CN102324883B - 一种抽水蓄能电站静止变频启动功率因数最优控制方法 - Google Patents

一种抽水蓄能电站静止变频启动功率因数最优控制方法 Download PDF

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Abstract

一种抽水蓄能电站静止变频启动功率因数最优控制方法，包括以下步骤：1）系统初始化，设置控制器寄存器，初始化参数设置；2）控制策略转换点频率计算。本发明公开的技术方案具有以下明显优点：1、显著提高变频器的功率因数，通过本发明提出的控制策略，可显著提高功率因数，功率因素最大可达到1（裕度系数取1时）；2、通过计算控制方式切换点的方法，实现采用不同阶段分别控制的办法，在频率达到之前，γ值取较小，以便得到较大的电磁转矩，减小转矩脉动，静止启动快速性和稳定性提高。在频率达到
Figure 369090DEST_PATH_IMAGE001
之后，通过控制γ实现机组调速，整流侧采用α0进行开环控制，此后以最大功率因数运行，使机组快速达到同期条件，缩短启动周期。

Description

一种抽水蓄能电站静止变频启动功率因数最优控制方法
技术领域
本发明涉及一种抽水蓄能电站静止变频启动功率因数最优控制方法，属于抽水蓄能电站静止变频启动技术。
背景技术
目前，抽水蓄能电站兼有抽水和发电等多种工况，作为最大的电力储能系统，可使电网中各种类型的机组，如火电、水电、核电机组等，都可在较好的工况下平稳运行，可尽量延长上述机组的运行时间和减少启动次数，节约能耗，对保证电网运行安全具有巨大的作用，且在技术和经济上都是可行、有效的。
目前抽水蓄能电站都将静止变频启动作为首选的抽水工况的机组启动方式。静止变频器为“交-直-交”电流源型，整流桥将交流电整流成直流电，逆变桥再将直流电逆变为频率可调的交流电，中间的平波电抗器用于整流桥输出后的平波和去耦，使变频器主回路的直流电流波形平直、脉动小，具有电流源特性。基本工作原理为：控制系统根据电机转速和位置信号，控制晶闸管静止变频装置对同步电机进行变频调速，从而产生从零到额定频率值的变频电源，同步地将机组拖动起来。在抽水蓄能电站自动控制系统及成套设备中，静止变频器作为其中的关键技术设备，对于保证大型抽水蓄能机组的快速可靠启动和抽水蓄能电站的稳定运行具有重要意义。
但是，我国大型抽水蓄能电站控制系统设备一般采用与主机捆绑招标的方式从国外引进，国内的研究单位和设备厂商较少。近年来，随着抽水蓄能控制设备国产化的不断发展，静止变频器也有一定的技术突破，但在抽水蓄能电站静止启动变频器功率因数控制方面，国内尚无文献对此进行深入研究。在抽水启动过程中，机组启动控制策略影响着变频器的功率因数，传统的抽水蓄能静止变频器机组启动采用调整整流桥控制角的方法进行机组速度控制，逆变桥一般采用定角度控制方法。该方法使得变频器系统的功率因数较低，启动加速慢，进入同期时间相对较长。变频器功率因数较低，一般在0.5-0.7左右。本发明研究基于变频器功率因数最优的控制策略及实现方法，利用分段控制，实现不同频率范围时的调速控制，并在抽水蓄能静止启动变频器中提出了调整换相超前角的方法实现机组转速控制，有效提高静止变频器的功率因数，减小机组转矩脉动，提高机组启动加速时间。
发明内容
针对现有静止变频器功率因数较低的问题，本发明提出一种抽水蓄能电站静止变频启动功率因数最优控制方法，实现抽水蓄能机组的变频器启动，并有效提高静止变频器的功率因数，改善机组启动速度特性。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种抽水蓄能电站静止变频启动功率因数最优控制方法，其特征在于，包括以下步骤：1）系统初始化，设置控制器寄存器，初始化参数设置；2）控制策略转换点频率计算。
根据公式（1），其中水泵水轮机极对数恒定，假设励磁电流、换相重叠角在机组启动过程中变化范围较小忽略其调速特性，忽略直流回路总电阻、凸极电磁转矩及变频器系统损耗，则确定抽水蓄能电站静止变频器对机组转速的控制参数为：                                                
Figure 796658DEST_PATH_IMAGE001
、
Figure 2011102861336100002DEST_PATH_IMAGE002
。
Figure 776115DEST_PATH_IMAGE003
                    （1）
Figure 2011102861336100002DEST_PATH_IMAGE004
——机组转速
——系统侧线电压
——发电机极对数
Figure 75695DEST_PATH_IMAGE007
——含有气隙每极磁通量的系数，与励磁电流有关
Figure 890068DEST_PATH_IMAGE001
——整流桥控制角
Figure 712530DEST_PATH_IMAGE002
——逆变桥换相超前角
Figure 2011102861336100002DEST_PATH_IMAGE008
——换相重叠角，一般取10°
当机组频率小于等于
Figure 41880DEST_PATH_IMAGE009
时，控制对象采用
Figure 303097DEST_PATH_IMAGE001
，对机组进行速度控制。当机组频率大于
Figure 971976DEST_PATH_IMAGE009
时，控制对象采用
Figure 965340DEST_PATH_IMAGE002
，对机组进行速度控制。
Figure 781986DEST_PATH_IMAGE009
的计算按照公式（3）计算：
Figure 2011102861336100002DEST_PATH_IMAGE010
                           （3）
其中：在上式中，取值范围为30°-60°。
此时的
Figure 104700DEST_PATH_IMAGE009
意义：在换相超前角为
Figure 534544DEST_PATH_IMAGE011
时，为对应机组转速增加到该值时，整流侧的控制角度为零度，即此时的变频器系统功率因数最大。
Figure DEST_PATH_IMAGE012
为裕度系数。
注：
Figure 838487DEST_PATH_IMAGE011
取值越小，电机的加速转矩越大，机组加速越快，结合公式（3），
Figure 113610DEST_PATH_IMAGE009
也将越小，变频器的功率因数很快达到最大。但当小到一定程度时（同机组参数、变频器系统参数有关）将出现变频器逆变桥换相失败的可能，因此最小取30°比较可靠。
Figure 757081DEST_PATH_IMAGE011
取值越大，换相越可靠，但机组的电磁转矩将降低，机组加速越慢，且转矩脉动越大。结合公式（3），
Figure 154564DEST_PATH_IMAGE009
也将越大，变频器的功率因数达到最大的时间较长。当超过60°时，电磁转矩将产生负方向的电磁转矩，因此，一般换相超前角最大取60°。从公式（3）中可以看出，
Figure 883486DEST_PATH_IMAGE011
越大，
Figure 962301DEST_PATH_IMAGE009
将越小，
3）当机组频率小于等于
Figure 522595DEST_PATH_IMAGE009
时的控制策略
在此阶段，电机转速控制方法如附图1所示，采用转速-电流双闭环控制机组转速，逆变桥采用定角度控制策略，γ角度恒定不变。即转速给定值NG与实际转速NC之差产生的转速偏差信号送至转速调节器（PI控制器）中，转速偏差信号通过PI控制器计算输出电流控制信号IG，再由IG与实际电流IC产生的偏差信号送到电流调节器（PI控制器）的输入端，再经过PI控制器计算出整流桥控制角的输出角度指令，送给整流装置，从而对机组实现了转速的双闭环控制。逆变桥的换相超前角为固定值。此时机组实际转速NC逐渐接近给定NG的值。
当机组的频率达到时，将此时整流控制角记为α0，然后转到下一种控制方式。
4）当机组频率大于
Figure 244880DEST_PATH_IMAGE009
时的控制方式
在此阶段，电机转速控制方法如附图2所示，整流侧采用定角度控制，逆变侧换相超前角作为控制参数，进行闭环控制。即转速给定值NG与实际转速NC之差产生的转速偏差信号送至转速调节器（PI控制器）中，通过PI控制器计算输出换相超前角γ0命令信号，该信号送给逆变桥控制装置，整流桥控制角为固定值α0。此时机组实际转速NC将继续逐渐接近给定NG的值。
5）判断机组转速是否达到同期阶段，退出启动控制。
当机组实际转速NC将继续逐渐接近给定NG的值，直到机组频率达到同期转速（50Hz±3%）时，完成抽水蓄能机组静止变频器的启动控制。
本发明所提出的抽水蓄能电站静止变频启动功率因数最优控制方法，具有以下明显优点：
1、显著提高变频器的功率因数，以往静止变频器控制过程，全程均为对α进行调速参数进行控制。变频器的功率因数很低，多在0.6-0.7范围内。通过本发明提出的控制策略，可显著提高功率因数，功率因素最大可达到1（裕度系数取1时）。
2、通过计算控制方式切换点的方法，实现采用不同阶段分别控制的办法，在频率达到之前，γ值取较小，以便得到较大的电磁转矩，减小转矩脉动，静止启动快速性和稳定性提高。在频率达到
Figure 542186DEST_PATH_IMAGE009
之后，通过控制γ实现机组调速，整流侧采用α0进行开环控制，此后以最大功率因数运行，使机组快速达到同期条件，缩短启动周期。
附图说明
图1 机组频率小于等于f0时的控制方法；
图2 机组频率大于f0时的控制方法。
具体实施方式
下面参照附图并结合某抽水蓄能电厂启动控制实例对本发明作进一步详细描述。但是本发明不限于所给出的例子。
抽水蓄能电站静止变频启动功率因数最优控制方法，包括以下步骤：
1）系统初始化
设置控制器寄存器，初始化参数设置，并令：
=13.8kV
Figure 984986DEST_PATH_IMAGE006
=21
Figure 405603DEST_PATH_IMAGE007
=58.54
2）控制策略转换点频率计算。
根据机组参数，并设K=0.95、=40°、
Figure 71517DEST_PATH_IMAGE008
=10°根据公式（3），则可计算抽水蓄能电站静止变频启动参数：
Figure 996748DEST_PATH_IMAGE013
=43.6Hz
3）当机组频率小于等于时的控制策略
在此阶段，电机转速控制方法如附图1所示，采用转速-电流双闭环控制机组转速，逆变桥采用定角度控制策略，设置γ=40°。即转速给定值NG与实际转速NC之差产生的转速偏差信号送至转速调节器（PI控制器）中，转速偏差信号通过PI控制器计算输出电流控制信号IG，再由IG与实际电流IC产生的偏差信号送到电流调节器（PI控制器）的输入端，再经过PI控制器计算出整流桥控制角的输出角度指令，送给整流装置，从而对机组实现了转速的双闭环控制。逆变桥的换相超前角为固定值。此时机组实际转速NC逐渐接近给定NG的值。
当机组的频率达到43.6Hz时，将此时整流控制角记为α0（理论值为18°，功率因数为0.95），然后转到下一种控制方式。
4）当机组频率大于43.6时的控制方式
在此阶段，电机转速控制方法如附图2所示，整流侧采用定角度控制，逆变侧换相超前角作为控制参数，进行闭环控制。即转速给定值NG与实际转速NC之差产生的转速偏差信号送至转速调节器（PI控制器）中，通过PI控制器计算输出换相超前角γ命令信号，该信号送给逆变桥控制装置，整流桥控制角为固定值18。此时机组实际转速NC将继续逐渐接近给定NG的值。
5）判断机组转速是否达到同期阶段，退出启动控制。
当机组实际转速NC将继续逐渐接近给定NG的值，直到机组频率达到同期转速超过48.5Hz时，完成抽水蓄能机组静止变频器的启动控制。

Claims (1)

1.一种抽水蓄能电站静止变频启动功率因数最优控制方法，其特征在于，包括以下步骤： 
1）系统初始化 
设置控制器寄存器，初始化参数设置； 
2）控制策略转换点频率计算 
根据公式（1），其中水泵水轮机极对数恒定，假设励磁电流、换相重叠角在机组启动过程中变化范围较小忽略其调速特性，忽略直流回路总电阻、凸极电磁转矩及变频器系统损耗，则确定抽水蓄能电站静止变频器对机组转速的控制参数为：α、γ 
Figure FDA00002897125800011
n——机组转速 
Ul——系统侧线电压 
P——发电机极对数 
Ce——含有气隙每极磁通量的系数，与励磁电流有关 
α——整流桥控制角 
γ——逆变桥换相超前角 
μ——换相重叠角，一般取10° 
当机组频率小于等于f0时，控制对象采用α，对机组进行速度控制； 
当机组频率大于f0时，控制对象采用γ，对机组进行速度控制；f0的计算按照公式（3）计算： 
Figure FDA00002897125800012
其中：γ0在上式中，取值范围为30°-60°， 
此时的f0意义：在换相超前角为γ0时，为对应机组转速增加到该值时，整流侧的控制角度为零度，即此时的变频器系统功率因数最大，K为裕度系数； 
3）当机组频率小于等于f0时的控制策略 
在此阶段，采用转速-电流双闭环控制机组转速，逆变桥采用定角度控制策略，γ角度恒定不变；即转速给定值NG与实际转速NC之差产生的转速偏差信号送至转速调节器即第一PI控制器中，转速偏差信号通过第一PI控制器计算输出电流控制信号IG，再由IG与实际电流IC产生的偏差信号送到电流调节器即第二PI控制器的输入端，再经过第二PI控制器计 算出整流桥控制角的输出角度指令，送给整流装置，从而对机组实现了转速的双闭环控制；当机组的频率达到f0时，将此时整流控制角记为α0，然后转到下一种控制方式； 
4）当机组频率大于f0时的控制方式 
在此阶段，整流侧采用定角度控制，逆变侧换相超前角作为控制参数，进行闭环控制；即转速给定值NG与实际转速NC之差产生的转速偏差信号送至转速调节器即第一PI控制器中，通过第一PI控制器计算输出换相超前角γ0命令信号，该信号送给逆变桥控制装置，整流桥控制角为固定值α0； 
5）判断机组转速是否达到同期阶段，退出启动控制 
当机组实际转速NC将继续逐渐接近给定NG的值，直到机组频率达到同期转速即50Hz±3%时，完成抽水蓄能机组静止变频器的启动控制。 
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