CN111490708B - 一种同步调相机的双轴励磁装置及调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种同步调相机的双轴励磁装置，包括设置在转子d轴和q轴上的d轴励磁绕组和q轴励磁绕组，设置在定子上的电枢绕组，用于检测电网载荷值的载荷检测电路，以及用于获取同步调相机的实时无功功率值的无功功率测量电路。本发明主要根据电网载荷的情况，选择性使用及调节三个绕组的工作状态以及励磁电流，不仅可以解决同步调相机过度进相因发热损坏端部绝缘的问题，还能避免机组失去静态稳定性，而且还能够从三者电流合理调节的方式上控制调相机的整个绕组发热热量，减少附加冷却结构的使用。

Description

一种同步调相机的双轴励磁装置及调节方法

技术领域

本发明实施例涉及同步调相机技术领域，具体涉及一种同步调相机的双轴励磁装置及调节方法。

背景技术

现代电力系统中，大部分负载(如电动机、变压器等)都是感性负载，要从电源或电网吸收感性(滞后)无功功率，从而造成发电机励磁损耗增大、出力降低，并降低输电线路输电能力，降低输质量和增大输电损耗。因此，必须在输电线路中加装容性无功设备，用容性无功补偿感性无功。在长距离高压输电系统中，由于输电线对地电容产生的容性无功功率很大，可能大于电抗消耗的无功功率，致使电压上升，危及设备和系统的安全。为了保持输电线路的无功平衡，需要在线路中装设并联电抗器或其他感性无功设备，用感性无功补偿容性无功。

同步调相机的结构基本上与同步电动机相同，只是由于同步调相机不带机械负载，转轴可以细些；同步调相机主要安装在电网的受电端，用于改善电网的功率因数。根据电网负载情况的不同，适当调节调相机的励磁电流，可改变调相机汲取的无功功率，使电网的功率因数接近1。

在长距离输电线路中，线路电压降随负载情况的不同而发生变化，如果在输电线的受电端装一同步调相机，在电网负载重时，让其过励运行(向电网发出感性无功功率)，增加输电线中滞后的无功电流分量，从而可减少线路压降。如果在输电线轻载的情况下，可让其欠励运行(向电网发出容性无功功率，即为吸收感性无功功率)，吸收滞后的无功电流，可防止电网电压上升，从而维持电网的电压在一定的水平上。

同步调相机作为一种最早采用的无功补偿设备，一种专门的无功功率发电机，具有跟踪速度快(能抑制闪变或冲击)、补偿范广(容性、感性均可)、故障率低等优点，还具有调整电压平滑的优点。

同步调相机为了更好调节电网的稳态性能，必然长期处于过励或欠励的交替状态下，欠励状态(轻载荷)下(进相运行)，需从电网吸收感性无功功率，过励运行(重载荷)的状态下(迟相运行)，给电网提供感性无功功率，不管是哪一种状态下，同步调相机本身的热量都是一个较大的问题，热量值主要与电流大小相关，以及用于散热的整个接触面相关，现有的冷却方式更多样，既有空冷，也有双水内冷，但是均属于附加的冷却结构，因此，如果从同步调相机其本身产热的角度进行控制，能够更好的解决散热问题。

发明内容

为此，本发明实施例提供一种同步调相机的双轴励磁装置及调节方法，以解决现有技术中现有技术中通过附加冷却结构解决同步调相机散热问题不够好的问题。

为了实现上述目的，本发明的实施方式提供如下技术方案：

在本发明实施例的一个方面，提供了一种同步调相机的双轴励磁装置，包括设置在转子直轴d和交轴q上的d轴励磁绕组和q轴励磁绕组，设置在定子上的电枢绕组，用于检测电网载荷值的载荷检测电路，以及用于获取同步调相机的实时无功功率值的无功功率测量电路；

所述d轴励磁绕组、q轴励磁绕组和所述电枢绕组连接三通励磁调节器，所述无功功率测量电路的输出端连接比较电路，所述比较电路连接主控制系统，所述载荷检测电路连接所述主控制系统，所述主控制系统连接三通励磁调节器；

所述比较电路用于将实时无功功率值与预设无功功率阈值进行比较，并向所述主控制系统输送阈值比较信号，所述主控制系统依据所述电网载荷值、所述实时无功功率值和所述阈值比较信号控制所述三通励磁调节器分别对d轴励磁绕组、q轴励磁绕组和电枢绕组的电流进行调节。

作为本发明一种优选地方案，所述三通励磁调节器包括三通输出控制回路以及与所述三通输出控制回路连接的三个可控硅输出端口，三个所述的可控硅输出端口分别连接d轴励磁绕组、q轴励磁绕组和所述电枢绕组；

所述三通输出控制回路包括单片机控制板、励磁功率模块和分流电路，所述单片机控制板连接所述励磁功率模块，所述励磁功率模块连接分流电路，所述分流电路的三个输出端分别连接三个所述可控硅输出端口，所述单片机控制板连接主控制系统，并获取主控制系统对d轴励磁绕组、q轴励磁绕组和电枢绕组三者工作状态及电流调节比例的分析结果，进而控制三个所述的可控硅输出端口的开/闭状态，以及控制分流电路调节三个可控硅输出端口的输出电流大小。

作为本发明一种优选地方案，所述单片机控制板通过输出触发脉冲信号调节所述励磁功率模块的励磁电流信号。

在本发明第二个方面，还提供了一种同步调相机的双轴励磁装置的调节方法，包括如下步骤：

步骤100、依据定子发热允许的定子电流最大值，计算同步调相机允许的无功功率上限值，依据同步调相机和电网连接电抗值，计算同步调相机定子电流最小值允许的无功功率值下限值，获取同步调相机允许的无功功率阈值范围，并存储在主控制系统中；

步骤200、实时获取电网载荷值，在主控制系统预设电网载荷阈值范围，超过所述电网载荷阈值范围的上限时，记为过励运行状态，低于所述电网载荷阈值范围的下限时，记为欠励运行状态，在电网载荷阈值范围内时，记为正常运行状态；

步骤300、实时获取同步调相机的无功功率值，并通过比较电路与预设的无功功率阈值范围进行比对，获取阈值比较信号；

步骤400、主控制系统获取所述电网载荷值、所述无功功率值和所述阈值比较信号并进行处理分析，按照定子部件和转子部件的发热值大小依次调节电枢绕组、d轴励磁绕组、q轴励磁绕组的工作状态及电流大小。

作为本发明一种优选地方案，所述定子部件的发热值以所述定子部件的电枢绕组发热值作为计算标准，所述转子部件的发热值以所述转子部件的d轴励磁绕组、q轴励磁绕组的综合发热权值作为计算标准。

作为本发明一种优选地方案，同步调相机在正常运行状态下和过励运行状态下，所述电枢绕组、d轴励磁绕组处于工作状态，q轴励磁绕组处于断开状态；同步调相机在欠励运行状态下，电枢绕组、d轴励磁绕组和q轴励磁绕组均处于工作状态。

作为本发明一种优选地方案，同步调相机在正常运行状态下的电流调节方法包括：

依据电网载荷值自小到大，依次提高或降低电枢绕组的励磁电流，升高d轴励磁绕组的励磁电流；

电枢绕组的励磁电流的提高值为d轴励磁绕组的励磁电流提高值的 1/7～1/3；电枢绕组的励磁电流的降低值为d轴励磁绕组的励磁电流提高值的1/11～1/5。

作为本发明一种优选地方案，同步调相机在过励运行状态下的电流调节方法包括：

依据电网载荷值自小到大，将电枢绕组的励磁电流调至定子电流最大值，升高d轴励磁绕组的励磁电流。

作为本发明一种优选地方案，同步调相机在欠励运行状态下的电流调节方法包括：

依据电网载荷值自大到小，将电枢绕组的励磁电流调至定子电流最小值或接近最小值，给d轴励磁绕组和q轴励磁绕组均提供励磁电流，先逐次降低d轴励磁绕组励磁电流，当d轴励磁绕组的励磁电流降低至预设最低值时，再降低q轴励磁绕组的励磁电流。

作为本发明一种优选地方案，同步调相机在欠励运行状态下的电流调节方法包括：

依据电网载荷值自大到小，将电枢绕组的励磁电流调至定子电流最小值或接近最小值，给d轴励磁绕组和q轴励磁绕组均提供励磁电流，同步逐次降低d轴励磁绕组励磁电流和q轴励磁绕组的励磁电流，且d 轴励磁绕组励磁电流和q轴励磁绕组的励磁电流下降的比例为1.2～2.5。

本发明的实施方式具有如下优点：

本发明主要根据电网载荷的情况，选择性使用及调节电枢绕组、d轴励磁绕组、q轴励磁绕组的工作状态以及励磁电流，不仅可以解决同步调相机过度进相因发热损坏端部绝缘的问题，还能避免机组失去静态稳定性，而且还能够从三者电流合理调节的方式上控制调相机的整个绕组发热热量，减少附加冷却结构的使用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。

图1为本发明实施例提供的双轴励磁装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的三通励磁调节器的结构示意图。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明提供了一种同步调相机的双轴励磁装置，包括设置在转子直轴d和交轴q上的d轴励磁绕组和q轴励磁绕组，设置在定子上的电枢绕组，用于检测电网载荷值的载荷检测电路，以及用于获取同步调相机的实时无功功率值的无功功率测量电路；

所述d轴励磁绕组、q轴励磁绕组和所述电枢绕组连接三通励磁调节器，所述无功功率测量电路的输出端连接比较电路，所述比较电路连接主控制系统，所述载荷检测电路连接所述主控制系统，所述主控制系统连接三通励磁调节器；

所述比较电路用于将实时无功功率值与预设无功功率阈值进行比较，并向所述主控制系统输送阈值比较信号，所述主控制系统依据所述电网载荷值、所述实时无功功率值和所述阈值比较信号控制所述三通励磁调节器分别对d轴励磁绕组、q轴励磁绕组和电枢绕组的电流进行调节。

本发明提供的励磁装置，首先是增加了q轴励磁系统，提高同步调相机在无功补偿中的稳定性，其励磁磁动势的方向可以通过在两套励磁绕组中施加不同的直流电流来确定在转子的任意位置。

其次是根据电网载荷的情况，选择性使用及调节电枢绕组、d轴励磁绕组、q轴励磁绕组的工作状态以及励磁电流，不仅可以解决同步调相机过度进相因发热损坏端部绝缘的问题，还能避免机组失去静态稳定性，而且还能够从三者电流合理调节的方式上控制调相机的整个绕组发热热量，减少附加冷却结构的使用。

其中，如图1和图2所示，三通励磁调节器包括三通输出控制回路以及与所述三通输出控制回路连接的三个可控硅输出端口，三个所述的可控硅输出端口分别连接d轴励磁绕组、q轴励磁绕组和所述电枢绕组；

三通输出控制回路包括单片机控制板、励磁功率模块和分流电路，所述单片机控制板连接所述励磁功率模块，所述励磁功率模块连接分流电路，所述分流电路的三个输出端分别连接三个所述可控硅输出端口，所述单片机控制板连接主控制系统，并获取主控制系统对d轴励磁绕组、 q轴励磁绕组和电枢绕组三者工作状态及电流调节比例的分析结果，进而控制三个所述的可控硅输出端口的开/闭状态，以及控制分流电路调节三个可控硅输出端口的输出电流大小。单片机控制板通过输出触发脉冲信号调节所述励磁功率模块的励磁电流信号。

基于该同步调相机的双轴励磁装置，其具体的调节方法包括如下步骤：

步骤100、依据定子发热允许的定子电流最大值，计算同步调相机允许的无功功率上限值，依据同步调相机和电网连接电抗值，计算同步调相机定子电流最小值允许的无功功率值下限值，获取同步调相机允许的无功功率阈值范围，并存储在主控制系统中；

步骤200、实时获取电网载荷值，在主控制系统预设电网载荷阈值范围，超过所述电网载荷阈值范围的上限时，记为过励运行状态，低于所述电网载荷阈值范围的下限时，记为欠励运行状态，在电网载荷阈值范围内时，记为正常运行状态；

步骤300、实时获取同步调相机的无功功率值，并通过比较电路与预设的无功功率阈值范围进行比对，获取阈值比较信号；

步骤400、主控制系统获取所述电网载荷值、所述无功功率值和所述阈值比较信号并进行处理分析，按照定子部件和转子部件的发热值大小依次调节电枢绕组、d轴励磁绕组、q轴励磁绕组的工作状态及电流大小。

其中，定子部件的发热值以所述定子部件的电枢绕组发热值作为计算标准，所述转子部件的发热值以所述转子部件的d轴励磁绕组、q轴励磁绕组的综合发热权值作为计算标准。

同步调相机在正常运行状态下和过励运行状态下，所述电枢绕组、d 轴励磁绕组处于工作状态，q轴励磁绕组处于断开状态；同步调相机在欠励运行状态下，电枢绕组、d轴励磁绕组和q轴励磁绕组均处于工作状态。

其一、同步调相机在正常运行状态下的电流调节方法包括：

依据电网载荷值自小到大，依次提高或降低电枢绕组的励磁电流，升高d轴励磁绕组的励磁电流；

电枢绕组的励磁电流的提高值为d轴励磁绕组的励磁电流提高值的 1/7～1/3；电枢绕组的励磁电流的降低值为d轴励磁绕组的励磁电流提高值的1/11～1/5。

正常情况下，电枢绕组和d轴励磁绕组的励磁电流需同步提高，现将电枢绕组和d轴励磁绕组的电流分开提供，降低内圈定子的热量的增长，提高外圈转子的热量的增长，来达到同样的无功功率输出。

其二、同步调相机在过励运行状态下的电流调节方法包括：

依据电网载荷值自小到大，将电枢绕组的励磁电流调至定子电流最大值，升高d轴励磁绕组的励磁电流。

此时，同步调相机需要给电网输送无功功率，电枢绕组的电流需要在满足发热允许的情况下的最大值，才能满足无功功率的输出。

其三、同步调相机在欠励运行状态下的电流调节方法包括：

依据电网载荷值自大到小，将电枢绕组的励磁电流调至定子电流最小值或接近最小值，给d轴励磁绕组和q轴励磁绕组均提供励磁电流，先逐次降低d轴励磁绕组励磁电流，当d轴励磁绕组的励磁电流降低至预设最低值时，再降低q轴励磁绕组的励磁电流。

此时，同步调相机需从电网吸收无功功率，在定子电流最小值的基础上，d轴励磁绕组和q轴励磁绕组的励磁电流在允许范围内逐步降低， d轴励磁绕组和q轴励磁绕组同步工作时，给转子从直轴和交轴上提供双轴励磁电流。普通的同步调相机只有一套励磁绕组，这决定了其静态稳定极限功角不能超过90°，限制了其稳定运行范围；双轴励磁同步调相机在转子直轴d和交轴q均设有励磁绕组，能够通过励磁调节器调节两相励磁绕组的励磁电流大小和方向，可以使合成的励磁电流在d、q轴的正向和负向之间灵活的变化，通过双轴励磁配合，可以达到深度进相运行，获得与迟相过载能力相当的短时进相能力，使合成励磁磁动势处于转子任意位置，大大提高了发电机的稳定运行范围。

其四、同步调相机在欠励运行状态下的电流调节方法包括：

依据电网载荷值自大到小，将电枢绕组的励磁电流调至定子电流最小值或接近最小值，给d轴励磁绕组和q轴励磁绕组均提供励磁电流，同步逐次降低d轴励磁绕组励磁电流和q轴励磁绕组的励磁电流，且d轴励磁绕组励磁电流和q轴励磁绕组的励磁电流下降的比例为1.2～2.5。

主要以d轴励磁绕组为主，q轴励磁绕组为辅，来提高整体进相能力，当d轴励磁绕组励磁电流下降到最低值时，再提高q轴励磁绕组励磁电流的下降速率和值。

通过该方法，能够根据实际需求，以及电网荷载的情况，选择调节三个绕组最合理的电流值和工作状态，从而不仅能给从整体上提高同步调相机的稳态性能，而且能够最合理的达到冷却目的，对其使用寿命的具有一定的提高意义。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (9)

1.一种同步调相机的双轴励磁装置，其特征在于，包括设置在转子直轴d和交轴q上的d轴励磁绕组和q轴励磁绕组，设置在定子上的电枢绕组，用于检测电网载荷值的载荷检测电路，以及用于获取同步调相机的实时无功功率值的无功功率测量电路；

所述d轴励磁绕组、q轴励磁绕组和所述电枢绕组连接三通励磁调节器，所述无功功率测量电路的输出端连接比较电路，所述比较电路连接主控制系统，所述载荷检测电路连接所述主控制系统，所述主控制系统连接三通励磁调节器；

所述比较电路用于将实时无功功率值与预设无功功率阈值进行比较，并向所述主控制系统输送阈值比较信号，所述主控制系统依据所述电网载荷值、所述实时无功功率值和所述阈值比较信号控制所述三通励磁调节器分别对d轴励磁绕组、q轴励磁绕组和电枢绕组的电流进行调节；

所述三通励磁调节器包括三通输出控制回路以及与所述三通输出控制回路连接的三个可控硅输出端口，三个所述的可控硅输出端口分别连接d轴励磁绕组、q轴励磁绕组和所述电枢绕组；

所述三通输出控制回路包括单片机控制板、励磁功率模块和分流电路，所述单片机控制板连接所述励磁功率模块，所述励磁功率模块连接分流电路，所述分流电路的三个输出端分别连接三个所述可控硅输出端口，所述单片机控制板连接主控制系统，并获取主控制系统对d轴励磁绕组、q轴励磁绕组和电枢绕组三者工作状态及电流调节比例的分析结果，进而控制三个所述的可控硅输出端口的开/闭状态，以及控制分流电路调节三个可控硅输出端口的输出电流大小。

2.根据权利要求1所述的一种同步调相机的双轴励磁装置，其特征在于，所述单片机控制板通过输出触发脉冲信号调节所述励磁功率模块的励磁电流信号。

3.一种基于权利要求1所述的同步调相机的双轴励磁装置的调节方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤100、依据定子发热允许的定子电流最大值，计算同步调相机允许的无功功率上限值，依据同步调相机和电网连接电抗值，计算同步调相机定子电流最小值允许的无功功率值下限值，获取同步调相机允许的无功功率阈值范围，并存储在主控制系统中；

步骤200、实时获取电网载荷值，在主控制系统预设电网载荷阈值范围，超过所述电网载荷阈值范围的上限时，记为过励运行状态，低于所述电网载荷阈值范围的下限时，记为欠励运行状态，在电网载荷阈值范围内时，记为正常运行状态；

步骤300、实时获取同步调相机的无功功率值，并通过比较电路与预设的无功功率阈值范围进行比对，获取阈值比较信号；

步骤400、主控制系统获取所述电网载荷值、所述无功功率值和所述阈值比较信号并进行处理分析，按照定子部件和转子部件的发热值大小依次调节电枢绕组、d轴励磁绕组、q轴励磁绕组的工作状态及电流大小。

4.根据权利要求3所述的一种同步调相机的双轴励磁装置的调节方法，其特征在于，所述定子部件的发热值以所述定子部件的电枢绕组发热值作为计算标准，所述转子部件的发热值以所述转子部件的d轴励磁绕组、q轴励磁绕组的综合发热权值作为计算标准。

5.根据权利要求4所述的一种同步调相机的双轴励磁装置的调节方法，其特征在于，同步调相机在正常运行状态下和过励运行状态下，所述电枢绕组、d轴励磁绕组处于工作状态，q轴励磁绕组处于断开状态；同步调相机在欠励运行状态下，电枢绕组、d轴励磁绕组和q轴励磁绕组均处于工作状态。

6.根据权利要求5所述的一种同步调相机的双轴励磁装置的调节方法，其特征在于，同步调相机在正常运行状态下的电流调节方法包括：

依据电网载荷值自小到大，依次提高或降低电枢绕组的励磁电流，升高d轴励磁绕组的励磁电流；

电枢绕组的励磁电流的提高值为d轴励磁绕组的励磁电流提高值的1/7～1/3；电枢绕组的励磁电流的降低值为d轴励磁绕组的励磁电流提高值的1/11～1/5。

7.根据权利要求5所述的一种同步调相机的双轴励磁装置的调节方法，其特征在于，同步调相机在过励运行状态下的电流调节方法包括：

依据电网载荷值自小到大，将电枢绕组的励磁电流调至定子电流最大值，升高d轴励磁绕组的励磁电流。

8.根据权利要求5所述的一种同步调相机的双轴励磁装置的调节方法，其特征在于，同步调相机在欠励运行状态下的电流调节方法包括：

依据电网载荷值自大到小，将电枢绕组的励磁电流调至定子电流最小值或接近最小值，给d轴励磁绕组和q轴励磁绕组均提供励磁电流，先逐次降低d轴励磁绕组励磁电流，当d轴励磁绕组的励磁电流降低至预设最低值时，再降低q轴励磁绕组的励磁电流。

9.根据权利要求5所述的一种同步调相机的双轴励磁装置的调节方法，其特征在于，同步调相机在欠励运行状态下的电流调节方法包括：

依据电网载荷值自大到小，将电枢绕组的励磁电流调至定子电流最小值或接近最小值，给d轴励磁绕组和q轴励磁绕组均提供励磁电流，同步逐次降低d轴励磁绕组励磁电流和q轴励磁绕组的励磁电流，且d轴励磁绕组励磁电流和q轴励磁绕组的励磁电流下降的比例为1.2～2.5。

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