一种用于发电机组调频的装置及其方法
技术领域
本发明涉及发电领域,具体涉及一种用于发电机组调频的装置及其方法。
背景技术
在国内及国际范围内,燃煤机组及进行汽轮机通流改造的火电机组、水电机组、核电机组等发电机组绝大部分都采用数字电液调节系统DEH,不再采用同步器控制,相应的调频功能由分散控制系统(DCS)、机炉协调控制系统(CCS)、电液调节控制系统(DEH)来完成。按照汽轮机或水轮机厂家的技术规范,有步骤地调整和试验电调机组控制系统的调频功能,以便机组能更好地配合电网运行的负荷要求。
在电网频率正常波动时,汽机控制系统调节汽机高压调门来控制汽轮机进汽量,使机组功率能更好地满足电网频率变化的要求,锅炉控制系统调节机组的风、煤、水,使机组主汽压力稳定。水轮机控制系统调节目前国内采用机炉协调控制系统(CCS)和电液调节控制系统(DEH)联合进行调频的方法较为普遍。但在实施调频过程中,往往会存在以下问题:
(1)部分机组的一次调频还未投入,已投入机组的动作效果不能完全达到要求,主要存在调整量不足、稳定时间偏短等问题。
(2)目前一次调频与自动发电控制系统(AGC)的配合不够,可能会出现一次调频动作调整出力后AGC根据策略进行反调的情况,引起系统频率和联络线功率的波动。
(3)一次调频频繁动作会引起机组不稳定以及机械装置磨损程度增加;
(4)火电机组负荷调整精度低,小范围调整负荷准确性差。
因此要实现火电、水电、核电等发电机组灵活及稳定的精确调频、响应时间快等要求,来解决目前发电机组调频过程中面临的普遍问题,满足电网公司对并网发电机组越来越高的调度和辅助服务要求,提高发电机组的经济效益和电网稳定运行安全。
发明内容
为解决上述问题,本发明提供一种用于发电机组调频的装置,该装置串联在发电机组并网点升压变压器的低压侧与发电机机端之间,该装置包括串联隔离变压器、串联变换器及并联变换器。
优选的,设置在发电机组并网点升压变压器与发电机机端之间的串联变换器及隔离串联变压器用于调节串联补偿电压,从而实现发电机输出功率的调节和调频;设置在发电机机端或并网点升压变压器低压侧的并联变换器用于直流母线电压的稳定控制和无功功率的输出。
优选的,所述隔离串联变压器的副边串联于发电机组并网点升压变压器的低压侧和发电机机端之间,所述串联变换器接到隔离串联变压器原边,所述并联变换器与发电机机端侧或发电机组并网点升压变压器的低压侧并联,串联变换器或并联变换器由可实现功率双向流动的三相全桥功率器件组成,其拓扑结构为两电平或级联多电平。
优选的,在串联变换器和并联变换器公共直流母线上增加储能装置,通过储能装置的充电及放电,实现发电机组整体输出功率的增加或减少,实现参与发电机组的一次及二次调频要求,实现发电机组的进一步的深度调峰。
为解决上述问题,本发明在上述装置的基础上还提供一种实现发电机组调频的方法,该方法通过上述装置的串联变换器,动态调节发电机机端电压或相位来实现发电机组输出功率在一定范围内调节,实现发电机组的调频要求;通过上述装置的并联变换器来实现直流母线电压的控制以及电厂的无功功率控制。
优选的,动态调节发电机机端电压或相位来实现发电机组输出功率在一定范围内调节,实现发电机组的一次调频要求,具体包括如下步骤:检测发电机机端电压和并网点升压变压器低压侧电压,根据发电机组调频要求,频率给定与反馈实际值之间的差值进行PID闭环控制后得到调节的功率变化量,再根据功率变化量与串联补偿电压之间的关系得到需要补偿的串联补偿电压值,最后通过串联变换器的电压闭环控制得到所需的串联补偿电压。
优选的,实现直流母线电压的控制以及电厂的无功功率控制具体如下步骤:检测发电机机端的电压电流,通过动态补偿无功电流控制功率因数为1,实时、线性解决无功补偿问题。。
优选的,所述串联变换器通过闭环控制来解决功率和频率调节问题,具体包括如下步骤:
(1)通过锁相环PLL获取电网相位θs;
(2)提取电压的正序分量,检测反馈的正序分量与串联补偿电压给定值之差,在dq轴上分别进行电压电流闭环控制,根据需要,控制器可以是PI控制器,也可以是其他类型的控制器;
(3)闭环输出的控制量直接控制功率器件的门极驱动,实现最终的控制要求。
优选的,所述并联变换器通过闭环控制解决无功功率控制问题和直流稳定问题,具体包括如下步骤:
(1)通过锁相环PLL获取电网相位θs;
(2)采集并网点升压变压器低压侧的电压和电流,计算出功率因数,通过给定功率因数为1进行闭环控制,实现实时调节无功分量;或提取发电机机端输出电流正序分量,检测反馈的无功电流正序分量与无功电流给定值之差,在dq轴上分别进行闭环控制,根据需要,控制器可以是PI控制器,也可以是其他类型的控制器;
(3)检测反馈的直流母线电压与给定值之差,通过电压电流闭环控制,可以实现直流母线电压的稳定控制,根据需要,控制器可以是PI控制器,也可以是其他类型的控制器;
(4)为了改善变换器的稳定性能和动态响应性能,加入电流环,电流环出来的电压指令,通过SVPWM的调制得到相应的PWM信号,通过隔离放大驱动相应的IGBT模块。
优选的,在串联变换器和并联变换器公共直流母线上增加储能装置,通过储能装置的充电及放电,实现发电机组整体输出功率的增加或减少,实现参与发电机组的一次及二次调频要求,实现发电机组的进一步的深度调峰。
本发明具有如下优点:
(1)本发明提供了一种实现发电机组调频技术方案,通过电力电子装置来实现发电机组的调频控制,可以实现比传统电液机构快得多的响应速度,满足电网一次调频的响应速度以及调整时间等技术要求,同时可以实现与二次调频AGC之间的完美配合,避免AGC反向调节的情况;
(2)本发明采用电力电子装置来进行调频控制,避免了传统的调频控制方式对机械、电液机构的频繁动作,减少了磨损,增加了使用寿命;
(3)本发明的调频技术装置及方法,可以实现调频功率的精确控制。
附图说明
图1示出了本发明的一种用于发电机组调频的装置的第一种实施方式结构图;
图2示出了本发明的一种用于发电机组调频的装置的第二种实施方式结构图;
图3示出了本发明的一种用于发电机组调频的装置的第三种实施方式结构图;
图4示出了本发明装置进行发电机组的调频原理图;
图5示出了本发明装置进行发电机组调频时的矢量图;
图6示出了本发明的一种实现发电机组调频的控制策略框图;
图7示出了本发明的一种实现发电机组调频的矢量控制策略框图。
具体实施方式
图1示出了一种用于发电机组调频的装置的第一种具体实施方式的结构图,该实施方式的装置包括隔离串联变压器(SST)、串联变换器(SSC)以及并联变换器(PSC),隔离串联变压器(SST)的副边串联在发电机机端与并网点升压变压器(ST)的低压侧之间,隔离串联变压器(SST)的原边连接串联变换器(SSC)的三相交流输出侧。并联变换器(PSC)的直流与串联变换器的直流相连接,其交流输出经过升压变压器(ST)与发电机机端连接。其中串联逆变器(SSC)和并联逆变器(PSC)均属于功率双向流动的由可关断器件构成的三相全桥功率单元,结构是两电平结构或级联多电平。
图2示出了一种用于发电机组调频的装置的第二种实施方式的结构图,该实施方式装置包括隔离串联变压器(SST)、串联变换器(SSC)以及并联变换器(PSC),隔离串联变压器(SST)的副边串联在发电机机端与并网点升压变压器(ST)的低压侧之间,隔离串联变压器(SST)的原边连接串联变换器(SSC)的三相交流输出侧。并联变换器(PSC)的直流与串联变换器的直流相连接,其交流输出经过升压变压器(ST)与并网点(PCC)升压变压器的低压侧连接。其中串联逆变器(SSC)和并联逆变器(PSC)均属于功率双向流动的由可关断器件构成的三相全桥功率单元,结构是两电平结构或级联多电平。
图3示出了本发明的一种用于发电机组调频的装置的第三种实施方式的结构图,该实施方式在串联变换器(SSC)与并联变换器(PSC)的公共直流母线上增加储能装置(SE),通过调节储能装置的充放电功率来调整发电机组向电网输出的有功功率,从而同样可以实现一次调频和二次调频。
图4示出了本发明的装置进行发电机组的调频原理图。如图4所示,将电力系统统一潮流控制器的引入到发电机组的一次调频中来,将本发明的装置安装在发电机机端的输出端,输出端电源电压为V1,输电线路的等效电抗为xL(包括并网点的升压变压器等效电抗以及发电机内部等效电抗),输电线路末端并网点PCC升压变压器的低压侧电压为V2,并联侧变换器(PSC)经过升压变压器(ST)连接至发电机的输出端,串联侧变换器(SSC)交流端电压经变压器(SST)串接在电力传输线上。两个变换器都是DC/AC双向变换器,其中间直流端可以增加储能电源。由变压器ST、SST、变换器SSC、PSC及其控制系统所组成的电力电子变换系统可以对发电机输出端基波电压、有功功率和无功功率进行综合调控。
控制串联变换器(SSC)输出的串联补偿电压ΔV的数值和相位就能在一定程度上调控发电机组的电流大小和相位,在一定范围内(电网一次调频要求调节范围在±10%额定功率内)改变输电线路中流过的有功电流、无功电流(潮流),输电线传输的有功功率和无功功率都可受到调控,发电机输出端电压也可以得到调控。
图5示出了本发明的装置进行发电机组调频时的矢量图。发电机输出端电压V1超前于并网点升压变压器低压侧电压V2的功角为δ,厂内输电线上引入串联补偿电压ΔV后,图5中发电机输出端电压由原V1变为V3,V3=V1+ΔV。矢量图中ΔV超前V1的相位角为α,ΔV超前V2的相位角为(δ+α),当α为[0,2π]之间的任意角度时,如果串联补偿电压为ΔV,根据叠加原理,ΔV所产生的线路电流增量ΔI滞后ΔV90°,如图5矢量图所示,ΔV超前V2(δ+α),故ΔI比V2滞后γ=90°-(δ+α),ΔIP的有功电流=ΔIcosγ,无功电流ΔIQ=ΔIsinγ。并网点末端的有功功率增量ΔP和无功功率增量ΔQ分别为:
发电机的输出功角δ、并网点电压V2、相位角α(可以设定为0)保持不变,等效电抗xL参数保持不变,则可以调节的有功及无功分量与ΔV成正比的线性关系。
对于发电机侧,发电机向电网输出的有功功率为:
其中Eq为发电机内部的电动势。在Eq及输出功角δ保持不变的情况下,发电机输出有功功率与机端电压V1成正比。
从以上分析可以得出,调节机端电压在±10%范围内变化,即可实现调节发电机输出有功功率在±10%范围内的调节,完全满足电网对发电机组一次调频的技术要求。
因此通过串联变换器(SSC)的电压调节隔离变压器(SST)的串联补偿电压,从而来调节机端电压,即可实现发电机输出有功功率的调节,也就实现了发电机组调频要求;并联侧并联变换器PSC主要实现公共直流母线的稳定控制以及并联侧无功功率的控制。
图6示出了本发明的一种实现发电机组调频的控制策略框图。如图6所示,频率给定与反馈的实际频率之差经过PID调节后即给出变化的功率ΔP,即可得到与之成线性关系的串联补偿电压ΔV给定值,串联补偿电压给定值在考虑功率限制或转速范围限制后采用闭环控制,闭环控制输出值即是串联侧变换器SSC的控制输出。
串联变换器SSC和并联变换器PSC都可采用矢量控制策略,如图7所示,主要的功能模块包括:用于检测电网侧电压相位的PLL锁相环、PI控制器(以PI为例,根据实际情况需要可以采用其他类型的控制器)、坐标变换模块(abc/dq变换和dq/abc变换器)、比较器等。通过矢量控制可以保持各个给定量(包括直流电压、网侧功率、网侧电压d轴q轴分量、负载侧电流d轴q轴分量)达到设定值。
串联变换器闭环控制解决功率和频率调节问题,通过如下步骤实现:
(1)通过锁相环PLL获取电网相位θs;
(2)提取电压的正序分量,检测反馈的正序分量与串联补偿电压给定值之差,在dq轴上分别进行电压电流闭环控制,根据需要,控制器可以是PI控制器,也可以是其他类型的控制器;
(3)闭环输出的控制量直接控制功率器件的门极驱动,实现最终的控制要求。
并联变换器闭环控制解决无功功率控制问题和直流稳定问题,通过如下步骤实现:
(1)通过锁相环PLL获取电网相位θs;
(2)采集并网点升压变压器低压侧的电压和电流,计算出功率因数,通过给定功率因数为1进行闭环控制,实现实时调节无功分量。或提取发电机机端输出电流正序分量,检测反馈的无功电流正序分量与无功电流给定值之差,在dq轴上分别进行闭环控制。根据需要,控制器可以是PI控制器,也可以是其他类型的控制器;
(3)检测反馈的直流母线电压与给定值之差,通过电压电流闭环控制,可以实现直流母线电压的稳定控制。根据需要,控制器可以是PI控制器,也可以是其他类型的控制器;
(4)为了改善变换器的稳定性能和动态响应性能,加入电流环,电流环出来的电压指令,通过SVPWM的调制得到相应的PWM信号,通过隔离放大驱动相应的IGBT模块。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明,不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明,尤其是将基于本发明装置结构的其他调节方式与本发明本质上是一致的。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,做出若干等同替代或明显变型,而且性能或用途相同,都应当视为属于本发明的保护范围。