專利名稱：抽水蓄能機組靜止變頻器工況勵磁系統啟動控制方法
技術領域：
本發(fā)明專利涉及ー種抽水蓄能機組靜止變頻器エ況勵磁系統啟動控制方法，屬于電カ系統勵磁控制技術領域。
背景技術：
抽水蓄能機組既能在負荷高峰作為發(fā)電機發(fā)電，也能在負荷低谷作為電動機抽水蓄能，具備調峰填谷、調頻調相、事故備用和蓄洪補枯等多種用途，具有啟動快、反應靈敏、 負荷跟蹤迅速的特點。與常規(guī)電源相比，抽水蓄能電站能夠適應負荷的快速變化，對提高電 カ系統安全穩(wěn)定運行水平、電網供電質量和可靠性起到了重要作用，同時還可以優(yōu)化電源結構，實現綠色環(huán)保，達到電力系統的總體節(jié)能降耗，提高總體的經濟效益。在當今核電和風電等清潔能源大規(guī)模建設的同吋，必須配套建設一定比例的調峰電源已成為行業(yè)共識， 抽水蓄能發(fā)電就是最佳選擇之ー。抽水蓄能機組啟停頻繁，啟動方式靈活多祥，機組即可以以發(fā)電エ況運行，也可以以水泵方式運行，這兩種方式下，勵磁系統的控制策略是有區(qū)別的。在發(fā)電エ況下，勵磁系統以常規(guī)程序投入。在電動エ況運行吋，必須采用專門的電氣設備及操作方法，以盡可能平穩(wěn)的啟動同步電機，使啟動電流不致過大，對電網不產生過大的擾動。目前，靜止變頻器 (SFC)啟動是大型抽水蓄能機組的首選啟動方式，它利用晶間管變頻器產生可變的交流電源來啟動抽水蓄能機組。在采用SFC啟動吋，電機作為ー個電動機進行控制，SFC系統將機組由靜態(tài)拖動到水泵エ況運行，這時勵磁系統的控制目標與發(fā)電エ況不同，它要配合SFC系統將機組比較平穩(wěn)地拖動到正常的水泵エ況運行。在采用SFC啟動過程中，勵磁控制方式應采用以控制勵磁電流為目標的控制方式，當勵磁系統收到SFC啟動命令吋，勵磁系統的控制方式選擇為勵磁電流閉環(huán)控制方式(ECR)，在啟動過程中，在當轉速小于90%的額定轉速吋，勵磁系統控制目標在額定勵磁電流的50% 60%，當機組轉速達到90%的額定轉速吋，勵磁系統控制方式則轉換為自動電壓閉環(huán)調節(jié)(AVR)方式。機組的同期系統進行轉速及電壓的調整， 機組在滿足同期條件后并網，開始水泵エ況運行。

發(fā)明內容
為了滿足機組在電動エ況下靜止變頻器啟動的要求，勵磁調節(jié)器設置了靜止變頻器エ況啟動的獨立比例、積分和微分(PID)控制模型，該套模型的PID參數只對機組變頻器啟動起作用而不作用于機組正常運行的調節(jié)規(guī)律，從而保證機組啟動的可靠性的同時不影響機組運行的穩(wěn)定性，有利于靜止變頻器檢測電動機轉子位置，提高了電動機啟動成功率， 有利于電カ系統的安全穩(wěn)定運行。勵磁系統停止吋，勵磁エ況寄存器處于清零狀態(tài)。勵磁系統投入前，監(jiān)控系統必須事先給勵磁系統發(fā)送運行“ェ況指令”，抽水蓄能勵磁系統首先判斷抽水蓄能勵磁系統運行于何種運行ェ況，然后根據不同勵磁ェ況選擇不同的勵磁控制策略，將勵磁系統切換到需要的運行エ況。勵磁系統收到靜止變頻器啟動模式令之后，控制方式切換為勵磁電流閉環(huán)， 并且采用獨立的PID模型控制勵磁電流，使機端電壓平穩(wěn)上升，運行一段可設置的固定時間之后，自動切換為正常勵磁電流閉環(huán)模式，滿足同期條件并連網運行之后，切換為電壓閉環(huán)控制模式，也可以根據需要選擇其他閉環(huán)控制方式。


圖1為抽水蓄能機組エ況轉換控制流程圖。圖2為抽水蓄能機組靜止變頻器啟動一次接線圖。圖2為本發(fā)明專利在靜止變頻器エ況勵磁系統啟動階段采用的控制模型圖。圖3為抽水蓄能機組電動機模式靜止變頻器エ況勵磁系統啟動前期波形圖。圖4為抽水蓄能機組電動機模式靜止變頻器エ況勵磁系統啟動中期波形圖。圖5為抽水蓄能機組電動機模式靜止變頻器エ況勵磁系統啟動并網后波形圖。圖6為機組并網之后勵磁系統波形。
具體實施例方式下面結合附圖對本發(fā)明專利作進ー步的說明。抽水蓄能機組勵磁系統控制流程如圖1所示，未開機吋，勵磁系統處于停止狀態(tài)， 勵磁調節(jié)器處于待機模式，勵磁エ況寄存器處于清零狀態(tài)，滅磁開關及交流側斷路器均處于分斷狀態(tài)，整流柜冷卻風機停轉。勵磁系統投入前，監(jiān)控系統必須事先通過開關量給勵磁系統發(fā)送運行“エ況指令”，收到指令后，抽水蓄能勵磁系統首先判斷抽水蓄能勵磁系統要運行于何種運行エ況，然后根據不同勵磁エ況選擇不同的勵磁控制策略，將勵磁系統切換到需要的運行エ況。抽水蓄能機組有發(fā)電機和電動機兩種運行模式，發(fā)電機運行模式分為正常發(fā)電模式和背靠背發(fā)電機模式，電動機運行模式分為背靠背電動機啟動模式和靜止變頻器啟動模式。勵磁系統接到“發(fā)電機模式”エ況指令后，勵磁調節(jié)器置發(fā)電機模式，電壓閉環(huán)，勵磁エ況寄存器置1，順序合滅磁開關與交流側斷路器，待勵磁系統收到“90%轉速令”之后輸出“勵磁系統準備好”信號。此時點擊“開機”按鈕，勵磁調節(jié)器起動整流柜冷卻風機并輸出脈沖，整流柜晶閘管開始整流為發(fā)電機轉子輸出直流電流，發(fā)電機定子開始建壓，并迅速達到給定的電壓值，調節(jié)器處于空載運行狀態(tài)。合負荷開關，發(fā)電機并網，調節(jié)器進入負載運行狀態(tài)，發(fā)電機開始正常發(fā)電，向電網輸送有功和無功功率。通過點擊“增磁”或“減磁” 按鈕，可増大或減小勵磁電流，從而調節(jié)發(fā)電機的無功出力，發(fā)電機實現調相功能。若要停止發(fā)電，先減小發(fā)電機輸出功率到接近于零，然后斷開負荷開關，此時定子電流變?yōu)榱?，發(fā)電機回到空載運行狀態(tài)。點擊“停機”按鈕，調節(jié)器輸出脈沖變?yōu)槟孀兘?，轉子電流迅速變?yōu)榱?，發(fā)電機滅磁，機端電壓消失。之后交流側斷路器、滅磁開關自動分斷，冷卻風機停止運行，勵磁エ況寄存器復位，勵磁調節(jié)器置待機模式。抽水蓄能機組運行于“發(fā)電機模式”吋， 勵磁控制方式與常規(guī)水電機組一祥。背靠背啟動是用一臺蓄能機組(或常規(guī)發(fā)電機組)做發(fā)電機運行來同步啟動其他蓄能機組進入電動態(tài)的啟動模式。開機之前發(fā)電機和電動機的負荷開關都是斷開的。兩臺機組的定子通過中間斷路器短接起來(兩臺機組定子的機端相序相反以確保發(fā)電機和電動機轉子的旋轉方向相反)，以轉子電流閉環(huán)方式并分別投入各自的勵磁系統。逐漸開啟水輪機的導葉，讓發(fā)電機的轉速逐步升高，轉動起來的發(fā)電機將產生的低頻電源加到電動機的定子上，電動機在同步轉矩作用下跟隨發(fā)電機逐步升速。當電動機的轉速到達額定值后，斷開中間斷路器，閉鎖發(fā)電機的勵磁系統，閉合電動機的負荷開關，抽水蓄能機組進入電動機工作狀態(tài)。勵磁系統接到“背靠背發(fā)電機模式”エ況指令后，勵磁調節(jié)器置背靠背發(fā)電機模式，電流閉環(huán)，勵磁エ況寄存器置2，順序合滅磁開關與交流側斷路器，點擊“開機”按鈕，勵磁調節(jié)器起動整流柜冷卻風機并輸出脈沖，整流柜晶間管開始整流為發(fā)電機轉子輸出直流電流，轉子電流經過PID控制器達到事先設置的背靠背發(fā)電機模式電流閉環(huán)電流給定值， 發(fā)電機定子開始建壓，拖動與之反并聯運行的電動機旋轉，電動機轉速逐漸升高到同步轉速后，斷開與發(fā)電機的連接，經同期裝置并網運行。此后發(fā)電機退出運行，調節(jié)器輸出脈沖變?yōu)槟孀兘?，轉子電流迅速變?yōu)榱?，發(fā)電機滅磁，機端電壓消失。之后交流側斷路器、滅磁開關自動分斷，冷卻風機停止運行，勵磁エ況寄存器復位，勵磁調節(jié)器置待機模式。勵磁系統接到“背靠背電動機模式”エ況指令后，勵磁調節(jié)器置背靠背電動機模式，電流閉環(huán)，勵磁エ況寄存器置3，順序合滅磁開關與交流側斷路器，點擊“開機”按鈕，勵磁調節(jié)器起動整流柜冷卻風機并輸出脈沖，整流柜晶間管開始整流為電動機轉子輸出直流電流，轉子電流經過PID控制器達到事先設置的背靠背電動機模式電流閉環(huán)電流給定值， 電動機在與之反向并聯的背靠背發(fā)電機的拖動下，開始跟隨發(fā)電機旋轉，電動機勵磁調節(jié)器處于空載狀態(tài)。轉速逐漸升高到同步轉速后，斷開與發(fā)電機的連接，經同期裝置并網運行。此后電動機勵磁調節(jié)器進入負載運行狀態(tài)，控制方式自動轉為電壓閉環(huán)，并可以手動切換為無功閉環(huán)、功率因數閉環(huán)等其他運行方式。通過點擊“增磁”或“減磁”按鈕，可増大或減小勵磁電流，從而調節(jié)電動機的無功功率，電動機實現調相功能。若要停止抽水，先減小電動機輸出功率到接近于零，然后斷開負荷開關，此時定子電流變?yōu)榱?，發(fā)電機回到空載運行狀態(tài)。點擊“停機”按鈕，調節(jié)器輸出脈沖變?yōu)槟孀兘牵D子電流迅速變?yōu)榱?，電動機滅磁，機端電壓消失，經電制動后轉速快速減小最終停轉。之后交流側斷路器、滅磁開關自動分斷，冷卻風機停止運行，勵磁エ況寄存器復位，勵磁調節(jié)器置待機模式。SFC變頻器的一次接線如圖2所示，它由三相網側晶閘管橋(SRN)和三相機側晶閘管橋(SRM)以及交直流電抗器組成。由于抽水蓄能機組在水泵エ況下，機組作同步電動機運行。因此，SRN為整流橋，從電網中將交流電能轉換為中間回路的直流電能；SRM為逆變橋，將中間回路的直流電轉化為交流電能。SRN和SRM通過直流電抗器連接起來，直流電抗器限制直流回路的電流上升率，起著平波限流的作用。與一般意義上的晶閘管交-直-交電流型逆變橋不同，該主回路無強迫換相電容和串聯ニ極管，靠抽水蓄能機組的反電動勢進行換相。啟動電機吋，電網側整流橋將恒頻、恒壓的交流電變成電壓可調的直流電，然后通過電機側逆變橋逆變成與電機轉速相對應的頻率和電壓，逆變橋輸出的可變頻率的電流送至定子繞組。與此同吋，電站的勵磁系統對被啟動機組供給勵磁電流，已勵磁的轉子與定子電流產生的旋轉磁場相互作用，使轉子產生轉動カ矩而啟動。變頻啟動時同期斷路器斷開，SFC斷路器1、SFC斷路器2閉合。抽水蓄能機組在變頻器的作用下加速旋轉，當轉速接近額定值時投入同期。同期裝置通過控制變頻器滿足條件后，同期斷路器閉合的同時閉鎖 SFC變頻器(SFC整流橋和逆變橋同時封脈沖)，SFC斷路器1、SFC斷路器2斷開，機組并網進入電動狀態(tài)。
勵磁系統接到“SFC電動機模式”エ況指令后，勵磁調節(jié)器置SFC電動機模式，電流閉環(huán)，勵磁エ況寄存器置4，順序合滅磁開關與交流側斷路器，點擊“開機”按鈕，勵磁調節(jié)器起動整流柜冷卻風機并輸出脈沖，整流柜晶間管開始整流為電動機轉子輸出直流電流，轉子電流經本發(fā)明專利所描述的控制方法達到由SFC發(fā)出的毫安信號所定義的電流閉環(huán)電流給定值，電動機在靜止變頻器的拖動下，開始旋轉并不斷加速，電動機勵磁調節(jié)器處于空載狀態(tài)。轉速逐漸升高到同步轉速后，斷開與SFC的連接，經同期裝置并網運行。此后電動機勵磁調節(jié)器進入負載運行狀態(tài)，控制方式自動轉為電壓閉環(huán)，并可以手動切換為無功閉環(huán)、功率因數閉環(huán)等其他運行方式。通過點擊“增磁”或“減磁”按鈕，可調節(jié)勵磁電流，從而調節(jié)電動機的無功功率，電動機實現調相功能。若要停止抽水，先減小電動機輸出功率到接近于零，然后斷開負荷開關，此時定子電流變?yōu)榱悖l(fā)電機回到空載運行狀態(tài)。點擊“停機”按鈕，調節(jié)器輸出脈沖變?yōu)槟孀兘?，轉子電流迅速變?yōu)榱悖妱訖C滅磁，機端電壓消失， 經電制動后轉速快速減小最終停轉。之后交流側斷路器、滅磁開關自動分斷，冷卻風機停止運行，勵磁エ況寄存器復位，勵磁調節(jié)器置待機模式。機組啟動吋，由于轉子處于靜止狀態(tài)，在定子中無感應電壓，SRM不可能實現正常的換相。所以機組啟動吋，靜止變頻器要求勵磁調節(jié)器給出ー個階越變化的勵磁電流，以便根據在定子中感應的三相電壓計算轉子初始位置，選擇首先給哪兩相定子繞組通以電流。 采用如圖3所示獨立的PID模型控制勵磁電流，由靜止變頻器發(fā)過來的0-20mA模擬電流信號經AD轉換后作為給定，與轉子電流反饋值做差之后，送入啟動階段PID控制器，PID運算輸出ル經反余弦計算之后控制脈沖觸發(fā)角，從而控制晶閘管的導通時間，使機端電壓平穩(wěn)上升。啟動階段PID參數分別為MartP、StartI和MartD，其數值經過仿真實驗和現場實驗整定，具有高起始的特點。經過一段可設置的固定時間Tstart之后，轉速超過10%額定轉速，變頻器就進入了自然換相控制階段，勵磁系統自動切換為正常勵磁電流閉環(huán)控制算法， 機組全功率加速運行，滿足同期條件之后，斷開與SFC的連接，經同期裝置并網運行，同時切換為電壓閉環(huán)控制模式，也可以根據需要選擇其他閉環(huán)控制方式。采用本專利所述的控制方法之后，電動機模式靜止變頻器エ況勵磁系統啟動前期波形如圖4所示，從波形可以看出，勵磁系統起始階段，“轉子電流”能夠快速跟隨“電流給定”，在很短時間之內，建立起勵磁電流，使得“機端電壓”穩(wěn)步提升，而“定子電流”波動較小。電動機模式靜止變頻器エ況勵磁系統啟動中期波形如圖5所示，此階段“勵磁電流”跟隨“電流給定”且基本不變，隨轉速不斷増加“機端電壓”持續(xù)上升，“定子電流”波動較小。機組并網之后勵磁系統波形如圖6所示，此時采用機端電壓閉環(huán)方式，“機端電壓”、“轉子電流”等各個參量維持恒定運行。從圖4-圖6可見，本發(fā)明專利所提出的抽水蓄能機組靜止變頻器エ況勵磁系統啟動控制方法能快速響應SFC發(fā)過來的轉子電流給定，有利于靜止變頻器檢測電動機轉子位置，在保證機組啟動的可靠性的同時不影響機組運行的穩(wěn)定性，提高了電動機啟動成功率， 有利于電網的安全穩(wěn)定運行。
權利要求
1.抽水蓄能機組靜止變頻器エ況勵磁系統啟動控制方法，其特征在干，包括由靜止變頻器發(fā)送的0-20mA模擬電流信號經AD轉換后作為給定，與轉子電流反饋值做差之后，送入啟動階段PID控制器，PID控制器運算輸出Uf經反余弦計算之后控制脈沖觸發(fā)角，從而控制晶閘管的導通時間，使機端電壓平穩(wěn)上升的步驟。
2.根據權利要求1所述的抽水蓄能機組靜止變頻器エ況勵磁系統啟動控制方法，其特征在干，在起始階段采用獨立的PID模型，該獨立的PID模型的PID參數只對靜止變頻器啟動起作用而不作用于機組正常運行的調節(jié)規(guī)律。
3.根據權利要求1所述的抽水蓄能機組靜止變頻器ェ況勵磁系統啟動控制方法，其特征在干，勵磁系統收到靜止變頻器啟動模式令之后，控制方式切換為勵磁電流閉環(huán)，并且采用獨立的PID模型控制勵磁電流，使機端電壓平穩(wěn)上升，運行一段可設置的固定時間之后， 自動切換為正常勵磁電流閉環(huán)模式。
全文摘要
抽水蓄能機組靜止變頻器工況勵磁系統啟動控制方法，包括由靜止變頻器發(fā)送的0-20mA模擬電流信號經AD轉換后作為給定，與轉子電流反饋值做差之后，送入啟動階段PID控制器，PID控制器運算輸出Uf經反余弦計算之后控制脈沖觸發(fā)角，從而控制晶閘管的導通時間，使機端電壓平穩(wěn)上升的步驟。勵磁調節(jié)器設置了靜止變頻器工況啟動的獨立比例、積分和微分(PID)控制模型，該套模型的PID參數只對機組變頻器啟動起作用而不作用于機組正常運行的調節(jié)規(guī)律，從而保證機組啟動的可靠性的同時不影響機組運行的穩(wěn)定性，有利于靜止變頻器檢測電動機轉子位置，提高了電動機啟動成功率，有利于電力系統的安全穩(wěn)定運行。
文檔編號H02P1/52GK102570934SQ20111000000
公開日2012年7月11日 申請日期2011年1月1日 優(yōu)先權日2011年1月1日
發(fā)明者劉國華, 華光輝, 呂宏水, 吳衛(wèi)東, 孫聰, 常玉紅, 朱曉東, 許其品, 赫衛(wèi)國, 陳梅, 魏偉 申請人:國網電力科學研究院, 安徽響水澗抽水蓄能有限公司