CN111200289B - 一种双轴励磁调相机无功功率的稳态控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双轴励磁调相机无功功率的稳态控制方法，在转子的d轴和q轴上均设有励磁绕组，d轴和q轴上励磁绕组的轴线相互垂直，d轴和q轴绕组分别通入励磁电流I_fd和I_fq；确定调相机初始状态；对比机端电压U与参考电压Ur的大小，判断调相机所处的运行区域，所述运行区域包括区域I、区域II、区域III或空载运行；通过维持q轴励磁磁动势恒定的输出量，调节d轴励磁绕组上I_fd大小或方向，改变无功功率大小。本发明提供的双轴励磁调相机控制方法使得电动势的变化区间更灵活，在保持稳定的有功功率消耗的情况下，可以大量地吸收无功功率，在保证同步调相机稳定运行的条件下，最大限度的提高其进相运行能力。

Description

一种双轴励磁调相机无功功率的稳态控制方法

技术领域

本发明属于大功率双轴励磁电机的运行与控制技术领域，具体涉及一种双轴励磁调相机无功功率的稳态控制方法。

背景技术

随着特高压直流输电容量和电压等级的提高，换流站对无功补偿的容量需求也越来越大，在电网动态调整过程中，无功支撑能力不足的问题突出，电压稳定问题严重，使电力系统的稳定性问题愈加严重和突出。

传统同步调相机的励磁绕组仅有一套，置于转子的d轴，这一特征决定了其功率调节以及运行稳定性均与调相机纵轴磁电势和电网电压之间的夹角有关，即与调相机功率角有关，限制了运行稳定性的范围；同时传统的同步调相机进相能力差，在进相运行时容易发生不稳定情况，需要限制吸收的无功功率。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种双轴励磁调相机无功功率的稳态控制方法，双轴励磁调相机在转子的d轴和q轴均设有励磁绕组，两套绕组的轴线相互垂直，可以独立地调节两套励磁绕组中电流大小和方向，使合成磁动势可处于相对于转子的任意位置，从而增大运行稳定性的范围；该发明的控制方法主要是维持q轴励磁绕组磁动势不变，保证调相机有功功率稳定，同时单独控制d轴磁动势的大小和方向，通过对励磁绕组进行励磁控制，保证双轴励磁调相机的稳定运行，分别调节调相机的有功和无功功率；在保证同步调相机稳定运行的条件下，最大限度的提高其进相运行能力。

本发明所采用的技术方案是：一种双轴励磁调相机无功功率的稳态控制方法，所述方法包括以下步骤：

(1)在转子的d轴和q轴上均设有励磁绕组，d轴和q轴上励磁绕组的轴线相互垂直，d轴和q轴绕组分别通入励磁电流I_fd和I_fq；

(2)确定调相机初始状态，所述调相机初始状态包括无功功率Q、d轴与q轴励磁电流和机端电压U；

(3)对比机端电压U与参考电压Ur的大小，判断调相机所处的运行区域，所述运行区域包括区域I、区域II、区域III或空载运行；

(4)通过维持q轴励磁磁动势恒定的输出量，调节d轴励磁绕组上I_fd大小或方向，改变无功功率大小。

优选的，步骤2中所述调相机的无功功率Q表示为：

式中，q轴励磁磁动势在定子绕组中感应的电动势E_d满足E_d＝I_fqx_aq；d轴励磁磁动势在定子绕组中感应的电动势E_q满足E_q＝I_fdx_ad；等效同步电抗

其中，I_fq为q轴绕组通入空载励磁电流，I_fd为d轴绕组通入空载励磁电流，x_ad为d轴电枢反应电抗，x_aq为q轴电枢反应电抗，F_fd为d轴励磁磁动势，F_fq为q轴励磁磁动势。

优选的，步骤2中所述调相机初始状态中d、q轴励磁绕组通入励磁电流分别产生励磁磁动势F_fd和F_fq，两者合成的励磁磁动势F_f与电机转子d轴的夹角为θ，该磁动势在定子绕组中感应的电动势E滞后励磁磁动势F_f 90°，电动势E与U的夹角为δ，合成的励磁磁动势F_f对应的矢量

满足：

式中

为d轴励磁绕组通入励磁电流产生励磁磁动势F_fd的矢量，

为q轴励磁绕组通入励磁电流产生励磁磁动势F_fq的矢量；

合成的励磁磁动势F_f与电机转子d轴的夹角θ满足：

优选的，步骤3中所述区域I为当机端电压U小于参考电压Ur时，改变d轴励磁磁动势至第一阈值F_fd1，使得调相机运行的区域，此时调相机向电网发出无功功率。

优选的，步骤3中所述区域II为当机端电压Ur<U<1.15Ur时，改变d轴励磁磁动势至第二阈值F_fd2，使得调相机运行的区域，此时调相机向电网吸收无功功率。

优选的，步骤3中所述区域III为当机端电压U大于1.15Ur时，改变d轴励磁磁动势至第三阈值F_fd3，使得调相机运行的区域，此时调相机处于深度进相运行，从电网吸收无功功率。

优选的，步骤4中当q轴励磁磁动势F_fq保持不变，随着d轴励磁磁动势的变化，励磁合成磁动势的轨迹沿着AA′虚线变化，其在定子绕组上感应的感应电动势E的轨迹则沿着CC′虚线变化。

优选的，步骤4中固定q轴励磁磁动势为F_fq，增大d轴励磁磁动势至第一阈值F_fd1的位置，使得Ecosδ>U，调相机的运行区域处于BB′虚线的右侧，此时调相机向电网发出无功功率，无功功率Q>0。

优选的，步骤4中当固定q轴励磁磁动势为F_fq，改变d轴励磁磁动势至第二阈值F_fd2的位置，使得Ecosδ＝U，调相机运行区域处于BB′虚线上，此时调相机向电网发出的无功功率为零。

优选的，步骤4中当固定q轴励磁磁动势为F_fq，改变d轴励磁磁动势至第三阈值F_fd3的位置，使得Ecosδ<U，则调相机的运行区域处于BB′虚线的左侧，此时调相机从电网吸收无功功率，无功功率Q<0。

优选的，步骤4中当d轴励磁绕组通入反向电流时，即F_fd的方向与d轴方向相反，励磁合成磁动势与d轴的夹角θ超过90°，此时调相机的有功功率P应满足如下关系：

式中，U为机端电压，E_d为q轴励磁磁动势在定子绕组中感应的电动势，E_q为d轴励磁磁动势在定子绕组中感应的电动势，X为等效同步电抗，θ为励磁合成磁动势与d轴的夹角，P₀为调相机的空载损耗。

上述技术方案有益效果：

(1)所述双轴励磁调相机由于可以调节励磁机的方向，使得电动势的变化区间更灵活，在保持稳定的有功功率的情况下，还可以大量地吸收无功功率，因此可以解决传统同步调相机进相能力不足的问题，具备深度进相运行的能力，提高了调相机的稳定运行极限。

(2)所述双轴励磁调相机由于具有良好的深度进相的能力，可以有效地抑制用电低谷时电网的过电压现象。并且现阶段随着我国超高压输电线路的广泛使用，双轴励磁调相机能够吸收轻载时过剩的无功，抑制交流超高压输电网络由于无功过剩而出现的工频过电压，降低电力系统造价的同时提高了电力线路的输电能力。

(3)所述双轴励磁调相机主要采用维持q轴励磁绕组磁动势恒稳，单独控制d轴磁动势的大小和方向的控制方案，这样简化了双轴励磁调相机的励磁控制系统。仅通过控制d轴励磁来实现对无功功率大小的调整，使得双轴励磁调相机应对各种故障突发状况的能力增强，尤其是系统中各种大型设备的启动和关断，都会对电网的电压产生波动，进而会影响系统的安全稳定运行；这种简化的调节方式可以保证调相机和系统的稳定运行。

(4)所述双轴励磁调相机可以分别调节两轴励磁绕组的励磁电流的大小、频率，使其可以运行在同步或异步状态。双轴励磁调相机通过以较小的转差率实现带励磁的异步运行，提高了双轴励磁调相机在故障条件下的运行能力，保障了电网电压的稳定性。

附图说明

图1为本发明一种双轴励磁调相机无功功率的稳态控制方法的流程图；

图2为本发明双轴励磁调相机的时空相矢量图；

图3为本发明双轴励磁调相机所处的不同运行区域图；

图4为本发明设计的300Mvar双轴励磁调相机的二维界面示意图；

图5为本发明双轴励磁调相机仅d轴单独励磁和双轴作用时，双轴励磁调相机的无功功率变化对比图；

图6为本发明双轴励磁调相机双轴励磁时，双轴励磁调相机的有功功率变化图；

图7为本发明双轴励磁调相机双轴励磁时，不同q轴励磁电流，双轴励磁调相机无功功率变化对比图；

图8为本发明双轴励磁调相机双轴励磁时，不同q轴励磁电流，双轴励磁调相机无功功率变化部分放大图。

具体实施方式

下面通过具体的实施例对本发明进一步说明，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干变型和改进，这些也应视为属于本发明的保护范围。

可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。

在这里使用的术语仅用于描述各种实施例的目的且不意在限制。如在此使用的，单数形式意在也包括复数形式，除非上下文清楚地指示例外。另外将理解术语“包括”和/或“具有”当在该说明书中使用时指定所述的特征、数目、步骤、操作、组件、元件或其组合的存在，而不排除一个或多个其它特征、数目、步骤、操作、组件、元件或其组的存在或者附加。

实施例1

如图1所示，本发明提供的一种双轴励磁调相机无功功率的稳态控制方法，所述方法包括以下步骤：

(1)在300Mvar双轴励磁调相机转子的d轴和q轴上均设有励磁绕组，d轴和q轴上的励磁绕组的轴线相互垂直，d轴和q轴绕组分别通入空载励磁电流I_fd和I_fq，该调相机的转子横截面如图4所示，转子为两极隐极式结构；

(2)确定调相机初始状态，所述调相机初始状态包括无功功率Q、d轴与q轴励磁电流和机端电压U；如图2所示，所述调相机初始状态中d、q轴励磁绕组通入励磁电流分别产生励磁磁动势F_fd和F_fq，两者合成的励磁磁动势F_f与电机转子d轴的夹角为θ，该磁动势在定子绕组中感应的电动势E滞后励磁磁动势F_f 90°，电动势E与U的夹角为δ，合成的励磁磁动势F_f对应的矢量

满足：

式中

为d轴励磁绕组通入励磁电流产生励磁磁动势F_fd的矢量，

为q轴励磁绕组通入励磁电流产生励磁磁动势F_fq的矢量；

合成的励磁磁动势F_f与电机转子d轴的夹角θ满足：

(3)对比机端电压U与参考电压Ur的大小，判断调相机所处的运行区域，所述运行区域包括区域I、区域II、区域III或空载运行；如图3所示，所述区域I为当机端电压U小于参考电压Ur时，改变d轴励磁磁动势至第一阈值F_fd1，使得调相机运行的区域，此时调相机向电网发出无功功率；所述区域II为当机端电压Ur<U<1.15Ur时，改变d轴励磁磁动势至第二阈值F_fd2，使得调相机运行的区域，此时调相机向电网吸收少量的无功功率；所述区域III为当机端电压U大于1.15Ur时，改变d轴励磁磁动势至第三阈值F_fd3，使得调相机运行的区域，此时调相机处于深度进相运行，从电网吸收大量的无功功率；

(4)通过维持q轴励磁磁动势恒定的输出量，调节d轴励磁绕组上I_fd大小或方向，改变无功功率大小。

如图2所示，当双轴励磁调相机两套励磁绕组同时通入励磁电流时，q轴绕组施加300A空载励磁电流保持不变，改变d轴绕组励磁电流大小，从而改变励磁合成磁动势E的幅值和相位。由于q轴励磁电流保持不变，使得励磁合成电动势E在d轴的投影不变，即Esinδ＝constant，从而保证有功的恒定；如图3所示，根据电动势E在q轴的分量和双轴励磁调相机机端电压U的大小，可以将该双轴励磁调相机分为三类工作区间，保证系统和双轴励磁调相机之间的安全稳定运行；当机端电压U小于参考电压Ur时，改变d轴励磁磁动势至第一阈值F_fd1，使得调相机的运行区域为区域I，此时Ecosδ>U，双轴励磁调相机过励磁，滞相运行，向电网发出无功功率；当机端电压Ur<U<1.15Ur时，改变d轴励磁磁动势至第二阈值F_fd2，使得调相机运行区域处于区域II，此时0<Ecosδ<U，双轴励磁调相机处于欠励磁状态，向电网吸收一定的无功功率；当机端电压U大于1.15Ur时，改变d轴励磁磁动势至第三阈值F_fd3，使得调相机的运行区域处于区域III，此时Ecosδ<U，此时双轴励磁调相机处于深度进相运行状态，从电网吸收大量的无功功率。

上述有功功率的公式为

其中U为机端电压，E为空载电动势，X为等效同步电抗，δ为空载电动势E与U轴的夹角。随着d轴励磁电流的减小，无功特性从迟相运行状态变换为进相运行状态，当d轴励磁电流反向时，双轴励磁调相机深度进相运行，双轴励磁调相机双轴励磁时的无功可表达为

如图5中虚线所示。通过图6可以看出，双轴励磁调相机加入的q轴励磁后，当d轴励磁绕组通入反向电流时，F_fd的方向与d轴方向相反，励磁合成磁动势与d轴的夹角θ超过90°，调相机吸收的无功能力增加，进相运行能力提高，此时调相机的有功功率P应满足如下关系：

式中，U为机端电压，E_d为q轴励磁磁动势在定子绕组中感应的电动势，E_q为d轴励磁磁动势在定子绕组中感应的电动势，X为等效同步电抗，θ为励磁合成磁动势与d轴的夹角，P₀为调相机的空载损耗。

实施例2

如图1所示，本发明提供的一种双轴励磁调相机无功功率的稳态控制方法，所述方法包括以下步骤：

(1)在300Mvar双轴励磁调相机转子的d轴和q轴上均设有励磁绕组，d轴和q轴上的励磁绕组的轴线相互垂直，两套绕组分别通入空载励磁电流I_fd和I_fq，该调相机的转子横截面如图4所示，转子为两极隐极式结构；

(2)确定调相机初始状态，所述调相机初始状态包括无功功率Q、d轴与q轴励磁电流和机端电压U；

(3)对比机端电压U与参考电压Ur的大小，判断调相机所处的运行区域，所述运行区域包括区域I、区域II、区域III或空载运行；

(4)通过维持q轴励磁磁动势恒定的输出量，调节d轴励磁绕组上I_fd大小或方向，改变无功功率大小。

如图7、图8所示，当双轴励磁调相机两套励磁绕组同时通入励磁电流时，q轴绕组分别固定施加300A、400A、555A和833A空载励磁电流，改变d轴绕组励磁电流大小，从而改变励磁合成磁动势E的幅值和相位，改变无功功率。

实施例3

本发明提供的300Mvar双轴励磁调相机，该调相机的转子横截面如图4所示，转子为两极隐极式结构，转子上的两套绕组在空间互相垂直，单轴励磁时，只有一套励磁绕组通入直流电流，另外一套励磁绕组短接。

当双轴励磁调相机仅d轴单独励磁时，q轴励磁绕组短接，这相当于传统调相机，通过改变d轴绕组励磁电流的大小，使得d轴磁场发生变化，从而调节双轴励磁调相机的无功功率，如图5实线所示。当d轴励磁电流大于1000A时，双轴励磁调相机发出无功，随着d轴励磁电流的增加，输出的无功越大。当d轴励磁电流小于1000A时，双轴励磁调相机吸收多余的无功，随着d轴励磁电流的降低，双轴励磁调相机吸收的无功越多，由于空载电动势E与d轴励磁电流成正比，无功功率满足公式

当改变d轴励磁电流I_fd的大小，使得I_fdX_af>U时，双轴励磁调相机处于过励磁状态，向电网发出无功功率，Q>0；当改变d轴励磁电流I_fd的大小，使得I_fdX_af＝U时，双轴励磁调相机处于欠励磁和过励磁的临界状态，即Q＝0；当改变d轴励磁电流I_fd的大小，使得I_fdX_af<U时，双轴励磁调相机处于欠励磁状态，吸收电网多余的无功，Q<0。

实施例4

如图1所示，本发明提供的一种双轴励磁调相机无功功率的稳态控制方法，所述方法包括以下步骤：

(1)在300Mvar双轴励磁调相机转子的d轴和q轴上均设有励磁绕组，d轴和q轴上的励磁绕组的轴线相互垂直，两套绕组分别通入空载励磁电流I_fd和I_fq，该调相机的转子横截面如图4所示，转子为两极隐极式结构；

(2)确定调相机初始状态，所述调相机初始状态包括无功功率Q、d轴与q轴励磁电流和机端电压U；

(3)对比机端电压U与参考电压Ur的大小，判断调相机所处的运行区域，所述运行区域包括区域I、区域II、区域III或空载运行；

(4)通过维持q轴励磁磁动势恒定的输出量，调节d轴励磁绕组上I_fd大小或方向，改变无功功率大小。

当双轴励磁调相机q轴励磁电流固定为500A时，d轴励磁电流从正向励磁变化至反向励磁过程中无功功率与功角的变化见表1。从表1可以得出，双轴励磁调相机具有良好的调节系统无功的能力，当d轴励磁电流为3500A时，双轴励磁调相机可以输出无功478.64MVar，当d轴励磁电流改变励磁方向，调节大小至-1200A，此时，双轴励磁调相机吸收无功功率-656.81MVar。在双轴励磁调相机深度进相运行的情况下，功角δ最大能达到168.252°，从图5及表1可知，双轴励磁调相机与传统调相机相比，不仅大大的提高了无功功率调节的范围，还提高了深度进相运行时的稳定性。

表1 q轴励磁500A，不同d轴励磁下的无功特性

本发明提供的一种双轴励磁调相机无功功率的稳态控制方法，在双轴励磁调相机转子上设有两套不对称的单层同心式励磁绕组，两套励磁绕组的轴线相互垂直，d轴励磁绕组为主绕组，q轴励磁绕组为控制绕组，稳态运行时，控制绕组的磁动势幅值不变，通过改变主绕组的磁动势幅值来改变励磁合成磁动势的幅值和相位，从而调节调相机的无功功率；当d轴励磁绕组通入反向电流时，励磁合成磁场与d轴的夹角超过90°调相机吸收的无功能力增加，进相运行能力提高，可以有效缓解电网的工频过电压。

当系统发生故障导致大面积停电时，双轴励磁调相机具有较强的稳定性，提高了在故障情况下的运行能力，维持了电网系统的正常供电。采用双轴励磁的励磁方式使得电动势的变化区间更灵活，在保持稳定的有功功率输出的情况下，还可以大量地吸收无功功率，能够很好的改善电力系统的静态稳定性和暂态稳定性，在发生故障的情况下还能够通过不同的励磁控制方式实现电机的异步运行，降低了功角失稳的可能性。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明做出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

Claims (4)

1.一种双轴励磁调相机无功功率的稳态控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1)在转子的d轴和q轴上均设有励磁绕组，d轴和q轴上励磁绕组的轴线相互垂直，d轴和q轴绕组分别通入励磁电流I_fd和I_fq；

(2)确定调相机初始状态，所述调相机初始状态包括无功功率Q、d轴与q轴励磁电流和机端电压U；

(3)对比机端电压U与参考电压Ur的大小，判断调相机所处的运行区域，所述运行区域包括区域I、区域II、区域III或空载运行；

其中，所述区域I为当机端电压U小于参考电压Ur时，改变d轴励磁磁动势至第一阈值F_fd1，使得调相机运行的区域，此时调相机向电网发出无功功率；

所述区域II为当机端电压Ur＜U＜1.15Ur时，改变d轴励磁磁动势至第二阈值F_fd2，使得调相机运行的区域，此时调相机向电网吸收无功功率；

所述区域III为当机端电压U大于1.15Ur时，改变d轴励磁磁动势至第三阈值F_fd3，使得调相机运行的区域，此时调相机处于深度进相运行，从电网吸收无功功率；

(4)通过维持q轴励磁磁动势恒定的输出量，调节d轴励磁绕组上I_fd大小或方向，改变无功功率大小；具体为：

固定q轴励磁磁动势为F_fq，增大d轴励磁磁动势至第一阈值F_fd1的位置，使得E cosδ＞U，此时调相机向电网发出无功功率，无功功率Q＞0；

固定q轴励磁磁动势为F_fq，改变d轴励磁磁动势至第二阈值F_fd2的位置，使得E cosδ＝U，此时调相机向电网发出的无功功率为零；

固定q轴励磁磁动势为F_fq，改变d轴励磁磁动势至第三阈值F_fd3的位置，使得E cosδ＜U，此时调相机从电网吸收无功功率，无功功率Q＜0；

其中，E为合成的励磁磁动势在定子绕组中感应的电动势，δ为E与U的夹角。

2.根据权利要求1所述的一种双轴励磁调相机无功功率的稳态控制方法，其特征在于，步骤2中所述调相机的无功功率Q表示为：

式中，q轴励磁磁动势在定子绕组中感应的电动势E_d满足E_d＝I_fqx_aq；d轴励磁磁动势在定子绕组中感应的电动势E_q满足E_q＝I_fdx_ad；

等效同步电抗

其中，I_fq为q轴绕组通入的励磁电流，I_fd为d轴绕组通入的励磁电流，x_ad为d轴电枢反应电抗，x_aq为q轴电枢反应电抗，F_fd为d轴励磁磁动势，F_fq为q轴励磁磁动势。

3.根据权利要求1所述的一种双轴励磁调相机无功功率的稳态控制方法，其特征在于，步骤2中所述调相机初始状态中，d、q轴励磁绕组通入励磁电流分别产生励磁磁动势F_fd和F_fq，两者合成的励磁磁动势F_f与电机转子d轴的夹角为θ，合成的励磁磁动势在定子绕组中感应的电动势E滞后励磁磁动势F_f90°，电动势E与U的夹角为δ，合成的励磁磁动势F_f对应的矢量

满足：

式中

为d轴励磁绕组通入励磁电流产生励磁磁动势F_fd的矢量，

为q轴励磁绕组通入励磁电流产生励磁磁动势F_fq的矢量；

合成的励磁磁动势F_f与电机转子d轴的夹角θ满足：

4.根据权利要求3所述的一种双轴励磁调相机无功功率的稳态控制方法，其特征在于，步骤4中当d轴励磁绕组通入反向电流时，即F_fd的方向与d轴方向相反，励磁合成磁动势与d轴的夹角θ超过90°，此时调相机的吸收有功功率P应满足如下关系：

式中，U为机端电压，E_d为q轴励磁磁动势在定子绕组中感应的电动势，E_q为d轴励磁磁动势在定子绕组中感应的电动势，X为等效同步电抗，θ为励磁合成磁动势与d轴的夹角，P₀为调相机的空载损耗。

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