CN108539755A - 一种基于vvsg技术的大型同步调相机启动方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电机与电力电子技术，具体涉及一种基于VVSG技术的大型同步调相机启动方法，包括以下步骤，步骤1、引入VVSG控制策略，整定虚拟惯量、分别制定角频率指令值和电压指令值曲线；步骤2、引入转子转速闭环控制至励磁调节器，通过调节励磁电流大小实现调速。该方法避免了现有的大型同步电机启动装置SFC的诸多缺点，包括存在换相失败隐患、系统适应性差、矢量控制精度差、惰走并网方式存在并网可靠性低等；将变频部分等效为电压源型虚拟同步发电机，相当于大容量的同步发电机拖动容量相对较小的同步调相机启动，保证了同步调相机的转子转速能平稳上升直至达到额定转速，具有较好的发展潜力和推广空间。

Description

一种基于VVSG技术的大型同步调相机启动方法

技术领域

本发明属于电机与电力电子领域，涉及一种基于电压源型虚拟同步发电机(Voltage-sourced Virtual Synchronous Generator，VVSG)技术的大型同步调相机启动方法。

背景技术

随着特高压直流输电技术的深入发展，静止无功补偿器(Static VarCompensator，SVC)等以电力电子元件为主的无功补偿装置已经无法满足实际需求。究其缘由，电网电压大幅跌落时，上述无功补偿装置无法快速向系统提供无功缺额。相比之下，同步调相机的强励作用可以很好解决这一问题。根据特高压直流输电系统的要求，为解决区域性电压凹陷、换相失败引起的暂态电压升高等问题，需要在换流站附近配置容量为300Mvar的大型同步调相机。

大型同步调相机的平稳启动是其发挥无功补偿作用的前提。目前大型同步电机的启动多借助于静止变频器(Static Frequency Convertor，SFC)，而SFC本质上是一种电流型变换器，运行过程中存在换相失败的隐患。一旦换相失败，将使得晶闸管的输入、输出电流增大，严重时会导致晶闸管损毁、输入输出变压器损坏等。同时，SFC还存在系统适应性差、矢量控制精度差、惰走并网方式存在并网可靠性低等问题。

发明内容

本发明为克服SFC的诸多弊端，尤其是换相失败的隐患，实现大型同步调相机的平稳有效的启动，提出一种基于VVSG技术的大型同步调相机启动方法。

本发明的技术方案为：

一种基于VVSG技术的大型同步调相机启动方法，其特征在于：包括：

步骤1、引入VVSG控制策略，将变频部分虚拟为大容量同步发电机，其虚拟惯性应远大于需待启动的同步调相机的惯性，通过制定VVSG有功—频率控制器中角频率指令的上升曲线和无功—电压控制器中电压指令的上升曲线，保证在指令值每次阶跃后，定子电流形成的旋转磁场的大小和转速能保持一段时间；

步骤2、引入转子转速闭环控制至励磁调节器，在定子磁场转速和大小一定时，通过调节励磁电流大小改变电磁转矩大小来实现调速。

进一步的，所述步骤1具体包括以下子步骤：

步骤1.1：变频部分的整流器均采用恒压控制，逆变器采用VVSG控制，将同步调相机定子侧的接入电路等效为可控的电压源；

步骤1.2：给定VVSG的虚拟惯量J_VVSG，应满足下式：

J_VVSG≥10J_S (1)

其中，J_S为待启动同步调相机的转动惯量，式(1)用于使同步调相机转速的变化能跟上VVSG转速的变化；

步骤1.3：制定VVSG有功—频率控制器中角频率指令的上升曲线，假定300Mvar同步调相机的极对数为2，额定转速为1500r/min，角频率可按下式给定：

式(2)本质上是控制定子侧电流和电压的频率按照既定的曲线变化；

步骤1.4：制定VVSG无功—电压控制器中电压指令的上升曲线，例如现有容量为300Mvar、额定电压为20kV的同步调相机，电压指令可按下式给定：

式(3)本质上是控制定子侧端电压按照既定的曲线变化。

进一步的，所述步骤2具体包括以下子步骤：

步骤2.1：闭锁VVSG，通过励磁部分的起励电源建立转子的励磁磁场，根据励磁磁场在同步调相机定子绕组上的感应电动势判断转子的初始位置角，并将其作为VVSG激磁电动势的初相角；

步骤2.2：引入转速闭环控制至励磁调节器，其中角频率的参考值ω_N＝100πrad/s；

步骤2.3：解锁VVSG，其电压指令和角频率指令每次阶跃后会保持5s，定子侧电流的形成的旋转磁场将保持大小和转速不变；励磁部分通过转速闭环控制来调节励磁电流以改变电磁转矩的大小，从而使得同步调相机转子转速增加至额定转速，具体原理如式(4)所示。

T_e＝m_afi_fi_q+(L_d-L_q)i_di_q (4)

式中：T_e为电磁转矩，m_af为等效直轴绕组与转子励磁绕组的互感，L_d为直轴电感，L_q为交轴电感，i_d为直轴电流，i_q为交轴电流，i_f为励磁电流。

本发明的优势在于避免了现有的大型同步电机启动装置SFC的诸多缺点，包括存在换相失败隐患、系统适应性差、矢量控制精度差、惰走并网方式存在并网可靠性低等，将变频部分等效为VVSG后，相当于大容量的同步发电机拖动容量相对较小的同步调相机启动；而且，VVSG的虚拟惯量远大于同步调相机的转动惯量，这保证了同步调相机的转子转速能始终跟随VVSG的虚拟转速。本发明稳定可靠，具有较好的发展潜力和推广空间。

附图说明

图1为系统主电路的拓扑结构图；

图2为变频部分A相电路的控制框图；

图3为励磁部分励磁控制器的控制框图。

图中：

ω_r—同步调相机转子实际转速，ω_N—同步调相机转子转速参考值，P_set—VVSG输出的机械功率，P_e—VVSG输出的电磁功率，ω_ref—VVSG角频率指令值，ω—VVSG实际的角频率，T_m—VVSG的机械转矩，T_e—VVSG的电磁转矩，J—VVSG虚拟惯量，D_p—VVSG阻尼系数，θ—VVSG转子的相位，—同步调相机转子初始位置角，E₀—VVSG的空载电动势，E_U—VVSG励磁电压调节器的输出值，E_Q—VVSG无功调节器的输出值，E—VVSG的暂态电势，E_P—VVSG激磁电动势的幅值，Q_set—给定的VVSG无功功率指令值，Q_e—VVSG实际输出的无功功率值，U_ref—VVSG机端电压指令值，U—实际的VVSG机端电压值，K_U—电压调节系数，K_Q—无功调节系数。

具体实施方式

目前的大型同步电机基本借助SFC进行启动，比如抽水蓄能机，但是SFC在工作过程中存在弊病，尤其是换相失败的隐患可能导致晶闸管损坏。本发明为避免SFC换相失败的隐患，采用VVSG控制策略，充分利用模块化多电平变换器的大容量、高电压等级等特性，将变频部分虚拟为大型同步发电机来拖动同步调相机启动。该方法具有稳定可靠的特性，保证了同步调相机的转速能够平稳上升至额定转速而完成启动过程。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。

系统主电路的拓扑结构如图1所示，包含了励磁部分和变频部分；励磁部分采用他励励磁方式，励磁控制器的控制框图如图3所示；变频部分是模块化多电平变换器，功率单元为H桥，其中A相电路的控制框图如图2所示。

一种基于VVSG技术的大型同步调相机启动方法，包括如下步骤：

第一步：引入VVSG控制策略，整定虚拟惯量、分别制定角频率指令值和电压指令值曲线，如图2所示，包括以下步骤：

步骤1：变频部分的整流器均采用恒压控制，逆变器采用VVSG控制，将同步调相机定子侧的接入电路等效为可控的电压源；

步骤2：给定VVSG的虚拟惯量J_VVSG，应满足下式：

J_VVSG≥10J_S (1)

其中，J_S为待启动同步调相机的转动惯量，式(1)旨在使同步调相机转速的变化能跟上VVSG转速的变化。

步骤3：制定VVSG有功—频率控制器中角频率指令的上升曲线，假定300Mvar同步调相机的极对数为2，额定转速为1500r/min，角频率可按下式给定：

式(2)本质上是控制定子侧电流和电压的频率按照既定的曲线变化。

步骤4：制定VVSG无功—电压控制器中电压指令的上升曲线，例如现有容量为300Mvar、额定电压为20kV的同步调相机，电压指令可按下式给定：

式(3)本质上是控制定子侧端电压按照既定的曲线变化。

第二步：引入转子转速闭环控制至励磁调节器，通过调节励磁电流大小实现调速。如图3所示，包括以下步骤：

步骤1：闭锁VVSG，通过励磁部分的起励电源建立转子的励磁磁场，根据励磁磁场在同步调相机定子绕组上的感应电动势判断转子的初始位置角，并将其作为VVSG激磁电动势的初相角；

步骤2：引入转速闭环控制至励磁调节器，其中角频率的参考值ω_N＝100πrad/s；

步骤3：解锁VVSG，其电压指令和角频率指令每次阶跃后会保持5s，定子侧电流的形成的旋转磁场将保持大小和转速不变；励磁部分通过转速闭环控制来调节励磁电流以改变电磁转矩的大小，从而使得同步调相机转子转速增加至额定转速，具体原理如式(4)所示。

T_e＝m_afi_fi_q+(L_d-L_q)i_di_q (4)

式中：T_e为电磁转矩，m_af为等效直轴绕组与转子励磁绕组的互感，L_d为直轴电感，L_q为交轴电感，i_d为直轴电流，i_q为交轴电流，i_f为励磁电流。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于VVSG技术的大型同步调相机启动方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1、引入VVSG控制策略，将变频部分虚拟为大容量同步发电机，其虚拟惯性应远大于需待启动的同步调相机的惯性，通过制定VVSG有功—频率控制器中角频率指令的上升曲线和无功—电压控制器中电压指令的上升曲线，保证在指令值每次阶跃后，定子电流形成的旋转磁场的大小和转速能保持一段时间；

步骤2、引入转子转速闭环控制至励磁调节器，在定子磁场转速和大小一定时，通过调节励磁电流大小改变电磁转矩大小来实现调速。

2.如权利要求1所述的基于VVSG技术的大型同步调相机启动方法，其特征在于：所述步骤1具体包括：

步骤1.1：变频部分的整流器均采用恒压控制，逆变器采用VVSG控制，将同步调相机定子侧的接入电路等效为可控的电压源；

步骤1.2：给定VVSG的虚拟惯量J_VVSG，应满足下式：

J_VVSG≥10J_S (1)

其中，J_S为待启动同步调相机的转动惯量，式(1)用于使同步调相机转速的变化能跟上VVSG转速的变化；

步骤1.3：制定VVSG有功—频率控制器中角频率指令的上升曲线，假定300Mvar同步调相机的极对数为2，额定转速为1500r/min，角频率按下式给定：

式(2)本质上是控制定子侧电流和电压的频率按照既定的曲线变化；

步骤1.4：制定VVSG无功—电压控制器中电压指令的上升曲线，对于容量为300Mvar、额定电压为20kV的同步调相机，电压指令按下式给定：

式(3)本质上是控制定子侧端电压按照既定的曲线变化。

3.如权利要求1所述的基于VVSG技术的大型同步调相机启动方法，其特征在于：所述步骤2具体包括：

步骤2.1：闭锁VVSG，通过励磁部分的起励电源建立转子的励磁磁场，根据励磁磁场在同步调相机定子绕组上的感应电动势判断转子的初始位置角，并将其作为VVSG激磁电动势的初相角；

步骤2.2：引入转速闭环控制至励磁调节器，其中角频率的参考值ω_N＝100πrad/s；

步骤2.3：解锁VVSG，其电压指令和角频率指令每次阶跃后会保持5s，定子侧电流的形成的旋转磁场将保持大小和转速不变；励磁部分通过转速闭环控制来调节励磁电流以改变电磁转矩的大小，从而使得同步调相机转子转速增加至额定转速，具体原理如式(4)所示：

T_e＝m_afi_fi_q+(L_d-L_q)i_di_q (4)

式中：T_e为电磁转矩，m_af为等效直轴绕组与转子励磁绕组的互感，L_d为直轴电感，L_q为交轴电感，i_d为直轴电流，i_q为交轴电流，i_f为励磁电流。