小功率水电站变速恒频控制系统研究

胡兴洋，韩鸿凌，陈 堃，张隆恩，叶庞琪，张浏亮

（1.国网湖北省电力有限公司电力科学研究，湖北 武汉 430077；2. 国网湖北省电力有限公司中超建设管理公司，湖北 武汉 430022；3.湖北方源东力电力科学研究有限公司，湖北 武汉 430077）

0 引言

我国的电力能源仍以煤炭为主，煤炭的大规模燃烧，引发温室气体排放、空气污染、酸雨等一系列环境污染问题［1］。水电是当今世界公认的可再生、绿色清洁能源［2］，各项指标不仅远远优于传统化石能源和核能，也远优于风能和太阳能等各种新能源，其中小水电各项指标又优于中大型水电［3］。20世纪80年代，在国家政策的扶持下，各地方开始自主建设小水电，规划配套电网，逐渐形成40多个区域电网，600多个县以小水电供电为主［4］。进入新世纪后，小水电从解决山区农村无电用问题逐步转向提高农村电气化发展水平、加快贫困地区脱贫致富步伐、带动山区农村经济发展、积极保护生态环境，逐步形成了以林蓄水、以水发电、以电养林的生态循环模式，有效保护了当地森林资源不被破坏。

传统的水力发电控制系统中，一般通过调速器来控制水轮机转速来控制发电机三相电压频率，以及通过励磁装置调节励磁电流，控制交流侧三相电压幅值，再通过专用的相位检测装置，来检测发电机输出电压和电网电压相位，进而实现同期并网发电。控制系统复杂，成本高，而且并网运行时，水轮机固定运行在额定转速，当水流量低时，无法发挥水轮机组最大效率［5］，造成水资源浪费，若强行修渠引水发电，又会破坏河流生态，甚至影响周边生产和居民生活［6］，因此提高小水电低流量下发电量成为小水电进一步发展亟待解决的问题。

针对上述问题，本文将双PWM变流器［7-10］应用于水力发电并网控制系统中，将并网过程和发电机传输功率过程分离开来，两者通过高压直流母线连接，来实现变速恒频水力发电［11］。控制系统分为网侧系统和机侧系统，网侧系统控制直流母线电压，通过锁相环技术检测电网相位，采用SVPWM算法，实现并网发电和无功补偿功能；机侧系统控制发电机转速，跟踪水轮机最大功率输出，将水流冲击产生的能量以最大效率传递到直流母线上，提高发电量，两个系统彼此独立，而又紧密联系。仿真及实验表明该系统能有效实现水力并网发电和无功补偿，同时还具有成本低、结构简单、维护方便等优点，适合农村、山林、湿地等环境恶劣但水资源丰富的地方发电上网。

1 系统的结构与原理

整个控制系统主要包括水轮机、永磁同步发电机、背靠背双PWM 变流器等结构，如图1 所示。其中，水轮机与同步发电机同轴相连，为发电机提供驱动转矩［12］，经过SVPWM 变流器将机侧的三相交流电能转化为母线直流电能，网侧系统稳定直流母线电压，再经过一个SVPWM变流器将直流电能转化为符合入网规范的三相交流电能并入电网。

图1 水电并网控制系统Fig.1 Hydropower grid-connected control system

系统的控制结构如图1 所示，包括网侧和机侧两个部分，其工作原理和控制过程分别如下：

网侧以直流母线电压为控制对象，采用电压电流双闭环的控制策略，电压环用于控制变流器直流母线电压，电流环用于实现有功、无功分解控制。将电压给定值Vdc*与电压采集值Vdc的差值传入电压控制器，其输出作为电流有功分量的给定值igd*，电流无功分量给定值igq*可根据小水电入网规定设置，将电流给定值igd*、igq*与电流采集值igd、igq的差值传入电流控制器，经过 前 馈 补 偿 后 得 到 电 压 给 定 值ugd*、ugq*，再 经 过SVPWM模块产生驱动变流器的脉冲信号，这样变流器输出电流将实时跟踪直流母线功率变化，从而实现并网发电控制。

机侧以同步发电机转速为控制对象，采用转速电流双闭环控制策略，转速外环用于稳定发电机转速，电流内环实现对水轮机输出功率的跟踪控制。通过水轮机最大功率跟踪控制算法得到发电机目标转速，再将发电机目标转速n*与实际转速n的差值送入转速控制器，其输出作为转矩电流分量的给定值ird*，励磁电流分量给定值irq*设为0，将电流给定值ird*与电流采集值ird、irq的差值传入电流控制器，经过前馈补偿后得到电压给定值urd*、urq*，再经过SVPWM 调制产生驱动变流器的控制信号，这样变流器的输出电流将实时跟踪水轮机功率变化，实现能量的转化和传递。

系统采用SVPWM 算法实现机侧和网侧系统的脉冲调制，能有效提高直流电压利用率，减小损耗，提高系统效率。

2 并网变流器控制原理

2.1 电流内环解耦控制

同步旋转坐标系下的并网变流器电压分量方程［13］为

式（1）中，ugd、ugq、igd、igq、egd、egq分别为变流器输出电压矢量us、电流矢量is以及电网电压矢量e的dq轴分量；Ls为网侧等效电感；Rs为网侧等效电阻；ωe为电网角频率。

式（2）中，kp为电流环PI 控制器比例常数；ki为积分常数。

为实现网侧控制系统有功、无功分离，假定电网电压矢量e与dq坐标系的d轴重合［15］，则其dq轴分量分别满足egd=e且egq=0。

此时，输送到电网的有功、无功功率可分别表示为

式（3）中，P为并网的有功功率；Q为并网的无功功率。

由式（3）可知，在基于电网电压矢量定向的同步旋转坐标系下，igd为有功电流分量，igq为无功电流分量，从而实现并网有功、无功独立控制。P为正，表示系统向电网输送有功；Q为正，表示系统向电网输送感性无功。

2.2 并网变流器功率控制原理

忽略线路上杂散电阻的压降，以电网电压矢量e为参考矢量，通过控制变流器输出电流矢量is相对于参考矢量的方向，可使并网变流器运行在不同的状态，如图2所示，变流器工作模式如下。

图2 并网变流器工作模式Fig.2 Working modes of grid-connected converter

1）当电流矢量is运行在a 点时，并网电流与电网电压相位相同，根据式（3），此时并网变流器工作于逆变状态，电能从直流母线输送到电网。

2）当电流矢量is运行在b 点时，并网电流超前于电网电压，根据式（3），此时并网变流器相当于一个无功补偿器，往电网传输容性无功电能。

3）当电流矢量is运行在c 点时，并网电流与电网电压相位相反，根据式（3），此时变流器工作于整流状态，电网往直流母线上释放有功电能。

4）当电流矢量is运行在d 点时，并网电流滞后于电网电压，根据式（3），此并网变流器相当于一个无功补偿器，往电网传输感性无功电能。

由于小水电并网规定，系统不仅要能提供有功电能，上网时还需要提供一定的无功电能，所以在实际的控制中，一般让变流器工作在ad 段，为电网提供所需要的感性无功，从而节省了并联电容器的成本［16］。

3 机侧变流器控制原理

3.1 同步发电机控制原理

按电动机惯例，在两相同步旋转坐标系下，令d轴与永磁同步发电机反电动势矢量重合，电压分量方程［17］为

式（4）中，urd、urq、ird、irq分别为发电机端电压矢量、定子电流矢量的dq 轴分量；Rrs为定子电阻；e0为电机反电动势；Ld、Lq分别为dq轴等效电感；ω为电角频率。

在实际控制中，机侧变流器采用单位功率因素控制［18］，即q 轴励磁电流分量目标值设为0，d 轴转矩电流分量决定了能量流动的大小和方向。根据电机反电势矢量与电流矢量的对应关系，通过控制电流方向，可使机侧变流器处于逆变或整流运行状态，规律如下：

1）电流矢量与d 轴正方向重合，即电流矢量与电机反电势矢量同相位时，发电机往直流母线注入有功电能，机侧变流器工作在整流状态。此种状态反映的是水流量较大时，通过控制水阀，驱动水轮机叶轮做功，往直流母线馈入电能。

2）电流矢量与d 轴正方向相反，即电流矢量与电机反电势矢量反相位时，发电机从直流母线吸收有功电能，机侧变流器工作在逆变状态。此种状态反映的是水流量较小时，关闭阀门，从直流母线上吸收少量有功电能维持其正常运行。

在实际控制中，为减小系统损耗，当水流量较小时，机侧系统可停止运行。

3.2 水轮机最大功率跟踪控制

在该系统中，水轮机与发电机同轴连接，能量直接从水轮机传输至发电机，将机械能转化为电能。水轮机输出功率［5］可表示为

式（5）中，W为水轮机输出功率；γ为水的比重常数，一般取9.81；Q为水轮机的流量；H为水轮机的工作水头；η为水轮机效率。

水轮机输出扭矩为

式（6）中，Tm为水轮机输出扭矩，n为水轮机转速。

由式（5）、式（6）可知，影响水轮机输出功率和输出扭矩的主要因素为转速、流量、工作水头以及效率。考虑到水头和效率在水轮机运行过程中，无法直接控制，且其与流量存在一定的耦合关系，所以水轮机输出功率模型可以简化为与流量、转速的对应关系W=f（Q，n）。图3为轴流式水轮机不同导叶开度和转速下的出力曲线图［19］，W/WN为功率比，n/nN为转速比，a为导叶开度。从图3 中可以看出，不同导叶开度下都对应一个功率最大输出的转速点，额定转速下水轮机输出功率最大，当导叶开度减小即流量降低时，最大功率输出对应转速逐渐降低，若此时水轮机仍保持额定转速运行，水轮机运行工况将逐渐偏移最佳运行区间，导致水轮机无法发挥最大效率，长期偏离最佳运行区间会加重水轮机的磨损，导致水轮机使用寿命降低。若水轮机转速可调，当水流量或水头发生变化时，可采用爬坡法等［20-21］调节转速来跟踪水轮机最大出力点，使水轮机保持最大功率输出。

图3 不同导叶开度下水轮机转速与功率关系Fig.3 Relationship between turbine speed and power under different guide vane opening

4 仿真与实验研究

4.1 仿真研究

利用Matlab/Simulink 软件建立如图1 所示的控制系统仿真模型，相关参数如下：并网线电压为400 V，频率为50 Hz，等效电感为1 mH，直流母线电压为900 V，发电机额定转速为1 500 r/min，极对数为2，转子磁链为0.698 Wb，定子电阻为2.87×10-4Ω，dq 轴等效电感均为0.85 mH。

仿真中，网侧系统将直流母线电压稳定在900 V，机侧系统发电机转速设置为1 500 r/min，通过功率闭环往网侧输送功率。系统初始功率值设置为20 kW，0.15 s 时功率上升至60 kW，0.3 s 继续上升至100 kW。图4为控制系统功率响应曲线，图5为发电机三相电流变化曲线，可以看出，当目标功率发生突变时，发电机输出电流能快速跟踪功率变化，将功率输送至直流母线，并迅速趋于稳定。

图4 功率响应曲线Fig.4 Curve of power response

图5 发电机三相电流Fig.5 Three-phase current of generator

当机侧系统将功率输送至直流母线，母线电压在功率冲击下会发生突变，但在网侧系统的调节下，电压快速趋于稳定，如图6 所示。网侧系统通过电压外环将直流母线电压稳定在设定值，同时电流内环快速跟踪电压环输出值，将直流电能转化为交流电能送至电网，如图7所示。图7为并网电压电流变化曲线，可以看出，并网电流能快速响应功率变化，并且并网电压、电流相位相反，表示系统往电网传输有功电能。

图6 直流母线电压Fig.6 DC bus voltage

图7 并网电压电流Fig.7 Grid-connected voltage and current

4.2 实验验证

为了进一步验证所提控制系统的有效性，对一座额定功率200 kW的小型水电站进行了系统改造，并开展了对比试验，试验现场如图8。该电站原为恒速恒频机组，最大工作水头为1.73 m，调速器最大导叶开度为47，将原机组的电励磁同步发电机以及励磁控制柜替换为永磁同步发电机和双PWM 变流器控制柜，水轮机和并网变压器维持不变。改造完成后，水轮机与永磁同步发电机通过飞轮同轴连接，发电机三相母线接到双PWM变流器控制柜，然后通过升压变压器接入电网。

图8 试验现场Fig.8 Testing site

改造完后，对控制系统的基本控制功能开展验证，并网功率因素设置为0.85，系统启动后通过最大功率跟踪控制法自动搜寻水轮机最大功率输出转速。

图9为系统稳定运行时发电机和并网电压电流波形。可以看出，并网电压、电流相位相反并且相差一定角度，表明此时系统正往电网输送有功电能，并提供一定的无功电能。由图9 可知，此时并网点相电压为231.8 V，并网相电流为191.5 A，按功率因素0.85计算，并网有功功率为112.5 kW，无功功率为69.6 kVar。

图9 电压电流波形Fig.9 Waveform of voltage and current

为充分验证所提控制系统的有效性，在系统改造前后，对新旧机组不同工况下的输出功率进行了对比测试。测试期间，水轮机工作水头维持在最大值1.73 m，通过调速器调节导叶开度，改变水轮机流量和输出功率。新旧机组在不同导叶开度下的输出功率对比如表1所示。

表1 不同开度下新旧机组输出功率对比Table 1 Comparison of output power of old and new units under different guide vane opening

由表1 所测数据可以看出，当水轮机导叶开度在53.2%及以下时，原恒速恒频机组输出功率波动幅度大，无法正常发电，而新变速恒频机组则能通过降低水轮机转速从而增强水轮机的水能捕获能力，使系统保持良好的工作状态，在导叶开度降低至53.2%时，新机组仍能保持32.3 kW的输出功率。当水轮机导叶开度在63.8%～95.7%之间时，新机组的输出功率都要大于旧机组，特别是在低开度（流量）下，相较旧机组，新机组的发电能力更加明显，在导叶开度为63.8%时，新机组的输出功率是旧机组的3.28倍。

上述数据表明，利用变速恒频调速技术能显著提升水轮机的水能捕获能力，解决小型水电站在枯水期发电效率低的困境，有利于提升电站的年周期发电量。

5 结语

针对小水电站并网系统控制复杂、低流量下效率低等问题，本文将双PWM变流器应用于水力发电并网系统中，其特点在于：1）采用背靠背双向PWM变流器将发电机传输功率过程与并网发电过程分离，实现变速恒频水力发电；2）网侧系统与静止无功补偿器结构类似，采用SVPWM控制算法实现并网发电的同时，为电网提供所需的无功功率，实现无功补偿功能；3）机侧系统控制发电机转速，实时跟踪水轮机最优转速点，使水轮机始终保持最大功率输出，提高控制系统效率；4）低流量下，相较传统水电并网控制系统，能显著提高发电量。而且该控制系统体积小、结构简单、控制方便，能有效降低并网发电成本，适合位置较偏但水资源丰富的地方发电上网，与传统水电控制系统相比，损耗更小、效率更高，最后实验验证了该水电并网控制系统的可靠性和有效性。