CN106849811A - 一种抽水蓄能变速机组水泵工况自起动控制装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种抽水蓄能变速机组(Variable Speed Pumped Storage Units，VSPSU)水泵工况自起动控制装置及方法，其将定子绕组短接，在通自身交流励磁装置控制转子电流，从而控制转子磁场，通过定、转子磁场的互相作用产生拖动转矩，带动转子起动。构建全阶状态观测器，精确的估计出定子磁链位置，实现转子电流的解耦控制，控制转子转速；当转子转速达到设定值以后，进行同期并网控制，控制定子电流下降，待定子电压幅值、频率和相位满足要求后，投切定子侧并网接触器，该方案无需静止变频器等附加起动设备，同时，具有较高的控制精度和可靠性。

Description

一种抽水蓄能变速机组水泵工况自起动控制装置及其方法

技术领域

本发明涉及一种抽水蓄能机组在抽水工况下的自起动控制方法，适用于采用双馈电机变速恒频抽水蓄能机组。

背景技术

当前，在水力发电中占据主导地位的是传统的恒速恒频发电，普遍以同步发电机为主。其励磁调节大多数采用直流励磁，通过调节励磁电流来调节同步发电机的无功功率，达到电网的要求。由于是恒速恒频发电，其磁场与转子之间没有相对运动，转子的转速由电网的频率决定，即不管何种情况下发电机都必须恒速运行。然而，不同于传统的水利发电站，抽水蓄能电站在运行过程中，上下水坝水位同时变化，因此，在整个发电过程中，水头变化较大，而对于不同水头，发电最佳效率对应的转速是不同的，因此需要抽水蓄能机组能够变速发电运行。同时，抽水蓄能电站在深夜及节假日轻负荷时是作为负荷运行的。传统的恒速机组需要通过改变导向片开度的方式来调节输入功率，调节范围与响应速度均不理想。可变速抽水蓄能机组是一种新型的储能方式。由于转速可变，其在抽水工况下的输入功率变得连续可调，可为电网安全稳定运行提供更有力的保障。同时，相比传统恒速机组，可变速机组在发电工况下具有更高的运行效率以及有功调节动态性能。

抽水蓄能变速机组使用的发电/电动机是一种既可作发电机又可作电动机的可逆式双馈电机，其水泵工况下的起动方式是抽水蓄能电站电气设计时考虑的最重要问题之一。

传统的异步起动或电机起动电流越来越大，会对机组和电网都造成巨大的冲击危害，使得机组本身承受的机械力冲击、热冲击以及电力网瞬时的电压降都超过了限度。同步起动方式虽然克服了对电网的冲击，但是存在起动时间长，且不能起动最后一台电机的问题；半同步起动则是结合了异步起动以及同步起动的特点，对系统没有影响且能量损失较小，但是起动过程非常复杂，且起动机组的容量要大于电动机容量的80％以上。，随着现代电力电子技术的快速发展和日益成熟，通过静止变频器来起动抽水蓄能机组的方式逐渐占据了主导地位，但是需要配置价格昂贵的静止变频器起动设备。

由于使用了双馈电机，抽水蓄能变速机组的起动方式与传统定速机组有很大不同，可以通过自身的交流励磁装置实现自起动，取消了原本昂贵的静止变频器设备。本专利提出了一种变速机组的自起动控制方法。

发明目的

本发明的目的在于提供一种能够适用于抽水蓄能变速机组水泵工况的自起动控制装置以及方法。

发明内容

本发明提供的一种抽水蓄能变速机组水泵工况自起动控制装置，包括与抽水蓄能变速机组相连接的编码器，与抽水蓄能变速机组定子连接的、用于短接抽水蓄能变速机组定子的短路接触器，与抽水蓄能变速机组连接的、用于控制抽水蓄能变速机组并网同期的并网接触器；

进一步的，所述的编码器用于检测变速机组转子速度以及操作变速机组的并网同期控制。

一种抽水蓄能变速机组水泵工况自起动控制方法，其方法包括以下步骤：

步骤一：定子短接双闭环控制；通过短路接触器将定子短接，同时通过抽水蓄能变速机组自身的交流励磁装置在转子中通入工频50Hz(一般取工频50Hz)的三相正弦电流启动转子，产生转子磁场，所述转子磁场旋转切割定子，感生出定子磁场，所述转子磁场和定子磁场相互作用产生电磁转矩拖动转子；

步骤二：构建全阶状态观测器，精确的估计出定子磁链位置；建立α/β两相静止坐标系下、定子短接条件下定子的状态观测方程，通过实测转子电流与观测转子电流观测误差为校正项对估计的定子磁链位置进行修正，精确的估计出定子磁链位置，实现转子电流的解耦控制，控制转子转速；

步骤三：速度检测与同期控制；在抽水蓄能变速机组自起动的转速上升段，定子一直处于短路状态，通过上述编码器对转子转速进行监测，当转速达到设定值后，切除转子侧交流励磁装置，此时气隙磁场消失，定子、转子电流迅速下降，当定子电流小于一定阈值后，断开定子的短路接触器，经过一定的延时后，上述的交流励磁装置再次接入，进行同期控制。

步骤四：并网；过上述第三步同期控制后，当定子电压的幅值、频率、相位都与电网电压一致后，将抽水蓄能变速机组并网，进而对转子转速进行控制，使机组工作在抽水状态，调整电网负荷。

进一步的，所述步骤一中，所述的双闭环控制包括速度外环和电流内环，上述的编码器在自启动阶段获取转子的实际转速，与指令转速比较，差值送入速度外环，控制转速输出，电流内环包括励磁、转矩分量的控制、转子电流的前馈解耦，耦合定子磁链角度。

进一步的，所述步骤二的具体方法为，将定子磁链ψ_s作为待估计的状态变量，同时选取转子电流i_r作为状态变量，构成的全介状态观测器观测方程为：

上述式中，x＝[i_rα,i_rβ,ψ_sα,ψ_sβ]^T，u＝[u_rα,u_rβ]^T，i_r＝[i_rα,i_rβ]^T；系统矩阵A、输入矩阵B、输出矩阵C分别为：

通过转子电流误的差构成矫正项，所述的全介状态观测器观测方程为：

上述式中，H是全介状态观测器的反馈增益矩阵；

通过上式误差微分方程可以看出，矩阵(A-HC)的极点位置和误差的收敛快慢相关，即矩阵的特征值决定了误差的动态响应特性，选取合适的H来配置全介状态观测器的极点，使估计误差的动态特性渐进稳定且快速收敛为零；通过公式(3)准确估计出定子磁链位置，从而进行定子磁场定向，完成转子转速控制。所述的定子磁链位置包括定子磁链幅值和角度。

进一步的，所述的选取合适的H来配置全介状态观测器的极点的具体方法为：采用全介状态观测器的极点与抽水蓄能变速机组的极点成正比的方法，通过设定比例系数hi(i＝1,2,3,4)，保持全介状态观测器的极点随转子转速变化，并且保持在抽水蓄能变速机组极点的左侧，得到的反馈增益矩阵的形式如公式(4)所示：

式中，

本发明硬件系统和控制策略两部分构成，其中硬件系统包括变速机组自身的交流励磁装置、用于定子绕组短接的接触器、用于机组并网的接触器；控制策略包括：转子侧双电流闭环控制器、电压前馈补偿环节、转速闭环控制环节、磁链闭环控制环节、全阶状态观测器、坐标变换环节、脉冲宽度调制环节。

所述的全阶状态观测器的原理为：建立定子短接条件下的VSPSU(Variable SpeedPumped Storage Units，VSPSU)的状态估计方程，确定状态估计量和检测量；接着，根据建立的VSPSU(Variable Speed Pumped Storage Units，VSPSU)作为电机模型，并将直接检测量的观测误差用来构成误差矫正项，构建状态观测器；紧接着进行反馈增益矩阵的调参，根据状态量估计误差方程系数矩阵(A-HC)的极点配置原则，选取合适的极点使得估计量误差快速的收敛为零，从而获得待估计量。

有益效果

1.免除了常规的静止变频器(SFC)起动的高昂成本。

2.所提出的全阶状态观测器具有较好的鲁棒性和估计精度，可以克服电机参数变化造成的定向不准问题，能够提高起动的成功率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

附图1：VSPSU抽水工况自启动框图；

附图2：VSPSU双闭环控制原理图。

具体实施方式

本发明提供的一种抽水蓄能变速机组水泵工况自起动控制装置，包括与抽水蓄能变速机组相连接的编码器，与抽水蓄能变速机组定子连接的、用于短接抽水蓄能变速机组定子的短路接触器，与抽水蓄能变速机组连接的、用于控制抽水蓄能变速机组并网同期的并网接触器；

进一步的，所述的编码器用于检测变速机组转子速度以及操作变速机组的并网同期控制。

一种抽水蓄能变速机组水泵工况自起动控制方法，其方法包括以下步骤：

步骤一：定子短接双闭环控制；通过短路接触器将定子短接，同时通过抽水蓄能变速机组自身的交流励磁装置在转子中通入工频50Hz(一般取工频50Hz)的三相正弦电流启动转子，产生转子磁场，所述转子磁场旋转切割定子，感生出定子磁场，所述转子磁场和定子磁场相互作用产生电磁转矩拖动转子；双闭环有速度外环和电流内环组成，在自起动阶段通过编码器获取的实际转速，与指令转速进行比较，差值送入转速外环，从而控制转速输出；而电流内环除了励磁和转矩分量的控制目的，还包括转子电流的前馈解耦，而耦合的定子磁链角度则通过第二步实现。

步骤二：构建全阶状态观测器，精确的估计出定子磁链位置；建立α/β两相静止坐标系下、定子短接条件下定子的状态观测方程，通过实测转子电流与观测转子电流观测误差为校正项对估计的定子磁链位置进行修正，精确的估计出定子磁链位置，实现转子电流的解耦控制，控制转子转速；

步骤三：速度检测与同期控制；在抽水蓄能变速机组自起动的转速上升段，定子一直处于短路状态，通过上述编码器对转子转速进行监测，当转速达到设定值后，切除转子侧交流励磁装置，此时气隙磁场消失，定子、转子电流迅速下降，当定子电流小于一定阈值后，断开定子的短路接触器，经过一定的延时后，上述的交流励磁装置再次接入，进行同期控制。

步骤四：并网；过上述第三步同期控制后，当定子电压的幅值、频率、相位都与电网电压一致后，将抽水蓄能变速机组并网，进而对转子转速进行控制，使机组工作在抽水状态，调整电网负荷。

进一步的，所述步骤二的具体方法为，将定子磁链ψ_s作为待估计的状态变量，同时选取转子电流i_r作为状态变量，构成的全介状态观测器观测方程为：

上述式中，x＝[i_rα,i_rβ,ψ_sα,ψ_sβ]^T，u＝[u_rα,u_rβ]^T，i_r＝[i_rα,i_rβ]^T；系统矩阵A、输入矩阵B、输出矩阵C分别为：

通过转子电流误的差构成矫正项，所述的全介状态观测器观测方程为：

上述式中，H是全介状态观测器的反馈增益矩阵；

通过上式误差微分方程可以看出，矩阵(A-HC)的极点位置和误差的收敛快慢相关，即矩阵的特征值决定了误差的动态响应特性，选取合适的H来配置全介状态观测器的极点，使估计误差的动态特性渐进稳定且快速收敛为零；通过公式(3)准确估计出定子磁链位置，从而进行定子磁场定向，完成转子转速控制。所述的定子磁链位置包括定子磁链幅值和角度。

进一步的，所述的选取合适的H来配置全介状态观测器的极点的具体方法为：采用全介状态观测器的极点与抽水蓄能变速机组的极点成正比的方法，通过设定比例系数hi(i＝1,2,3,4)，保持全介状态观测器的极点随转子转速变化，并且保持在抽水蓄能变速机组极点的左侧，得到的反馈增益矩阵的形式如公式(4)所示：

式中，

本发明硬件系统和控制策略两部分构成，其中硬件系统包括变速机组自身的交流励磁装置、用于定子绕组短接的接触器、用于机组并网的接触器；控制策略包括：转子侧双电流闭环控制器、电压前馈补偿环节、转速闭环控制环节、磁链闭环控制环节、全阶状态观测器、坐标变换环节、脉冲宽度调制环节。所述的全阶状态观测器的原理为：建立定子短接条件下的VSPSU(Variable Speed Pumped Storage Units，VSPSU)的状态估计方程，确定状态估计量和检测量；接着，根据建立的VSPSU(Variable Speed Pumped Storage Units，VSPSU)作为电机模型，并将直接检测量的观测误差用来构成误差矫正项，构建状态观测器；紧接着进行反馈增益矩阵的调参，根据状态量估计误差方程系数矩阵(A-HC)的极点配置原则，选取合适的极点使得估计量误差快速的收敛为零，从而获得待估计量。

本发明免除了常规的静止变频器(SFC)起动的高昂成本，且所提出的全阶状态观测器具有较好的鲁棒性和估计精度，可以克服电机参数变化造成的定向不准问题，能够提高起动的成功率。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种抽水蓄能变速机组水泵工况自起动控制装置，其特征在于：包括：

编码器，与抽水蓄能变速机组相连接，用于检测变速机组转子速度以及操作变速机组的并网同期控制；

短路接触器，与抽水蓄能变速机组定子连接的，用于短接抽水蓄能变速机组定子；

并网接触器，与抽水蓄能变速机组连接，用于控制抽水蓄能变速机组并网同期。

2.一种抽水蓄能变速机组水泵工况自起动控制方法，其特征在于,其方法包括以下步骤：

步骤一：定子短接双闭环控制；通过短路接触器将定子短接，同时通过抽水蓄能变速机组自身的交流励磁装置在转子中通入一定频率的三相正弦电流启动转子，产生转子磁场，所述转子磁场旋转切割定子，感生出定子磁场，所述转子磁场和定子磁场相互作用产生电磁转矩拖动转子；

步骤二：构建全阶状态观测器，估计出定子磁链位置；建立α/β两相静止坐标系下、定子短接条件下定子的状态观测方程，通过实测转子电流与估计转子电流的误差为校正项对估计的定子磁链位置进行修正，估计出定子磁链位置，实现转子电流的解耦控制，控制转子转速；

步骤三：速度检测与同期控制；在抽水蓄能变速机组自起动的转速上升段，定子一直处于短路状态，通过上述编码器对转子转速进行监测，当转速达到设定值后，切除转子侧交流励磁装置，此时气隙磁场消失，定子、转子电流迅速下降，当定子电流小于一定阈值后，断开定子的短路接触器，经过一定的延时后，上述的交流励磁装置再次接入，进行同期控制；

步骤四：并网；经过上述第三步同期控制后，当定子电压的幅值、频率、相位都与电网电压一致后，将抽水蓄能变速机组并网，进而对转子转速进行控制，使机组工作在抽水状态，调整电网负荷。

3.根据权利要求2所述的一种抽水蓄能变速机组水泵工况自起动控制方法，其特征在于，所述步骤一中，所述的双闭环控制包括速度外环和电流内环，上述的编码器在自启动阶段获取转子的实际转速，与指令转速比较，差值送入速度外环，控制转速输出，电流内环包括励磁、转矩分量的控制、转子电流的前馈解耦，耦合定子磁链角度。

4.根据权利要求3所述的一种抽水蓄能变速机组水泵工况自起动控制方法，其特征在于，所述步骤二的具体方法为，将定子磁链ψ_s作为待估计的状态变量，同时选取转子电流i_r作为状态变量，构成的全介状态观测器观测方程为：

$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\·}{x}=Ax+Bu\\ i_r=Cx\end{array}\right.---\left(1\right)$

上述式中，x＝[i_rα,i_rβ,ψ_sα,ψ_sβ]^T，u＝[u_rα,u_rβ]^T，i_r＝[i_rα,i_rβ]^T；系统矩阵A、输入矩阵B、输出矩阵C分别为：

通过转子电流误的差构成矫正项，所述的全介状态观测器观测方程为：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{d\hat{x}}{dt}=A\hat{x}+Bu-H\left({\hat{i}}_r-i_r\right)\\ {\hat{i}}_r=C\hat{x}\end{array}\right.---\left(2\right)$

$\frac{{\mathrm{dx}}_e}{dt}=\frac{d(x-\hat{x})}{dt}=(A-HC)(x-\hat{x})=(A-HC)x_e---\left(3\right)$

上述式中，H是全介状态观测器的反馈增益矩阵；

选取合适的H来配置全介状态观测器的极点，使估计误差的动态特性渐进稳定且快速收敛为零；通过公式(3)准确估计出定子磁链位置，从而进行定子磁场定向，转子转速控制。

5.根据权利要求4所述的一种抽水蓄能变速机组水泵工况自起动控制方法，其特征在于，所述的选取合适的H来配置全介状态观测器的极点的具体方法为：采用全介状态观测器的极点与抽水蓄能变速机组的极点成正比的方法，通过设定比例系数h_i(i＝1,2,3,4)，保持全介状态观测器的极点随转子转速变化，并且保持在抽水蓄能变速机组极点的左侧，得到的反馈增益矩阵的形式如公式(4)所示：

$H=-\left\{\begin{array}{cc}{h}_{1}I& h_{2}J\\ h_{3}I& h_{4}J\end{array}\right\}---\left(4\right)$

式中，

$I=\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 1\end{array}\right],J=\left[\begin{array}{cc}0& -1\\ 1& 1\end{array}\right].$

6.根据权利要求4所述的一种抽水蓄能变速机组水泵工况自起动控制方法，其特征在于，所述的定子磁链位置包括定子磁链幅值和角度。