CN111277000B - 一种柔性励磁系统动态顶值电压控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔性励磁系统动态顶值电压控制方法。本发明采用的技术方案为：同步发电机空载起励到并网过程，或者并网解列后的逆变灭磁过程，或者任意工况下同步发电机收到跳灭磁开关令后的灭磁过程，柔性励磁系统中间直流电压根据机端电压的不同采取常规两段式控制策略进行控制；同步发电机并网后，柔性励磁系统中间直流电压按发电机机端电压的两种运行区间进行控制，分别是发电机机端电压高于常规拐点电压的常规运行区间、发电机机端电压低于常规拐点电压的紧急运行区间。本发明根据同步发电机不同的运行工况需求，动态调整中间直流电压，以实现励磁系统顶值电压的等效调节，提升自并励励磁系统在系统电压故障跌落时的强励输出能力，提升发电机组的暂态稳定性。

Description

一种柔性励磁系统动态顶值电压控制方法

技术领域

本发明属于新型励磁控制技术领域，具体地说是一种柔性励磁系统动态顶值电压控制方法。

背景技术

随着特高压交直流技术的广泛应用、大批量新能源机组接入电网和大规模储能系统的投运，我国电网总体上呈现出特高压交直流混联运行和电力电子化两大特征。使得我国电网在容量、结构复杂度以及地理跨度上都出现了大幅度的增加，导致电力系统稳定裕量缩小，无功电压稳定性和宽频振荡问题突出，非常不利于电力系统的安全稳定运行。

发电机的励磁控制因不引入额外装置和具有较强的电力系统稳定控制能力等优点被业界公认为是最经济、最有效的电力系统控制技术之一。传统的基于晶闸管的励磁系统以晶闸管整流器为励磁系统功率单元，励磁电压输出能力受机端电压影响较大，当系统出现机端电压大幅跌落引起的机端电压处于低位时，其无法保证充足的发电机强励能力。

基于全控器件的柔性励磁系统理论上能够利用更先进的电力电子拓扑，通过调节中间直流电压向发电机提供更稳定和更高的励磁电压输出能力，通过中间直流电压就是励磁系统的顶值电压。但如何利用这一技术特点，一方面在系统需求时发挥柔性励磁系统的高顶值倍数励磁电压输出能力，另一方面满足励磁系统正常控制功能的经济性、可靠性的运行要求，现有的研究和工程应用尚未给出两者兼顾且在工程上行之有效的解决措施。

发明内容

针对上述现有技术存在的不足，本发明提供一种柔性励磁系统动态顶值电压控制方法，以提高发电机励磁系统的顶值电压倍数，提升系统暂态稳定性。

为达到上述目的，本发明提供以下的技术方案：一种柔性励磁系统动态顶值电压控制方法，所述柔性励磁系统的励磁功率单元由前级三相电压源型换流器和后级H桥直流斩波器构成，前级三相电压源型换流器与后级H桥直流斩波器通过中间直流电容连接。所述前级三相电压源型换流器的三相交流侧与励磁变二次侧相连，所述后级H桥直流斩波器的输出侧与发电机转子励磁绕组相连，所述中间直流电容的直流电压为柔性励磁系统的顶值电压，称为柔性励磁系统中间直流电压；

所述柔性励磁系统动态顶值电压控制方法包括两大部分：

第一部分，针对同步发电机空载起励到并网过程，或者并网解列后的逆变灭磁过程，或者任意工况下同步发电机收到跳灭磁开关令后的灭磁过程，柔性励磁系统中间直流电压根据机端电压的不同采取常规两段式控制策略进行控制；

第二部分，针对同步发电机并网后，柔性励磁系统中间直流电压按发电机机端电压的两种运行区间进行控制，分别是发电机机端电压高于常规拐点电压的常规运行区间、发电机机端电压低于常规拐点电压的紧急运行区间；

1)当发电机机端电压在常规运行区间时，柔性励磁系统中间直流电压按常规固定直流电压设定值进行控制；

2)当发电机机端电压在紧急运行区间时，柔性励磁系统中间直流电压根据机端电压的不同采取紧急两段式控制策略进行控制。

进一步地，第一部分中，常规两段式控制策略的具体内容如下：

首先，根据机端电压的不同分为常规线性升压区间和常规恒定电压区间：所述常规线性升压区间是指发电机机端电压从零到常规拐点电压的范围，所述常规恒定电压区间是指发电机机端电压在常规拐点电压以上的范围；

其次，在常规线性升压区间，柔性励磁系统中间直流电压相对励磁变二次线电压按固定的常规升压比设定值进行控制，即中间直流电压等于励磁变二次线电压乘以常规升压比；在常规恒定电压区间，柔性励磁系统中间直流电压按常规固定中间直流电压设定值进行控制。

更进一步地，所述的常规拐点电压与常规升压比以及常规固定中间直流电压的关系如下：

进一步地，所述紧急两段式控制策略的具体内容如下：

首先，根据机端电压的不同分为紧急线性升压区间和紧急恒定电压区间：所述紧急线性升压区间是指发电机机端电压从零到紧急拐点电压的范围，所述紧急恒定电压区间是指发电机机端电压从紧急拐点电压到常规拐点电压的范围；

其次，在紧急线性升压区间，柔性励磁系统中间直流电压相对励磁变二次线电压按固定的紧急升压比设定值进行控制，即中间直流电压等于励磁变二次线电压乘以紧急升压比；在紧急恒定电压区间，柔性励磁系统中间直流电压按固定的紧急直流电压设定值进行控制。

更进一步地，所述的发电机机端电压的紧急拐点电压与紧急升压比设定值以及紧急固定中间直流电压设定值的关系如下：

进一步地，当发电机在并网状态进入紧急运行区间后，机端电压需恢复至常规运行区间内且超过设定的控制死区，柔性励磁系统中间直流电压才能恢复为按常规固定直流电压设定值进行控制。

本发明具有的有益效果在于：本发明充分利用柔性励磁系统快速响应控制能力，根据不同运行工况要求，灵活调整中间直流电压，以实现励磁系统顶值电压的等效调节，以提升了自并励励磁系统在系统电压故障跌落时的强励输出能力，大幅提升了励磁系统支撑电力系统的暂态稳定能力。

附图说明

图1为本发明具体实施方式中柔性励磁系统及其与同步发电机连接拓扑图；

图2为本发明具体实施方式中柔性励磁系统动态顶值电压控制方法的流程图；

图3为本发明具体实施方式中柔性励磁系统动态顶值电压控制方法的控制效果图。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图来对本发明进行进一步说明，但本发明的保护范围不限于下述实施例。在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和变更，都落入本发明的保护范围。

柔性励磁系统及其与同步发电机连接拓扑如图1所示。

柔性励磁系统动态顶值电压控制方法的流程如图2所示。

柔性励磁系统动态顶值电压控制方法的效果如图3所示。

所述柔性励磁系统的励磁功率单元由前级三相电压源型换流器和后级H桥直流斩波器构成，前级三相电压源型换流器与后级H桥直流斩波器通过中间直流电容连接，所述前级三相电压源型换流器的三相交流侧与励磁变二次侧相连，所述后级H桥直流斩波器的输出侧与发电机转子励磁绕组相连，如图1所示。所述中间直流电容的直流电压为柔性励磁系统的顶值电压，称为柔性励磁系统中间直流电压。本例中，励磁变二次侧线电压额定值为励磁电压额定值的2.0pu。

所述柔性励磁系统动态顶值电压控制方法主要包括两部分：

第一部分，针对同步发电机空载起励到并网过程，或者并网解列后的逆变灭磁过程，或者任意工况下同步发电机收到跳灭磁开关令后的灭磁过程，本发明提出的柔性励磁系统中间直流电压控制方法将根据机端电压的不同采取常规两段式控制策略进行电压控制，具体内容如下：

首先，根据机端电压的不同分为常规线性升压区间和常规恒定电压区间：所述常规线性升压区间是指发电机机端电压从零到常规拐点电压的范围，所述常规恒定电压区间是指发电机机端电压在常规拐点电压以上的范围，本例中常规拐点电压设计为机端电压额定值的0.8pu。

其次，在常规线性升压区间，柔性励磁系统中间直流电压相对励磁变二次线电压按固定的常规升压比设定值进行控制，即中间直流电压等于励磁变二次线电压乘以常规升压比，本例中常规升压比系数取值为2.5；在常规恒定电压区间，柔性励磁系统中间直流电压按常规固定中间直流电压设定值进行控制，本例中固定中间直流电压设定值取值为励磁电压额定值的4pu；

其中，所述的常规拐点电压与常规升压比以及常规固定中间直流电压的关系如下：

即：0.8pu×2pu(励磁电压额定值)×2.5＝4pu(励磁电压额定值)。

该部分的控制效果如图3中OAB曲线所示。

第二部分，针对同步发电机并网后，本发明提出的柔性励磁系统中间直流电压控制方法分别按发电机机端电压的二种运行区间进行电压控制，包括发电机机端电压高于常规拐点电压的常规运行区间、发电机机端电压低于常规拐点电压的紧急运行区间。

1)当发电机机端电压在常规运行区间时，柔性励磁系统中间直流电压按常规固定直流电压设定值进行控制，控制效果如图3中AFB曲线所示。

2)当发电机机端电压在紧急运行区间时，柔性励磁系统中间直流电压根据机端电压的不同采取紧急两段式控制策略进行电压控制，具体如下：

首先，根据机端电压的不同分为紧急线性升压区间和紧急恒定电压区间：所述紧急线性升压区间是指发电机机端电压从零到紧急拐点电压的范围，所述紧急恒定电压区间是指发电机机端电压从紧急拐点电压到正常拐点电压的范围，本例中紧急拐点电压设计为机端电压额定值的0.6pu；

其次，在紧急线性升压区间，柔性励磁系统中间直流电压相对励磁变二次线电压按固定的紧急升压比设定值进行控制，即中间直流电压等于励磁变二次线电压乘以紧急升压比，本例中紧急升压比系数取值为5.0；在紧急恒定电压区间，柔性励磁系统中间直流电压按固定的紧急直流电压设定值进行控制，本例中紧急直流电压设定值取值为励磁电压额定值的6pu。

其中，所述的发电机机端电压的紧急拐点电压与紧急升压比设定值以及紧急固定中间直流电压设定值的关系如下：

即：0.6pu×2pu(励磁电压额定值)×5.0＝6pu(励磁电压额定值)，

该部分控制效果如图3中ADCO曲线所示。

当发电机在并网状态进入紧急运行区间后，机端电压需恢复至常规运行区间内且超过设定的控制死区，本例中控制死区设置为0.1pu，柔性励磁系统中间直流电压才能恢复为按常规固定直流电压设定值进行控制，控制效果如图3中DEF曲线所示。

Claims (5)

1.一种柔性励磁系统动态顶值电压控制方法，其特征在于，所述柔性励磁系统的励磁功率单元由前级三相电压源型换流器和后级H桥直流斩波器构成，前级三相电压源型换流器与后级H桥直流斩波器通过中间直流电容连接；所述前级三相电压源型换流器的三相交流侧与励磁变二次侧相连；所述后级H桥直流斩波器的输出侧与发电机转子励磁绕组相连；所述中间直流电容的直流电压为柔性励磁系统的顶值电压，称为柔性励磁系统中间直流电压；所述控制方法如下：

S1，同步发电机空载起励到并网过程，或者并网解列后的逆变灭磁过程，或者任意工况下同步发电机收到跳灭磁开关令后的灭磁过程，柔性励磁系统中间直流电压根据机端电压的不同采取常规两段式控制策略进行控制；

S2，同步发电机并网后，柔性励磁系统中间直流电压按发电机机端电压的两种运行区间进行控制，分别是发电机机端电压高于常规拐点电压的常规运行区间、发电机机端电压低于常规拐点电压的紧急运行区间；

A1)当发电机机端电压在常规运行区间时，柔性励磁系统中间直流电压按常规固定直流电压设定值进行控制；

A2)当发电机机端电压在紧急运行区间时，柔性励磁系统中间直流电压根据机端电压的不同采取紧急两段式控制策略进行控制；

所述紧急两段式控制策略，其具体内容包括：

根据机端电压的不同分为紧急线性升压区间和紧急恒定电压区间：所述紧急线性升压区间是指发电机机端电压从零到紧急拐点电压的范围，所述紧急恒定电压区间是指发电机机端电压从紧急拐点电压到正常拐点电压的范围；

在紧急线性升压区间，柔性励磁系统中间直流电压相对励磁变二次线电压按固定的紧急升压比设定值进行控制，即中间直流电压等于励磁变二次线电压乘以紧急升压比；在紧急恒定电压区间，柔性励磁系统中间直流电压按固定的紧急直流电压设定值进行控制。

2.如权利要求1所述的柔性励磁系统动态顶值电压控制方法，其特征在于，所述常规两段式控制策略，其具体内容包括：

根据机端电压的不同分为常规线性升压区间和常规恒定电压区间：所述常规线性升压区间是指发电机机端电压从零到常规拐点电压的范围，所述常规恒定电压区间是指发电机机端电压在常规拐点电压以上的范围；

在常规线性升压区间，柔性励磁系统中间直流电压相对励磁变二次线电压按固定的常规升压比设定值进行控制，即中间直流电压等于励磁变二次线电压乘以常规升压比；在常规恒定电压区间，柔性励磁系统中间直流电压按常规固定中间直流电压设定值进行控制。

3.如权利要求2所述的柔性励磁系统动态顶值电压控制方法，其特征在于，所述的常规拐点电压与常规升压比以及常规固定中间直流电压的关系如下：

4.如权利要求1所述的柔性励磁系统动态顶值电压控制方法，其特征在于，所述的发电机机端电压的紧急拐点电压与紧急升压比设定值以及紧急固定中间直流电压设定值的关系如下：

5.根据权利要求1所述的柔性励磁系统动态顶值电压控制方法，其特征在于，当发电机在并网状态进入紧急运行区间后，机端电压需恢复至常规运行区间内且超过设定的控制死区，柔性励磁系统中间直流电压才能恢复为按常规固定直流电压设定值进行控制。

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