CN101369798A - 大型脉冲飞轮发电机组超同步调速装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于一种超同步调速装置，具体涉及一种大型脉冲飞轮发电机组超同步调速装置。本发明能够将机组的最高运行转速提高到超过同步转速10％，一次脉冲放电释能提高了70％，达到了HL－2A托卡马克装置在高参数脉冲放电条件下开展物理实验的要求。实现了大型脉冲发电机组在脉冲放电释能过程中以及电动机转子回路在相互切换时对系统的无冲击的飞接控制，并且使机组在超同步速度运行时对其绕组温升和各轴承座振动的影响都很小。它可用于冶金、能源以及抽水蓄能电站等需要对大型机组进行超同步调速控制的场所。
Description
技术领域
本发明属于一种超同步调速装置，具体涉及一种大型脉冲飞轮发电机组超同步调速装置。
背景技术
在HL-2A托卡马克装置脉冲供电系统中，两台80MVA大型脉冲发电机组通过整流设备共同为HL-2A环向场线圈供电。环向场系统设计值为最大环向磁场2.8特斯拉，最大线圈电流45kA，平顶时间3～5秒，最大全负荷重复率为20分钟/次。为使HL-2A装置在高参数条件下开展物理实验，这就要求每台脉冲发电机组都必须具备一次脉冲放电释能500MJ的条件。但是，每台发电机组同步转速为1500rpm，轴系的转动惯量为287吨·米2，最大机械储能862MJ，放电期间转速下降范围为1480—1200rpm，一次脉冲放电最大释能仅为295MJ，这离要求的每台发电机组500MJ的一次脉冲释能相差甚远。因此需要在充分利用原有大型设备的前提下，研究一种新的调速装置来解决上述问题。
发明内容
本发明的目的是，提供一种能够实现超同步转速运行，并且能够大幅度提高机组轴系机械储能和放电释能的大型脉冲飞轮发电机组超同步调速装置。
本发明采用的技术方案是：一种大型脉冲飞轮发电机组超同步调速装置，它包括异步电动机，与异步电动机相连的飞轮，与飞轮连接的脉冲发电机，异步电动机的定子绕组通过真空断路器接电网，它还包括循环变流器，循环变流器和滑差调节器水电阻分别通过第一个ME断路器和第二个ME断路器接入异步电动机的转子回路，循环变流器还通过四绕组整流变压器和真空断路器与电网连接，异步电动机的非传动端装设有增量编码器，同步变压器通过隔离开关与电网连接。
本装置还包括一个速度控制系统，该速度控制系统为双闭环结构，外环为速度调节环，内环为转子电流调节环。
所述的速度调节环为，增量编码器检测出的转子位置信号输入到频压转换器得到电机实际转速信号，与速度给定积分器的输出信号相比较后进入速度调节器，得到转矩电流给定；
所述的电流调节环包括交流电流环，转矩电流给定与无功电流给定共同经过矢量回转器和坐标变换转换后成为三相转子交流电流给定，送入交流相电流调节器，与由电流互感器测得的三相转子交流电流实际值相比较后，在触发脉冲形成单元中同直流电流环输出的电压前馈信号一起综合，形成触发脉冲并传输到循环变流器中控制各晶闸管，完成交流相电流的闭环控制，实现对相电流的动态快速控制。
本发明的优点是：发明了大型脉冲飞轮发电机组的超同步调速装置，将机组的最高运行转速提高到超过同步转速10％，一次脉冲放电释能提高了70％，达到了HL-2A托卡马克装置在高参数脉冲放电条件下开展物理实验的要求。实现了大型脉冲发电机组在脉冲放电释能过程中以及电动机转子回路在相互切换时对系统的无冲击的飞接控制，并且使机组在超同步速度运行时对其绕组温升和各轴承座振动的影响都很小。
附图说明
图1是本发明的大型脉冲飞轮发电机组超同步调速系统原理图；
图2是本发明中机组从1200rpm到1650rpm的加速曲线；
图3是HL-2A托卡马克装置3840次放电时的相关波形；
图4是1580rpm时循环变流器三相输出电流。
图中，1速度给定，2速度给定积分器，3速度调节器，4直流电流调节器，5无功电流给定，6矢量回转器，7坐标变换，8交流相电流调节器，9触发脉冲形成单元，10矢量分析器，11频压转换器，12转子位置计算，13定子电压测量，14同步变压器，15电流互感器，16异步电动机，17真空断路器，18电网，19隔离开关，20三相全桥交交循环变流器，21滑差调节器水电阻，22ME断路器，23ME断路器，24四绕组整流变压器，25真空断路器，26增量编码器，27三相平波电抗器，28飞轮，29脉冲发电机。
具体实施方式
如图1所示，每台脉冲发电机组分别由2500kW绕线异步电动机16与重量为88吨的飞轮28和80MVA脉冲发电机29通过联轴器连接而成，增量编码器26安装在2500kW绕线电动机的非传动端。异步电动机16的定子绕组通过真空断路器17接6000v电网18，三相全控桥式交交循环变流器20和滑差调节器水电阻21分别通过第一个ME断路器22和第二个ME断路器23接入异步电动机的转子回路。循环变流器20依次通过四绕组整流变压器24和真空断路器25与6000v电网18相连。为抑制循环变流器20的输出电流谐波，在其输出侧装设三相平波电抗器27。
如图1所示本发明还包括该装置双闭环结构的控制系统，其外环为速度调节环，内环为转子电流调节环。增量编码器26检测出的转子位置信号输入到频压转换器11得到电机实际转速信号，与速度给定1经积分器2得到的输出信号相比较后进入速度调节器3，得到转矩电流给定。
转子电流调节环分为交流电流环和直流电流环。所述的交流电流环为转矩电流给定与无功电流给定5共同经过矢量回转器6和坐标变换7转换后成为三相转子交流电流给定，送入交流相电流调节器8，与由电流互感器15测得的三相转子交流电流实际值相比较后，在触发脉冲形成单元9中同直流电流环输出的电压前馈信号一起综合，形成触发脉冲并传输到循环变流器20中控制各晶闸管，实现对相电流的动态快速控制。
所述的直流电流环为转矩电流给定与无功电流给定5的另一路信号分别送入直流电流调节器4，在此分别同实际的转子三相电流经过正交分解后得到的转矩电流和激磁电流进行积分调节，然后共同经过矢量回转器6和坐标变换7转换后就得到三相转子的电压前馈信号，并实现对转子电流激磁分量和力矩分量的单独控制，实现了转子稳态电流的无静差调节。
本发明还采用了电动机定子磁场定向的转子电流矢量控制技术，使电机功率因数达到95％。增量编码器6检测出的转子位置信号分两路，一路输出到转子位置计算器12，经过第一个矢量回转器6后，分三路供给其它三个矢量回转器6，电网18依次通过隔离开关19，同步变压器14定子电压测量13和矢量分析器10与第一个矢量回转器6连接。采用上述的连接方式后，通过坐标变换将电机转子电流矢量分解成正交的有功电流和无功电流分量并进行解耦控制，转子无功电流产生激磁电流，而有功电流则产生电磁转矩。保持定子磁场恒定，单独调节转子有功电流分量就实现了对电机转矩的单独控制。本系统采用速度闭环控制，克服了开环调速时的同步速附近存在的速度死区问题，同时采用电流闭环控制，使得电动机转子回路始终具有较大的力矩电流值，从而加速了机组由次同步速进入超同步速运行的过渡过程。
本发明中的循环变流器20是由36支晶闸管元件组成额定输出电流为交流1500A的三相全控桥式交交循环变流器，接入2500kW绕线异步电动机的转子回路。通过控制循环变流器20的输出电压的频率、大小和方向，不仅可以在次同步条件下把转差功率回馈电网以达到节能的目的，而且可以向电动机的转子供给第二电源，使机组处于超同步运行状态，进一步扩大了机组的调速范围。
两台80MVA脉冲发电机组均要求超过原额定转速1480rpm并稳定运行在1650rpm，经过计算验证，超同步10％后脉冲发电机组各部件强度仍有足够的安全裕度，对机组整个轴系的稳定性也进行了计算，可以安全运行。出于机组安全的考虑，系统控制转速不允许超过1650rpm。
该系统主回路采用结构独特的6组三相全控桥组成的三相桥式交交循环变流器20，额定输出功率为1000kW。其触发系统采用六脉冲传输同轴电缆，以提高其抗干扰能力。
采用法国RADIO—ENERGIE PIH9增量编码器26，并安装在绕线异步电动机的非传动端。使矢量控制所必需的转子位置检测信号更加准确、可靠。
机组的启动和运行过程：利用滑差调节器水电阻21开始加速机组到1480rpm后，通过合上ME断路器22和分断ME断路器23的操作将电动机转子回路由滑差调节器水电阻21切换到基于循环变流器20构成的超同步调速系统，加速机组到最高转速1650rpm等待HL-2A装置放电，经过约10秒钟的放电时间，机组转速迅速下降至1200rpm，再通过超同步调速系统将机组加速到1650rpm等待下次脉冲放电。
托卡马克装置放电期间，由于如此大转动惯量的机组在约10秒钟的放电释能过程中转速的飞速下降，容易使循环变流器20受到过流过压的冲击；另外，在超同步调速系统与滑差调节器水电阻21进行转子回路相互切换时，也会对循环变流器20造成一定的冲击，为了避免上述问题，我们发明了大型机组放电释能过程中以及电动机转子回路相互切换时对系统的无冲击飞接控制技术：1、在调速装置接收到放电指令后，控制系统立即自动使解耦后的转子力矩电流限幅值箝位至额定值的0％，速度给定系统进入跟踪机组转速方式。放电结束后，控制系统将力矩电流的限幅值缓释至额定值的30％，以维持当前机组的转速，完成速度闭环。当机组接收到加速的指令时，给定系统送入设定的转速，力矩电流限幅值缓释至额定值的100％，按照给定的加速斜率加速机组至设定的转速。2、借助滑差调节器水电阻21加速机组到额定转速1480rpm，滑差电极下降到最低位时，允许转子回路进行切换操作。超同步速度控制系统的速度给定自动设置为转速跟踪方式，然后提升滑差电极至设定位置，为防止电动机转子回路造成开路，逻辑控制系统在确定第一个ME断路器22合闸后才能进行第二个ME断路器23的分闸操作，紧接着对循环变流器20的晶闸管进行解封锁，机组维持当前的速度后，速度给定系统转为转速设定方式，力矩电流限幅值由额定值的0％缓释至30％，速度闭环后才缓释至100％，加速机组至设定的最高转速，等待托卡马克装置的放电实验。
由于两台机组均为70年代制造，电机绕组绝缘有一定程度下降，并且整个轴系较长约20米，为避免循环变流器20的三相输出电流谐波较大引起绕组较高温升而破坏绝缘以及使机组振动加剧，我们同时采取以下多种措施有效降低了循环变流器20的输入输出电流谐波，使机组超同步运行时绕组温升并没有明显的升高，机组各轴承座的振动峰峰值均不超过25μm：1、两套超同步调速系统的整流变压器11采用组别分别为D/Y-11和Y/Y-0的四绕组干式整流变压器，同时循环变流器20采用了输出电压平顶波技术，减小了网侧谐波，提高网侧功率因数；2、运用先进的光电零电流检测技术，使循环变流器正负组全控桥的逻辑无环流切换死区不超过1.1ms，大大降低了循环变流器输出电流的谐波；3、在循环变流器20的输出装设三相平波电抗器27，增大转子回路的漏抗，从而抑制其输出电流谐波。
两套发电机组超同步调速系统于2005年在HL-2A装置物理实验中成功投入运行，满足了物理实验对环向场系统的要求。
利用该系统将机组从1200rpm加速到1650rpm，其加速曲线如图2所示。加速时间10分钟，可通过调整加速斜率和转子电流的限幅值来改变加速时间。
利用该系统使HL-2A环向场参数得以较大提高，并且具备达到最大环向磁场2.8特斯拉的能力。图3为第3840次装置放电期间的波形记录，从上到下依次是两台机组转速变化曲线、电动机转子a和c相电流、转子电压、环向场线圈电流，放电期间两台机组转速下降范围1600rpm—1300rpm，环向场线圈电流42.4kA，环向磁场2.65T。
利用该系统加速机组，在1580rpm时用示波器测得循环变流器三相输出电流波形如图4。从波形可以看出其输出电流大小为240A，其频率为2.67Hz，正好对应于此时的转差频率。
本发明充分利用了原机组并使机组超过其同步转速10％运行，扩大了机组的转速运行范围，并且大幅度提高机组轴系机械储能和一次脉冲放电释能，使每台机组具有一次脉冲释能达到500MJ的能力，进而满足HL-2A高参数条件下开展物理实验的要求，避免了因为另外购置符合要求的脉冲发电机组而带来的巨大投资以及至少3年的漫长生产建设周期。
本发明可用于冶金、能源以及抽水蓄能电站等需要对大型机组进行超同步调速控制的场所。
Claims (10)
1.一种大型脉冲飞轮发电机组超同步调速装置，它包括异步电动机(16)，与异步电动机(16)相连的飞轮(28)，与飞轮(28)连接的脉冲发电机(29)，异步电动机(16)的定子绕组通过真空断路器(17)接电网(18)，其特征在于：它还包括循环变流器(20)，循环变流器(20)和滑差调节器水电阻(21)分别通过第一个ME断路器(22)和第二个ME断路器(23)接入异步电动机(16)的转子回路，循环变流器(20)还通过四绕组整流变压器(24)和真空断路器(25)与电网(18)连接，异步电动机(16)的非传动端装设有增量编码器(26)，同步变压器(14)通过隔离开关(19)与电网(18)连接。
2.如权利要求1所述的一种大型脉冲飞轮发电机组超同步调速装置，其特征在于：它还包括一个速度控制系统，该速度控制系统为双闭环结构，外环为速度调节环，内环为转子电流调节环。
3.如权利要求2所述的一种大型脉冲飞轮发电机组超同步调速装置，其特征在于：所述的速度调节环为，增量编码器(26)检测出的转子位置信号输入到频压转换器(11)得到电机实际转速信号，与速度给定积分器(2)的输出信号相比较后进入速度调节器(3)，得到转矩电流给定。
4.如权利要求2所述的一种大型脉冲飞轮发电机组超同步调速装置，其特征在于：所述的电流调节环包括交流电流环，转矩电流给定与无功电流给定(5)共同经过矢量回转器(6)和坐标变换(7)转换后成为三相转子交流电流给定，送入交流相电流调节器(8)，与由电流互感器(15)测得的三相转子交流电流实际值相比较后，在触发脉冲形成单元(9)中同直流电流环输出的电压前馈信号一起综合，形成触发脉冲并传输到循环变流器(20)中控制各晶闸管，完成交流相电流的闭环控制，实现对相电流的动态快速控制。
5.如权利要求2所述的一种大型脉冲飞轮发电机组超同步调速装置，其特征在于：所述的电流调节环还包括一个直流电流环，转矩电流给定与无功电流给定(5)的另一路信号分别送入直流电流调节器(4)，在此分别同实际的转子三相电流经过正交分解后得到的转矩电流和激磁电流进行积分调节，然后共同经过矢量回转器(6)和坐标变换(7)转换后就得到三相转子的电压前馈信号，并实现对转子电流激磁分量和力矩分量的单独控制。
6.如权利要求1所述的一种大型脉冲飞轮发电机组超同步调速装置，其特征在于：循环变流器(20)的触发系统采用六脉冲传输同轴电缆。
7.如权利要求1或6所述的一种大型脉冲飞轮发电机组超同步调速装置，其特征在于：所说的循环变流器(20)为一种由6组三相全控桥组成的三相全控桥式交交循环变流器。
8.如权利要求1所述的一种大型脉冲飞轮发电机组超同步调速装置，其特征在于：增量编码器(26)采用RADIO—ENERGIE PIH9增量编码器。
9.如权利要求1所述的一种大型脉冲飞轮发电机组超同步调速装置，其特征在于：在循环变流器(20)的输出侧装设三相平波电抗器(27)。
10.如权利要求2所述的一种大型脉冲飞轮发电机组超同步调速装置，其特征在于：增量编码器6检测出的转子位置信号输出到转子位置计算器12，经过第一个矢量回转器6后，分三路供给其它三个矢量回转器6，电网18依次通过隔离开关19，同步变压器14定子电压测量13和矢量分析器10与第一个矢量回转器6连接。
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