專利名稱：變頻變壓器控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及變頻變壓器(Variable Frequency Transformer，VFT)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種變頻變壓器控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
目前，世界上實現(xiàn)大電網(wǎng)互聯(lián)的主要手段是交流同步聯(lián)網(wǎng)和直流異步聯(lián)網(wǎng)。這兩種方式各具特點。交流同步聯(lián)網(wǎng)不僅可以實現(xiàn)有功功率交換，還可以在一定范圍內(nèi)自動平衡互聯(lián)系統(tǒng)的無功功率。通過交流聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建堅強的送端電網(wǎng)或受端電網(wǎng)，接入同步電網(wǎng)的發(fā)電機數(shù)量愈多，同步電網(wǎng)的慣性越大，可顯著增強同步電網(wǎng)應(yīng)對故障能力和接納區(qū)外電力的能力。另一方面，隨著同步電網(wǎng)規(guī)模的擴大，低頻功率振蕩和事故擴散的風(fēng)險備受各方關(guān)注。例如，我國華中-華北-東北“長鏈?zhǔn)健苯涣髀?lián)網(wǎng)系統(tǒng)就存在低頻振蕩的風(fēng)險，制約了區(qū)域電網(wǎng)的交換功率水平。直流異步聯(lián)網(wǎng)可以有效隔離互聯(lián)電網(wǎng)之間的交互影響，實現(xiàn)有功功率的高效可控傳輸，但是大規(guī)模的直流功率交換需要有堅強的交流電網(wǎng)支撐，否則一旦發(fā)生直流故障會導(dǎo)致電網(wǎng)供電事故，同時，交流側(cè)故障也會影響直流側(cè)系統(tǒng)正常運行。從電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行、潮流靈活控制以及電力市場發(fā)展出發(fā)，互聯(lián)電網(wǎng)之間需要有清晰的界面，對于交流互聯(lián)這一點顯得更重要。否則一旦出現(xiàn)某一互聯(lián)線路故障，就可能出現(xiàn)大范圍的功率轉(zhuǎn)移，影響整個聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的安全運行。這一幕就在2003年美加大停電中發(fā)生過，并帶來嚴(yán)重的后果。此外，由于受直流輸電自身特性的限制，常規(guī)直流(包括直流背靠背)的正常運行需要以兩側(cè)的系統(tǒng)電壓為支撐，才能夠?qū)崿F(xiàn)正常的換流和整流，同時換流站附近的故障也容易帶來直流換相失敗等故障。因此在給弱電網(wǎng)供電時，直流連接存在一定的局限性。另外，直流輸電會給系統(tǒng)帶來一定的諧波，需要投入大量的濾波器設(shè)備。因此，針對大電網(wǎng)互聯(lián)的發(fā)展趨勢，迫切需要在互聯(lián)技術(shù)和裝置上實現(xiàn)創(chuàng)新和突破。變頻變壓器就是在這一背景下研發(fā)出的一種新型的聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。變頻變壓器是一種智能高效的新型電網(wǎng)互聯(lián)裝置，該設(shè)備在解決電網(wǎng)互聯(lián)所面臨的異步互聯(lián)、故障隔離、向弱電源系統(tǒng)供電等問題上具有一定的優(yōu)勢。一方面，變頻變壓器能夠?qū)崿F(xiàn)兩個異步電網(wǎng)的互聯(lián)，輸送功率可以靈活平滑控制，同時又能夠?qū)崿F(xiàn)向弱電源甚至無源系統(tǒng)供電，在某種程度上具有比直流背靠背更可靠的聯(lián)網(wǎng)供電性能。另一方面，變頻變壓器的損耗要遠低于VSC-HVDC 裝置，也低于常規(guī)直流背靠背。從控制靈活性和傳輸效率等方面看，變頻變壓器在電力系統(tǒng)有廣闊的應(yīng)用前景。在物理結(jié)構(gòu)上，變頻變壓器是一種集成了變壓器、移相器、水輪發(fā)電機、雙饋電機、 直流驅(qū)動等技術(shù)的新型異步電網(wǎng)互聯(lián)裝置，其核心技術(shù)是在定子與轉(zhuǎn)子側(cè)都有三相繞組的旋轉(zhuǎn)變壓器，并使用直流電機驅(qū)動系統(tǒng)調(diào)整轉(zhuǎn)子磁場相對于定子磁場的空間旋轉(zhuǎn)位置，從而控制經(jīng)由變頻變壓器輸出的功率大小和方向。變頻變壓器主要由旋轉(zhuǎn)變壓器、直流驅(qū)動電機和集電環(huán)等三部分組成。當(dāng)變頻變壓器采取豎式設(shè)計時，為了提高系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性。體積小、重量輕的集電環(huán)位于變頻變壓器的上端，在轉(zhuǎn)子三相繞組與外部系統(tǒng)之間傳導(dǎo)電流，實現(xiàn)轉(zhuǎn)子繞組與外部交流系統(tǒng)的電氣連接。直流電機位于變頻變壓器中部，與轉(zhuǎn)子同軸，在轉(zhuǎn)子軸上也安裝有直流驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)子繞組，通過直流整流回路控制直流電機驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，從而調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)子磁場與定子磁場的相位移。體積大、重量大的旋轉(zhuǎn)變壓器位于變頻變壓器的下部，旋轉(zhuǎn)變壓器由定子三相繞組和轉(zhuǎn)子三相繞組及定、轉(zhuǎn)子鐵心構(gòu)成，轉(zhuǎn)子繞組通過集電環(huán)與一側(cè)系統(tǒng)相連，定子繞組與外部另一側(cè)交流系統(tǒng)相連。穩(wěn)態(tài)情況下，即轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)(電氣)頻率與轉(zhuǎn)子電流頻率之和等于定子電流頻率時， 可以實現(xiàn)兩系統(tǒng)之間的穩(wěn)定功率輸送。后文推導(dǎo)顯示，變頻變壓器輸送功率大小取決于直流電機施加在旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子上的力矩。也就是說，變頻變壓器所傳送的功率是直流電機施加在轉(zhuǎn)子軸上的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩的函數(shù)。假定在某一方向上施加轉(zhuǎn)矩，使得有功功率從定子側(cè)系統(tǒng)流向轉(zhuǎn)子側(cè)系統(tǒng)，那么，在相反的方向上施加轉(zhuǎn)矩時，將使功率從轉(zhuǎn)子側(cè)系統(tǒng)流向定子側(cè)系統(tǒng)。在變頻變壓器設(shè)計容量范圍內(nèi)，變頻變壓器輸送功率與在轉(zhuǎn)子軸上所施加的轉(zhuǎn)矩的大小成比例，方向也取決于轉(zhuǎn)矩的方向。當(dāng)變壓器傳輸功率為零時，所需要的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩也接近零。直流驅(qū)動電機是控制變頻變壓器轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子繞組磁場與定子繞組磁場相位移、控制變頻變壓器輸送功率的核心元件。在直流電機不輸出轉(zhuǎn)矩時，由于定、轉(zhuǎn)子繞組之間的電磁耦合作用，轉(zhuǎn)子自身的角速度將趨向于兩側(cè)的異步交流系統(tǒng)之間的角速度之差，但不能完全彌補該頻率差，導(dǎo)致變頻變壓器的輸送功率呈正弦周期性變化。如果頻率差較大、系統(tǒng)功率波動過大，就可能導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)。在功率控制上，變頻變壓器一般通過了閉環(huán)的功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)來控制功率傳輸量。 調(diào)節(jié)器將所測到的功率值與所期望的設(shè)定值相比較，然后功率的偏差值將被用來調(diào)節(jié)直流電機的輸出轉(zhuǎn)矩。功率調(diào)節(jié)的階躍響應(yīng)速度一般在數(shù)百毫秒，能滿足對系統(tǒng)的擾動做出快速反應(yīng)并維持穩(wěn)定的功率傳送。VFT吸收無功功率遵從交流電路定律，由旋轉(zhuǎn)變壓器的漏抗以及變頻變壓器電流的平方?jīng)Q定?？傊?，在變頻變壓器中，旋轉(zhuǎn)變壓器是通過磁耦合原理實現(xiàn)轉(zhuǎn)子與定子兩側(cè)系統(tǒng)功率交換的主體，直流電機是控制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速及變頻變壓器傳輸功率大小的關(guān)鍵設(shè)備，集電環(huán)是實現(xiàn)轉(zhuǎn)子繞組與外部系統(tǒng)形成直接電氣連接的設(shè)備。變頻變壓器的轉(zhuǎn)子慣性一般比較大，這有利于增強變頻變壓器應(yīng)對外部沖擊或擾動的能力。如何實現(xiàn)對變頻變壓器的控制是本領(lǐng)域的熱點和難點問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的一個技術(shù)問題是提供一種變頻變壓器控制系統(tǒng)。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種變頻變壓器控制系統(tǒng)，包括觸發(fā)角控制單元， 用于根據(jù)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、命令轉(zhuǎn)矩和測量轉(zhuǎn)矩確定觸發(fā)角，發(fā)送觸發(fā)角；整流裝置，用于接收來自觸發(fā)角控制單元的觸發(fā)角，根據(jù)觸發(fā)角調(diào)整輸出電壓；直流電機，能夠與轉(zhuǎn)子同軸安裝， 用于接收來自整流裝置的輸出電壓，根據(jù)輸出電壓確定輸出轉(zhuǎn)矩。優(yōu)選地，觸發(fā)角控制單元包括取電變壓器，高壓側(cè)接變頻變壓器的定子側(cè)系統(tǒng)， 對電壓降壓去電后輸出電壓信號；觸發(fā)角確定單元，用于接收轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、命令轉(zhuǎn)矩和測量轉(zhuǎn)矩，根據(jù)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、命令轉(zhuǎn)矩和測量轉(zhuǎn)矩確定觸發(fā)角；幅值確定單元，用于根據(jù)觸發(fā)角確定單元確定的觸發(fā)角獲得觸發(fā)角的幅值；相位測量單元，根據(jù)來自取電變壓器的電壓信號通過鎖相環(huán)得到電壓相位變化的三角波形；觸發(fā)脈沖比較發(fā)生器，將相位測量單元提供的相位三角波形和幅值確定單元的觸發(fā)角的幅值相比較，從而產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，發(fā)送給整流裝置； 換向器，用于根據(jù)觸發(fā)角確定單元確定的觸發(fā)角極性確定電流的方向信號，發(fā)送給整流裝置。優(yōu)選地，整流裝置包括六橋整流器，用于接收來自觸發(fā)脈沖比較發(fā)生器的觸發(fā)脈沖，確定電壓幅值，并通過換向開關(guān)，將帶有方向的電壓施加在直流電機上；換向開關(guān)，用于接收來自六橋整流器的電壓幅值和來自換向器的電流的方向信號，確定發(fā)送給直流電機的電壓極性。優(yōu)選地，換向開關(guān)為由GTO橋構(gòu)成的換向設(shè)備。優(yōu)選地，該系統(tǒng)還包括與六橋整流器和換向開關(guān)并聯(lián)的濾波電容，串聯(lián)在六橋濾波器和換向開關(guān)之間的平波電抗。優(yōu)選地，該系統(tǒng)還包括傳輸功率調(diào)整單元，用于根據(jù)變頻變壓器的實際傳輸功率和命令功率相比較得到功率偏差，輸入到PID環(huán)節(jié)獲得命令電磁轉(zhuǎn)矩；轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速調(diào)整及電壓相位控制單元，用于根據(jù)定子側(cè)系統(tǒng)與轉(zhuǎn)子側(cè)系統(tǒng)頻率之差，通過PID環(huán)節(jié)計算所需要的電磁轉(zhuǎn)矩；根據(jù)變頻變壓器側(cè)電壓相角和斷路器另一側(cè)電壓相角之差，通過PID環(huán)節(jié)計算期望的電磁轉(zhuǎn)矩。優(yōu)選地，該系統(tǒng)還包括電容器組投切控制單元，用于自動或手動投切電容器組， 目的是實現(xiàn)系統(tǒng)的無功平衡和控制母線電壓水平。優(yōu)選地，該系統(tǒng)還包括低電壓限功率單元、抑制低頻振蕩單元、調(diào)整系統(tǒng)頻率單元和優(yōu)化系統(tǒng)潮流單元中的一個或者多個。


構(gòu)成說明書的一部分的附圖描述了本發(fā)明的實施例，并且連同說明書一起用于解釋本發(fā)明的原理。參照附圖，根據(jù)下面的詳細描述，可以更加清楚地理解本發(fā)明，其中圖1示出本發(fā)明的變頻變壓器控制系統(tǒng)的一個實施例的結(jié)構(gòu)圖；圖2示出本發(fā)明的變頻變壓器控制系統(tǒng)的另一個實施例的結(jié)構(gòu)圖；圖3A-3D示出本發(fā)明的變頻變壓器控制系統(tǒng)的一個實施例及其組件的電路圖；其中，圖3A示出直流電機驅(qū)動系統(tǒng)模型；圖;3B示出電壓相位三角波發(fā)生器；圖3C示出換向控制回路；圖3D示出觸發(fā)脈沖發(fā)生器；圖4A示出VFT器件級控制框圖；圖4B示出VFT裝置級控制框圖示意圖；圖4C示出VFT系統(tǒng)級控制框圖示意圖；圖5示出本發(fā)明的變頻變壓器三級控制總體框架；圖6示出轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制框圖；圖7示出有功功率控制回路框圖；圖8示出電壓相角控制回路框圖；圖9示出同期合閘的控制框圖；圖10示出基于電壓水平控制的無功電壓控制框圖11示出優(yōu)化系統(tǒng)潮流控制示意圖；圖12示出聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)器控制回路；圖13示出VFT抑制低頻振蕩控制器的控制圖模型；圖14示出某變頻變壓器聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中觸發(fā)角與電磁轉(zhuǎn)矩、直流整流電壓、直流電流的關(guān)系曲線。
具體實施例方式現(xiàn)在將參照附圖來詳細描述本發(fā)明的各種示例性實施例。應(yīng)注意到除非另外具體說明，否則在這些實施例中闡述的部件和步驟的相對布置、數(shù)字表達式和數(shù)值不限制本發(fā)明的范圍。同時，應(yīng)當(dāng)明白，為了便于描述，附圖中所示出的各個部分的尺寸并不是按照實際的比例關(guān)系繪制的。以下對至少一個示例性實施例的描述實際上僅僅是說明性的，決不作為對本發(fā)明及其應(yīng)用或使用的任何限制。對于相關(guān)領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的技術(shù)、方法和設(shè)備可能不作詳細討論，但在適當(dāng)情況下，所述技術(shù)、方法和設(shè)備應(yīng)當(dāng)被視為授權(quán)說明書的一部分。在這里示出和討論的所有示例中，任何具體值應(yīng)被解釋為僅僅是示例性的，而不是作為限制。因此，示例性實施例的其它示例可以具有不同的值。應(yīng)注意到相似的標(biāo)號和字母在下面的附圖中表示類似項，因此，一旦某一項在一個附圖中被定義，則在隨后的附圖中不需要對其進行進一步討論。根據(jù)變頻變壓器的工作原理，變頻變壓器的主要控制實質(zhì)上是對轉(zhuǎn)子運動的控制，包括轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制以及轉(zhuǎn)子繞組電流磁場與定子繞組電流磁場的相位移控制。因此，對轉(zhuǎn)子運動的精確高效控制是變頻變壓器各項功能實現(xiàn)的關(guān)鍵。同時，根據(jù)變頻變壓器的功率調(diào)節(jié)要求，轉(zhuǎn)子應(yīng)該能夠正向旋轉(zhuǎn)，也應(yīng)該能夠反向旋轉(zhuǎn)，還能夠保持靜止，相應(yīng)地轉(zhuǎn)子力矩應(yīng)能夠平滑調(diào)節(jié)。綜合考慮變頻變壓器的控制需求，可以利用在轉(zhuǎn)子上同軸安裝的直流電機來實現(xiàn)變頻變壓器的有效控制。綜合考慮各種不同的直流電機運行方式，可以采用電樞電壓調(diào)節(jié)方式對直流電機進行控制，這樣有利于滿足快速調(diào)節(jié)的需要，提高控制效率。下面介紹直流電機驅(qū)動系統(tǒng)的基本方程。根據(jù)整流回路基本方程，整流回路輸出電壓為
權(quán)利要求
1.一種變頻變壓器控制系統(tǒng)，其特征在于，包括觸發(fā)角控制單元，用于根據(jù)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、命令轉(zhuǎn)矩和測量轉(zhuǎn)矩確定觸發(fā)角，發(fā)送所述觸發(fā)角；整流裝置，用于接收來自所述觸發(fā)角控制單元的觸發(fā)角，根據(jù)所述觸發(fā)角調(diào)整輸出電壓；直流電機，能夠與轉(zhuǎn)子同軸安裝，用于接收來自所述整流裝置的輸出電壓，根據(jù)所述輸出電壓確定輸出轉(zhuǎn)矩。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述觸發(fā)角控制單元包括取電變壓器，高壓側(cè)接變頻變壓器的定子側(cè)系統(tǒng)，對電壓降壓去電后輸出電壓信號； 觸發(fā)角確定單元，用于接收轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、命令轉(zhuǎn)矩和測量轉(zhuǎn)矩，根據(jù)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、命令轉(zhuǎn)矩和測量轉(zhuǎn)矩確定觸發(fā)角；幅值確定單元，用于根據(jù)所述觸發(fā)角確定單元確定的觸發(fā)角獲得觸發(fā)角的幅值； 相位測量單元，用于根據(jù)來自取電變壓器的電壓信號通過鎖相環(huán)得到電壓相位變化的三角波形；觸發(fā)脈沖比較發(fā)生器，用于將相位測量單元提供的相位三角波形和幅值確定單元的觸發(fā)角的幅值相比較來產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，發(fā)送給所述整流裝置；換向器，用于根據(jù)所述觸發(fā)角確定單元確定的觸發(fā)角極性確定電流的方向信號，發(fā)送給所述整流裝置。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述整流裝置包括六橋整流器，用于接收來自所述觸發(fā)脈沖比較發(fā)生器的觸發(fā)脈沖，確定電壓幅值，發(fā)送給換向開關(guān)；所述換向開關(guān)，用于接收來自所述六橋整流器的電壓幅值和來自所述換向器的電流的方向信號，確定輸出電壓極性發(fā)送給所述直流電機。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述換向開關(guān)為由GTO橋構(gòu)成的換向設(shè)備。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括與所述六橋整流器和所述換向開關(guān)并聯(lián)的濾波電容，串聯(lián)在所述六橋濾波器和所述換向開關(guān)之間的平波電抗。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括傳輸功率調(diào)整單元，用于根據(jù)變頻變壓器的實際傳輸功率和命令功率相比較得到功率偏差，輸入到PID環(huán)節(jié)獲得命令電磁轉(zhuǎn)矩；轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速調(diào)整及電壓相位控制單元，用于根據(jù)定子側(cè)系統(tǒng)與轉(zhuǎn)子側(cè)系統(tǒng)頻率之差，通過PID環(huán)節(jié)計算所需要的電磁轉(zhuǎn)矩；根據(jù)變頻變壓器側(cè)電壓相角和斷路器另一側(cè)電壓相角之差，通過PID環(huán)節(jié)計算期望的電磁轉(zhuǎn)矩。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括電容器組，用于平衡變頻變壓器吸收的無功，以控制系統(tǒng)無功平衡和母線電壓水平； 電容器組投切控制單元，用于自動或手動投切電容器組以實現(xiàn)系統(tǒng)的無功平衡和控制母線電壓水平。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述投切電容器組根據(jù)變頻變壓器的電流計算變頻變壓器吸收的無功，按照預(yù)先設(shè)定的次序投入或切除電容器組。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括低電壓限功率單元、抑制低頻振蕩單元、調(diào)整系統(tǒng)頻率單元和優(yōu)化系統(tǒng)潮流單元中的一個或者多個。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述抑制低頻振蕩單元包括隔直環(huán)節(jié)和超前/滯后相位補償環(huán)節(jié)，輸入信號為斷面的輸送功率，輸出信號為給變頻變壓器的命令功率增量。
全文摘要
本發(fā)明公開一種變頻變壓器控制系統(tǒng)，涉及變頻變壓器技術(shù)領(lǐng)域，該控制系統(tǒng)包括觸發(fā)角控制單元，根據(jù)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、命令轉(zhuǎn)矩和測量轉(zhuǎn)矩確定觸發(fā)角；整流裝置，根據(jù)觸發(fā)角調(diào)整輸出電壓；直流電機，能夠與轉(zhuǎn)子同軸安裝，根據(jù)來自整流裝置的輸出電壓確定輸出轉(zhuǎn)矩。本發(fā)明研究提出了VFT器件、裝置和系統(tǒng)三級控制體系，給出了變頻變壓器控制系統(tǒng)總框圖，建立了包括整流觸發(fā)回路在內(nèi)的VFT直流電機驅(qū)動系統(tǒng)，研究設(shè)計了VFT底層觸發(fā)角控制、中層輸送功率控制、高層系統(tǒng)應(yīng)用控制等主要功能的具體控制框圖和關(guān)鍵參數(shù)，為實現(xiàn)變頻變壓器的各種功能奠定了基礎(chǔ)。
文檔編號H02P7/292GK102437807SQ20111032605
公開日2012年5月2日 申請日期2011年10月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月26日
發(fā)明者周孝信, 陳葛松 申請人:國家電網(wǎng)公司