CN113013902A - 一种可变速抽蓄机组在工况转换过程中调速器和变流器的协调控制方法 - Google Patents

一种可变速抽蓄机组在工况转换过程中调速器和变流器的协调控制方法 Download PDF

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Abstract

可变速抽蓄机组运行工况多，工况转换频繁，转换过程复杂，合理的工况转换控制对于机组安全稳定运行至关重要。然而，与常规抽蓄机组不同，可变速机组受调速器和变流器共同的控制。调速器控制的导叶‑水泵水轮机系统相对缓慢的机械转矩响应特性与变流器快速的电磁转矩响应特性之间的不匹配，导致工况转换控制更加困难。为此，本发明针对可变速抽蓄机组在工况转换过程不同阶段的特点和控制目标，提出了一种可变速抽蓄机组在工况转换过程中调速器和变流器的协调控制方法，包括柔性自启动、切入控制、稳态运行和切出控制四个主要阶段。在工况转换过渡过程中，通过协调调速器和变流器，使机组安全、快速而又柔和地实现工况转换，并且转换各阶段之间衔接平滑。

Description

一种可变速抽蓄机组在工况转换过程中调速器和变流器的协 调控制方法
技术领域
本发明涉及抽水蓄能领域，具体是指一种可变速抽蓄机组在工况转换过程中调速器和变流器的协调控制方法
背景技术
双馈式可变速抽水蓄能机组是一种新型的水力储能-发电系统，具备经济性高、容量大、功率调节范围宽和速度快的特点。在大规模可再生能源接入电网的背景下，可变速机组能承担调峰、填谷、调频等任务，助力清洁能源消纳，维持电网频率稳定和提高电网安稳水平。
可变速抽蓄机组工况种类繁多，例如典型的静止、启动、发电、抽水、同步调相和旋转备用等。通常还要求机组能根据电网的需要，频繁、迅速、灵活地在不同工况间转换。因此，合理的工况转换控制是机组安全、稳定工作的前提。
然而，与传统机组不同，可变速机组转子的转速独立于电网频率。机组转速受调速器-导叶-水泵水轮机系统和变流器-交流励磁系统的双重控制。由于调速器系统和变流器系统响应的时间尺度相差百倍(前者为秒级，后者为几十毫秒级)，在机组运行过程中，任一方的响应必然导致机组转速的波动，严重时造成机组运行失稳。由此，调速器系统和变流器系统之间响应的不匹配，使可变速机组的工况转换控制更加复杂，难度更高。此外，可变速机组的水力-机械部分和电气-电子部分的耦合程度相对较弱，两部分的控制相对传统机组更加独立。并且，工况转换过程中，机组各机械、电气部件的运行状态改变剧烈，若两部分的控制不协调，更易导致机组失稳。
随着可变速机组容量的不断加大(最高500MW级)，机组失稳对运营商和电网的损失越来越大。在工况转换过程中，如何对调速器系统和变流器系统进行协调的控制，使机组安全、可靠、快速地由一种工况过渡到另一种工况，已经成为必须探讨的重要课题。
当前，虽然已有少量文献报道了可变速机组的工况转换研究，如文献[2]提出了一种基于恒电压/频率比的可变速机组平滑启动和再生制动方法。文献[3]提出了抽水工况下可变速机组的开环VF启动控制及基于状态观测器的闭环自启动方法。但总体而言，目前已有的关于可变速机组工况转换的研究，仅局限于工况转换过程的单一阶段，未从该过程的全局对机组控制方法、动态响应特性以及不同阶段之间的平滑衔接进行考虑。这将导致单一的控制策略无法使机组整体的性能较佳。
尽管传统抽蓄机组完整的工况转换控制已有报道，但可变速机组与传统机组在结构、励磁方式和控制方法上差异均较大，传统机组的控制方法无法适应该机组。总而言之，针对可变速机组在整个工况转换过渡过程中，调速器系统和变流器系统之间的协调控制研究，仍然十分缺乏。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提出了可变速抽蓄机组在工况转换过渡过程中，调速器和变流器间的多阶段柔性协调控制策略。目的是实现可变速机组安全、可靠、迅速的工况转换控制，并且工况转换的各阶段间衔接平滑。
发明的目的是这样实现的：
一种可变速抽蓄机组在工况转换过程中调速器和变流器的协调控制方法，其特征在于，针对水泵水轮机模式下由静止转发电和发电转静止2种工况，包括柔性自启动、柔性切入控制、柔性模式切换、负载率提升、稳态运行和柔性切出控制。
柔性自启动用于：对调速器进行控制，将导叶的开度逐渐调至空载开度，将机组转子的转速快速而以很小的超调量拉至同步转速附近。过程中，通过自启动算法，使机组的转速以近似恒定的加速度线性地增大；
柔性切入控制用于：根据电网侧的电压信息(如频率、幅值和相位信息)，对转子的三相交流励磁系统(即背靠背变流器)进行控制，使机端电压与电网电压保持一致。然后闭合并网断路器，机组与电网以零冲击电流的方式连接；
柔性模式切换用于：机组在并入电网后，对变流器励磁控制系统的控制模式进行切换，由原来的电压控制模式切换成功率控制模式；
负载率提升用于：将机组的出力增加到机组稳态允许的最低出力线以上，避免机组运行失稳；
稳态运行用于：机组长时间的稳态运行。为了提高机组的长时间运行效率和经济性，对机组进行转速和导叶开度优化，使水泵水轮机始终运行在最佳水力效率区；
柔性切出控制用于：首先将机组的出力逐渐调至最低，将机组的负荷卸下。然后机组以零电流的方式与电网断开，避免了断开瞬间对机组和电网的电流冲击。最后，通过将定子绕组进行短路，而变流器继续产生励磁电流，使机组产生电制动转矩，机组转速快速降低，最后停机。
在上述的一种可变速抽蓄机组在工况转换过程中调速器和变流器的协调控制方法，柔性自启动步骤，控制器收到启动指令后，首先闭合电机定、转子三相绕组短路断路器，同时闭锁转子侧变流器PWM信号。可变速机组空载，电机的电磁转矩Te＝0。设定调速器的转速参考ωref＝ωr+Δωset，Δωset为常数，ωref随转速ωr动态地增大。调速器将导叶开度逐渐调大(至空载开度)，水泵水轮机输出机械转矩Tm相应增大，拖动机组转子正向加速。当转子到达同步转速附近时，自启动阶段结束。忽略执行机构和水泵水轮机动态，空载加速阶段转子转速方程(kd＝0，无微分项的作用)为：
Figure BDA0002954073310000031
通常ki＜＜kp，可忽略二次项的作用。在调速器参数确定的条件下，机组转速(或导叶开度和水泵水轮机转矩)以近似恒定的速率增大。调整Δωset的值即可直接改变转子加速的斜率，改变加速的速度。若以转速终值ωr0作为调速器转速参考，受积分器的影响，转子加速猛烈、加速转矩大，机组轴系、导叶及转轮承受的冲击力较大，影响机组寿命。并且，转速超调以及稳定时间长，不利于机组快速启动。
在上述的一种可变速抽蓄机组在工况转换过程中调速器和变流器的协调控制方法，柔性切入控制步骤包含空载建压控制和柔性准同期并网控制。
空载建压控制用于：根据电网侧的电压信息(如频率、幅值和相位信息)，对转子的三相交流励磁系统(即背靠背变流器)进行控制，使机端电压与电网电压保持一致。然后闭合并网断路器，机组与电网以零冲击电流的方式连接；
柔性准同期并网控制用于：机组在并入电网后，对变流器励磁控制系统的控制模式进行切换，由原来的电压控制模式切换成功率控制模式；
在上述的一种可变速抽蓄机组在工况转换过程中调速器和变流器的协调控制方法，空载建压控制子步骤包括：
首先，机组转速被拖至同步速附近(有利于机组并网后迅速进入稳态)后，协调控制器发出定子和转子绕组短路断路器跳闸信号，然后发出转子励磁断路器合闸信号，。断路器动作后，励磁控制系统投入。然后，转子侧变流器控制系统利用采集的电网电压(幅值、频率、相位)信息，先计算电机定子参考磁链幅值|ψs|和磁链相角，然后对转子注入相应的三相励磁电流，由此机端电压在转子磁场的感应作用下逐渐建立起来。本文通过给
Figure BDA0002954073310000032
中电机模型的定、转子绕组分别并联三相短路绕组，等效于给电机的状态方程产生了两个零输入，由此电机可以进行空载仿真。
在上述的一种可变速抽蓄机组在工况转换过程中调速器和变流器的协调控制方法，柔性准同期并网控制子步骤中，控制系统需要根据电网电压、电机转速和转子角度信息，通过调节变流器励磁电流，使转子产生合适的磁链，对机端电压进行补偿控制。待机端电压的幅值、频率和相位满足准同期并网条件后，控制器发出定子侧并网断路器合闸脉冲。由于并网前机端电压经过了严格的准同步，当断路器动作后，并网瞬间暂态冲击电流极小，机组能无冲击、平滑地并入电网，实现柔性切入控制。
在上述的一种可变速抽蓄机组在工况转换过程中调速器和变流器的协调控制方法，柔性准同期并网控制子步骤的补偿控制具体包括：
电压幅值补偿控制：两阶段控制的本质为电压开环控制。在实际并网过程中，受电压和电流采样误差、电机参数变化及变流器响应特性等的影响，机端电压幅值无法准确跟踪电网电压，两者间仍存在一定的幅值差，使得机组并入电网瞬间产生冲击电流，难以实现柔性切入。为此，提出了电压幅值闭环补偿控制策略，如图5(a)所示。根据机端电压与电网电压幅值偏差，通过控制器改变励磁电流的q轴分量，进而对机端电压进行补偿，提高机端电压跟踪电网电压的幅值稳态精度。
转差频率波动电压补偿控制：受变流器直流母线电压波纹、功率器件特性的离散性、AD采样和控制算法的截断误差等影响，转子电势中含有直流分量，导致定子电压幅值存在转差频率的波动。PID控制器对交流信号的跟踪性能较差，无法实现无差控制，因此不能消除该电压波动。针对该问题，提出了谐振补偿控制策略。利用谐振控制器在幅频曲线的目标谐振频率附近形成一个高增益的频带，并使谐振频率随转差频率的变化而变化，由此控制器能够对特定交流信号进行无静差跟踪。然后将控制器产生的信号反馈回变流器控制端，对电压进行补偿控制，消除转差频率的电压波动。谐振控制器的传递函数为：
Figure BDA0002954073310000041
其中，Kp为开环增益，Kr为谐振增益，ωi为截止频率，ωrr为谐振频率，θss为转差频率电压相位，uss为转差频率电压，θgg为电网电压相角，Δθ为移相角，Δθc为补偿角，θTrans为励磁电流坐标变换位置角。
直接相位补偿控制：即根据测量的相位差，通过控制器形成补偿角Δθc，直接调节转子励磁电流的相位，使机端电压与电网电压相位差保持为零，如图5(c)所示。通过控制励磁电流，可迅速使相位差维持在零附近，无需复杂的合闸时机捕捉控制。
在上述的一种可变速抽蓄机组在工况转换过程中调速器和变流器的协调控制方法，柔性模式切换控制步骤具体包括：
将变流器切换前电压控制模式下的控制电流idr1 *和iqr1 *,补偿电压Δudr1 *和Δuqr1 *及机端电压角度分别根据y＝kx和y＝kx-1函数分别切换为，功率控制模式下的控制电流idr2和iqr2,补偿电压Δudr2和Δuqr2及机端电压角度。
在上述的一种可变速抽蓄机组在工况转换过程中调速器和变流器的协调控制方法，负载率提升步骤具体包括：
将变流器的参考指令以单调递增函数的规律线性上升至目标值，函数的斜率可以根据机组启动快慢的需要进行设定。若需要快速启动，则斜率取得更大，但机组转子转速的波动程度更加高；若对启动的快速性要求低，则斜率取得更小，机组转子转速的波动程度更加低。
在上述的一种可变速抽蓄机组在工况转换过程中调速器和变流器的协调控制方法，稳态运行步骤具体包括：
当抽蓄电站偏离额定水头或额定功率时，静态水头Hs或机组出力Pe变化(即工况点变化)时，根据水泵水轮机典型的综合特性曲线，通过转速和导叶开度的联合优化，使水泵水轮机保持在最佳水力效率曲线上运行。
在上述的一种可变速抽蓄机组在工况转换过程中调速器和变流器的协调控制方法，在柔性切出控制步骤中当可变速机组需要停机或转换为水泵工况，则需要进行切出控制，将机组与电网的解列。柔性切出控制要求机组与电网解列瞬间定子的电流接近于零，控制过程包含有三个阶段。
阶段一、甩负荷控制：甩负荷的目的是通过降低转子电流中转矩分量的值，使机组出力或定子电流逐渐趋近于零。与提升负载率阶段类似，机组收到甩负荷指令后，为避免甩负荷过程中机组功率突变造成转速波动程度过大，或系统频率波动强烈，机组的电磁转矩指令按图7中甩负荷函数规律线性下降。
阶段二、解列控制：
待可变速机组的定子电流逐渐减小到零后，给出并网断路器跳闸信号，待断路器动作后，机组在零电流状态下与电网解列，实现柔性切出。
阶段三、电气制动控制：机组切出后，协调控制器给调速器发导叶关闭信号。导叶执行机构动作后，给定子短路断路器合闸信号，待断路器动作后，电机定子绕组短路。然后将转子侧变流器由功率控制模式切换成励磁电压控制模式。在变流器励磁电压(电流)的作用下，电机会产生制动转矩。待机组转速降至零附近后，断开励磁断路器和定子短路断路器以及余下的处于合位的断路器和隔离刀闸，闭锁导叶和变流器PWM触发脉冲，转子励磁电流降为零。关闭电-液伺服机构的油压装置及电气控制电路等，机组在机械阻尼的作用下转速逐渐降为零，彻底停机。
本发明取得了以下的技术效果：1.通过在可变速抽蓄机组工况转换过渡过程中，协调调速器和变流器，机组安全、快速而又柔和地实现了工况转换，并且转换各阶段之间衔接平滑。尤其是切入、切出电网时，大容量的可变速机组电流冲击小，切换过程平稳；2.工况转换控制所需采集的信息量少，控制简单；3.通过对转子励磁电流的调节，机组在转速变化过程中也能完成切入、切出等工况切换流程，对调速器的性能和调速精度要求低。
附图说明
图1为可变速抽蓄机组的简化模型框图。
图2为柔性自启动控制框图。
图3为可变速机组断路器配置。
图4为空载建压控制算法框图。
图5a为机端电压补偿控制(电压幅值补偿控制算法)。
图5b为机端电压补偿控制(转差频率波动电压补偿控制)。
图5c为机端电压补偿控制(相位补偿控制)。
图6为柔性模式切换控制。
图7为升负荷和甩负荷控制。
图8为稳态运行阶段机组的协调控制。
图9为电气制动控制模型。
图10为可变速机组的工况转换时序。
图11a为柔性自启动结果(电磁转矩)。
图11b为柔性自启动结果(机械转矩)。
图11c为柔性自启动结果(机组转速)。
图11d为柔性自启动结果(导叶开度)。
图12a为机组建压和调整结果(机端电压建压过程)。
图12b为机组建压和调整结果(电压差波形)。
图12c为机组建压和调整结果(补偿控制前期电压对比)。
图12d为机组建压和调整结果(补偿控制后期电压对比)。
图12e为机组建压和调整结果(补偿控制前期相位对比)。
图12f为机组建压和调整结果(补偿控制后期相位对比)。
图13a为电压补偿控制结果(无补偿)。
图13b为电压补偿控制结果(仅幅值补偿)。
图13c为电压补偿控制结果(仅转差频率波动补偿)。
图13d为电压补偿控制结果(全补偿)。
图14a为电压波动分析(电网电压和机端电压幅值差)。
图14b为电压波动分析(FFT分析)。
图15a为补偿前、后对比(幅值差)。
图15b为补偿前、后对比(频率差)。
图15c为补偿前、后对比(相位差)。
图16a为并网电流、功率冲击和电压波动(电网电压)。
图16b为并网电流、功率冲击和电压波动(电网电流)。
图16c为并网电流、功率冲击和电压波动(电网有功功率)。
图16d为并网电流、功率冲击和电压波动(电网无功功率)。
图17a为硬、软模式切换电压对比(变流器控制电压)。
图17b为硬、软模式切换电压对比(变流器补偿电压)。
图18a为硬、软模式切换机组冲击、励磁电流对比(定子电压电流冲击)。
图18b为硬、软模式切换机组冲击、励磁电流对比(定子有功无功冲击)。
图18c为硬、软模式切换机组冲击、励磁电流对比(软切换励磁电流)。
图18d为硬、软模式切换机组冲击、励磁电流对比(硬切换励磁电流)。
图19a为增负荷和稳态阶段机组响应。
图19b为减负荷和稳态阶段机组响应。
图20a为有、无电制动下电压与励磁电流对比(无电制动定子电压)。
图20b为有、无电制动下电压与励磁电流对比(无电制动励磁电流)。
图20c为有、无电制动下电压与励磁电流对比(电制动定子电压)。
图20d为有、无电制动下电压与励磁电流对比(电制动励磁电流)。
图21a为有、无电制动机组动态特性对比(电磁转矩和机械转矩)。
图21b为有、无电制动机组动态特性对比(转速和导叶开度)。
图22为硬件在环仿真平台。
图23为机组建压过程。
图24为机组电压调整过程。
图25a为机组电压补偿前后的对比(补偿前)。
图25b为机组电压补偿前后的对比(补偿后)。
图26为并网前、后的波形。
图27为完整的工况转换过程。
图28是本发明的方法原理示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种可变速抽蓄机组在工况转换过程中调速器和变流器的协调控制方法，下面结合附图和具体的实施方式对本发明作进一步的详细说明。
1.柔性自启动。控制器收到启动指令后，首先闭合电机定、转子三相绕组短路断路器，同时闭锁转子侧变流器PWM信号。可变速机组空载，电机的电磁转矩Te＝0。设定调速器的转速参考ωref＝ωr+Δωset，Δωset为常数，ωref随转速ωr动态地增大。调速器将导叶开度逐渐调大(至空载开度)，水泵水轮机输出机械转矩Tm相应增大，拖动机组转子正向加速。当转子到达同步转速附近时，自启动阶段结束。柔性自启动控制框图，如图2所示。
忽略执行机构和水泵水轮机动态，空载加速阶段转子转速方程(kd＝0，无微分项的作用)为：
Figure BDA0002954073310000081
通常ki＜＜kp，可忽略二次项的作用。在调速器参数确定的条件下，机组转速(或导叶开度和水泵水轮机转矩)以近似恒定的速率增大。调整Δωset的值即可直接改变转子加速的斜率，改变加速的速度。若以转速终值ωr0作为调速器转速参考，受积分器的影响，转子加速猛烈、加速转矩大，机组轴系、导叶及转轮承受的冲击力较大，影响机组寿命。并且，转速超调以及稳定时间长，不利于机组快速启动。
2.柔性切入控制。可变速机组工况转换频繁，需要反复地切入和切出电网。由于机组单机容量极大(100MW～500MW)，定子漏抗很小，切入电网时若机端与电网间存在微小的电压差或相位差就会产生极大的破坏性冲击电流，威胁并网安全。因此，切入控制策略，是决定机组能否安全、柔性地并入电网的关键。
异步电机并网方式多、方法灵活，常用的有直接并网、降压并网、软并网、带负载并网、孤岛并网和空载并网。其中，直接并网方式，并网瞬间冲击电流很大，线路电压跌落严重，对电网和机组造成严重冲击，威胁设备安全。降压并网，需要额外的一次设备如电抗器、电阻、断路器和隔离刀闸，并且能耗较高。基于晶闸管的软并网，除需增设额外的设备外，并网电流奇次谐波含量较高，对电网污染较为严重。带负载并网和孤岛并网方式，并网控制需要采集的信息多，控制过程复杂，步骤繁琐，调节时间长，系统稳定性差。
对于可变速机组，宜采用空载并网的方式。该方式具有如下优点，首先，电机的定子电流为零，可以将电机模型降阶并简化控制算法；其次，可最小化并网冲击电流；最后，并网所需的检测量(仅需电网电压)和硬件设备少，并网控制方法简单，实施较为容易。本文在空载并网方式的基础上，提出了可变速机组的两阶段柔性切入协调控制策略，使机组可靠地切入电网的同时，切入瞬间冲击电流极小，确保设备安全。该策略主要包含电机建压控制和并网控制两个阶段。
2.1阶段一：空载建压控制。首先，机组转速被拖至同步速附近(有利于机组并网后迅速进入稳态)后，协调控制器发出定子和转子绕组短路断路器跳闸信号，然后发出转子励磁断路器合闸信号，机组断路器配置如图3所示。断路器动作后，励磁控制系统投入。然后，转子侧变流器控制系统利用采集的电网电压(幅值、频率、相位)信息，先计算电机定子参考磁链幅值|ψs|和磁链相角，然后对转子注入相应的三相励磁电流，由此机端电压在转子磁场的感应作用下逐渐建立起来。
通用软件
Figure BDA0002954073310000091
提供的交流励磁电机仿真模型不能空载运行。由此，文献[4]根据电机在并网前空载和并网后负载下的状态方程和输入输出方程，利用
Figure BDA0002954073310000092
的S函数分别建立了模型。仿真时，在并网前、后分别调用两种模型，并进行两种模型中间状态数据的转移。然而，由于采用的是电机简化模型，而且部分参数靠经验选取，仿真结果与实际偏差较大。本文通过给Simulink中电机模型的定、转子绕组分别并联三相短路绕组，等效于给电机的状态方程产生了两个零输入，由此电机可以进行空载仿真。
采用交流励磁电机在dq0坐标系下的数学模型表达式。利用定子磁场定向的矢量控制方法，将坐标系d轴沿电机定子磁链空间矢量ψs方向定向，得磁链分量ψds＝ψs，ψqs＝0。根据空载时定子电流分量ids＝iqs＝0，对电机模型进行简化、降阶，得建压控制框图，如图4所示。图中，θr为转子角度，θg为电网电压角度，ωg为电网电压角频率，ug为电网电压幅值，udr和uqr为转子控制电压，Δudr1和Δuqr1为补偿电压。
2.2阶段二：柔性准同期并网控制。准同期并网的要求是，机组机端电压和电网电压的幅值差﹑频率差及相位差均小于允许值。而柔性切入控制的要求是，并网瞬间机组的冲击电流尽可能接近于零，以最大限度地降低并网过程对机组和电网的冲击。
传统同步机组输出电压频率取决于转速，需要高性能的原动机-调速器系统进行转子整步和准同步才能完成准同期并网。而对于可变速机组，由于具备了交流励磁系统，机组适应变速运行的能力强。通过协调原动机的调速控制与转子励磁控制，当机组转速稳定在一个较宽的范围时，通过调节励磁电流机组也能进行并网控制。
可变速机组机端电压建立起来后，电压并不能满足准同期并网的要求。因此，控制系统需要根据电网电压、电机转速和转子角度信息，通过调节变流器励磁电流，使转子产生合适的磁链，对机端电压进行补偿控制。待机端电压的幅值、频率和相位满足准同期并网条件后，控制器发出定子侧并网断路器合闸脉冲。由于并网前机端电压经过了严格的准同步，当断路器动作后，并网瞬间暂态冲击电流极小，机组能无冲击、平滑地并入电网，实现柔性切入控制。
1)电压幅值补偿控制。
两阶段控制的本质为电压开环控制。在实际并网过程中，受电压和电流采样误差、电机参数变化及变流器响应特性等的影响，机端电压幅值无法准确跟踪电网电压，两者间仍存在一定的幅值差，使得机组并入电网瞬间产生冲击电流，难以实现柔性切入。为此，提出了电压幅值闭环补偿控制策略，如图5(a)所示。根据机端电压与电网电压幅值偏差，通过控制器改变励磁电流的q轴分量，进而对机端电压进行补偿，提高机端电压跟踪电网电压的幅值稳态精度。
2)转差频率波动电压补偿控制。
受变流器直流母线电压波纹、功率器件特性的离散性、AD采样和控制算法的截断误差等影响，转子电势中含有直流分量，导致定子电压幅值存在转差频率的波动。PID控制器对交流信号的跟踪性能较差，无法实现无差控制，因此不能消除该电压波动。针对该问题，提出了谐振补偿控制策略，如图5(b)所示。该方法利用谐振控制器在幅频曲线的目标谐振频率附近形成一个高增益的频带，并使谐振频率随转差频率的变化而变化，由此控制器能够对特定交流信号进行无静差跟踪。然后将控制器产生的信号反馈回变流器控制端，对电压进行补偿控制，消除转差频率的电压波动。谐振控制器的传递函数为：
Figure BDA0002954073310000101
其中，Kp为开环增益，Kr为谐振增益，ωi为截止频率，ωrr为谐振频率，θss为转差频率电压相位，uss为转差频率电压，θgg为电网电压相角，Δθ为移相角，Δθc为补偿角，θTrans为励磁电流坐标变换位置角。
3)直接相位补偿控制。
实际同期并网过程中，由于控制采用的是电网侧信息，机端电压频率能快速跟踪电网频率。然而，由于磁场定向算法、参数变化、测量误差等因素，机端电压与电网电压间往往存在相位差，导致并网瞬间产生较大冲击电流。
为使相位差为零，可采用传统的频率偏差法，通过调节转子励磁电流的频率，使机端电压与电网电压产生微小的频率偏差Δω，使相位差周期性过零。然后根据断路器固有的动作时间Δt，来捕捉合适的合闸脉冲发出时机，使断路器合闸于相位差为零的点。频率偏差Δω的选择对并网性能影响很大，若Δω过大，则相位差变化过快，不利于合闸时机的捕捉；而Δω过小，则相位差变化过慢，相位差满足条件等待的时间过长，不利于机组快速并网。为此，提出了直接相位差补偿法。即根据测量的相位差，通过控制器形成补偿角Δθc，直接调节转子励磁电流的相位，使机端电压与电网电压相位差保持为零，如图5(c)所示。通过控制励磁电流，可迅速使相位差维持在零附近，无需复杂的合闸时机捕捉控制。
3.柔性模式切换控制。并网前、后转子侧变流器控制模式不同。并网前可变速机组空载，定子电流为零，变流器采用定子磁通直接控制算法。而并网后，定子电流不为零，变流器采用功率解耦控制算法。并网前、后变流器控制策略及电机的运行状态差异较大。对变流器控制系统而言，不仅控制外环不相同，而且补偿电压也不一样。因此，机组成功并入电网后，控制系统需要由电压控制模式切换到功率控制模式，使机组能够响应功率指令。同时，机组有功和无功功率参考值，也应分别按并网前瞬间的实测值进行设定。
直接进行控制模式的硬切换，会引起变流器控制系统工作状态及转子励磁电压的突变，导致切换瞬间电机功率振荡，严重时甚至损坏电机。为保证控制系统的控制外环和电流内环在模式切换前后状态的连续性，转子励磁电流和励磁电压能平稳地进行状态过渡，避免状态突变给机组带来的冲击，提出了柔性切换控制策略，如图6所示。其中，idr2和iqr2为切换后控制电流，Δudr2和Δuqr2为切换后补偿电压，udr和uqr为励磁电压分量，θs为机端电压角度。
4.负载率提升阶段。模式转换完成后，必须先将可变速机组出力调至最低出力以上。由于机组的功率由变流器直接控制而转速由调速器控制，功率的变化必然会导致机组转速波动。功率变化率越高、变化量越大，转速波动越剧烈。为避免转速偏差过大导致水泵水轮机振动加剧、空蚀系数加大，或者因电力系统响应导致频率波动剧烈，变流器的参考指令按图7中升负荷函数规律线性上升至目标值。
5.稳态运行阶段。在该阶段，可变速机组能够自动参与系统调频、受AGC或上级调度系统的控制。转子侧变流器采用文献[1]中的励磁控制算法，运行在功率控制模式，直接、解耦地控制机组有功和无功功率。由于可变速机组绝大多数时间均运行在该阶段，因此，为提高运行的经济性，需要进行转速和导叶开度的优化，提高机组效率。稳态运行阶段协调控制，如图8所示。
6.柔性切出控制。当可变速机组需要停机或转换为水泵工况，则需要进行切出控制，将机组与电网的解列。柔性切出控制要求机组与电网解列瞬间定子的电流接近于零，控制过程包含有三个阶段，如下所述。
1)甩负荷控制。
甩负荷的目的是通过降低转子电流中转矩分量的值，使机组出力(或定子电流)逐渐趋近于零。与提升负载率阶段类似，机组收到甩负荷指令后，为避免甩负荷过程中机组功率突变造成转速波动程度过大，或系统频率波动强烈，机组的电磁转矩指令按图7中甩负荷函数规律线性下降。
2)解列控制。
待可变速机组的定子电流逐渐减小到零后，给出并网断路器跳闸信号，待断路器动作后，机组在零电流状态下与电网解列，实现柔性切出。
3)电气制动控制。
机组切出后，协调控制器给调速器发导叶关闭信号。导叶执行机构动作后，给定子短路断路器合闸信号，待断路器动作后，电机定子绕组短路。然后将转子侧变流器由功率控制模式切换成励磁电压控制模式。在变流器励磁电压(电流)的作用下，电机会产生制动转矩。待机组转速降至零附近后，断开励磁断路器和定子短路断路器以及余下的处于合位的断路器和隔离刀闸，闭锁导叶和变流器PWM触发脉冲，转子励磁电流降为零。关闭电-液伺服机构的油压装置及电气控制电路等，机组在机械阻尼的作用下转速逐渐降为零，彻底停机。电气制动控制模型，如图9所示。可变速机组的工况转换时序，如图10所示。
7.1自启动阶段仿真结果
图11中的结果为，当调速器参考转速ωref＝ωopt、ωref＝ωr+Δωset，而Δωset分别为0.3、0.17、0.04时，发电工况下机组的自启动结果。图中，机组转速到达稳态的时间tr1＝16s、tr2＝12.3s、tr3＝8.1s和tr4＝18.5s；超调量σ1＝27.3％、σ2＝16.4％、σ3＝2.7％和σ4＝0％；转矩峰值ξ1＝0.42、ξ2＝0.38、ξ3＝0.27和ξ4＝0.12。可以看出，采用本文的柔性自启动策略，当取Δωset＝0.17时，不仅机组的启动时间最短，而且转矩反调程度、转速超调量和转矩峰值均处于较低水平。若降低Δωset，虽然反调程度、超调量和转矩峰值均可进一步降低，但机组启动时间增加，不利于快速启动。由此可以证明，在合适的Δωset取值下，本文的策略明显优于传统方案。
7.2切入控制阶段仿真结果
由图12(a)和图12(b)可看出，从8s施加励磁电流开始，机组建压过程非常迅速，机端电压与电网电压的差值迅速减小，但仍无法完全相同。由图12(c)～图12(f)间的对比可知，随着励磁电流的调整，即经过电压幅值和相位补偿控制，机端电压与电网电压的幅值和相位均迅速趋于一致，机端电压在不到2s时间内即已满足并网条件，由此证明了所提补偿控制策略的有效性。
对比图13中的结果，当无任何补偿控制时，机端电压幅值仅0.7p.u.，明显过低，且电压包络存在低频波动。经过幅值补偿控制，电压增至1.0p.u.，但电压包络低频波动仍存在。若仅经过转差频率波动补偿控制，电压包络低频波动消失，但电压幅值仍为0.7p.u.，电压质量明显不满足要求。随着同时施加幅值和转差频率波动补偿控制，机端电压不仅幅值满足要求，而且包络波动消失，电能质量明显改善。
图14为对电网电压与机端电压的幅值差作FFT分析的结果。可见，转差频率波动补偿控制前，机端电压具有明显的低频波动，5次附近谐波的含量比较高。而经过补偿控制，机端电压低频波动明显减小，5次附近谐波污染降低。
由图15可见，在补偿控制前，机端电压与电网电压存在约0.3p.u.的幅值差，及约40度的相位差。由于转子励磁电流坐标变换采用的电网电压信息，因此机端电压与电网电压的频率偏差极小。随着施加电压补偿控制，机端电压与电网电压的幅值差和相位差均迅速减小，保持在零值附近，这代表着两者的电压波形几乎保持一致。由此可以展现所提补偿控制策略对机端电压控制的效果。
通过图16的对比可以看出，采用无励磁直接并网方式，机组的电流和功率冲击最强烈，机端电压的跌落程度最严重。机端电压与电网电压间的相位差对并网冲击程度的影响最大。无相位差补偿(及无补偿)控制下，并网电流和功率冲击及电压跌落程度仅次于无励磁直接并网方式。而无幅值补偿控制下，并网冲击和电压跌落程度显著降低，由此可知幅值差对机组并网冲击的影响有限。无转差波动补偿控制下，并网冲击和电压跌落程度极低，可知低频波动仅对电压质量有影响，对机组并网的影响极小。图中，采用全补偿，机组并网瞬间的冲击及电压跌落程度微乎其微，并网过程平稳，实现了无冲击软并网。
7.3模式转换阶段仿真结果
对比图17可见，硬切换方式由于切换前、后变流器控制系统的d轴和q轴的控制电压和补偿电压均分别不同，切换瞬间会产生电压的突变。并且，控制电压的d轴和q轴分量均产生了明显的尖峰。而软切换控制策略，在切换前、后电压保持连续，无阶跃和尖峰产生。
对比图18(a)和图18(b)，采用硬模式切换方式，定子电压、电流和功率在切换瞬间均产生了明显的冲击尖峰。而采用柔性切换策略，定子电压、电流和功率在切换瞬间均变化平缓，避免了冲击对机组的影响。对比图18(c)和图18(d)，从励磁电流角度看，硬切换和软切换的区别在于，在切换瞬间前者的励磁电流会产生阶跃。励磁电流的急剧变化通过磁场感应引起定子内电势变化，由此在定子产生电压、电流和功率冲击。
7.4增减负荷和稳态运行阶段仿真结果
由图19可见，采用本文的控制方法，在增负荷和减负荷阶段，机组的电磁转矩、机械转矩及励磁电流均以固定的速率变化。在增负荷阶段，导叶开度逐渐增加而机组转速有一个下降的过程；而在甩负荷阶段，导叶开度单调递减至空载开度，而转子有一段持续加速的过程。这个现象是由电磁转矩响应和机械转矩响应速率之间的不匹配，机组转子的“飞轮效应”引起的。
7.5电制动阶段仿真结果
对比图20，没有采用电制动方式时，当定子短路断路器闭合且转子励磁变流器的PWM信号闭锁后，机端电压和励磁电流迅速降为零，无制动转矩产生。而采用本文的电制动策略，当定子短路断路器闭合后，机端电压会维持在一个较低的水平，这是由于转子励磁电流产生的磁动势在定子绕组感应出内电势，并在短路电阻上通过定子电流产生电压所致。由于定子电势由转子磁场产生，由楞次定律可知，定子电流产生的磁场必然阻挠转子的运动，即产生转子制动转矩。
对比图21可见，有、无电制动控制下，机组的机械转矩和导叶开度的动态响应曲线均分别一致。这是由于电制动改变的是机组电气部分的响应，而机械转矩和导叶开度由调速器控制，属于机组的机械部分，因此不受影响。在图中，采用电制动控制方式，机组的电磁转矩会增大，由此转子所受的阻尼相应增大(电磁转矩曲线与0坐标轴所围的面积代表电磁阻尼所做的功)，转子转速下降得更快，因此机组停机更迅速。
7.6实验结果
为从实验的角度检验本文所提策略的实际效果，采用加拿大
Figure BDA0002954073310000141
公司的
Figure BDA0002954073310000142
软件和OP5700仿真机作为核心搭建了可变速机组与可再生能源联合运行系统硬件在环实验平台，如图22所示。该平台采用
Figure BDA0002954073310000143
的双馈变流器控制器，控制器与仿真机之间利用光纤通信，采用Aurora高速通信协议。中央控制器负责控制机侧和网侧变流器的有功、无功等控制指令，使用
Figure BDA0002954073310000144
公司的TMS320F240型DSP，也采用光纤通信形式和Aurora协议。
图23中可见，机组建压过程非常迅速，经过一个短暂的波动后，在0.24s内机组的电压便建立起来。图24中，在调整前机端电压和电网电压存在相位差，调整后机端电压与电网电压保持一致。图25中，在补偿控制前，机端电压幅值在400V左右，电压偏低而且电压包络存在低频波动。而补偿后，电压幅值升至500V左右，而且电压包络低频波动消失。图26中，0.12s处并网断路器合闸，机组并入电网，在并网的瞬间机组励磁电流有微小扰动。图27为可变速机组在发电模式下完整的工况转换过程。整个转换过程耗时120s(2min)，机组从启动到切入电网耗时约15s，而常规抽蓄机组并网通常需要3min左右，由此可以看出所提策略的优越性。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (10)

1.一种可变速抽蓄机组在工况转换过程中调速器和变流器的协调控制方法，其特征在于，针对水泵水轮机模式下由静止转发电和发电转静止2种工况，包括柔性自启动步骤、柔性切入控制步骤、柔性模式切换步骤、负载率提升步骤、稳态运行步骤和柔性切出控制步骤；
柔性自启动步骤：用于对调速器进行控制，将导叶的开度逐渐调至空载开度，将机组转子的转速快速而以很小的超调量拉至同步转速附近；过程中，通过自启动算法，使机组的转速以近似恒定的加速度线性地增大；
柔性切入控制步骤：根据电网侧的电压信息，对转子的三相交流励磁系统即背靠背变流器进行控制，使机端电压与电网电压保持一致；然后闭合并网断路器，机组与电网以零冲击电流的方式连接；
柔性模式切换步骤：机组在并入电网后，对变流器励磁控制系统的控制模式进行切换，由原来的电压控制模式切换成功率控制模式；
负载率提升步骤：用于将机组的出力增加到机组稳态允许的最低出力线以上，避免机组运行失稳；
稳态运行步骤：机组长时间的稳态运行；为了提高机组的长时间运行效率和经济性，对机组进行转速和导叶开度优化，使水泵水轮机始终运行在最佳水力效率区；
柔性切出控制步骤：首先将机组的出力逐渐调至最低，将机组的负荷卸下；然后机组以零电流的方式与电网断开，避免了断开瞬间对机组和电网的电流冲击；最后，通过将定子绕组进行短路，而变流器继续产生励磁电流，使机组产生电制动转矩，机组转速快速降低，最后停机。
2.根据权利要求1所述的一种可变速抽蓄机组在工况转换过程中调速器和变流器的协调控制方法，其特征在于，柔性自启动步骤，控制器收到启动指令后，首先闭合电机定、转子三相绕组短路断路器，同时闭锁转子侧变流器PWM信号；可变速机组空载，电机的电磁转矩Te＝0；设定调速器的转速参考ωref＝ωr+Δωset，Δωset为常数，ωref随转速ωr动态地增大；调速器将导叶开度逐渐调大至空载开度，水泵水轮机输出机械转矩Tm相应增大，拖动机组转子正向加速；当转子到达同步转速附近时，自启动阶段结束；忽略执行机构和水泵水轮机动态，空载加速阶段转子转速方程(kd＝0，无微分项的作用为：
Figure FDA0002954073300000011
通常ki＜＜kp，可忽略二次项的作用；在调速器参数确定的条件下，机组转速(或导叶开度和水泵水轮机转矩)以近似恒定的速率增大；调整Δωset的值即可直接改变转子加速的斜率，改变加速的速度；若以转速终值ωr0作为调速器转速参考，受积分器的影响，转子加速猛烈、加速转矩大，机组轴系、导叶及转轮承受的冲击力较大，影响机组寿命；并且，转速超调以及稳定时间长，不利于机组快速启动。
3.根据权利要求2所述的一种可变速抽蓄机组在工况转换过程中调速器和变流器的协调控制方法，其特征在于，柔性切入控制步骤包含空载建压控制子步骤和柔性准同期并网控制子步骤；
空载建压控制子步骤：根据电网侧的电压信息，对转子的三相交流励磁系统进行控制，使机端电压与电网电压保持一致；然后闭合并网断路器，机组与电网以零冲击电流的方式连接；
柔性准同期并网控制子步骤：机组在并入电网后，对变流器励磁控制系统的控制模式进行切换，由原来的电压控制模式切换成功率控制模式。
4.根据权利要求3所述的一种可变速抽蓄机组在工况转换过程中调速器和变流器的协调控制方法，其特征在于，空载建压控制子步骤具体包括：
首先，机组转速被拖至同步速附近后，协调控制器发出定子和转子绕组短路断路器跳闸信号，然后发出转子励磁断路器合闸信号；断路器动作后，励磁控制系统投入；
然后，转子侧变流器控制系统利用采集的电网电压信息，先计算电机定子参考磁链幅值|ψs|和磁链相角，然后对转子注入相应的三相励磁电流，由此机端电压在转子磁场的感应作用下逐渐建立起来；
给Simulink中电机模型的定、转子绕组分别并联三相短路绕组，等效于给电机的状态方程产生了两个零输入，由此电机能够进行空载仿真。
5.根据权利要求3所述的一种可变速抽蓄机组在工况转换过程中调速器和变流器的协调控制方法，其特征在于，柔性准同期并网控制子步骤中，控制系统需要根据电网电压、电机转速和转子角度信息，通过调节变流器励磁电流，使转子产生合适的磁链，对机端电压进行补偿控制；待机端电压的幅值、频率和相位满足准同期并网条件后，控制器发出定子侧并网断路器合闸脉冲；由于并网前机端电压经过了严格的准同步，当断路器动作后，并网瞬间暂态冲击电流极小，机组能无冲击、平滑地并入电网，实现柔性切入控制。
6.根据权利要求3所述的一种可变速抽蓄机组在工况转换过程中调速器和变流器的协调控制方法，其特征在于，柔性准同期并网控制子步骤的补偿控制具体包括：
电压幅值补偿控制：采用电压幅值闭环补偿控制策略，根据机端电压与电网电压幅值偏差，通过控制器改变励磁电流的q轴分量，进而对机端电压进行补偿，提高机端电压跟踪电网电压的幅值稳态精度；
转差频率波动电压补偿控制：受变流器直流母线电压波纹、功率器件特性的离散性、AD采样和控制算法的截断误差等影响，转子电势中含有直流分量，导致定子电压幅值存在转差频率的波动；PID控制器对交流信号的跟踪性能较差，无法实现无差控制，因此不能消除该电压波动；针对该问题，提出了谐振补偿控制策略；利用谐振控制器在幅频曲线的目标谐振频率附近形成一个高增益的频带，并使谐振频率随转差频率的变化而变化，由此控制器能够对特定交流信号进行无静差跟踪；然后将控制器产生的信号反馈回变流器控制端，对电压进行补偿控制，消除转差频率的电压波动；谐振控制器的传递函数为：
Figure FDA0002954073300000031
其中，Kp为开环增益，Kr为谐振增益，ωi为截止频率，ωrr为谐振频率，θss为转差频率电压相位，uss为转差频率电压，θgg为电网电压相角，Δθ为移相角，Δθc为补偿角，θTrans为励磁电流坐标变换位置角；
直接相位补偿控制：即根据测量的相位差，通过控制器形成补偿角Δθc，直接调节转子励磁电流的相位，使机端电压与电网电压相位差保持为零，通过控制励磁电流，可迅速使相位差维持在零附近，无需复杂的合闸时机捕捉控制。
7.根据权利要求1所述的一种可变速抽蓄机组在工况转换过程中调速器和变流器的协调控制方法，其特征在于，柔性模式切换控制步骤具体包括：
将变流器切换前电压控制模式下的控制电流idr1 *和iqr1 *,补偿电压Δudr1 *和Δuqr1 *及机端电压角度分别根据y＝kx和y＝kx-1函数分别切换为，功率控制模式下的控制电流idr2和iqr2,补偿电压Δudr2和Δuqr2及机端电压角度。
8.根据权利要求1所述的一种可变速抽蓄机组在工况转换过程中调速器和变流器的多阶段柔性协调控制策略，其特征在于，负载率提升步骤具体包括：
将变流器的参考指令以单调递增函数的规律线性上升至目标值，函数的斜率可以根据机组启动快慢的需要进行设定；若需要快速启动，则斜率取得更大，但机组转子转速的波动程度更加高；若对启动的快速性要求低，则斜率取得更小，机组转子转速的波动程度更加低。
9.根据权利要求1所述的一种可变速抽蓄机组在工况转换过程中调速器和变流器的协调控制方法，其特征在于，稳态运行步骤具体包括：
当抽蓄电站偏离额定水头或额定功率时，静态水头Hs或机组出力Pe变化时，根据水泵水轮机典型的综合特性曲线，通过转速和导叶开度的联合优化，使水泵水轮机保持在最佳水力效率曲线上运行。
10.根据权利要求1所述的一种可变速抽蓄机组在工况转换过程中调速器和变流器的多阶段柔性协调控制策略，其特征在于，在柔性切出控制步骤中当可变速机组需要停机或转换为水泵工况，则需要进行切出控制，将机组与电网的解列；柔性切出控制要求机组与电网解列瞬间定子的电流接近于零，控制过程包含有三个阶段；
阶段一、甩负荷控制：甩负荷的目的是通过降低转子电流中转矩分量的值，使机组出力或定子电流逐渐趋近于零；与提升负载率阶段类似，机组收到甩负荷指令后，为避免甩负荷过程中机组功率突变造成转速波动程度过大，或系统频率波动强烈，机组的电磁转矩指令按甩负荷函数规律线性下降；
阶段二、解列控制：
待可变速机组的定子电流逐渐减小到零后，给出并网断路器跳闸信号，待断路器动作后，机组在零电流状态下与电网解列，实现柔性切出；
阶段三、电气制动控制：机组切出后，协调控制器给调速器发导叶关闭信号；导叶执行机构动作后，给定子短路断路器合闸信号，待断路器动作后，电机定子绕组短路；然后将转子侧变流器由功率控制模式切换成励磁电压控制模式；在变流器励磁电压或电流的作用下，电机会产生制动转矩；待机组转速降至零附近后，断开励磁断路器和定子短路断路器以及余下的处于合位的断路器和隔离刀闸，闭锁导叶和变流器PWM触发脉冲，转子励磁电流降为零；关闭电-液伺服机构的油压装置及电气控制电路等，机组在机械阻尼的作用下转速逐渐降为零，彻底停机。
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