CN107910904B - 高压直流同步调相机启动并网控制系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了高压直流同步调相机启动并网控制系统及其控制方法，该系统包括启动控制系统、并网控制系统、总控选择器、输出控制系统和高压直流同步调相机主电路，其中启动控制系统根据同步调相机启动初始电压输出同步调相机启动电压参考值；并网控制系统根据电网电压参考值和测量值，输出电网电压控制补偿值；总控选择器根据同步调相机主电路的运行状态选择启动控制系统或并网控制系统作为输出控制系统的输入；输出控制系统根据启动控制系统或并网控制系统的输出确定高压直流同步调相机主电路的输入，以实现同步调相机的启动和并网。本发明减小了同步调相机启动过程中产生的冲击电压和励磁涌流，实现了同步调相机的平滑启动和并网。

Description

高压直流同步调相机启动并网控制系统及其控制方法
技术领域
本发明属于高压直流同步调相机启动并网控制技术，特别是涉及一种基于时序控制的高压直流同步调相机启动并网控制系统及其控制方法。
背景技术
同步调相机作为一种特殊的同步电动机，既可向电网提供无功补偿，也可吸收电网多余的无功功率，在高压直流和特高压直流输电领域有很高的应用价值。同步调相机是旋转式动态型无功补偿设备，启动并网过程很可能会出现较大的励磁涌流和冲击电压，若启动并网控制方式不当，会在并网点处及电网造成冲击。因此，针对同步调相机设计合适的启动并网系统和有效的时序启动并网控制方法很有意义。
针对同步调相机的启动并网控制问题，现有方案主要存在以下问题：1)未明确同步调相机转子侧励磁系统启动控制与励磁系统并网控制间的先后时序，也未明确同步调相机主电路与控制系统的协调关系，这会造成控制时序混乱和控制关系不明确，易出现控制器震荡或控制失调；2)未明确励磁系统启动控制初始电压值和启动过程中电压上升斜率设定值及其具体计算方法；3)同步调相机启动控制中未设置电压匹配器，用于匹配励磁系统启动控制电压与励磁系统实际电压，这会造成启动过程出现明显的冲击电压和励磁涌流；4)未设置同步调相机转子延时解锁控制环节，并网控制逻辑电路无P-I控制跟踪器。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于时序控制的高压直流同步调相机启动并网控制系统及其控制方法，减小了同步调相机启动过程中产生的冲击电压和励磁涌流，以及同步调相机并网特高压直流系统过程中对逆变器交流侧的冲击及自身震荡，实现了同步调相机的平滑启动和并网。
实现本发明目的的技术解决方案为：高压直流同步调相机启动并网控制系统，包括启动控制系统、并网控制系统、总控选择器、输出控制系统和高压直流同步调相机主电路，其中启动控制系统根据同步调相机启动初始电压输出同步调相机启动电压参考值；并网控制系统根据电网电压参考值和测量值，输出电网电压控制补偿值；总控选择器根据同步调相机主电路的运行状态选择启动控制系统或并网控制系统作为输出控制系统的输入；输出控制系统根据启动控制系统或并网控制系统的输出确定高压直流同步调相机主电路的输入，以实现同步调相机的启动和并网。
所述系统的启动并网控制方法，包括如下步骤：
步骤1、搭建高压直流同步调相机启动并网控制系统；
步骤2、同步调相机主电路工作，启动选择器Start_Select选择启动初始电压发生器，励磁系统以初始电压Vref0启动；
步骤3、启动控制系统工作，启动电压斜率上升控制器根据启动初始电压得到启动控制系统输出信号Vcomp_start，总控选择器Start_Grid选择启动控制系统，同步调相机启动电压参考值以固定斜率逐渐上升；
步骤4、依次闭合同步调相机主电路中预接入交流断路器CBP和主交流断路器CBM，当电压输出实时监测器数值Ef上升至启动初始电压发生器设定值Vref0时，调节启动选择器Start_Select开关，使同步调相机主电路选择电压输出实时监测器数值Ef为转子励磁电压，延时Tdelay1后解锁同步调相机转子，完成同步调相机启动过程；
步骤5、并网控制系统工作，并网参考电压发生器与并网电压实时监测器产生的电压误差值通过P-I控制器得到电压误差调节控制值Vcomp_grid，总控选择器Start_Grid延时Tdelay2后选择并网控制系统，完成同步调相机并网过程。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明充分考虑了同步调相机的启动过程与并网过程的时序关系，解决了启动并网控制过程与主电路控制间的协调控制，实现了控制关系与控制逻辑间的明确时序，降低了启动并网过程出现震荡的概率；2)本发明的启动并网过程中启动电压斜率上升控制器、电压实时监测器、延时解锁控制器、P-I控制器之间有效配合，减小了启动并网过程的冲击电压和励磁涌流；3)本发明的启动并网控制方法复杂度低、控制关系明确、易于实施，适用于同步电动机和异步电动机启动与并网。
附图说明
图1是高压直流同步调相机启动并网控制系统电路的示意图。
图2是高压直流同步调相机主电路的示意图。
图3是同步调相机主电路的示意图。
图4是高压直流同步调相机启动并网控制方法的流程图。
图5是同步调相机的示意图。
图6是同步调相机励磁启动控制选择器选择初始电压设定值启动、闭合预接入交流断路器、闭合主交流断路器的示意图。
图7是同步调相机电压匹配器和S-R触发器控制电路的示意图。
图8是同步调相机启动选择器选择电压输出实时监测器的示意图。
图9是同步调相机转子延时解锁控制的示意图。
图10是同步调相机解锁转子的示意图。
图11是同步调相机延时选择并网控制输出信号的示意图。
图12是同步调相机总控选择器旋转励磁控制系统输出信号的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例进一步说明本发明方案。
高压直流同步调相机启动并网控制系统如图1所示，包括启动控制系统、并网控制系统、总控选择器、输出控制系统和高压直流同步调相机主电路，其中启动控制系统根据同步调相机启动初始电压输出同步调相机启动电压参考值；并网控制系统根据电网电压参考值和测量值，输出电网电压控制补偿值；总控选择器根据同步调相机主电路的运行状态选择启动控制系统或并网控制系统作为输出控制系统的输入；输出控制系统根据启动控制系统或并网控制系统的输出确定高压直流同步调相机主电路的输入，以实现同步调相机的启动和并网。
高压直流同步调相机主电路如图2所示，包括同步调相机主电路和高压直流主电路。同步调相机主电路如图3所示，包括参考控制电压发生器、电网交流电压监测器、电压输出实时监测器、电流输出实时监测器、启动初始电压发生器、启动选择器Start_Select、电压匹配控制器、S-R触发器、转子解锁延时控制器、转子励磁电压监测器、转子励磁电流监测器、转子、定子、预接入大阻抗、预接入大阻抗开关CBP、主断路器开关CBM、三相变压器、主电网，参考控制电压发生器连接输出控制系统，电网交流电压监测器连接同步调相机定子出口端，启动选择器Start_Select的输入端连接启动初始电压发生器或电压输出实时监测器的输出端，启动选择器Start_Select的输出端连接转子励磁电压监测器，电流输出实时监测器连接转子励磁电流监测器，同步调相机定子出口端连接主断路器开关CBM，主断路器开关CBM的另一侧连接三相变压器，三相变压器的另一侧连接主电网，预接入大阻抗与预接入大阻抗开关CBP串联连接形成预接入线路，预接入线路与主断路器开关CBM并联连接。高压直流主电路包括高压直流线路HVDC Line、整流器Rec、逆变器Inv、整流侧交流系统Rec-side AC Syst、逆变侧交流系统Inv-side AC Syst，高压直流线路HVDC Line两侧分别连接着整流器Rec和逆变器Inv的直流出口端，整流侧交流系统Rec-side AC Syst连接整流器Rec交流侧，连接点为整流器交流侧公共连接点PCC-Rec，逆变侧交流系统Inv-side ACSyst连接逆变器Inv交流侧，连接点为逆变器交流侧公共连接点PCC-Inv。同步调相机主电路与高压直流主电路逆变器交流侧公共连接点(PCC-Inv)处相连。
所述启动控制系统包括启动初始电压和启动电压斜率上升控制器，启动初始电压输入启动电压斜率上升控制器，启动电压斜率上升控制器输出同步调相机启动电压参考值。
所述并网控制系统包括并网参考电压发生器、并网电压实时监测器和P-I控制器，并网参考电压发生器与并网电压实时监测器的输出作差后输入至P-I控制器，P-I控制器输出电网电压控制补偿值。
如图4所示，该系统的启动并网控制方法步骤如下：
步骤1、搭建如图1所示的高压直流同步调相机启动并网控制系统，包括启动控制系统、并网控制系统、总控选择器、输出控制系统和高压直流同步调相机主电路，其中同步调相机(Sync_Cond)如图5所示，其基本组成部分为主电路定子电枢绕组、转子励磁绕组和励磁控制系统，励磁控制系统的信号包括交流电压参考值Vref、交流电压测量值Vabc、励磁控制系统输出电动势Ef、励磁绕组输入电压Vf、反馈励磁电流If，同步调相机主电路如3所示，高压直流同步调相机主电路如图2所示。
步骤1、搭建高压直流同步调相机启动并网控制系统，其中包括：如图1、图2所示，搭建高压直流同步调相机主电路，如图4所示，同步调相机(Sync_Cond)的基本组成部分为主电路定子电枢绕组、转子励磁绕组和励磁控制系统，其中励磁控制系统的信号包括交流电压参考值Vref、交流电压测量值Vabc、励磁控制系统输出电动势Ef、励磁绕组输入电压Vf、反馈励磁电流If；如图5所示，搭建启动控制系统、并网控制系统、总控选择器和输出控制系统。
步骤2、同步调相机主电路工作，如图6所示，启动选择器Start_Select选择启动初始电压发生器输出的初始电压Vref0，励磁系统以初始电压Vref0启动；
同步调相机主电路启动选择器Start_Select存在两种电压状态，启动初始电压发生器产生电压Vref0和电压输出实时监测器产生电压Ef，其中启动初始电压发生器产生电压Vref0为：
Figure BDA0001479546070000051
式中，Vref0为启动初始电压发生器产生电压，Vnom为额定运行电压，Vbase为基准电压。
步骤3、启动控制系统工作，启动初始电压通过启动电压斜率上升控制器，得到启动控制系统输出信号Vcomp_start，如图1所示，总控选择器Start_Grid选择启动控制系统输出信号Vcomp_start，输出控制系统电压参考值以固定斜率逐渐上升；
启动控制系统输出电压Vcomp_start的计算方法为：
Vcomp_start＝k*t+b (2)
式中，Vcomp_start为励磁系统启动过渡过程电压补偿值，k为补偿斜率，b为补偿系数，k的选取范围为[0.8,1.2]，b的选取范围为[-3,3]；
输出控制系统的输出电压参考值Vref为：
Figure BDA0001479546070000052
步骤4、如图6所示，依次闭合同步调相机主电路中预接入交流断路器CBP和主交流断路器(CBM)；
如图7所示，电压输出实时监测器产生电压Ef与启动初始电压发生器产生电压Vref0进行实时比对，一旦Ef上升至Vref0时，启动选择器Start_Select动作，并触发S-R触发器，导致启动选择器Start_Select改变开关位置选择电压输出实时监测器产生电压Ef为转子励磁电压Vf，如图8所示；
启动选择器改变开关位置时，会触发转子解锁延时器，如图9所示，使得转子于Tdelay1后解锁，Tdelay1为转子解锁延时器设定延时时间，设定为1秒。
转子解锁后，如图10所示，转子开始旋转。
步骤5、并网控制系统工作，并网参考电压发生器与并网电压实时监测器产生的电压误差值通过P-I控制器得到电压误差调节控制值Vcomp_grid，如图11所示，调节总控选择器Start_Grid延时Tdelay2后由0变为1，如图12所示，选择并网控制系统输出信号Vcomp_grid，完成同步调相机并网过程。
并网控制系统中，并网电压控制参考值为Vnom，即励磁系统额定运行电压状态，也是同步调相机交流出口端额定工作电压值，励磁系统并网电压控制测量值Vmeas为同步调相机交流出口端电压测量值，P-I控制器表达式为：
Figure BDA0001479546070000061
式中，Kp为比例系数，其选取范围为[0,1]，Ki为积分系数，其选取范围为[15,30]，s为拉普拉斯算子，Tdelay2设定为1秒。

Claims (7)

1.高压直流同步调相机启动并网控制系统，其特征在于，包括启动控制系统、并网控制系统、总控选择器、输出控制系统和高压直流同步调相机主电路，其中启动控制系统根据同步调相机启动初始电压输出同步调相机启动电压参考值；并网控制系统根据电网电压参考值和测量值，输出电网电压控制补偿值；总控选择器根据高压直流同步调相机主电路的运行状态选择启动控制系统或并网控制系统作为输出控制系统的输入；输出控制系统根据启动控制系统或并网控制系统的输出确定高压直流同步调相机主电路的输入，以实现同步调相机的启动和并网；
所述启动控制系统包括启动初始电压和启动电压斜率上升控制器，启动初始电压输入启动电压斜率上升控制器，启动电压斜率上升控制器输出同步调相机启动电压参考值；
所述并网控制系统包括并网参考电压发生器、并网电压实时监测器和P-I控制器，并网参考电压发生器与并网电压实时监测器的输出作差后输入至P-I控制器，P-I控制器输出电网电压控制补偿值；
所述高压直流同步调相机主电路包括同步调相机主电路和高压直流主电路，其中同步调相机主电路包括参考控制电压发生器、电网交流电压监测器、电压输出实时监测器、电流输出实时监测器、启动初始电压发生器、启动选择器Start_Select、电压匹配控制器、S-R触发器、转子解锁延时控制器、转子励磁电压监测器、转子励磁电流监测器、转子、定子、预接入大阻抗、预接入大阻抗开关CBP、主断路器开关CBM、三相变压器、主电网，参考控制电压发生器连接输出控制系统，电网交流电压监测器连接同步调相机定子出口端，启动选择器Start_Select的输入端连接启动初始电压发生器或电压输出实时监测器的输出端，启动选择器Start_Select的输出端连接转子励磁电压监测器，电流输出实时监测器连接转子励磁电流监测器，同步调相机定子出口端连接主断路器开关CBM，主断路器开关CBM的另一侧连接三相变压器，三相变压器的另一侧连接主电网，预接入大阻抗与预接入大阻抗开关CBP串联连接形成预接入线路，预接入线路与主断路器开关CBM并联连接；高压直流主电路包括高压直流线路HVDC Line、整流器Rec、逆变器Inv、整流侧交流系统Rec-side AC Syst、逆变侧交流系统Inv-side AC Syst，高压直流线路HVDC Line两侧分别连接着整流器Rec和逆变器Inv的直流出口端，整流侧交流系统Rec-sideAC Syst连接整流器Rec交流侧，连接点为整流器交流侧公共连接点PCC-Rec，逆变侧交流系统Inv-side AC Syst连接逆变器Inv交流侧，连接点为逆变器交流侧公共连接点PCC-Inv。
2.根据权利要求1任意一项所述高压直流同步调相机启动并网控制系统的启动并网控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、搭建高压直流同步调相机启动并网控制系统；
步骤2、同步调相机主电路工作，启动选择器Start_Select选择启动初始电压发生器，励磁系统以初始电压Vref0启动；
步骤3、启动控制系统工作，启动电压斜率上升控制器根据初始电压得到启动控制系统输出信号Vcomp_start，总控选择器选择启动控制系统，输出控制系统电压参考值以固定斜率逐渐上升；
步骤4、依次闭合同步调相机主电路中预接入大阻抗开关CBP和主断路器开关CBM，当电压输出实时监测器数值Ef上升至初始电压Vref0时，调节启动选择器Start_Select开关，使同步调相机主电路选择电压输出实时监测器数值Ef为转子励磁电压，延时Tdelay1后解锁同步调相机转子，完成同步调相机启动过程；
步骤5、并网控制系统工作，并网参考电压发生器与并网电压实时监测器产生的电压误差值通过P-I控制器得到电压误差调节控制值Vcomp_grid，总控选择器延时Tdelay2后选择并网控制系统，完成同步调相机并网过程。
3.根据权利要求2所述的启动并网控制方法，其特征在于，步骤2初始电压为：
Figure FDA0002846940170000021
式中，Vref0为启动初始电压发生器产生电压，Vnom为额定运行电压，Vbase为基准电压。
4.根据权利要求2所述的启动并网控制方法，其特征在于，步骤3启动控制系统输出为：
Vcomp_start＝k*t+b
式中，Vcomp_start为启动控制系统输出电压，即励磁系统启动过渡过程电压补偿值，k为补偿斜率，b为补偿系数，k的选取范围为[0.8,1.2]，b的选取范围为[-3,3]；
输出控制系统电压参考值Vref为：
Figure FDA0002846940170000031
式中，Vnom为额定运行电压，Vbase为基准电压。
5.根据权利要求2所述的启动并网控制方法，其特征在于，步骤5中Tdelay1设定为1秒。
6.根据权利要求2所述的启动并网控制方法，其特征在于，步骤5中P-I控制器表达式为：
Figure FDA0002846940170000032
式中，Kp为比例系数，其选取范围为[0,1]，Ki为积分系数，其选取范围为[15,30]，s为拉普拉斯算子。
7.根据权利要求2所述的启动并网控制方法，其特征在于，步骤5中Tdelay2设定为1秒。
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