換相時(shí)的波形，反電動(dòng)勢(shì)足夠大，可以關(guān)斷晶閘管進(jìn)行換相操作，不需要整流橋改變觸發(fā)角來(lái)調(diào)節(jié)直流側(cè)電流.

由圖6，7的定子側(cè)電流波形可以看出，在脈沖換相階段，機(jī)側(cè)電流由于直流側(cè)電流下降到0而進(jìn)行換相.為了確保直流側(cè)電流徹底為0，在時(shí)間t0后逆變橋再給觸發(fā)脈沖導(dǎo)通相應(yīng)橋臂.而在負(fù)載換相階段，逆變橋進(jìn)入了自然換相過(guò)程.相鄰換相的晶閘管之間，一方由于短路電流的增大而減小一個(gè)繞組的電流；另一方直流側(cè)電流的存在繼續(xù)在新導(dǎo)通晶閘管內(nèi)續(xù)流.經(jīng)過(guò)換相之后，定子繞組中只存在2個(gè)繞組導(dǎo)通的情況.

圖6 脈沖換相時(shí)的電壓、電流波形Figure 6 Voltage and current waveforms of pulse commutation

圖7 負(fù)載換相時(shí)的電壓、電流波形Figure 7 Voltage and current waveforms of load commutation

圖8 切換點(diǎn)時(shí)的電壓、電流波形Figure 8 Voltage and current waveforms of control switching points

控制算法中切換依據(jù)是設(shè)定轉(zhuǎn)速頻率達(dá)到5Hz，觀測(cè)在切換點(diǎn)時(shí)的電壓、電流波形（圖8）.從波形中可以看出，脈沖換相到負(fù)載換相的切換點(diǎn)處，機(jī)端電流能夠可靠穩(wěn)定地進(jìn)行過(guò)渡，未出現(xiàn)很大的波動(dòng).

根據(jù)PSCAD仿真調(diào)節(jié)電機(jī)模型，實(shí)測(cè)其速度曲線（圖9）.

圖9 電機(jī)轉(zhuǎn)速波形Figure 9 Motor speed waveform

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)仿真結(jié)果分析，基于PSCAD仿真軟件的控制策略能夠很好地實(shí)現(xiàn)SFC啟動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)的過(guò)程.在脈沖換相、脈沖換相-負(fù)載換相的過(guò)渡及負(fù)載換相控制時(shí)，直流側(cè)電流、電機(jī)輸出的定子電壓、定子電流與實(shí)際過(guò)程的情況一致，轉(zhuǎn)速波形表明電機(jī)的啟動(dòng)過(guò)程能夠平穩(wěn)進(jìn)行.同時(shí)，鑒于PSCAD和C語(yǔ)言接口完成自定義模塊設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)正確，可以實(shí)現(xiàn)在自主平臺(tái)上的開(kāi)發(fā)研究工作.

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