CN102570934B - 抽水蓄能机组静止变频器工况励磁系统启动控制方法 - Google Patents
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Abstract
抽水蓄能机组静止变频器工况励磁系统启动控制方法，包括由静止变频器发送的0-20mA模拟电流信号经AD转换后作为给定，与转子电流反馈值做差之后，送入启动阶段PID控制器，PID控制器运算输出Uf经反余弦计算之后控制脉冲触发角，从而控制晶闸管的导通时间，使机端电压平稳上升的步骤。励磁调节器设置了静止变频器工况启动的独立比例、积分和微分（PID）控制模型，该套模型的PID参数只对机组变频器启动起作用而不作用于机组正常运行的调节规律，从而保证机组启动的可靠性的同时不影响机组运行的稳定性，有利于静止变频器检测电动机转子位置，提高了电动机启动成功率，有利于电力系统的安全稳定运行。
Description
技术领域
本发明专利涉及一种抽水蓄能机组静止变频器工况励磁系统启动控制方法，属于电力系统励磁控制技术领域。
背景技术
抽水蓄能机组既能在负荷高峰作为发电机发电，也能在负荷低谷作为电动机抽水蓄能，具备调峰填谷、调频调相、事故备用和蓄洪补枯等多种用途，具有启动快、反应灵敏、负荷跟踪迅速的特点。与常规电源相比，抽水蓄能电站能够适应负荷的快速变化，对提高电力系统安全稳定运行水平、电网供电质量和可靠性起到了重要作用，同时还可以优化电源结构，实现绿色环保，达到电力系统的总体节能降耗，提高总体的经济效益。在当今核电和风电等清洁能源大规模建设的同时，必须配套建设一定比例的调峰电源已成为行业共识，抽水蓄能发电就是最佳选择之一。
抽水蓄能机组启停频繁，启动方式灵活多样，机组即可以以发电工况运行，也可以以水泵方式运行，这两种方式下，励磁系统的控制策略是有区别的。在发电工况下，励磁系统以常规程序投入。在电动工况运行时，必须采用专门的电气设备及操作方法，以尽可能平稳的启动同步电机，使启动电流不致过大，对电网不产生过大的扰动。目前，静止变频器（SFC）启动是大型抽水蓄能机组的首选启动方式，它利用晶闸管变频器产生可变的交流电源来启动抽水蓄能机组。
在采用SFC启动时，电机作为一个电动机进行控制，SFC系统将机组由静态拖动到水泵工况运行，这时励磁系统的控制目标与发电工况不同，它要配合SFC系统将机组比较平稳地拖动到正常的水泵工况运行。在采用SFC启动过程中，励磁控制方式应采用以控制励磁电流为目标的控制方式，当励磁系统收到SFC启动命令时，励磁系统的控制方式选择为励磁电流闭环控制方式(ECR)，在启动过程中，在当转速小于90%的额定转速时，励磁系统控制目标在额定励磁电流的50%～60%，当机组转速达到90%的额定转速时，励磁系统控制方式则转换为自动电压闭环调节(AVR)方式。机组的同期系统进行转速及电压的调整，机组在满足同期条件后并网，开始水泵工况运行。
发明内容
为了满足机组在电动工况下静止变频器启动的要求，励磁调节器设置了静止变频器工况启动的独立比例、积分和微分（PID）控制模型，该套模型的PID参数只对机组静止变频器启动起作用而不作用于机组正常运行的调节规律，从而保证机组启动的可靠性的同时不影响机组运行的稳定性，有利于静止变频器检测电动机转子位置，提高了电动机启动成功率，有利于电力系统的安全稳定运行。
励磁系统停止时，励磁工况寄存器处于清零状态。励磁系统投入前，监控系统必须事先给励磁系统发送运行“工况指令”，抽水蓄能励磁系统首先判断抽水蓄能励磁系统运行于何种运行工况，然后根据不同励磁工况选择不同的励磁控制策略，将励磁系统切换到需要的运行工况。励磁系统收到静止变频器启动模式指令之后，控制方式切换为励磁电流闭环，并且采用独立的PID模型控制励磁电流，使机端电压平稳上升，运行一段可设置的固定时间之后，自动切换为正常励磁电流闭环模式，满足同期条件并连网运行之后，切换为电压闭环控制模式，也可以根据需要选择其他闭环控制方式。
附图说明
图1为抽水蓄能机组工况转换控制流程图。
图2为抽水蓄能机组静止变频器启动一次接线图。
图2为本发明专利在静止变频器工况励磁系统启动阶段采用的控制模型图。
图3为抽水蓄能机组电动机模式静止变频器工况励磁系统启动前期波形图。
图4为抽水蓄能机组电动机模式静止变频器工况励磁系统启动中期波形图。
图5为抽水蓄能机组电动机模式静止变频器工况励磁系统启动并网后波形图。
图6为机组并网后励磁系统波形。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
抽水蓄能机组励磁系统控制流程如图1所示，未开机时，励磁系统处于停止状态，励磁调节器处于待机模式，运行工况寄存器处于清零状态，灭磁开关及交流侧断路器均处于分断状态，整流柜冷却风机停转。励磁系统投入前，监控系统必须事先通过开关量给励磁系统发送运行“工况指令”，收到指令后，抽水蓄能励磁系统首先判断抽水蓄能励磁系统要运行于何种运行工况，然后根据不同运行工况选择不同的励磁控制策略，将励磁系统切换到需要的运行工况。抽水蓄能机组有发电机和电动机两种运行模式，发电机运行模式分为正常发电模式和背靠背发电机模式，电动机运行模式分为背靠背电动机启动模式和静止变频器启动模式。
励磁系统接到“正常发电模式”工况指令后，励磁调节器置正常发电模式，电压闭环，运行工况寄存器置1，顺序合灭磁开关与交流侧断路器，待励磁系统收到“90%转速令”之后输出“励磁系统准备好”信号。此时点击“开机”按钮，励磁调节器起动整流柜冷却风机并输出脉冲，整流柜晶闸管开始整流为发电机转子输出直流电流，发电机定子开始建压，并迅速达到给定的电压值，励磁调节器处于空载运行状态。合负荷开关，发电机并网，励磁调节器进入负载运行状态，发电机开始正常发电，向电网输送有功和无功功率。通过点击“增磁”或“减磁”按钮，可增大或减小励磁电流，从而调节发电机的无功功率，发电机实现调相功能。若要停止发电，先减小发电机输出功率到接近于零，然后断开负荷开关，此时定子电流变为零，发电机回到空载运行状态。点击“停机”按钮，励磁调节器输出脉冲变为[U1] ，转子电流迅速变为零，发电机灭磁，机端电压消失。之后交流侧断路器、灭磁开关自动分断，整流柜冷却风机停止运行，运行工况寄存器复位，励磁调节器置待机模式。抽水蓄能机组运行于“正常发电模式”时，励磁控制方式与常规水电机组一样。
背靠背启动是用一台蓄能机组（或常规发电机组）做发电机运行来同步启动其他蓄能机组进入电动态的启动模式。开机之前发电机和电动机的负荷开关都是断开的。两台机组的定子通过中间断路器短接起来（两台机组定子的机端相序相反以确保发电机和电动机转子的旋转方向相反），以转子电流闭环方式并分别投入各自的励磁系统。逐渐开启水轮机的导叶，让发电机的转速逐步升高，转动起来的发电机将产生的低频电源加到电动机的定子上，电动机在同步转矩作用下跟随发电机逐步升速。当电动机的转速到达额定值后，断开中间断路器，闭锁发电机的励磁系统，闭合电动机的负荷开关，抽水蓄能机组进入电动机工作状态。励磁系统接到“背靠背发电机模式”工况指令后，励磁调节器置背靠背发电机模式，电流闭环，运行工况寄存器置2，顺序合灭磁开关与交流侧断路器，点击“开机”按钮，励磁调节器起动整流柜冷却风机并输出脉冲，整流柜晶闸管开始整流为发电机转子输出直流电流，发电机转子电流经过PID控制器达到事先设置的背靠背发电机模式电流闭环电流给定值，发电机定子开始建压，拖动与之反并联运行的电动机旋转，电动机转速逐渐升高到同步转速后，断开与发电机的连接，经同期装置并网运行。此后发电机退出运行，励磁调节器输出脉冲变为逆变角，发电机转子电流迅速变为零，发电机灭磁，机端电压消失。之后交流侧断路器、灭磁开关自动分断，整流柜冷却风机停止运行，运行工况寄存器复位，励磁调节器置待机模式。
励磁系统接到“背靠背电动机启动模式”工况指令后，励磁调节器置背靠背电动机启动模式，电流闭环，运行工况寄存器置3，顺序合灭磁开关与交流侧断路器，点击“开机”按钮，励磁调节器起动整流柜冷却风机并输出脉冲，整流柜晶闸管开始整流为电动机转子输出直流电流，电动机转子电流经过PID控制器达到事先设置的背靠背电动机启动模式电流闭环电流给定值，电动机在与之反向并联的背靠背发电机的拖动下，开始跟随发电机旋转，励磁调节器处于空载状态。转速逐渐升高到同步转速后，断开与发电机的连接，经同期装置并网运行。此后励磁调节器进入负载运行状态，控制方式自动转为电压闭环，并可以手动切换为无功闭环、功率因数闭环等其他运行方式。通过点击“增磁”或“减磁”按钮，可增大或减小励磁电流，从而调节电动机的无功功率，电动机实现调相功能。若要停止抽水，先减小电动机输出功率到接近于零，然后断开负荷开关，此时电动机定子电流变为零，发电机回到空载运行状态。点击“停机”按钮，励磁调节器输出脉冲变为[U2] ，电动机转子电流迅速变为零，电动机灭磁，机端电压消失，经电制动后转速快速减小最终停转。之后交流侧断路器、灭磁开关自动分断，整流柜冷却风机停止运行，运行工况寄存器复位，励磁调节器置待机模式。
静止变频器（SFC）的一次接线如图2所示，它由三相网侧晶闸管桥(SRN)和三相机侧晶闸管桥(SRM)以及交直流电抗器组成。由于抽水蓄能机组在水泵工况下，机组作同步电动机运行。因此，SRN为整流桥，从电网中将交流电能转换为中间回路的直流电能；SRM为逆变桥，将中间回路的直流电转化为交流电能。SRN和SRM通过直流电抗器连接起来，直流电抗器限制直流回路的电流上升率，起着平波限流的作用。与一般意义上的晶闸管交-直-交电流型逆变桥不同，该主回路无强迫换相电容和串联二极管，靠抽水蓄能机组的反电动势进行换相。启动电机时，电网侧整流桥将恒频、恒压的交流电变成电压可调的直流电，然后通过电机侧逆变桥逆变成与电机转速相对应的频率和电压，逆变桥输出的可变频率的电流送至定子绕组。与此同时，电站的励磁系统对被启动机组供给励磁电流，已励磁的转子与定子电流产生的旋转磁场相互作用，使转子产生转动力矩而启动。变频启动时同期断路器断开，静止变频器断路器1、静止变频器断路器2闭合。抽水蓄能机组在静止变频器的作用下加速旋转，当转速接近额定值时投入同期。同期装置通过控制静止变频器满足条件后，同期断路器闭合的同时闭锁静止变频器（SFC整流桥和逆变桥同时封脉冲），静止变频器断路器1、静止变频器断路器2断开，机组并网进入电动状态。
励磁系统接到“静止变频器（SFC）启动模式”工况指令后，励磁调节器置静止变频器（SFC）启动模式，电流闭环，运行工况寄存器置4，顺序合灭磁开关与交流侧断路器，点击“开机”按钮，励磁调节器起动整流柜冷却风机并输出脉冲，整流柜晶闸管开始整流为电动机转子输出直流电流，电动机转子电流经本发明专利所描述的控制方法达到由静止变频器（SFC）发出的毫安信号所定义的电流闭环电流给定值，即，所述电动机转子电流的最终值由静止变频器转子电流给定值决定，电动机在静止变频器的拖动下，开始旋转并不断加速，励磁调节器处于空载状态。转速逐渐升高到同步转速后，断开与静止变频器（SFC）的连接，经同期装置并网运行。此后励磁调节器进入负载运行状态，控制方式自动转为电压闭环，并可以手动切换为无功闭环、功率因数闭环等其他运行方式。通过点击“增磁”或“减磁”按钮，可调节励磁电流，从而调节电动机的无功功率，电动机实现调相功能。若要停止抽水，先减小电动机输出功率到接近于零，然后断开负荷开关，此时电动机定子电流变为零，电动机回到空载运行状态。点击“停机”按钮，励磁调节器输出脉冲变为[U3] ，电动机转子电流迅速变为零，电动机灭磁，机端电压消失，经电制动后转速快速减小最终停转。之后交流侧断路器、灭磁开关自动分断，整流柜冷却风机停止运行，运行工况寄存器复位，励磁调节器置待机模式。
机组启动时，由于转子处于静止状态，在定子中无感应电压，SRM不可能实现正常的换相。所以机组启动时，静止变频器要求励磁调节器给出一个阶越变化的励磁电流，以便根据在定子中感应的三相电压计算转子初始位置，选择首先给哪两相定子绕组通以电流。采用如图3所示独立的PID模型控制励磁电流，由静止变频器发过来的0-20mA模拟电流信号经AD转换后作为给定值，与转子电流反馈值做差之后，送入启动阶段PID控制器，PID控制器的运算输出值Uf经反余弦计算之后控制脉冲触发角，从而控制晶闸管的导通时间，使机端电压平稳上升。启动阶段PID参数分别为StartP、StartI和StartD，其数值经过仿真实验和现场实验整定，具有高起始的特点。经过一段可设置的固定时间Tstart之后，转速超过10％额定转速，静止变频器就进入了自然换相控制阶段，励磁系统自动切换为正常励磁电流闭环控制算法，机组全功率加速运行，满足同期条件之后，断开与静止变频器（SFC）的连接，经同期装置并网运行，同时切换为电压闭环控制模式，也可以根据需要选择其他闭环控制方式。
采用本专利所述的控制方法之后，电动机模式静止变频器工况励磁系统启动前期波形如图4所示，从波形可以看出，励磁系统起始阶段，“转子电流”能够快速跟随“电流给定值”，在很短时间之内，建立起励磁电流，使得“机端电压”稳步提升，而“定子电流”波动较小。
电动机模式静止变频器工况励磁系统启动中期波形如图5所示，此阶段“励磁电流”跟随“电流给定值”且基本不变，随转速不断增加“机端电压”持续上升，“定子电流”波动较小。
机组并网之后励磁系统波形如图6所示，此时采用机端电压闭环方式，“机端电压”、“转子电流”等各个参量维持恒定运行。
从图4-图6可见，本发明专利所提出的抽水蓄能机组静止变频器工况励磁系统启动控制方法能快速响应静止变频器（SFC）发过来的转子电流给定值，有利于静止变频器检测电动机转子位置，在保证机组启动的可靠性的同时不影响机组运行的稳定性，提高了电动机启动成功率，有利于电网的安全稳定运行。
Claims (1)
1.抽水蓄能机组静止变频器工况励磁系统启动控制方法，包括由静止变频器发送的0-20mA模拟电流信号经AD转换后作为给定值，与转子电流反馈值做差之后，送入启动阶段PID控制器，PID控制器的运算输出值Uf经反余弦计算之后控制脉冲触发角，从而控制晶闸管的导通时间，使机端电压平稳上升；其特征在于，在起始阶段采用独立的PID模型，该独立的PID模型的PID参数只对静止变频器启动起作用而不作用于机组正常运行的调节规律；励磁系统收到静止变频器启动模式指令之后，控制方式切换为励磁电流闭环，并且采用独立的PID模型控制励磁电流，使机端电压平稳上升，运行一段可设置的固定时间之后，自动切换为正常励磁电流闭环模式；具体包括如下步骤：
（1）机组启动时，静止变频器要求励磁调节器给出一个阶越变化的励磁电流，以便根据在定子中感应的三相电压计算转子初始位置，选择首先给哪两相定子绕组通以电流，采用独立的PID模型控制励磁电流，由静止变频器发过来的0-20mA模拟电流信号经AD转换后作为给定值，与转子电流反馈值做差之后，送入启动阶段PID控制器，PID控制器的运算输出值Uf经反余弦计算之后控制脉冲触发角，从而控制晶闸管的导通时间，使机端电压平稳上升，启动阶段PID参数分别为StartP、StartI和StartD，具有高起始性，经过一段可设置的固定时间Tstart之后，转速超过10％额定转速，静止变频器进入了自然换相控制阶段，励磁系统自动切换为正常励磁电流闭环控制算法，机组全功率加速运行，满足同期条件之后，断开与静止变频器的连接，经同期装置并网运行，同时切换为电压闭环控制模式，通过手动切换，选择无功闭环或功率因数闭环控制方式；
（2）未开机时，励磁系统处于停止状态，励磁调节器处于待机模式，运行工况寄存器处于清零状态，灭磁开关及交流侧断路器均处于分断状态，整流柜冷却风机停转，励磁系统投入前，监控系统事先通过开关量给励磁系统发送运行工况指令，收到指令后，抽水蓄能励磁系统首先判断抽水蓄能励磁系统要运行于何种运行工况，然后根据不同运行工况选择不同的励磁控制策略，将励磁系统切换到需要的运行工况，抽水蓄能机组有发电机和电动机两种运行模式，发电机运行模式分为正常发电模式和背靠背发电机模式，电动机运行模式分为背靠背电动机启动模式和静止变频器启动模式：
励磁系统接到“正常发电模式”工况指令后，励磁调节器置正常发电模式，电压闭环，运行工况寄存器置1，顺序合灭磁开关与交流侧断路器，待励磁系统收到“90%转速令”之后输出“励磁系统准备好”信号；此时点击“开机”按钮，励磁调节器起动整流柜冷却风机并输出脉冲，整流柜晶闸管开始整流为发电机转子输出直流电流，发电机定子开始建压，并迅速达到给定的电压值，励磁调节器处于空载运行状态；合负荷开关，发电机并网，励磁调节器进入负载运行状态，发电机开始正常发电，向电网输送有功和无功功率；通过点击“增磁”或“减磁”按钮，可增大或减小励磁电流，从而调节发电机的无功功率，发电机实现调相功能；若要停止发电，先减小发电机输出功率到接近于零，然后断开负荷开关，此时定子电流变为零，发电机回到空载运行状态；点击“停机”按钮，励磁调节器输出脉冲变为逆变角，转子电流迅速变为零，发电机灭磁，机端电压消失；之后交流侧断路器、灭磁开关自动分断，整流柜冷却风机停止运行，运行工况寄存器复位，励磁调节器置待机模式；抽水蓄能机组运行于“正常发电模式”时，励磁控制方式与常规水电机组一样；
励磁系统接到“背靠背发电机模式”工况指令后，励磁调节器置背靠背发电机模式，电流闭环，运行工况寄存器置2，顺序合灭磁开关与交流侧断路器，点击“开机”按钮，励磁调节器起动整流柜冷却风机并输出脉冲，整流柜晶闸管开始整流为发电机转子输出直流电流，发电机转子电流经过PID控制器达到事先设置的背靠背发电机模式电流闭环电流给定值，发电机定子开始建压，拖动与之反并联运行的电动机旋转，电动机转速逐渐升高到同步转速后，断开与发电机的连接，经同期装置并网运行；此后发电机退出运行，励磁调节器输出脉冲变为逆变角，发电机转子电流迅速变为零，发电机灭磁，机端电压消失；之后交流侧断路器、灭磁开关自动分断，整流柜冷却风机停止运行，运行工况寄存器复位，励磁调节器置待机模式；
励磁系统接到“背靠背电动机启动模式”工况指令后，励磁调节器置背靠背电动机启动模式，电流闭环，运行工况寄存器置3，顺序合灭磁开关与交流侧断路器，点击“开机”按钮，励磁调节器起动整流柜冷却风机并输出脉冲，整流柜晶闸管开始整流为电动机转子输出直流电流，电动机转子电流经过PID控制器达到事先设置的背靠背电动机启动模式电流闭环电流给定值，电动机在与之反向并联的背靠背发电机的拖动下，开始跟随发电机旋转，励磁调节器处于空载状态；转速逐渐升高到同步转速后，断开与发电机的连接，经同期装置并网运行；此后励磁调节器进入负载运行状态，控制方式自动转为电压闭环，通过手动切换，选择无功闭环或功率因数闭环运行方式；通过点击“增磁”或“减磁”按钮，可增大或减小励磁电流，从而调节电动机的无功功率，电动机实现调相功能；若要停止抽水，先减小电动机输出功率到接近于零，然后断开负荷开关，此时电动机定子电流变为零，发电机回到空载运行状态；点击“停机”按钮，励磁调节器输出脉冲变为逆变角，电动机转子电流迅速变为零，电动机灭磁，机端电压消失，经电制动后转速快速减小最终停转，之后交流侧断路器、灭磁开关自动分断，整流柜冷却风机停止运行，运行工况寄存器复位，励磁调节器置待机模式；
励磁系统接到“静止变频器启动模式”工况指令后，励磁调节器置静止变频器启动模式，电流闭环，运行工况寄存器置4，顺序合灭磁开关与交流侧断路器，点击“开机”按钮，励磁调节器起动整流柜冷却风机并输出脉冲，整流柜晶闸管开始整流为电动机转子输出直流电流，电动机转子电流达到由静止变频器发出的毫安信号所定义的电流闭环电流给定值，即，所述电动机转子电流的最终值由静止变频器转子电流给定值决定，电动机在静止变频器的拖动下，开始旋转并不断加速，励磁调节器处于空载状态；转速逐渐升高到同步转速后，断开与静止变频器的连接，经同期装置并网运行；此后励磁调节器进入负载运行状态，控制方式自动转为电压闭环，通过手动切换，选择无功闭环或功率因数闭环运行方式；通过点击“增磁”或“减磁”按钮，可调节励磁电流，从而调节电动机的无功功率，电动机实现调相功能；若要停止抽水，先减小电动机输出功率到接近于零，然后断开负荷开关，此时电动机定子电流变为零，电动机回到空载运行状态；点击“停机”按钮，励磁调节器输出脉冲变为逆变角，电动机转子电流迅速变为零，电动机灭磁，机端电压消失，经电制动后转速快速减小最终停转；之后交流侧断路器、灭磁开关自动分断，整流柜冷却风机停止运行，运行工况寄存器复位，励磁调节器置待机模式。
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