施一峰;高苏杰;常玉红;闫伟;石祥建;牟伟;丁勇
【摘 要】The variable speed pumped-storage unit is an efficient and advanced power source for peaking and frequency regulation,and can provide more effective protection for the safe and stable operation of power grid.According to the principle of AC-excitation and the demand characteristics,the topology structures of two-level converter,multi-level converter,H-bridge cascade converter,MMC and AC-AC converter are analyzed and their applicability are evaluated respectively.The results show that the two-level converter can be used for small capacity AC-excitation system,while for large-capacity AC-excitation system,it is recommended to use multi-level converter.%交流励磁可变速抽水蓄能机组是一种高效先进的调峰调频电源,可为电网安全稳定运行提供更有力的保障.针对交流励磁的原理及需求特点,对两电平、多电平、H桥级联、MMC以及交-交型变速器拓扑结构分别进行分析和适用性评价.结果表明,对于小容量交流励磁系统,可采用较为成熟的两电平变流器;而对于大容量交流励磁系统,则建议采用多电平变流器. 【期刊名称】《水力发电》 【年(卷),期】2018(044)004 【总页数】5页(P77-80,85)
【关键词】变速抽水蓄能机组;交流励磁系统;大功率变流器;拓扑结构 【作 者】施一峰;高苏杰;常玉红;闫伟;石祥建;牟伟;丁勇
【作者单位】南京南瑞继保电气有限公司,江苏 南京211102;国网新源控股有限公司,北京100761;国网新源控股有限公司,北京100761;南京南瑞继保电气有限公司,江苏 南京211102;南京南瑞继保电气有限公司,江苏 南京211102;南京南瑞继保电气有限公司,江苏 南京211102;南京南瑞继保电气有限公司,江苏 南京211102 【正文语种】中 文 【中图分类】TV743 0 引 言
随着核电等基荷电源和风电、光伏等间歇性可再生能源在电网中所占比例的日益增大，电网安全稳定运行(尤其是夜间频率控制)变得更为困难，弃风弃光问题愈加突出。抽水蓄能电站在调峰填谷、保障电网稳定运行方面作用突出，但一方面，常规定速抽水蓄能机组作为水泵运行时，水泵的功率不可调节，限制了其对电网调节作用的发挥；另一方面，抽水蓄能机组需要运行在发电和抽水两种不同的工况下，两种工况有着不同的转速—效率曲线，恒速抽水蓄能机组不可能在两种工况下都获得最高效率。而交流励磁可变速抽水蓄能机组(以下简称“变速抽蓄机组”)有诸多优点，能够较好地解决恒速机组存在的上述几个问题[1- 5]。变速抽蓄机组是一种高效先进的调峰调频电源，可为电网安全稳定运行提供更有力的保障，是电网发展到一定阶段后电力系统管理的必要工具。基于对电网安全稳定运行、电能质量以及节能减排等新的更高的要求，可以预见变速抽蓄机组具有较好的应用前景。 1 典型变频拓扑结构适用性分析
目前，中高压四象限变流器还未形成一个统一的拓扑结构，其主要原因主要有两点：一是电力电子器件限制了变频器的输出功率，如果需要大功率输出，则需要多个电力电子器件串并联才能得到，而器件串并联是一个技术难点；二是复杂的拓扑结构
增加了驱动及控制的难度。经过多年技术研究，行业中逐渐对中高压四象限变频器形成几个主流的拓扑结构，并分别在实际工程中投入使用。从变频器是否具有直流环节，将变频器拓扑结构分为交-直-交和交-交两大类，而交-直-交又有多种不同的组成结构，具体有两电平、多电平、H桥级联以及MMC等形式，下面分别对这几种结构进行适用性分析。 1.1 交-直-交拓扑结构 1.1.1 两电平变流器
图1是两电平变流器的拓扑原理图，它由2个完全相同的两电平电压源型变换器经过一个直流电容背靠背连接而成，其基本元件是可关断全控器件，由PWM进行控制，从结构上归为交-直-交类型变流器。 图1 两电平电压源型电路原理
该变流器网侧为一个三相可控整流桥串联一个电感，其主要作用为维持直流母线电压的稳定和维持整流桥输入功率因数恒定，并且当电网侧发生短路故障时，能输出无功来加快故障恢复。由于PWM整流桥的调制比太低会增大负载的谐波含量，因此在直流电压一定的情况下，网侧的电压不能太高，这有利于全控器件的选型。 变流器机侧变换器结构与网侧相同，输出电压、频率和相位均可调的三相交流电压。其主要作用为当电机在发电工况时，利用对定子磁链的矢量跟踪，实现对变速电机有功、无功的解耦控制，由于能直接控制电机的功角，因此变速电机能更快地抑制电网的有功振荡；当电机在电动工况时，实现对转子转速的稳定控制。 图2 箝位型5电平原理
从以上分析可以得出，两电平变流器具备四象限运行能力，同时其输出电压的频率范围不受限制，满足0～55 Hz的需求，除此之外，还有以下几点优点：①电路结构简单，便于控制，技术成熟；②网测变换器和机侧变换器由直流电容解耦，当电网侧发生短路故障时，通过改变网侧变换器的控制算法，稳定直流电压，使机侧变
换器维持正常运行不受影响，更容易实现低电压穿越。
当然除了上述优点外，两电平变流器也有不少缺点：①两电平结构应用于交流励磁系统时，需要对器件进行串联使用，而器件串联存在控制和均压等技术难点。②输出波形谐波大，不仅增大电机损耗，而且影响到电机定子侧电压和电流的波形质量，因此需要配置LC滤波器。③为减小输出谐波，一般两电平的PWM开关频率较高(2～5 kHz)，损耗增加，效率降低。③du/dt大，影响电机的绝缘耐受能力，需要额外配置抑制器。
两电平变流器对交流励磁的适用性评价：可在电压等级较低的小容量交流励磁中使用，通过桥的并联，实现大电流输出，但需要配置谐波滤波器和du/dt抑制器，来降低谐波对机组的不利影响。 1.1.2 多电平变流器
多电平的出现弥补了两电平输出谐波大的缺点，主要有两种拓扑结构：二极管箝位型和电容箝位型。图2为二极管箝位和电容箝位两种类型的五电平拓扑，每个开关器件上承受的电压为总母线电压的1/5。在电压合成方面，电容箝位型多电平变流器的电平合成的灵活性要高于二极管箝位型多电平变流器，但这以复杂的控制方式为代价，实用性较差。
在二极管箝位多电平中，三电平拓扑结构是相对简单、最先走上实用化的拓扑结构。图3为二极管箝位型三电平构成的交流励磁变流器，其网侧变换器主要作用是维持电容电压稳定和控制网侧功率因数；机侧变换器输出可调三相电压，用于变速电机的控制。其中，二极管的主要作用是在功率器件开关过程中，将开关器件上所承受的正向阻断电压限定在1/2的直流电压内，避免回路在工作过程中，整个直流母线电压加在开关器件上导致器件损坏。 图3 二极管箝位型三电平原理
二极管箝位三电平变流器用于交流励磁中的优点有：①由于功率开关器件只承受母
线电压的1/2，因此在器件相同的情况下，输出的电压更高，更接近于交流励磁的应用场合。②输出波形电平数增多，显著降低谐波含量，使得电机定子侧的电压、电流波形得到改善。③降低功率器件的开关频率，从而降低器件的开关损耗，提高变流器的整体效率。
缺点为：①仍然存在du/dt较高的问题，虽然比两电平的要小，但为了电机安全运行，仍需要配置抑制器。②存在中点电位波动的问题[6]，而中点电位波动过大，会损坏功率器件。因此，必须对中点电压进行抑制，通常有控制算法或硬件补偿两种方法，但是不管采用什么方法，只能降低中点波动幅度，不能完全消除中点波动现象。③箝位二极管的耐压要求较高，且数量较多，增加变流器系统的成本。 图5 有源前端H桥级联原理
二极管箝位型三电平变流器对交流励磁的适用性评价：可适用于大中型变速机组的交流励磁，输出电压等级高，通过多桥并联输出大电流；输出波形比两电平拓扑好，但输出波形谐波仍较大；du/dt需要抑制。目前ABB公司采用三电平拓扑的交流励磁产品已投入工程应用。 1.1.3 有源前端的H桥级联型变流器
动态无功补偿SVG采用的是H桥级联型结构，图4是H桥的一个基本功率单元，它由4个可关断器件和一个电容组成，通过将若干个单元串联实现高电压输出。利用低压单元串联实现高电压输出的思路，在H桥基本单元的电容前端增加一个可控三相整流桥，即形成有源前端的H桥单元，如图5。该基本单元的有源前端稳定电容电压，控制网侧无功功率，并且可将有功功率反馈到电网，实现四象限运行；H桥逆变部分经过串联输出高压，其电压波形非常接近于正弦波，谐波含量非常小。
图4 SVG的H桥基本单元结构
有源前端H桥变流器用于交流励磁中的优点有：①通过低压功率单元的串联，得
到高电压等级的输出，易于实现模块化设计。②各功率单元工作负荷一致，冗余性及可靠性高。③输出波形非常接近正弦波，谐波含量低，无需滤波器，du/dt含量低，不会对电机绝缘产生影响。
缺点有：①需要配置移相变压器。目前，受限于变压器制造技术及移相抽头的空间布置，移相变压器的容量不能做的太大。如果输出大电流需要H桥并联，每个并联的H桥都要配置移相变压器，这大大增加了设备体积和成本。②每个单元需要10个功率开关器件，一个典型的输出为3 kV的变流器，至少需要3个单元串联，则一个完整的三相支路就需要90个功率管。而相同电压等级的二极管箝位型三电平仅需要24个功率管，即使加上箝位二极管也就增加了12个二极管，连H桥的一半都不到。因此，H桥的器件需求量大，成本高。
有源前端H桥变流器对交流励磁的适用性评价：H桥级联拓扑输出波形好，无需滤波器；模块化级联容易实现高电压、多电平输出；网侧桥采用可控整流方式实现四象限运行；可通过元件并联实现较大电流输出；但各单元分别需要独立的电源，需要设置多绕组隔离变压器，增加设备体积及成本。 1.1.4 MMC型变流器
MMC全称模块化多电平变流器，通过调整子模块串联个数来实现电压和功率等级的灵活变动，可以扩展到任意电平输出，其串联及单元结构如图6所示，每个单元由2个功率开关器件和1个电容组成。工作时，每个单元控制自身电容C0上的电压，然后将每个单元的直流电压通过开关管T1和T2串联，保持每相上下两个桥臂的总开通数不变，对上桥臂的单元开通数量正弦调制，则相输出为一个多电平正弦电压，电平数越多，谐波含量小。由于功率开关器件的工艺方面的限制，单个功率管的容量较小，如果需要输出大电流，则需要多个相支路并联。 图6 MMC型变换器及功率单元原理
相对于传统变流器，MMC型变流器用于交流励磁中的优点主要体现在以下几方面：
①高度模块化的拓扑结构。MMC主电路和控制电路均采用模块化结构设计，通过调节子模块数量，可灵活调整MMC系统电压和输出波形电平数。②具有公共直流母线。MMC无需进行直流侧滤波，避免直流侧短路引起的浪涌电流及系统机械破坏的风险，提高了系统可靠性。③具有较低的谐波含量和电磁干扰。由于MMC的等效开关频率较高，使其具有较低的谐波含量和电磁干扰，电路中仅需很小的滤波电感，不会对变速电机绝缘产生影响。
缺点有：①交流励磁为中压大电流系统，MMC由单管功率管串联，输出为小电流，如要大电流输出，则需要通过均流电抗器进行桥并联。事实上，MMC的优势是多电平形成的高压小电流，主要用于高压直流输电场合。②开关器件数量与同等级的有源前端H桥相比，增加了约74%的用量，整体设备占地大，成本高。
MMC变流器对交流励磁的适用性评价：可方便实现四象限运行；容易实现高电压、多电平输出，输出波形好，谐波含量低，但输出电流较小，需要多支路并联实现大电流输出，但这又带来均流问题；同时器件用量较大，设备占地大，成本高。 1.2 交-交变流器
交-交变流器是国外早期在交流励磁中采用的一种变流器，如图7所示。早期的可关断功率器件的技术还不成熟，容量较小，因此研究人员设计出了采用成熟技术的晶闸管作为功率器件的交-交变换器，这种变换器采用晶闸管自然换流方式工作，其每一相由2个输出相反的整流桥并联而成，分别输出正半波和负半波。这种结构的变流器最高输出频率是电网频率的1/3～1/2，在大功率低频范围有很大的优势。而且交-交变频没有直流环节，变频效率高，容易实现四象限运行。但是其功率因数低，高次谐波多，输出频率范围窄，使之应用受到了一定的限制。它在传统大功率电机调速系统中应用较多。
交-交变流器用于交流励磁中的优点主要有：①采用成熟晶闸管器件，在不需要器件并联的情况下输出大电流。②没有直流环节，主回路简单可靠，整体效率高。
交-交变流器的缺点有：①变频范围窄。在抽蓄机组作为电动机运行时，仍然需要SFC来进行拖动，这大大增加了电站的整体建设成本。②功率因数低，无法对网侧的无功功率进行控制，因此对于大容量的交流励磁，还需要配备专门的无功补偿装置，无形中也增加了设备的建造成本。
交-交变流器对交流励磁的适用性评价：交-交变频器拓扑在输出大电流(5 000 A以上)、大功率(30 MV·A以上)方面有突出优势；主回路简单、晶闸管器件可靠耐用；不含直流电路及其滤波部分，可实现四象限运行；输出频率范围窄，无法将电机拖动到同步转速。 图7 交-交变频器结构 2 结 语
从功能上来看，上述5种变流器均可用于交流励磁，但是交-交变流器由于变频范围窄，现在国外新建变速抽蓄机组已经不采用该技术。H桥和MMC相对于其他3种变流器，所用器件较多，成本较高，主要应用在高压小电流场合。两电平变流器输出谐波较重，对电机运行不利，并且需要器件串并联才能输出中压大电流，而可关断器件的串并联技术仍然是一个技术难点。多电平中的三电平变流器和其他几种变流器相比，无需器件串联，采用多绕组变压器隔离实现并联大电流输出，器件数量适中，增加少量滤波器即可抑制输出谐波。因此，对于小容量交流励磁系统，可采用较为成熟的两电平变流器；而对于大容量交流励磁系统，则建议采用三电平变流器。 参考文献：
【相关文献】
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