CN102437807A - 变频变压器控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种变频变压器控制系统，涉及变频变压器技术领域，该控制系统包括：触发角控制单元，根据转子转速、命令转矩和测量转矩确定触发角；整流装置，根据触发角调整输出电压；直流电机，能够与转子同轴安装，根据来自整流装置的输出电压确定输出转矩。本发明研究提出了VFT器件、装置和系统三级控制体系，给出了变频变压器控制系统总框图，建立了包括整流触发回路在内的VFT直流电机驱动系统，研究设计了VFT底层触发角控制、中层输送功率控制、高层系统应用控制等主要功能的具体控制框图和关键参数，为实现变频变压器的各种功能奠定了基础。

Description

变频变压器控制系统

技术领域

本发明涉及变频变压器(Variable Frequency Transformer，VFT)技术领域，尤其涉及一种变频变压器控制系统。

背景技术

目前，世界上实现大电网互联的主要手段是交流同步联网和直流异步联网。这两种方式各具特点。交流同步联网不仅可以实现有功功率交换，还可以在一定范围内自动平衡互联系统的无功功率。通过交流联网构建坚强的送端电网或受端电网，接入同步电网的发电机数量愈多，同步电网的惯性越大，可显著增强同步电网应对故障能力和接纳区外电力的能力。另一方面，随着同步电网规模的扩大，低频功率振荡和事故扩散的风险备受各方关注。例如，我国华中-华北-东北“长链式”交流联网系统就存在低频振荡的风险，制约了区域电网的交换功率水平。直流异步联网可以有效隔离互联电网之间的交互影响，实现有功功率的高效可控传输，但是大规模的直流功率交换需要有坚强的交流电网支撑，否则一旦发生直流故障会导致电网供电事故，同时，交流侧故障也会影响直流侧系统正常运行。

从电网安全稳定运行、潮流灵活控制以及电力市场发展出发，互联电网之间需要有清晰的界面，对于交流互联这一点显得更重要。否则一旦出现某一互联线路故障，就可能出现大范围的功率转移，影响整个联网系统的安全运行。这一幕就在2003年美加大停电中发生过，并带来严重的后果。此外，由于受直流输电自身特性的限制，常规直流(包括直流背靠背)的正常运行需要以两侧的系统电压为支撑，才能够实现正常的换流和整流，同时换流站附近的故障也容易带来直流换相失败等故障。因此在给弱电网供电时，直流连接存在一定的局限性。另外，直流输电会给系统带来一定的谐波，需要投入大量的滤波器设备。

因此，针对大电网互联的发展趋势，迫切需要在互联技术和装置上实现创新和突破。变频变压器就是在这一背景下研发出的一种新型的联网设备。变频变压器是一种智能高效的新型电网互联装置，该设备在解决电网互联所面临的异步互联、故障隔离、向弱电源系统供电等问题上具有一定的优势。一方面，变频变压器能够实现两个异步电网的互联，输送功率可以灵活平滑控制，同时又能够实现向弱电源甚至无源系统供电，在某种程度上具有比直流背靠背更可靠的联网供电性能。另一方面，变频变压器的损耗要远低于VSC-HVDC装置，也低于常规直流背靠背。从控制灵活性和传输效率等方面看，变频变压器在电力系统有广阔的应用前景。

在物理结构上，变频变压器是一种集成了变压器、移相器、水轮发电机、双馈电机、直流驱动等技术的新型异步电网互联装置，其核心技术是在定子与转子侧都有三相绕组的旋转变压器，并使用直流电机驱动系统调整转子磁场相对于定子磁场的空间旋转位置，从而控制经由变频变压器输出的功率大小和方向。变频变压器主要由旋转变压器、直流驱动电机和集电环等三部分组成。

当变频变压器采取竖式设计时，为了提高系统的运转的稳定性。体积小、重量轻的集电环位于变频变压器的上端，在转子三相绕组与外部系统之间传导电流，实现转子绕组与外部交流系统的电气连接。直流电机位于变频变压器中部，与转子同轴，在转子轴上也安装有直流驱动电机的转子绕组，通过直流整流回路控制直流电机驱动转矩，从而调节转子的转速以及转子磁场与定子磁场的相位移。体积大、重量大的旋转变压器位于变频变压器的下部，旋转变压器由定子三相绕组和转子三相绕组及定、转子铁心构成，转子绕组通过集电环与一侧系统相连，定子绕组与外部另一侧交流系统相连。

稳态情况下，即转子旋转(电气)频率与转子电流频率之和等于定子电流频率时，可以实现两系统之间的稳定功率输送。后文推导显示，变频变压器输送功率大小取决于直流电机施加在旋转变压器转子上的力矩。也就是说，变频变压器所传送的功率是直流电机施加在转子轴上的驱动转矩的函数。假定在某一方向上施加转矩，使得有功功率从定子侧系统流向转子侧系统，那么，在相反的方向上施加转矩时，将使功率从转子侧系统流向定子侧系统。在变频变压器设计容量范围内，变频变压器输送功率与在转子轴上所施加的转矩的大小成比例，方向也取决于转矩的方向。当变压器传输功率为零时，所需要的转子转矩也接近零。

直流驱动电机是控制变频变压器转子转速、调节转子绕组磁场与定子绕组磁场相位移、控制变频变压器输送功率的核心元件。在直流电机不输出转矩时，由于定、转子绕组之间的电磁耦合作用，转子自身的角速度将趋向于两侧的异步交流系统之间的角速度之差，但不能完全弥补该频率差，导致变频变压器的输送功率呈正弦周期性变化。如果频率差较大、系统功率波动过大，就可能导致系统失稳。

在功率控制上，变频变压器一般通过了闭环的功率调节系统来控制功率传输量。调节器将所测到的功率值与所期望的设定值相比较，然后功率的偏差值将被用来调节直流电机的输出转矩。功率调节的阶跃响应速度一般在数百毫秒，能满足对系统的扰动做出快速反应并维持稳定的功率传送。VFT吸收无功功率遵从交流电路定律，由旋转变压器的漏抗以及变频变压器电流的平方决定。

总之，在变频变压器中，旋转变压器是通过磁耦合原理实现转子与定子两侧系统功率交换的主体，直流电机是控制转子转速及变频变压器传输功率大小的关键设备，集电环是实现转子绕组与外部系统形成直接电气连接的设备。变频变压器的转子惯性一般比较大，这有利于增强变频变压器应对外部冲击或扰动的能力。

如何实现对变频变压器的控制是本领域的热点和难点问题。

发明内容

本发明要解决的一个技术问题是提供一种变频变压器控制系统。

根据本发明的一个方面，提供一种变频变压器控制系统，包括：触发角控制单元，用于根据转子转速、命令转矩和测量转矩确定触发角，发送触发角；整流装置，用于接收来自触发角控制单元的触发角，根据触发角调整输出电压；直流电机，能够与转子同轴安装，用于接收来自整流装置的输出电压，根据输出电压确定输出转矩。

优选地，触发角控制单元包括：取电变压器，高压侧接变频变压器的定子侧系统，对电压降压去电后输出电压信号；触发角确定单元，用于接收转子转速、命令转矩和测量转矩，根据转子转速、命令转矩和测量转矩确定触发角；幅值确定单元，用于根据触发角确定单元确定的触发角获得触发角的幅值；相位测量单元，根据来自取电变压器的电压信号通过锁相环得到电压相位变化的三角波形；触发脉冲比较发生器，将相位测量单元提供的相位三角波形和幅值确定单元的触发角的幅值相比较，从而产生触发脉冲，发送给整流装置；换向器，用于根据触发角确定单元确定的触发角极性确定电流的方向信号，发送给整流装置。

优选地，整流装置包括：六桥整流器，用于接收来自触发脉冲比较发生器的触发脉冲，确定电压幅值，并通过换向开关，将带有方向的电压施加在直流电机上；换向开关，用于接收来自六桥整流器的电压幅值和来自换向器的电流的方向信号，确定发送给直流电机的电压极性。

优选地，换向开关为由GTO桥构成的换向设备。

优选地，该系统还包括与六桥整流器和换向开关并联的滤波电容，串联在六桥滤波器和换向开关之间的平波电抗。

优选地，该系统还包括：传输功率调整单元，用于根据变频变压器的实际传输功率和命令功率相比较得到功率偏差，输入到PID环节获得命令电磁转矩；转子转速调整及电压相位控制单元，用于根据定子侧系统与转子侧系统频率之差，通过PID环节计算所需要的电磁转矩；根据变频变压器侧电压相角和断路器另一侧电压相角之差，通过PID环节计算期望的电磁转矩。

优选地，该系统还包括：电容器组投切控制单元，用于自动或手动投切电容器组，目的是实现系统的无功平衡和控制母线电压水平。

优选地，该系统还包括低电压限功率单元、抑制低频振荡单元、调整系统频率单元和优化系统潮流单元中的一个或者多个。

附图说明

构成说明书的一部分的附图描述了本发明的实施例，并且连同说明书一起用于解释本发明的原理。

参照附图，根据下面的详细描述，可以更加清楚地理解本发明，其中：

图1示出本发明的变频变压器控制系统的一个实施例的结构图；

图2示出本发明的变频变压器控制系统的另一个实施例的结构图；

图3A-3D示出本发明的变频变压器控制系统的一个实施例及其组件的电路图；其中，图3A示出直流电机驱动系统模型；图3B示出电压相位三角波发生器；图3C示出换向控制回路；图3D示出触发脉冲发生器；

图4A示出VFT器件级控制框图；

图4B示出VFT装置级控制框图示意图；

图4C示出VFT系统级控制框图示意图；

图5示出本发明的变频变压器三级控制总体框架；

图6示出转子转速控制框图；

图7示出有功功率控制回路框图；

图8示出电压相角控制回路框图；

图9示出同期合闸的控制框图；

图10示出基于电压水平控制的无功电压控制框图；

图11示出优化系统潮流控制示意图；

图12示出联网系统频率调节器控制回路；

图13示出VFT抑制低频振荡控制器的控制图模型；

图14示出某变频变压器联网系统中触发角与电磁转矩、直流整流电压、直流电流的关系曲线。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。

同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

根据变频变压器的工作原理，变频变压器的主要控制实质上是对转子运动的控制，包括转子转速控制以及转子绕组电流磁场与定子绕组电流磁场的相位移控制。因此，对转子运动的精确高效控制是变频变压器各项功能实现的关键。同时，根据变频变压器的功率调节要求，转子应该能够正向旋转，也应该能够反向旋转，还能够保持静止，相应地转子力矩应能够平滑调节。综合考虑变频变压器的控制需求，可以利用在转子上同轴安装的直流电机来实现变频变压器的有效控制。综合考虑各种不同的直流电机运行方式，可以采用电枢电压调节方式对直流电机进行控制，这样有利于满足快速调节的需要，提高控制效率。

下面介绍直流电机驱动系统的基本方程。

根据整流回路基本方程，整流回路输出电压为：

式中，V_d为直流电压平均值，单位为kV；V_m为交流侧电压相电压峰值，单位为kV；V_LL为交流侧线电压有效值，单位为kV；α为整流触发角；X_r为换相电抗，单位为Ω；I_d为直流侧电流，单位为kA。

同理，可推导出换流器交流侧与直流侧电流的关系为：

$I_L=\frac{I_{\mathrm{LM}}}{\sqrt{2}}=0.78I_d---\left(2\right)$

式中，I_LM为交流侧电流峰值，kA；I_d为直流侧电流幅值，kA；I_L为交流侧电流有效值。忽略回路损耗，有功率平衡方程：

P_d＝V_dI_d

P_ac＝3V_LNI_L1cosα    (3)

P_d＝P_ac

式中，P_ac为交流侧功率，MW；P_d为直流侧功率，MW。

在直流电机回路中，有方程式(4)：

E_a＝C_eΦn

T_d＝C_TΦI_d    (4)

V_d＝E_a+R_aI_d

P_m＝ΩT_d＝E_aI_d

式中，E_a为电枢感应电动势，kV；T_d为电磁转矩，kN.m；P_m为电磁功率，kW；Φ为磁通的幅值，Wb；C_e为电动势常数；C_T为转矩常数；R_a为电枢电阻，Ω；n为转子转速，r/min；Ω为转子的机械角速度，radian/min。

由式(4)和(1)可知：

$T_d=C_T\mathrm{\Φ}(V_d-E_a)/R_a$

$=C_T\mathrm{\Φ}(V_d-C_e\mathrm{\Φn})/R_a---\left(5\right)$

$=C_T\mathrm{\Φ}(1.35V_{\mathrm{LL}}\cos \mathrm{\α}-\frac{{3X}_r}{\mathrm{\π}}{I}_d-C_e\mathrm{\Φn})/R_a$

由式(5)可知，当换相电抗X_r为零，即相当于无穷大电源时，T_d是α和n的函数，由于变频变压器的正常转速n很小，电枢反应对Φ的变化可以不考虑。对于两侧为同频率的系统，稳态时n为零，此时T_d与cosα成正比。

忽略变频变压器的风阻等杂散损耗，根据式(5)和(6)

$T_D=\frac{V_s\·I_s\·(1-\frac{f_r}{f_s})}{2\mathrm{\π}{f}_{\mathrm{rm}}}=\frac{V_s\·I_s}{2\mathrm{\π}{f}_s}=\frac{P_s}{2\mathrm{\π}{f}_s}---\left(6\right)$

有：

$P_s=2\mathrm{\π}{f}_s{T}_d=2\mathrm{\π}{f}_s{C}_T\mathrm{\Φ}(1.35V_{\mathrm{LL}}\cos \mathrm{\α}-\frac{3X_r}{\mathrm{\π}}{I}_d-C_e\mathrm{\Φn})/R_a---\left(7\right)$

从式(7)可以看出，当变频变压器两侧系统频率不变，忽略换相电抗的影响，在转子转速恒定时，变频变压器的输送功率P_s与cosα成正比。总之，通过改变触发角α便可改变直流电机的输出转矩，从而控制VFT的转子运动状态，控制变频变压器的功率输出大小及方向，实现变频变压器的各种控制目标。但考虑换相电抗后P_s与cosα是较为复杂的非线性关系。

从式(5)还可知，当系统输送功率为零时，T_d为0，对于给定的系统频率偏差对应的转速n，有方程式(8)：

$1.35V_{\mathrm{LL}}\cos \mathrm{\α}=C_e\mathrm{\Φn}+\frac{3X_r}{\mathrm{\π}}{I}_d$ (8)

即， $\cos \mathrm{\α}=(C_e\mathrm{\Φn}+\frac{{3X}_r}{\mathrm{\π}}{I}_d)/1.35V_{\mathrm{LL}}$

式(8)可用于在变频变压器并网运行前的起始相角控制。

如上所述，直流驱动系统的控制核心也就是对整流回路的整流触发角进行控制，从而改变直流电机的电枢电压，调节直流电机的输出转矩和转子转速。

图1示出本发明的变频变压器控制系统的一个实施例的结构图。如图1所示，该控制系统包括：触发角控制单元12，根据转子转速、命令转矩和测量转矩确定触发角，发送触发角到整流装置13；整流装置13，接收来自触发角控制单元12的触发角，根据触发角调整输出电压；直流电机11，能够与转子同轴安装，接收来自整流装置12的输出电压，根据输出电压确定输出转矩。根据直流电机12输出转矩实现对转子转速及合成磁场角度差的控制。

VFT的直流电机驱动系统是VFT控制系统的重要功能模块。在一个直流驱动系统实施例中，直流电机的电枢电压是可由六桥整流器提供。通过控制整流环节的触发角，调整整流回路输出电压，从而改变直流电机的输出转矩，实现对转子转速及合成磁场角度差的控制。

图2示出本发明的变频变压器控制系统的另一个实施例的结构图。如图2所示，在该实施例中，触发角控制单元22包括：触发角确定单元221，接收转子转速、命令转矩和测量转矩，根据转子转速、命令转矩和测量转矩确定触发角；幅值确定单元222，根据触发角确定单元221确定的触发角获得触发角的幅值；换向器223，根据触发角确定单元221确定的触发角极性确定电流的方向信号，发送给整流装置23；取电变压器224，其高压侧接变频变压器的定子侧系统，对电压降压去电后输出电压信号；相位测量单元226，用于根据来自取电变压器224的电压信号通过锁相环得到电压相位变化的三角波形；触发脉冲比较发生器225，将相位测量单元226提供的相位三角波形和幅值确定单元222的触发角的幅值相比较来产生触发脉冲，发送给整流装置23。整流装置23包括：六桥整流器231，接收来自触发脉冲比较发生器225的触发脉冲，确定电压幅值，发送给换向开关232，通过换向开关232将带有方向的电压施加在直流电机11上；换向开关232，接收来自六桥整流器231的电压幅值和来自换向器223的电流的方向信号，确定发送给直流电机11的电压极性。六桥整流器也可采用其他能够快速调整直流电压及电流的整流装置。

对于图2所示系统，整流触发角的移相范围为0°到120°，当触发角为0°时，其输出电压最大，当触发角为120°时，其输出电压为零。根据上一级控制系统给出的电磁转矩命令，可计算出触发角的取值，其范围在-120°到120°之间。正负号用来识别流入电机电枢绕组的电流方向，即电磁转矩的方向，即用来控制GTO桥导通方式。触发角的幅值表示触发相位，将其与反映电压相角变化的三角波进行比较，产生相应的触发脉冲，从而控制可控硅器件导通，实现对直流输出电压幅值的控制。

下面介绍变频变压器的直流电机驱动系统一个实施例的构成。在一个实施例中，直流驱动系统主要包括以下几个部分：

(1)取电变压器，高压接VFT的定子侧系统，低压接6脉冲整流桥的交流侧。

(2)可控六桥整流器，输出直流电压幅值可调的六桥整流器

(3)辅助元件，平波电抗，滤波电容

(4)换向开关，由GTO桥构成的换向设备。

(5)触发角控制器，用于整流器、换向器可控硅的触发脉冲发生器

(6)直流电机，采用他励励磁形式，通过改变电枢电压改变输出转矩的大小。

直流驱动系统模型，包括电机、整流及其触发控制模型，它的工作原理是通过一台降压变从电网去电，经过六相整流器整流，再经过的平波电抗、滤波电容、换向装置，得到所需的大小可调、极性可翻转的直流电压。VFT的整流输出电压将施加在直流驱动电机电枢绕组上，而整流器的触发脉冲由触发脉冲控制模块提供。图3A-3D示出本发明的变频变压器控制系统的一个实施例及其组件的电路图；其中，直流电机驱动系统模型如图3A所示；图3B示出电压相角的三角波发生器；图3C示出换向控制回路；图3D示出触发脉冲发生器；

下面介绍变频变压器控制策略和总体框图。

变频变压器运行控制涉及机械系统、电力系统、电磁转换、整流回路控制等多方面因素，是多目标、多输入、多控制条件和多边界约束的复杂控制系统。可以说，控制系统是变频变压器的神经中枢和核心，也是本领域研究的重点和难点。根据变频变压器特点提出了器件、装置、系统三级控制思路：

(一)器件级控制：即以控制整流可控硅触发角为目标的底层控制，是实现变频变压器所有控制目标的基础，主要就是通过调整整流回路可控硅的触发角，改变整流回路输出电压幅值和方向，调节直流电机的输入电流，即改变直流电机施加在转子轴系上的力矩方向和大小，从而控制变频变压器转子的转速，以及转子绕组电流磁场与定子绕组电流磁场的相位移，以实现互联系统间的功率可控传输目标。图4A示出VFT器件级控制框图。

(二)装置级控制：即以变频变压器为主体的中层控制。主要包括变频变压器的输送功率调整，转子转速调整，相位控制以及变频变压器装置自身的启动、并网、退出、继电保护动作，并联电容器组投切等内容。其输出主要有开关动作命令、变频变压器直流电机的输出命令转矩。图4B示出VFT装置级控制框图示意图。

(三)系统级控制：即以满足各种系统应用需求为目标的高层控制，主要是根据系统运行工况和调度交易安排，控制变频变压器的输送潮流，实现区域交换功率控制、抑制系统低频振荡、承担系统调频、实现系统黑启动、向弱系统供电等功能，其最终的输出命令是变频变压器的命令功率或其调整量。图4C示出VFT系统级控制框图示意图。

器件级控制、装置级控制和系统级控制是相互关联的，一般情况下，上一级控制需要通过下一级控制来实现。图5示出本发明的变频变压器三级控制总体框架。如图5所示，该三级控制系统包括触发角控制单元12，转子转速调整及电压相位控制单元51、传输功率调整单元52、操作断路器54、投切电容器组55，低电压限功率单元56、抑制低频振荡单元57、调整系统频率单元58和优化系统潮流单元59。

下面详细介绍变频变压器装置级控制。

【转子转速控制】

转子转速控制就是要通过改变直流电机的电磁转矩，确保f_s＝f_r+f_rm。这是变频变压器正常工作的基础，也是变频变压器并网运行的前提。在变频变压器并网之前，转子的转速由直流电机的输出转矩决定；在变频变压器接入系统后，绕组中有电流通过时，转子的转速由直流电机的输出转矩、转子绕组和定子绕组电磁转矩共同影响。在实际控制中将测量变频变压器两侧的系统频率，为了减少干扰的影响，可以采用戴维南等值电路进行测算。转子转速调整单元根据定子侧系统与转子侧系统频率之差，通过PID环节计算相应所需要的电磁转矩，将其作为底层控制的输入量，转子转速控制框图具体如图6所示。

图6中，f1、f2为两侧电网的频率，df为两侧频率之差，w为转子角速度，通过与测量的转子转速w比较得到偏移量dw，经过PID环节计算期望的电磁转矩。

【有功功率控制】

VFT的有功功率控制就是要调节VFT的输送功率，是各种系统应用控制的基础。该控制只有在VFT投入运行后才生效。理论上，VFT的传输功率与直流电机的电磁转矩成正比。这里仍用命令功率P_cmd与实际功率P_fbk的差值dP作为PID环节的输入量，输出量为电磁转矩期望值T_rq-cmd。有功功率控制回路如图7所示。

图7中，传输功率调整单元根据VFT的实际传输功率P_fbk与给定值P_cmd相比较得到功率偏差dP输入到PID环节得命令电磁转矩作为底层控制的控制量。

【电压相角控制】

电压相角控制就是将变频变压器并网开关两侧的电压相角差控制在给定范围内。该控制主要是为变频变压器并网提供条件，减少对系统的冲击。调整目标就是使得变频变压器同期断路器(即将变频变压器与两侧系统相连的断路器)两侧电压的相角差在允许范围内，具体操作是相当于调整移相器的相角，使得变频变压器侧电压相角接近断路器另一侧电压相角。在实际计算中，将测量两侧母线电压相角。通过控制转子旋转，实现两侧电压相位差接近为零，电压相角控制回路框图如图8所示。

图8中，电压相位控制单元根据两节点电压相位差dangle，通过PID环节计算期望的电磁转矩T_rq-cmd，并发送给底层控制。

【同期并网控制】

同期并网控制就是在符合条件的情况下将VFT并网运行。这与一般系统的并网差别不大，但VFT可以发挥自身优势，自动调整以适应合闸要求。当VFT的同期断路器两侧电压的频率差和相角差都达到并网条件时，BRK3就可以合闸运行。同期合闸的控制如图9所示。

【无功电压控制】

无功电压控制就是通过投切电容器组或限制变频变压器的输送功率，以控制系统无功平衡和母线电压水平。VFT通过电流时，自身漏抗及降压变压器漏抗将吸收一定的无功，可能引起电压的下降。此时，可以通过投切并联电容器组来平衡VFT吸收的无功。VFT电容器组有3个工作模式：

(1)自平衡模式：即根据VFT的电流计算变频变压器吸收的无功，按照预先设定的次序投入或切除电容器组，使得电容器发出的无功能够尽可能接近漏抗吸收的无功。

(2)电压模式：在这种模式下，其控制目标是电压，通过电容器组的分级投切来维持母线运行电压在可接受的范围内。

(3)手动模式：调度人员根据系统运行工况，判断电压控制目标和补偿水平，手动投切电容器组。

当电容器组全部投入时，如果电压水平仍低于允许值，此时要进一步限制变频变压器的输送功率，从而维持系统电压水平。基于电压水平控制的无功电压调整框图如图10所示。

下面详细介绍变频变压器系统级控制。

【优化系统潮流】

优化系统潮流就是利用VFT调节系统潮流，在变频变压器设计容量范围及调度交易允许范围内，通过调整变频变压器的输送功率及方向，来防止相邻或并联支路上功率越限、降低系统网损。从潮流优化的数学求解的角度来看，VFT可以作为求解最优潮流方程中的一个控制变量，可以与其他控制变量一起对系统的潮流进行优化。图11示出优化系统潮流控制示意图。

【调节系统频率】

调节系统频率应用于通过变频变压器连接的异步电网中，即在变频变压器容量范围内，通过控制两系统之间的交换功率，最大限度地将两侧系统频率控制在合理范围内。相当于将对侧系统作为一个调频电源或负荷消纳。例如，当一侧系统失去电源时，可以快速地减少通过VFT输出的功率，甚至从对侧输入功率；还有，当一侧系统失去负荷时，可以快速地减少通过VFT输入的功率，甚至改向对侧输出功率。频率调节器控制回路如图12所示。图12中，f₁为系统I频率；f₂为系统II频率；f_ref1为系统I额定频率；f_ref2为系统II额定频率；df₁为系统I频率偏移；df₂为系统II频率偏移。

【抑制低频振荡】

抑制低频振荡，就是通过控制和调节VFT输出功率，增加系统动态阻尼，降低互联系统低频振荡风险。如果两个系统仅通过变频变压器互联，则直接利用变频变压器的功率控制信号抑制区域间的功率振荡，能够起到很好的阻尼作用。如果两系统之间还有其他并联支流，尤其是潮流自动平衡的交流支流，此时可以以包括VFT及其他交流回路所在的断面潮流为目标，通过动态调节VFT输送功率，增加对低频振荡的阻尼，从而抑制同步互联系统中的低频功率振荡。对于前者VFT抑制低频振荡的作用是显而易见的。对于后者，抑制低频振荡单元采用的阻尼控制器类似PSS(电力系统稳定器)结构，由隔直环节和超前/滞后相位补偿环节组成。其输入信号为所研究断面的输送功率，输出信号为给VFT的命令功率增量。图13给出了VFT抑制低频振荡控制器的控制图模型。

图14给出了触发角与电磁转矩，整流输出电压、电流的关系曲线。

本申请根据变频变压器的技术特点和控制需求，提出了VFT器件、装置和系统三级控制体系，给出了变频变压器控制系统总框图，建立了包括整流触发回路在内的VFT直流电机驱动系统，设计了VFT底层触发角控制、中层输送功率控制、高层系统应用控制等主要功能的具体控制框图和关键参数，内容包括整流回路触发角、驱动转矩，变频变压器的转速、相角、并网和功率、电压，以及互联系统的调频、低电压限功率、抑制低频振荡、向弱系统供电等控制，形成了能够实现变频变压器主要功能的控制系统。

本发明的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

Claims (10)

1.一种变频变压器控制系统，其特征在于，包括：

触发角控制单元，用于根据转子转速、命令转矩和测量转矩确定触发角，发送所述触发角；

整流装置，用于接收来自所述触发角控制单元的触发角，根据所述触发角调整输出电压；

直流电机，能够与转子同轴安装，用于接收来自所述整流装置的输出电压，根据所述输出电压确定输出转矩。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述触发角控制单元包括：

取电变压器，高压侧接变频变压器的定子侧系统，对电压降压去电后输出电压信号；

触发角确定单元，用于接收转子转速、命令转矩和测量转矩，根据转子转速、命令转矩和测量转矩确定触发角；

幅值确定单元，用于根据所述触发角确定单元确定的触发角获得触发角的幅值；

相位测量单元，用于根据来自取电变压器的电压信号通过锁相环得到电压相位变化的三角波形；

触发脉冲比较发生器，用于将相位测量单元提供的相位三角波形和幅值确定单元的触发角的幅值相比较来产生触发脉冲，发送给所述整流装置；

换向器，用于根据所述触发角确定单元确定的触发角极性确定电流的方向信号，发送给所述整流装置。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述整流装置包括：

六桥整流器，用于接收来自所述触发脉冲比较发生器的触发脉冲，确定电压幅值，发送给换向开关；

所述换向开关，用于接收来自所述六桥整流器的电压幅值和来自所述换向器的电流的方向信号，确定输出电压极性发送给所述直流电机。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述换向开关为由GTO桥构成的换向设备。

5.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，还包括与所述六桥整流器和所述换向开关并联的滤波电容，串联在所述六桥滤波器和所述换向开关之间的平波电抗。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括：

传输功率调整单元，用于根据变频变压器的实际传输功率和命令功率相比较得到功率偏差，输入到PID环节获得命令电磁转矩；

转子转速调整及电压相位控制单元，用于根据定子侧系统与转子侧系统频率之差，通过PID环节计算所需要的电磁转矩；根据变频变压器侧电压相角和断路器另一侧电压相角之差，通过PID环节计算期望的电磁转矩。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括：

电容器组，用于平衡变频变压器吸收的无功，以控制系统无功平衡和母线电压水平；

电容器组投切控制单元，用于自动或手动投切电容器组以实现系统的无功平衡和控制母线电压水平。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述投切电容器组根据变频变压器的电流计算变频变压器吸收的无功，按照预先设定的次序投入或切除电容器组。

9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括低电压限功率单元、抑制低频振荡单元、调整系统频率单元和优化系统潮流单元中的一个或者多个。

10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述抑制低频振荡单元包括隔直环节和超前/滞后相位补偿环节，输入信号为断面的输送功率，输出信号为给变频变压器的命令功率增量。

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