用于高压直流并网的永磁变频交流发电机组研究

用于高压直流并网的永磁变频交流发电机组研究

王凯1张华2崔立军3刘海波4奚涛4

（1、新疆水利水电勘测设计研究院新疆乌鲁木齐830000；2、中电投新疆能源化工集团哈密有限公司新疆哈密839000；

3、新疆中恒博瑞电气有限公司新疆乌鲁木齐830000；4、安徽正广电电力技术有限公司安徽合肥230088）

摘要：特高压直流输电对大容量机组并网提出了新要求。为了满足高压直流并网条件，在不改变现有电网的情况下，整合现有成熟技术，提出一种系统性的提高发电机单机容量，简化汽轮发电机组结构的并网体系，创造性的解决大电源点接入直流电网的问题，为高压直流并网机组的设计提供理论参考。

关键词：直流并网；永磁式；变频；大容量机组

1引言

电网容量的增长为发展和采用大容量的机组提供有利条件，而电力系统联网技术和特高压直流输电的发展，又为大容量机组的出口电压、单机容量和输出功率等机组并网体系提出了新要求。

近年来对大容量机组的研究成果较多。在大容量机组的特性分析与控制策略方面，我国学者做出了大量的贡献：文献[1]基于发电机组一次调频机理，建立了大容量发电机组并网运行一次调频数学模型,理论分析了调差系数和调速器死区参数设置与电网频率稳定性和调频能力的关联关系，并以实际机组为例，计算了大容量机组在参与一次调频时的最佳调频参数，为大容量机组选择合理的一次调频参数提供参考依据；文献[2]利用Matlab/Simulink建立了大容量压水堆核电机组数学模型,并结合全过程动态仿真软件,分析了核电机组受到扰动的过渡过程,研究了核电机组在电网频率、电压发生波动时的动态特性；文献[3]以目前比较典型的600MW等级火电机组为例,在皖电东送田集电厂进行大频差时一次调频和协调控制策略的相关试验.研究优化方向,采用了形式多样的新型控制策略,证明了通过改善机组协调控制和一次调频性能，能够提高事故状态下火电机组对电网的贡献度。对大容量机组并网问题方面，也有许多学者进行了研究：文献[4]面向直流并网的需求，针对宽运行范围下的永磁风力发电机变速恒压控制和机侧变流器交流侧电感、直流侧电容参数的选优,基于辅助支撑电容结构的直流斩波电路设计和恒压控制,系统级联恒压控制和系统效率优化等方面进行了理论分析和实验研究；文献[5]应用全数字化单同步坐标系软件锁相环（SSRF-SPLL）技术，利用电力电子开关器件代替交流接触器实现电机向电网小冲击电流的同步切换，使之能够很好地跟踪电网的频率、相位和幅值,电力电子开关器件可以大大缩短切换延迟时间，从仿真和实验角度检验了方案的可行性和准确性,其实验切换电压平稳,切换电流在其额定电流的1.5倍以下，这种策略能够使发电机组在直流母线电压稳定的基础上能够提升公共耦合点(pointofcommoncoupling,PCC)电压；文献[6]针对永磁直驱风机经MMC-HVDC并网系统,提出一种提升其故障穿越能力的控制策略。该策略结合降低风电场交流电压和降低风机输出有功电流两种方式,可以实现风电场侧有功功率的快速降低；文献[7]以永磁同步风力发电机作为研究对象，重点围绕PMSWG交直流并网系统的运行控制展开研究：针对传统并网方法以交流电压作为并网参数的不足，提出了以直流电压作为并网参数的可控和不控两种直接并网方式，并分析了并网参数和并网过程；文献[8]针对高压直流输电，在功率外环控制、电流内环控制的双闭环传统控制方式基础上,电流内环采用输入—输出反馈线性化的控制方法,实现了对发电机组dq轴电流的解耦控制。此外，对于发电机并网方面的研究，也有并网电压控制[9]、降低机组并网的影响性[10]等。上述文献对大容量机组特性优化以及并网技术方面的研究提供了有用参考，不过，面对特高压直流系统，若实现机组的大容量化和并网体系的简单化，还需要进一步研究。

本文面向特高压直流输电需求念，研究采用永磁变频交流发电机，大量整合成熟的新技术，提出一种系统性的提高发电机单机容量，简化汽轮发电机组结构的并网体系，在不改变现有电网的情况下，应用成熟的科学技术，创造性的解决大电源点接入直流电网的问题，并形成先进的低成本节能型发电体系，以期为进一步提高单机容量，提高发电机控制性能，降低设备体积和重量，降低工程造价提供参考。

2高压直流并网对发电机组的技术需求

2.1电网频率需求

目前的电网有50Hz和60Hz两种交流频率，以往发电机采用的复式蒸汽机一般含往复运动的活塞，而带有往复式活塞热机最佳工作转速是3000-3600r/m，电网频率就这样被确定下来。采用旋转叶片为热能-机械能转换的汽轮机后，最高转速虽然能够超过20000r/m，但不够很不经济的，使得目前50-60Hz交流电频率存在不足，但目前已经形成了成套的运行制造体系，要想纠正非常困难。不过，对于独立的或半独立的发电系统来说，不需要改变公共电力系统的网架，还是有条件采用更高转速汽轮机的。

2.2直流电网的拓扑

直流电与交流的优劣已经争论了很久，这里就不过多叙述。但目前直流电与现有交流电网衔接的逆变技术使得直流电网还不能称之为网，只能称之为两点一线。直流电成熟的应用只是大电网点对点的长距离输电模式，真正的直流电网如何伸展还在研究中。目前正在运行的直流换流站，仍然是升压后的交流电整流平波方式接入直流输电线路两端换流站一种技术方案。换流站正向运作方式是交流整流，逆向运行方式是晶闸管逆变。晶闸管逆变时更像一个可控电流源，他要求受端电网有一定的功率调节能力，以便全部吸收直流功率。调整首端的输送功率必需调整首端主力电厂的出力，长达上千公里的直流输电线路具有的巨大电磁惯性让电流大小调节非常困难，使得直流输送功率调整的过程非常缓慢。

3永磁变频交流发电机组控制系统设计

3.1简化发电厂并网体系

为了避免电网频率限制，提出一种直接与直流电网并网的点对换流站首站的发电厂概念，即不经工频交流电网，发电机发出的电能升压后直接整流并入首端直流电网。发电机以并入点作为功率输出调节的反馈点，以此直接调整汽轮机的气门大小，合并了常规发电厂出力反馈环和速度调节环为一个环节。这种方式在直流首端站只要整流不要逆变，不存在功率逆送，工作方式及其简单。具体参见图1。

图1永磁变频发电机输出功率调节回路图

图1所示发电体系主要涉及四项重大技术变革：高速蒸汽轮机、永磁变频发电机、倍频升压变压器、直流电网首端并网技术。

3.2并网体系的模块设计

3.2.1高速蒸汽轮机

蒸汽轮机输出功率对输出力矩的影响过程是：

P=FV，在P不变时，转速V升高，则F对应下降。

当输出机械功不变，汽轮机转速升高至2倍，汽轮机叶片根部的扭矩会下降至0.5倍。这意味着汽轮机的结构重量可以减轻许多，或者说结构重量不变时理论输出功率增加至2倍。若不考虑50Hz交流频率的限制，同等体积和重量下，蒸汽轮机的效率和输出功率可以大幅度的提高。

3.2.2永磁变频发电机

根据电磁感应计算公式E=BLV，可做如下调整：

（1）增加励磁电流-汽轮机阻力增加-发电机转速下降-转速调整机构动作-汽轮机蒸汽阀门增大-汽轮机转速增加-输出功率增加的闭环调节过程，即外环的功率控制环节和内环的速度控制环节。其中外环的功率控制环节是可调的，随着给定值变化而变化；内环的速度控制环节是固定的，给定值是唯一的3000r/m。

（2）不必保持固定频率时，发电机可以做的更为经济：当发电机转速为6000r/m时，定子绕组的圈数可以减少至二分之一，或为提高输出电压腾出绝缘空间，使得发电机可以输出更大的功率，然而好处还不止这些。

（3）将转子上的励磁绕组代之以广泛应用的稀土高强永磁铁，则永磁铁产生的磁感应强度比电磁线圈产生的磁感应强度要大得多。

上述调整可见：V增加了，B增加了，L的结构不能变，输出电势E可以成倍的提高，不过输出功率不能通过励磁调节，而是通过速度直接控制输出电压。

调整后的优点有

（1）转子体积小，发电机结构简单，调节时间常数小。

（2）发电机电源输出频率高，发电机定子绕组硅钢片截面小，且不需要启动电源。

（3）控制过程迅速：负荷增加-加大汽轮机气门-汽轮机转速增加-发电机转速增加-交流电频率和电压增加-输出功率增加，这个过程是一个直接控制过程，较传统的间接控制发电机出力的过程更为迅速。

3.2.3倍频升压变压器

由公式E=fNBmS可见，变压器铁芯截面S可以减小，线圈的绕组N可以更少，电压更高。倍频可以是50Hz的整倍数，也可以不是，为避免读者将频率并不是很高的交流电认为是高频交流电，此处暂以倍频交流电命名。

倍频变压器频率不是很高时，可采用传统的硅钢片材料，也可采用特种类型乃至铁氧体材料的磁通载体。倍频交流电会以更高的效率通过变压器，变压器体积和重量较传统工频变压器小很多。

3.2.4直流电网首端并网技术

经过倍频变压器的升压后的交流电压已经足够高了，经过整流后就可以和直流并网了：可以采用母线结构方式或T接方式，其中，整流支路推荐安装在发电厂侧，而不是安装在换流站侧；平波电抗器可以很小；独立的大型直流并网发电厂不占用交流变压器的容量，不反馈短路电流，不需要同期，不会给系统带来不稳定因素。

3.3直流并网交流发电系统

经过以上四个环节的整合，直流并网发电厂已经可以组成一个体系了。例如某主力发电厂1GW发电机组，汽轮机额定转速6000r/m，转速调整范围5000r/m-8000r/m，发电机转子设置4对稀土高强磁永磁极，发电机额定出口电压66kV，电压调整范围55kV-88kV，额定频率400Hz，频率调整范围333Hz-533Hz，直流并网电压±800kV，二极管整流并网。

400Hz工作频率在现有工业体系上有一定的应用，且类似的变压器生产厂较多，相关设备生产厂家有一定的技术储备和配套生产能力，对可能产生的问题有一定的研究。因此，采用中心频率为400Hz的电源频率更能适应现有的工业体系。

根据现有电网结构，采用直流直接并网方式，则一台变压器可以接入换流站，不占用换流站变压器的容量，接入更加简便。完整的变频永磁交流发电机系统见图2。

图2交流永磁变频发电系统图

4永磁变频交流发电机组在高压直流并网中衍生问题

4.1厂用电源衍生问题

永磁变频发电机体系存在厂用电问题：因为调整负荷会使得发电机发出的电压和频率发生变化，厂用电不能直接接到发电机母线上，使得这种类型的发电厂厂用电趋于复杂，需要有一定的技术措施。永磁变频发电机厂用电负荷分为几种类型，包括电动机负荷、照明负荷、电热负荷等几种类型，面临的主要问题有：

电动机负荷：由于频率和电压的变化无法直接使用电动机负荷。

照明负荷：以电感型镇流器为启动限流措施的日光灯因为电感对倍频电源较为敏感，无法直接使用，可以采用专门定制的镇流器或全部改为节能灯。

电热负荷：对于调压的电热器具，需要配置专用的倍频晶闸管调压器，以满足频率和电压变化的要求。

直流负荷：对于需要调压的直流负荷，需要采用晶闸管调压方式或直接整流方式。

4.2衍生问题解决方案

为了解决厂用电的问题，可以采用以下三种方案：

(1)大型发电厂自备一台小容量工频50Hz发电机组作为厂用电负荷，同时外引一条备用电源线路。厂用电继续采用传统的50Hz工频频率，以避免发电厂需要采用大量的非标设备。

(2)完全从外部引接50Hz工频电源，双电源供电，不设单独的厂用汽轮发电机组。

(3)设置发电机母线，直接采用可变电压和频率的电源。照明回路均采用具有交流整流工作方式的节能灯。电热和直流回路采用倍频晶闸管调压方式。其余少量的特殊用电设备根据具体情况具体处理。

从整个体系来看，这种类型的发电厂仍然采用了大量的非标设备，主要设备均需要重新研发和设计，要建设这种类型的发电厂需要联合汽轮机厂、发电机厂、变压器厂、电网科学技术研究院等多部门。此外，这类电厂还存在下述特点：

（1）无线电干扰

400Hz左右的倍频交流电的波长达到了750km，距离容易产生辐射的电磁波段仍然非常远，比电力线载波频率还是低得多，电磁干扰现象多位于设备附近，并随着距离增加而呈级数下降。大容量变压器采用带有钢制外壳的防护方式，泄露出的电磁场很小；且400Hz电源只用于发电机至变压器组间或发电厂内部，容易采取防护措施，且不向公众配电，不会对公众和运行人员造成任何影响。

（2）电容和电感性元件

以400Hz为代表的倍频交流电很容易和几百kHz的载波频率分开，电容式电压互感器和绕组式电压互感器均可以按照400Hz的工况进行小型化设计，电流互感器铁芯也可以小得多。

（3）电缆和母线的集肤效应

倍频交流电会有一定的集肤效应，使得导线的载流量变小，采用多根导线连接的方式可解决这个问题。由于400Hz交流电不通过长距离输送，设备间的感抗、容抗问题并不明显。

5讨论与总结

以发电为主的电厂功能单一，中低频率的交流电整流后采用平波电抗器滤波时，平波电抗器的电抗值可以取得很小，带来的时滞效应也短的多，整流后更接近电压源，有利于发电厂快速调整出力。可变速的汽轮机经济输出功率区间要比固定转速的发电机大得多。当发出的电压低于并网电压时，即使发电机在旋转也不会向电网输送电能，只有发电机发出的电压升压整流后高于直流系统电压时才会向直流电网输送电力。转换过程自动而迅速，不需要并网同期操作，不需要动作断路器，大大延长了高压直流断路器的使用寿命。如能采用低压直流向用户送电的方式，则连升压变压器都可以取消了。

本研究课题最初希望是采用直流升压方案，但因无法解决大容量IBGT开关难题，遂推荐采用传统的倍频变压器进行升压。整个系统的整合过程均采用了现有成熟的技术，理论上无缺陷，具有一定的可行性。虽然永磁变频发电体系会带来一定的问题，但其解决的问题超过了带来的问题，值得科技人员思考和领导决策采纳。以上提出的具体参数因牵扯专业过多，可能并不合理，但至少给专业技术人员一个思路，可以做到抛砖引玉，让更多的科研人员提出更为合理的解决方案。

参考文献

[1]金娜,刘文颖,曹银利,等.大容量机组一次调频参数对电网频率特性的影响[J].电力系统保护与控制,2012,40(1):91-95.

[2]刘庆,吴国旸,宋新立,等.适用于电网稳定分析的大容量核电机组建模[J].电网技术,2017,41(3):907-914.

[3]费章胜,卢宏林,何永君,等.特高压直流闭锁后超(超)临界机组大频差控制策略[J].中国电力,2017,50(8):27-31.

[4]张洪阳.永磁风力发电机分布式直流并网变流器的研究与实现[D].沈阳：沈阳工业大学,2011.

[4]徐书涛,李崇坚,王成胜,等.交流电机变频软启动及并网系统研究[J].电气传动,2017,47(1):51-54.

[5]杨骏华,陈永强,刘扬.直驱永磁同步风电机组的无功功率支撑策略[J].电气传动,2017,47(2):43-47.

[6]于洋.永磁直驱风机通过直流输电并网的控制策略研究[D].杭州：浙江大学,2017.

[7]徐科.变速永磁同步风力发电机交直流并网系统运行控制研究[D].南京：东南大学,2007.

[8]黄政,吴杰.基于电压源换流器的高压直流输电系统控制研究[J].电测与仪表,2017,54(17):25-28.

[9]郭磊磊,金楠,窦智峰,等.一种改进的永磁同步发电机模型预测共模电压抑制方法[J].中国电机工程学报,2017,37(16):4810-4818.

[10]瞿寒冰,朱英刚,尹茂林,等.计及风电并网的机组组合方法研究[J].电力系统保护与控制,2017,45(16):95-98.

作者简介：王凯，男，汉族1969年8月出生于乌鲁木齐市，西安建筑科技大学电气工程及自动化；1990年开始在新疆水利水电勘测设计研究院从事电气设计工作。

作者简介：张华，汉族，高级工程师，1970年8月出生于甘肃定西，兰州大学计算机科学与技术本科，现在国家电投新疆公司哈密能源公司从事生产管理工作。