一种利用异步发电机的微型水电控制方法

王鸿腾，孟 鹏，江依妹，韦正鹏

(1.华电电力科学研究院有限公司，浙江 杭州 310000；2.新大陆支付技术有限公司，福建 福州 350015)

0 引言

现代发电产业发展的主要趋势是向分布式发电系统的过渡和使用生态清洁的可再生能源。主要由于以下因素：能量消耗的快速增长导致工业、农业、畜牧业以及居民供电能力的增长；为了减少由发电产生的二氧化碳而导致的温室效应；不可再生能源的减少；电能在电网中随传输距离增加造成电量损失增加。

小水流水力资源是一种有前景的清洁可再生能源。其优点有：不需要大额投资和高水平的维护人员，水利结构不会引起洪涝，不需要移民，建造时无需毁坏动植物的生存环境。而且微型水电站可提供周边用户用电，其土建的施工量较小。

1 微型水电站的主要结构

微型水电站是由水轮机、传输设备、发电机和电能转换器控制系统组成，与此同时，替代转换器的电容电池可以提供发电机励磁所需的无功功率，其结构如图1所示。

水轮机把水能转换成机械能，在典型的微型水电站里，转轮叶片角度通常是固定不可变的，这个可以使结构更简单，价格更低廉。水流方向和水流速度决定所使用的转轮类型[1]。

图1 微型水电站结构简图

目前，微型水电站发电机通常有3种:同步发电机、异步发电机和双馈异步发电机。从成本效益的角度来看，应用较多的是异步发电机(AG)，它具有以下优点。

1)结构简单。

2)不需要电刷组件。

3)对短路灵敏度低。

4)可靠性高，并网操作简便。

异步发电机的主要特点是发电时需要在定子绕组上产生磁通。为了产生这种通量，必须将无功功率馈送给异步发电机的定子绕组。异步发电机操作要么是发电机空转自激，要么是电网激磁。在第一种方式中，所需的无功功率是通过并联于电源三相绕组的电容器来产生的。在第二种方式中，所需的无功功率是通过使用功率转换器转换外部电源的能量产生的。

下面介绍一下自激式异步发电机。

电流自激是目前广泛应用的一种发电方法，此方法需要发电机有剩磁来建立剩磁电压。如果没有，异步发电机自激过程可以由一个初步充电的电容电池在定子绕组上的放电来启动[2]。

空载状态下的无功功率(当滑动等于0时)电容器之间可以用“星形”连接

(1)

QAG是无功功率，QC是电容电池的无功功率，m1是相数，ω1是发电机电压的角频率(rad/s)，C是电容的相位容量(F)，Uph是电容器相位的电压(V)。

在空载状态下，用于激励电流的电容器容量是根据对电容器和L形等效电路的磁化电路二者无功功率的平衡来选择。磁化电路的无功功率是基于规范数据决定的：AG产生的有功功率PAG和反馈给电网和发电机的功率系数cosφAG。如果这些数据丢失了，需要计算AG的L形等效电路并得出磁化电路的电抗性能为了更一步的确定所需的无功功率QAG。

在一些情况下，要提高发电机的运行性能，一般会采用电容式混合连接(并联电容器和复合电容)。

当有负载时，电容器的无功功率必须保证异步发电机的无功功率恒定，也就是补偿由负载引起的无功功率的变化。当提供电容负载时，必须通过在电路中引入相应的电感来消除过补偿。对于有功电感负载，无功功率计算如下：

(2)

Q1d是负载(VAr)的无功功率；I是负载电流(A)；L是负载相位的电感(H)；C1是空闲模式下所需的电容的相位容量(F)；C1是补偿负载所需的电容的相位容量(F)。

因此，产生稳定的电压和频率所需的总容量包括发电机自激所需的恒容量和补偿负载感应效应所需的可变容量。

在式(1)和式(2)中，AG电压的角频率ω1是由转子自旋的频率和以滑动为特征的负载决定的：

(3)

p是极数，nr是转子旋转的频率(每秒转数)，s是转差率。

对于空闲模式，假定滑动为零。在这种情况下，发电机电压的角频率是转子旋转频率和极对数的函数。

2 能量转换

转换产生能量有许多设计解决方案[3]。这些解决方案可分为以下几类。

1)经典的补偿方案：同步补偿器工作在过激励模式，或1个控制饱和的电抗器与异步发电机输出并联。这2种方法由于成本高、重量参数大等特点，在小水电工业中均未得到应用。

2)采用电容激磁的方法，根据转子转速或负载的变化，将不同容量的电容电池分步连接到异步发电机输出端，如图2所示。开关K1和K2可以用可控硅整流器或现代IGBT晶体管。电容电池C1与电源输出相直接连接，用于产生自激电压。电容电池C2和C3经过开关K1和K2连接到电源输出，用于稳压。电压Ua、Ub和Uc是通过传感器将信息传输到可编程逻辑控制器(PLC)进行测量，然后与参考电压Uref比较。当电压值偏离PLC要求的电压值时，会产生1个信号来打开K1和K2，然后在异步发电机端输出稳定电压。为了扩大与输出电压平行的异步发电机电压控制范围，有时控制器的信号会涉及电抗器。

电容激磁的主要缺点是重量大，电容成本高和难以实现。

图2 电容激磁式异步发电机结构简图

3)采用柔性交流输电系统(FACTS)，其主要元件是电容器、电抗器和半导体键(可控硅整流器或IGBT晶体管)。有了这样的控制，在连接链路上的无功阻抗就得到了调节，其结果是，控制了电源消耗电流的幅值和相位，控制电源的无功功率。

3 异步发电机电压调节

近年来，人们对基于IGBT晶体管的半导体变换器越来越感兴趣。通过功率变换器调节电压和频率有很多种方法，其中最广泛使用的方法是以下几种。

1)直流链路的能量双重转换方案(AC-DC-AC转换器)。按整流器的类型，有以下2种方案：

(1)完全可控整流器方案。

(2)不可控整流器的方案，与直流控制器串联(AC-DC-DC-AC转换器)。

2)与静态补偿器并联(STATCOM)用于调节从网络消耗的电流的幅值和相位的负载。

在异步发电机运行过程中，其输出电压的特性在很大程度上受水流特性变化的驱动，既受负载变化的影响，又受力矩的变化的影响。为了补偿后一种影响，电流互感器通常通过直流环节与负载相连[2]。

采用不可控整流器、升压直流控制器和独立电压逆变器(IVI)的方案如图3所示。

图3 采用不可控整流器的方案

可控整流器和IVI的方案如图4所示[5-6]。该方案的给定配置广泛用于发电及其向单个电力系统(网络)的传输，以及独立网络。可控整流(CR)具有双向电流传导特性，它避免了额外的电容器和使用直流链接电容器C2的发电机自励。整流控制单元CU1控制定子电流的有功分量和无功分量在转子磁链矢量所指向的坐标系中的值(DQ系统)。CU1的输入值是转子旋转的速度ω和发电机的相电流Ia，Ib和Ic。发电机的磁通量由定子电流的无功分量驱动，保持在恒定的水平，它为微型电厂提供了最优效率。转子的转速是通过改变定子电流的有效分量来控制的，它定义了发电机的电磁力矩。CU2控制单元起到同步微型电厂的输出电压与电网或所需的输出电压的作用。CU2的输入值是直流链路电容处的电压UC2以及IVI的输出电流Ia，Ib和Ic和IVI的输出相电压Ua，Ub和Uc。电感L起滤波作用。

图4 采用可控整流器的方案

直流电路系统的总体缺点是能量的双重转换，它增加了能量损失，降低了整个系统的可靠性。

另一种控制微型电厂输出电压和频率的方法是使用基于STATCOM的设计方案。其中一种系统配置如图5所示[7]。STATCOM将频率控制器和输出电压幅值控制器的功能结合起来。

图5 基于STATCOM调节电压和频率的方案

结果，就控制了从网络消耗的电流的振幅。当无功负荷变化时，PI1形成信号m*，它与异步发电机输出端Ua，Ub和Uc的电压成正比，这个信号影响电压和STATCOM消耗电流之间的相移。通过控制无功功率对无功负荷变化进行补偿，使输出电压维持在设定的水平上。电感L作为一个滤波器，平滑STATCOM合成电流的脉冲。

STATCOM的控制系统可以与FACTS柔性系统相结合，也可以与异步发电机输出并联于整流器，消耗负荷急剧下降时产生的剩余有功功率[8]。