CN107911054A - 一种变速抽水蓄能机组用交流励磁系统及机组自启动方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种变速抽水蓄能机组用交流励磁系统及机组自启动方法，本发明的交流励磁系统包括网侧和机侧，网侧和机侧共用一个直流母线，网侧由4个功率单元并联组成，机侧由6个功率单元并联组成，每个功率单元为NPC三电平拓扑结构。交流励磁系统启动机组的过程为：在做好准备工作后，启动交流励磁系统网侧，使得直流电压从0V上升至额定电压；接着，启动交流励磁系统机侧，对机组转子进行励磁，分别经过恒转矩升速、恒功率升速、降功率升速三个阶段，使变速抽水蓄能机组从静止平稳启动至额定转速。该启动过程平滑无冲击，无需额外的启动装置，降低了电站建设成本。

Description

一种变速抽水蓄能机组用交流励磁系统及机组自启动方法

技术领域

本发明属于电力电子传动技术领域，具体涉及一种变速抽水蓄能机组用交流励磁系统及机组自启动方法。

背景技术

近年来，新能源并网发电机组并网容量不断增加，由于风电、光伏发电的随机性，给电网调峰和调频能力都提出了更高的要求，而作为削峰填谷的最好工具的抽水蓄能电站，在电力系统中占据越来越重要的地位。

抽水蓄能电站作为电网综合辅助管理工具，以水能转换为载体，给系统提供储能服务和多工况调度运行，在电网中承担调峰、填谷、调频、调相、事故备用、黑启动等任务，是现代电力系统的稳压器、调节器和存储器。

抽水蓄能系统主要有两大类，一种为定速抽水蓄能系统，一种为变速抽水蓄能系统。变速抽水蓄能电站的优势为：1、电机转速可调，提高水泵水轮机的运行效率，减小磨损；2、电动和发电工况，有功功率均可调，功率调节速度快，电网频率调节精度高；3、机组振幅小，运行稳定性高；4、可自启动，无需启动装置；变速抽水蓄能电站是抽水蓄能未来发展的趋势。

百兆瓦级变速抽水蓄能系统如图1所示，主要包括主变压器、定子接触器、换相开关、定子短接装置、发电电动机、水泵水轮机、机组控制保护系统、励磁断路器K1和交流励磁系统。交流励磁系统主要包括励磁变压器、网侧软起断路器K4和K6、网侧并网断路器K5和K7、网侧、直流Crowbar、机侧、交流Crowbar、控制保护系统和水冷系统。

变速抽水蓄能机组稳态有两种运行工况，一种为发电工况，一种为抽水工况。发电工况，机组通过水轮机球阀和调速器启动，抽水工况需要机组自启动。目前国内外关于变速抽水蓄能机组的研究主要为功率解耦控制和电网频率控制方面，对机组自启动方面的研究较少。

定速机组不具备自启动能力，通过额外配置静止启动变频器启动，变速机组也可通过额外配置静止启动变频器进行启动，但会额外增加成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种变速抽水蓄能机组用交流励磁系统及机组自启动方法，用以解决变速机组通过额外配置静置启动变频器启动造成的成本较高的问题。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：

本发明提供了一种变速抽水蓄能机组的自启动方法，包括如下方法方案：

方法方案一，短接电机定子，控制交流励磁系统接入电网，使机组逐步升速至额定转速。

方法方案二，在方法方案一的基础上，所述控制交流励磁系统接入电网，使机组逐步升速至额定转速包括：

交流励磁系统判断机组处于抽水工况下，接收机组控制系统启动命令；

启动交流励磁系统网侧，使直流电压上升至额定电压；

启动交流励磁系统机侧，对机组转子进行励磁，使机组升速；

当机组的转子磁通达到转子额定磁通，且机组转速大于设定速度时，控制减小转子磁通；

当转矩电流大于机组的转矩极限时，控制交流励磁系统按照转矩极限输出转矩电流，使机组升速至额定转速。

方法方案三，在方法方案二的基础上，所述交流励磁系统网侧采用控制外环为直流电压环、控制内环为电流环的双闭环控制方法。

方法方案四，在方法方案二的基础上，所述交流励磁系统机侧控制外环为转子转速环和转子磁通环、控制内环为电流环的双闭环控制方法。

方法方案五，在方法方案二的基础上，所述启动交流励磁系统网侧，使直流电压上升至额定电压包括：

启动交流励磁系统网侧，经网侧软启电阻，给直流侧充电；

旁路网侧软启电阻，开启网侧控制脉冲，使直流电压上升至额定电压。

方法方案六，在方法方案二的基础上，所述设定速度为s_maxω_{r_rate}，s_max为机组并网稳态运行时的最大转差率，ω_{r_rate}为机组转子的额定转速。

方法方案七，在方法方案二的基础上，当机组转速大于设定速度时，转子磁通环的磁通指令值为：

其中，ψ_r ^*为转子磁通环的磁通指令值，s_max为机组并网稳态运行时的最大转差率，ω_{r_rate}为机组转子的额定转速，ω₀为交流励磁系统输出电压的转速，ψ_rate为转子额定磁通。

方法方案八，在方法方案二的基础上，所述转矩极限为：

其中，i_rq为转矩极限，ψ_r为转子磁通环幅值，L_r为转子电感，σ＝1-L_m ²/L_sL_r为漏感系数，L_m为互感，L_s为定子电感。

方法方案九，在方法方案四的基础上，转子磁通环中的转子磁通通过磁通观测器得到。

本发明还提供了一种变速抽水蓄能机组用交流励磁系统，包括励磁变压器、网侧并网断路器、网侧软起断路器、LCL滤波器、网侧换流器、机侧换流器、交流Crowbar、直流Crowbar、控制保护系统和水冷系统，网侧换流器和机侧换流器共用一个直流母线，所述控制保护系统用于执行方法方案一～方法方案九中任一项的变速抽水蓄能机组的自启动方法。

本发明的有益效果：

本发明利用变速抽水蓄能机组的交流励磁系统来使机组逐步升速至额定转速。在做好准备工作后，启动交流励磁系统网侧，使得直流电压从0V上升至额定电压；接着，启动交流励磁系统机侧，对机组转子进行励磁，分别经过恒转矩升速、恒功率升速、降功率升速三个阶段，使变速抽水蓄能机组从静止平稳启动至额定转速。该启动过程平滑无冲击，无需额外的启动装置，大大减少了成本。

附图说明

图1是百兆瓦级变速抽水蓄能系统示意图；

图2是交流励磁系统网侧的控制框图；

图3是交流励磁系统机侧的控制框图；

图4是转子磁通观测器的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚，下面结合附图及实施例，对本发明作进一步的详细说明。

本发明的变速抽水蓄能机组如图1所示，基于该机组，短接电机定子，控制交流励磁系统接入电网，使机组平稳启动至额定转速。具体如下：

该自启动方法主要包括六个阶段，分别为准备阶段、稳压阶段、励磁启动阶段、恒转矩启动阶段、恒功率启动阶段和降功率启动阶段。

第一阶段，准备阶段。交流励磁系统判断换向开关为抽水位置，并接收机组控制系统启动命令，在交流励磁系统确认定子接触器K2处于断开状态后，向机组控制系统发出请求闭合定子短接开关K3和请求闭合励磁断路器K1。

第二阶段，稳压阶段。启动交流励磁系统网侧，闭合网侧软起断路器K4和K6，电网通过软起电阻和网侧反并联二极管给直流侧充电。当直流电压大于0.6pu且持续3秒后，断开网侧软起断路器K4和K6，闭合网侧并网断路器K5和K7，当直流电压大于0.8pu且持续2秒后，开启网侧脉冲控制，直至直流电压上升至额定电压并处于稳定状态。

网侧采用电网电压定向矢量控制，具体为电压电流双闭环控制，控制外环为直流电压环，内环为电流环，其控制框图如图2所示。

直流电压指令值U_dc ^*与直流电压U_dc作差，通过PI调节器进行闭环控制，得到d轴电流指令i_gd ^*。将采集到的网侧三相电流i_ga、i_gb、i_gc变换至dq旋转坐标系得到i_gd和i_gq，通过电网电压锁相得到变换角度θ_s。将d轴电流指令i_gd ^*与i_gd作差后，通过PI调节器进行闭环控制，得到d轴电压指令值u_gd ^*。q轴的电流指令值为0，与i_gq作差后，通过PI调节器进行闭环控制，得到q轴电压指令值u_gq ^*。将d轴电压指令值u_gd ^*和q轴电压指令值u_gq ^*变换至两相静止坐标系，再通过SVPWM调制，得到交流励磁系统网侧的触发脉冲。

第三阶段，励磁启动阶段。启动交流励磁系统机侧，对机组转子进行励磁，该磁力电流为额定电流，转子磁通大于0.25pu后，给定转矩电流，机组开始升速。其中，转矩电流的幅值为I_max为交流励磁系统机侧稳态所能输出的最大电流，i_rd为转子d轴电流。

机侧采用转子磁场定向矢量控制，具体为双闭环控制，控制外环为转子磁通环和转子转速环，控制内环为电流环，其控制框图如图3所示。

转速指令值ω_r ^*与电机的实际转速ω_r作差后，经过PI调节器以及电流限幅后进行闭环控制，得到q轴电流指令值i_rq ^*；q轴电流指令值i_rq ^*与i_rq作差后，经过PI调节器进行闭环控制，得到q轴电压指令值u_rq ^*。转子磁通指令值与ψ_r作差后，经过PI调节器进行闭环控制，得到d轴电流指令值i_rd ^*；其中，转子磁通指令值会根据实际转速ω_r改变。该阶段中，转子磁通指令值为额定磁通。将采集到的机侧三相电流i_ra、i_rb、i_rc变换至dq旋转坐标系，并通过磁通观测器得到转子磁通角度θ。将d轴电流指令值i_rd ^*与i_rd作差后，经过PI调节器进行闭环控制，得到d轴电压指令值u_rd ^*。将将d轴电压指令值u_rd ^*和q轴电压指令值u_rq ^*变换至两相静止坐标系，再通过SVPWM调制，得到交流励磁系统机侧的触发脉冲。

第四阶段，恒转矩启动阶段。机组的转子磁通达到额定磁通后，交流励磁洗系统输出最大转矩电流，机组恒转矩升速。其中，转矩电流幅值为机侧电流极限和网侧功率极限的最小值，机侧电流极限为网侧功率极限为U_{rate_GSC}为交流励磁系统网侧额定电压，I_{rate_GSC}为网侧额定电压，U_{rate_RSC}为机侧额定电压。

第五阶段，恒功率启动阶段。当机组转速上升至大于s_maxω_{r_rate}时，减小转子磁通，开始弱磁控制。其中，s_max为机组并网稳态运行时的最大转差率，ω_{r_rate}为机组转子的额定转速。在这个阶段，交流励磁系统输出的电压和转矩电流保持不变，机组恒功率升速。

当机组转速上升至大于s_maxω_{r_rate}时，弱磁控制的方法为：如图3所示，减小磁通指令值，具体为：

其中，ψ_r ^*为转子磁通环的磁通指令值，s_max为机组并网稳态运行时的最大转差率，ω_{r_rate}为机组转子的额定转速，ω₀为交流励磁系统输出电压的转速，ψ_rate为转子额定磁通。

在上述两个阶段中，磁通幅值ψ_r通过磁通观测器得到，磁通观测器如图4所示。

先求出定子磁通，再根据定子磁通得到转子磁链。以定子磁链为旋转坐标系的d轴，电机的定子电压为：

定子磁链满足：

根据式(1)和式(2)可得到定子磁链与转差角速度：

由于变速抽蓄机组在抽水启动工况时，电机为反向旋转，因此：

ω_sl-ω_r＝ω₀ (5)

定子磁链与转子磁链在两相静止坐标系下满足：

因此，转子磁链的幅值和相位为：

式中：R_s为定子电阻，i_sd和i_sq为定子电流的dq轴分量，p为微分算子，ψ_sd为定子磁链的d轴分量，ω_sl为转差角速度，ω₀为交流励磁系统输出电压角速度，ψ_r为转子磁链，i_rd和i_rq为转子dq轴电流，L_s为定子电感，L_m为互感，L_r为转子电感，τ_s＝L_s/R_s为定子时间常数，σ＝1-L_m ²/L_sL_r为漏感系数，ψ_rα为转子磁通在α坐标系的分量，ψ_rβ为转子磁通在β坐标系的分量，θ为转子磁通的相位。

第六阶段，降功率启动阶段。随着转速的上升，转子磁通减小，机组的转矩极限不断减小。当转矩电流大于机组的转矩极限时，交流励磁系统按照转矩极限输出转矩电流，以保证机组的稳定运行。在这个阶段，机组降功率升速。机组采用转子磁场定向矢量控制时，机组的转矩极限为：

其中，i_rq为转矩极限，ψ_r为转子磁通环幅值，L_r为转子电感，σ＝1-L_m ²/L_sL_r为漏感系数，L_m为互感，L_s为定子电感。

另外，q轴电流指令限幅器由五部分组成，具体如下。

1)励磁启动阶段限制

当转速小于s_maxω_{r_rate}且转子磁通小于0.25pu时，转矩电流i_rq限幅为零。

2)机侧电流极限

交流励磁系统输出的最大转矩电流需小于机侧所能输出的最大电流I_max，即：

3)网侧功率极限

交流励磁系统输出的最大有功功率P_RSC需小于机侧所能输出的最大有功功率P_{RSC_max}，即：

P_RSC≤P_{RSC_max} (9)

因此，q轴电流需满足：

上式中，U_{rate_GSC}为交流励磁系统网侧额定电压，I_{rate_GSC}为网侧额定电流，U_{rate_RSC}为机侧额定电压。

4)电压极限

电机定子短接，励磁系统采用转子磁场定向矢量控制系统，其稳态电压满足：

励磁系统输出电压满足：

u_rd ²+u_rq ²≤U_max ² (12)

根据式(11)和式(12)可得：

上式中，u_rd和u_rq为转子dq轴电压，R_r为转子电阻，U_max为交流励磁系统机侧输出的最大电压。

5)转矩极限

在稳态转子磁链和转差角速度为：

根据式(14)可得：

ω_sl ²τ_s ²σ²L_ri_rq-(1-σ)ψ_rτ_sω_sl+L_ri_rq＝0 (15)

因此：

((1-σ)ψ_rτ_s)²-4ω_sl ²τ_s ²σ²L_r ²i_rq ²≥0 (16)

故转矩电流需满足：

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种变速抽水蓄能机组的自启动方法，其特征在于，短接电机定子，控制交流励磁系统接入电网，使机组逐步升速至额定转速。

2.根据权利要求1所述的变速抽水蓄能机组的自启动方法，其特征在于，所述控制交流励磁系统接入电网，使机组逐步升速至额定转速包括：

交流励磁系统判断机组处于抽水工况下，接收机组控制系统启动命令；

启动交流励磁系统网侧，使直流电压上升至额定电压；

启动交流励磁系统机侧，对机组转子进行励磁，使机组升速；

当机组的转子磁通达到转子额定磁通，且机组转速大于设定速度时，控制减小转子磁通；

当转矩电流大于机组的转矩极限时，控制交流励磁系统按照转矩极限输出转矩电流，使机组升速至额定转速。

3.根据权利要求2所述的变速抽水蓄能机组的自启动方法，其特征在于，所述交流励磁系统网侧采用控制外环为直流电压环、控制内环为电流环的双闭环控制方法。

4.根据权利要求2所述的变速抽水蓄能机组的自启动方法，其特征在于，所述交流励磁系统机侧控制外环为转子转速环和转子磁通环、控制内环为电流环的双闭环控制方法。

5.根据权利要求2所述的变速抽水蓄能机组的自启动方法，其特征在于，所述启动交流励磁系统网侧，使直流电压上升至额定电压包括：

启动交流励磁系统网侧，经网侧软启电阻，给直流侧充电；

旁路网侧软启电阻，开启网侧脉冲，使直流电压上升至额定电压。

6.根据权利要求2所述的变速抽水蓄能机组的自启动方法，其特征在于，所述设定速度为s_maxω_{r_rate}，s_max为机组并网稳态运行时的最大转差率，ω_{r_rate}为机组转子的额定转速。

7.根据权利要求2所述的变速抽水蓄能机组的自启动方法，其特征在于，当机组转速大于设定速度时，转子磁通环的磁通指令值为：

<mrow> <msup> <msub> <mi>&amp;psi;</mi> <mi>r</mi> </msub> <mo>*</mo> </msup> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>s</mi> <mrow> <mi>m</mi> <mi>a</mi> <mi>x</mi> </mrow> </msub> <msub> <mi>&amp;omega;</mi> <mrow> <mi>r</mi> <mo>_</mo> <mi>r</mi> <mi>a</mi> <mi>t</mi> <mi>e</mi> </mrow> </msub> </mrow> <msub> <mi>&amp;omega;</mi> <mn>0</mn> </msub> </mfrac> <msub> <mi>&amp;psi;</mi> <mrow> <mi>r</mi> <mi>a</mi> <mi>t</mi> <mi>e</mi> </mrow> </msub> </mrow>

其中，ψ_r ^*为转子磁通环的磁通指令值，s_max为机组并网稳态运行时的最大转差率，ω_{r_rate}为机组转子的额定转速，ω₀为交流励磁系统输出电压的转速，ψ_rate为转子额定磁通。

8.根据权利要求2所述的变速抽水蓄能机组的自启动方法，其特征在于，所述转矩极限为：

<mrow> <msub> <mi>i</mi> <mrow> <mi>r</mi> <mi>q</mi> </mrow> </msub> <mo>&amp;le;</mo> <mfrac> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mi>&amp;sigma;</mi> <mo>)</mo> <msub> <mi>&amp;psi;</mi> <mi>r</mi> </msub> </mrow> <mrow> <mn>2</mn> <msub> <mi>&amp;sigma;L</mi> <mi>r</mi> </msub> </mrow> </mfrac> </mrow>

其中，i_rq为转矩极限，ψ_r为转子磁通环幅值，L_r为转子电感，σ＝1-L_m ²/L_sL_r为漏感系数，L_m为互感，L_s为定子电感。

9.根据权利要求4所述的变速抽水蓄能机组的自启动方法，其特征在于，转子磁通环中的转子磁通通过磁通观测器得到。

10.一种变速抽水蓄能机组用交流励磁系统，其特征在于，包括励磁变压器、网侧并网断路器、网侧软起断路器、LCL滤波器、网侧换流器、机侧换流器、交流Crowbar、直流Crowbar、控制保护系统和水冷系统，网侧换流器和机侧换流器共用一个直流母线，所述控制保护系统用于执行权利要求1～9中任一项所述的变速抽水蓄能机组的自启动方法。