CN103427442A - 可变速抽水蓄能交流励磁发电电动机的同步并网控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种可变速抽水蓄能交流励磁发电电动机的同步并网控制方法,包括网侧锁相PLL-Grid环节、电流旋转变换环节、磁链与转矩观测环节、同步控制环节、磁链控制环节、速度转矩映射环节、转矩控制环节、电压前馈环节、电流控制环节、旋转矢量控制SVM环节。本发明采用矢量控制技术,在电励磁同步机各种模式下具有系统转矩与无功调节迅速的特点;采用的同步励磁发电电动机具有“定频变速”的特性,使得水轮机组可在电机同步速点上下调节,较传统同步机拖动方式,可有效减少水轮机组的负荷压力;变流器为转差功率变流器,与采用同步机组的全功率变流相比具有体积小,结构紧凑的特点。
Description
技术领域
本发明属于大功率抽水蓄能变流机组控制领域,具体涉及可变速抽水蓄能交流励磁发电电动机的同步并网控制方法。
背景技术
随着现代工业和电力事业的迅猛发展,尤其是核能、风能、太阳能等清洁能源发电容量所占比重日益增加,电力系统负荷峰谷差矛盾日趋突出。在各种解决此矛盾的方式中,抽水蓄能电站以其快速、有效、经济、可靠的特点,在电网的调峰、填谷、调频、调相中扮演着重要的角色,成为目前最有效和最经济的电网负荷调节手段。抽水蓄能电站合理有效的利用,可减少常规火电调峰电源建设和火电机组排放污染气体,这对我国环境保护以及低碳排放极为有利。因此,抽水蓄能电站作为水电的补充,可弥补水电的不足,有利于水电和电力工业的可持续发展,同时还使水电以至电力工业增加新的活力。
我国抽水蓄能电站的现有机组大部分为同步发电电动机机组,其存在变流器容量大、速度不可调、动态响应慢、无功不可调、低负载效率低等缺点,交流励磁发电电动机具有“定频变速”的特性,使得水轮机组可在电机同步速点上下调节,可有效减少水轮机组的负荷压力机,同时,交流励磁发电电动机具有无功调节迅速、变流器容量小的特点,其中同步并网策略是其关键技术之一。
发明内容
针对现有技术中的缺陷,本发明的目的是提供一种用于可变速抽水蓄能电站交流励磁发电电动机的同步并网控制方法。本发明基于交流励磁发电电动机的数学模型,分析了其在静态坐标系及旋转坐标系下的数学模型,给出了交流励磁发电机的交流励磁控制及其并网控制的方法,其主要由磁链与转矩观测环节、同步控制环节、电流控制环节、电压前馈环节、旋转矢量控制SVM环节组成。
根据本发明的一个方面,提供一种可变速抽水蓄能交流励磁发电电动机的同步并网控制方法,包括网侧锁相PLL-Grid环节、电流旋转变换环节、磁链与转矩观测环节、同步控制环节、磁链控制环节、速度转矩映射环节、转矩控制环节、电压前馈环节、电流控制环节、旋转矢量控制SVM环节,其中:
磁链与转矩观测环节的输入量为转子(m,T)轴电流分量i(m,t)、逆变器重构电压Ur(R,S,T)、电机转速ωrs、电机位置角λRolor、定子侧开路电压Us(RS,ST,TR)、定子侧电流is(R,S,T)以及网侧锁相PLL-Grid环节输出的网侧电压相角和角频率通过磁链与转矩观测环节获取转子侧磁链幅值转子磁链旋转角度电机电磁转矩同时通过功率计算得到系统无功Q及功率因数;
同步控制环节的输入量为转子磁链给定值网侧线电压Un(L1L2,L2L3)检测、定子端输出电压Us(R,S,T)、转子磁链角度估算量通过同步控制环节获取转差频率给定值Δω* sync及转子磁链给定控制值
速度转矩映射环节用于获取转矩的给定量T*′,其输入量为转矩给定值T*及电机转速ωrs,其根据发电电动机的运行特性,通过查表获取转矩的给定量T*′;
旋转矢量控制SVM环节用于根据电流控制环节的输出量逆变器电压给定指令完成四象限逆变器的开关状态输出,最终得到逆变器的开关状态,完成对逆变器的控制。
优选地,所述同步控制环节,具体为:同步控制环节的输入量为转子磁链给定值网侧线电压Un(L1L2,L2L3)检测、定子端输出电压Us(R,S,T)、转子磁链角度估算量通过同步控制环节获取转差频率给定值Δω* sync及转子磁链给定控制值
优选地,所述速度转矩映射环节,具体为:其输入量为转矩给定值T*及电机转速ωrs,其根据发电电动机的运行特性,通过查表获取转矩的给定量T*′。
与现有技术相比,本发明具有如下有益效果:
(1)本发明采用矢量控制技术,其由磁链与转矩观测环节、同步控制环节、电流控制环节、电压前馈环节、旋转矢量控制SVM环节组成,在电励磁同步机各种模式下具有系统转矩与无功调节迅速的特点;
(2)本发明中采用的同步励磁发电电动机具有“定频变速”的特性,使得水轮机组可在电机同步速点上下调节,较传统同步机拖动方式,可有效减少水轮机组的负荷压力;
(3)变流器为转差功率变流器,与采用同步机组的全功率变流相比具有体积小,结构紧凑的特点。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述,本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显:
图1为抽水蓄能机组配置图,示出了交流励磁发电电动机变频调速结构;
图2为交流励磁发电电动机采用磁场定向后的向量图;
图3为交流励磁发电电动机的同步并网控制策略框图。
图中:
1为主变压器;
2为励磁变压器;
3为交流励磁电机。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明,但不以任何形式限制本发明。应当指出的是,对本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明提供一种用于可变速抽水蓄能电站的交流励磁发电电动机的同步并网控制方法,本发明基于交流励磁发电电动机的数学模型,分析了其在静止坐标系及同步旋转坐标系下的数学模型,根据抽水蓄能机组的工作特点,对交流励磁电动机采用磁场定向的方法,完成了抽水蓄能机组的同步并网控制,其依据为下文交流励磁发电电动机的磁链方程(1),交流励磁发电电动机的电压方程(2);交流励磁发电电动机的电压方程(3);交流励磁发电电动机的转矩方程(4);交流励磁发电电动机同步旋转坐标系(m,T)下的电压方程式(5);交流励磁发电电动机定子磁场定向后的磁链方程(6);交流励磁发电电动机定子磁场定向后的电压方程(7)(8);交流励磁发电电动机定子磁场定向后的转矩方程(9)。
依照电机控制惯例,交流励磁发电电动机在旋转坐标系(m,T)下的磁链方程为:
电压方程为:
式(2)
把式(1)带入式(2)可得:
将变换后的两相旋转坐标系下的电流方程代入电磁转矩方程,得dq坐标系下的电磁转矩方程:
Te=npLm(isqird-isdirq) 式(4)
式(3)为任意两相旋转坐标系下的电压方程,当dq轴的旋转角速度ωdqs等于定子频率的同步角转速ω1时,设此时转子的电角速度为ω,则dq坐标系相对转子的角速度ωdqr为ω1-ω即为转差角速度ωs。将ωdqr=ωs、ωdqs=ω1代入式(3),利用(m,T)代替(d,q)坐标系,得到同步旋转坐标系(m,T)下的电压方程式:
进行定子磁场定向后有:
把式(6)代入式(3)并忽略定子侧电阻得:
设双馈电机定子于恒压、恒频的对称电网相接,则经过坐标变换后定子电压的mT轴分量都应为直流常量,最后可得:
此时交流励磁发电电动机的矢量图形如图2所示,实现定子磁场定向后,调节转子电流转矩分量irT,就可以调控电磁转矩Te,调节定子磁场电流分量isT,就可以调控定子边的功率因数。由式(5)~(9),可得转子电压控制方程为:
σ——电机漏磁系数,
ωs——转差角频率。
由上可得可变速抽水蓄能电站的交流励磁发电电动机的控制方法,如图3所示。其主要控制环节包括:交流励磁电机静态及磁场定向下的并网分析;通过动态锁相技术获取网侧电压相位及角频率通过磁链观测环节获取转子侧磁链幅值转子磁链旋转角度电机电磁转矩通过同步环节获取转差频率给定值Δω* sync及转子磁链给定值通过磁链控制环节获取转子磁链给定值通过转矩控制环节获取转矩电流给定值通过电流控制环节获取逆变器电压给定指令通过旋转矢量控制环节最终得到逆变器的开关状态,完成对逆变器的控制。
磁链与转矩观测环节的输入量为转子(m,T)轴电流分量i(m,t)、逆变器重构电压Ur(R,S,T)、电机转速ωrs、电机位置角λRolor、定子侧开路电压Us(RS,ST,TR)、定子侧电流is(R,S,T)以及网侧锁相PLL-Grid环节输出的网侧电压相角和角频率通过磁链与转矩观测环节获取转子侧磁链幅值转子磁链旋转角度电机电磁转矩同时通过功率计算得到系统无功Q及功率因数。
速度转矩映射环节用于获取转矩的给定量T*′,其输入量为转矩给定值T*及电机转速ωrs,其根据发电电动机的运行特性,通过查表获取转矩的给定量T*′。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是,本发明并不局限于上述特定实施方式,本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改,这并不影响本发明的实质内容。
Claims (10)
1.一种可变速抽水蓄能交流励磁发电电动机的同步并网控制方法,其特征在于,包括网侧锁相PLL-Grid环节、电流旋转变换环节、磁链与转矩观测环节、同步控制环节、磁链控制环节、速度转矩映射环节、转矩控制环节、电压前馈环节、电流控制环节、旋转矢量控制SVM环节,其中:
磁链与转矩观测环节的输入量为转子(m,T)轴电流分量i(m,t)、逆变器重构电压Ur(R,S,T)、电机转速ωrs、电机位置角λRolor、定子侧开路电压Us(RS,ST,TR)、定子侧电流is(R,S,T)以及网侧锁相PLL-Grid环节输出的网侧电压相角和角频率通过磁链与转矩观测环节获取转子侧磁链幅值转子磁链旋转角度电机电磁转矩同时通过功率计算得到系统无功Q及功率因数
同步控制环节的输入量为转子磁链给定值、网侧线电压Un(L1L2,L2L3)检测、定子端输出电压Us(R,S,T)、转子磁链角度估算量通过同步控制环节获取转差频率给定值Δω* sync及转子磁链给定控制值
速度转矩映射环节用于获取转矩的给定量T*′,其输入量为转矩给定值T*及电机转速ωrs,其根据发电电动机的运行特性,通过查表获取转矩的给定量T*′;
6.根据权利要求1所述的可变速抽水蓄能交流励磁发电电动机的同步并网控制方法,其特征在于,所述速度转矩映射环节,具体为:其输入量为转矩给定值T*及电机转速ωrs,其根据发电电动机的运行特性,通过查表获取转矩的给定量T*′。
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