CN115842494A - 一种预装式调相机励磁控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种预装式调相机励磁控制系统及控制方法，包括SFC装置、励磁装置、DCS监控装置、调相机和变压器；DCS监控装置，用于监控SFC装置、励磁装置、调相机和变压器；SFC装置，用于基于直流侧并联切换及系统电压跟踪技术，启动调相机并网；励磁装置，用于基于无功外环‑电压内环的双闭环控制方法以控制调相机。一方面，采用SFC装置启动调相机并网，避免了调相机直接启动对电网的冲击，提高了电网运行的可靠度，提高了设备的使用寿命。另一方面，采用双闭环控制方法实现对调相机无功‑电压的协调控制，能够实现同步机组的平稳启动。

Description

一种预装式调相机励磁控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及一种预装式调相机励磁控制系统及控制方法，属于励磁控制技术领域。

背景技术

电力系统中的主要负载是异步电动机和变压器。这些设备均从电网汲取大量的无功功率以供其励磁之用。所以，电网担负着很大一部分电感性的无功电流，导致电网的功率因数降低，以致发电机和输配电设备的作用不能充分发挥，线路损耗和电压损失增大，输电质量变坏，甚至影响输电的稳定性。由于同步电机处在过励状态时，可以从电网汲取相位超前于电压的电流，从而改善电网的功率因数，因此在过去的生产实际中，除选用一部分同步电动机外，还在电网的受电端装设一些同步调相机，用于改善电网的功率因数。

励磁系统对调相机暂态、稳态性能起到非常重要的作用，在无功分配、维持机端电压稳定、改善系统运行条件等方面至关重要。但是常规励磁以控制调相机机端电压为目标，在提高电网故障动态无功补偿性能方面没有针对性设计。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域普通技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种预装式调相机励磁控制系统及控制方法，一方面，采用SFC装置启动调相机并网，避免了调相机直接启动对电网的冲击，提高了电网运行的可靠度，提高了设备的使用寿命，同时SFC装置的调速范围比较宽广，频率控制精度高，有效满足了调相机对转速的高标准要求。另一方面，采用双闭环控制方法实现对调相机无功-电压的协调控制，能够实现同步机组的平稳启动，加宽了无功运行范围，加快了无功功率控制响应速度，提升了无功功率过载能力。

为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：

第一方面，本发明公开了一种预装式调相机励磁控制系统，包括SFC装置、励磁装置、DCS监控装置、调相机和变压器；所述DCS监控装置分别连接SFC装置、励磁装置、调相机和变压器；所述SFC装置和励磁装置分别连接调相机，所述调相机通过变压器接入系统母线；

所述DCS监控装置，用于监控SFC装置、励磁装置、调相机和变压器；

所述SFC装置，用于基于直流侧并联切换及系统电压跟踪技术，启动调相机并网；

所述励磁装置，用于基于无功外环-电压内环的双闭环控制方法以控制调相机。

进一步的，所述SFC装置采用三相桥式全控电路。

进一步的，所述励磁装置采用能够切换他励方式到自并励方式切换的励磁装置；

其中，响应于SFC装置退出运行前，励磁装置采用他励方式；响应于SFC装置退出运行后，励磁装置采用自并励方式。

进一步的，所述励磁装置内设有负调差模块和AVR控制模块；

响应于系统母线电压跌落至预设的电压阈值时，负调差模块用于提供额外电压给定于AVR控制模块，以间接提升母线电压。

进一步的，所述负调差模块的负调差系数范围为-7％至-5％。

进一步的，所述AVR控制模块包括并联PID控制模式与串联PID控制模式。

第二方面，本发明公开了一种预装式调相机励磁控制方法，应用于励磁装置，包括如下步骤：

获取调相机的电压参考值和机端电压采样值；

根据所述电压参考值和机端电压采样值，基于PID计算，得到整流桥触发脉冲，进而实现对调相机励磁电压的工作；

其中，所述电压参考值包括内环电压参考值和外环无功功率参考值。

第三方面，本发明公开了一种预装式调相机励磁控制方法，应用于SFC装置，包括如下步骤：

响应于接收到DCS监控装置发出的启动并网指令，拖动调相机运行至105％额定转速；

响应于接收到DCS监控装置发出的退出信号，SFC装置退出运行，以使得调相机进入惰走状态。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：

本发明一方面，采用SFC装置启动调相机并网，避免了调相机直接启动对电网的冲击，提高了电网运行的可靠度，提高了设备的使用寿命，同时SFC装置的调速范围比较宽广，频率控制精度高，有效满足了调相机对转速的高标准要求。另一方面，采用双闭环控制方法实现对调相机无功-电压的协调控制，能够实现同步机组的平稳启动，加宽了无功运行范围，加快了无功功率控制响应速度，提升了无功功率过载能力。

本发明还采用了AVR控制模块，能够在保证控制稳定裕度前提下采用较大的静态放大倍数，必要时可以采用励磁电流反馈、电力系统电压调节器等附加控制，以保证在母线电压幅值波动时励磁系统及早达到强励顶值电压输出，提升响应速度、增强支撑力度。

本发明还设置了负调差模块，来达到母线电压波动时更大的无功响应幅度目的，即当系统母线电压跌落时，励磁控制系统除控制机组电压在给定值以外还会额外提供一个附加电压给定于AVR控制模块，用于间接提升系统母线电压，同时可以防止过度补偿导致两台调相机之间出现无功振荡，保持机组稳态分配稳定的同时加强了调相机与系统的电气联系。

附图说明

图1是一种预装式调相机励磁控制系统的模块示意图。

图2是SFC装置的原理流程图。

图3是无功-电压协调控制示意图。

图4是启动励磁装置开机波形示意图；

图5是启动励磁装置保护停机波形。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例1

本实施例1公开了一种预装式调相机励磁控制系统，包括SFC装置、励磁装置、DCS监控装置、调相机和变压器；DCS监控装置分别连接SFC装置、励磁装置、调相机和变压器；SFC装置和励磁装置分别连接调相机，调相机通过变压器接入系统母线；

DCS监控装置，用于监控SFC装置、励磁装置、调相机和变压器；

SFC装置，用于基于直流侧并联切换及系统电压跟踪技术，启动调相机并网；

励磁装置，用于基于无功外环-电压内环的双闭环控制方法以控制调相机。

本发明的技术构思为：一方面，采用SFC装置启动调相机并网，避免了调相机直接启动对电网的冲击，提高了电网运行的可靠度，提高了设备的使用寿命，同时SFC装置的调速范围比较宽广，频率控制精度高，有效满足了调相机对转速的高标准要求。另一方面，采用双闭环控制方法实现对调相机无功-电压的协调控制，能够实现同步机组的平稳启动，加宽了无功运行范围，加快了无功功率控制响应速度，提升了无功功率过载能力。

具体工作原理如下：

(1)启动SFC装置，并拖动调相机运行至105％额定转速；此时励磁装置为他励方式。

(2)断开SFC装置，调相机进入惰走状态，励磁装置切换为自并励方式对调相机进行励磁，建立机端额定电压；

(3)调相机惰走减速至额定转速时，成功并网。

工作人员能够通过DCS监控装置对控制系统的各个装置进行实时监控并下发指令。

SFC装置，即静止变频启动装置，采用三相桥式全控电路，能够提供12脉波和6脉波两种拓扑结构，通过串联可实现电压以及功率的扩展，并能将变频器对电网和电机的谐波影响降低到最小程度。工作原理如图2所示：

SFC装置处于停机状态下，检测辅助系统电源正常，且无故障、无告警信号时进入“SFC就绪状态”，发出“SFC就绪”信号给DCS监控装置。

DCS监控装置给需要启动机组的高压隔离开关下发合闸指令，高压隔离开关闭合时，SFC装置具备了启动条件。SFC装置在收到人工就地启动或者监控远程启动命令时，根据启动命令信号判断待启动的机组。

SFC装置开启散热风机，闭合待启动机组的切换开关。切换开关闭合成功后，SFC装置下发输入断路器闭合指令。输入断路器位置节点反馈正确的情况下，SFC装置控制励磁装置工作并触发SFC脉冲，拖动调相机加速。当转速拖至105％额定转速时，SFC装置向DCS监控装置发出“转速到达”指令。DCS监控装置收到后，根据情况适时向SFC装置下发退出指令，SFC装置收到退出指令后，停励磁控制、封脉冲，监控断开高压隔离开关，控制励磁系统进行主励、启励的切换以及升压等操作。之后根据监控的指令进行下一步操作。此时根据现场启动情况，可能由3种情况，分别为“快速再启动”、“启动下一台机组”、“SFC系统停机”。

其中，开启散热风机包括如下步骤：

X1、开启第一个风机；每次开机时，启动的风机会自动轮换；

X2、15秒内如果没有检测到风压，则关闭第一个风机，启动第二个风机；

X3、15秒内如果还没有检测到风压，则同时启动2个风机，并报功率柜故障；

X4、当转子电流>20％或定子电压>40％时，统计功率柜故障数量；

X5、如果功率柜故障数量为1台，则功率柜故障后，自动切脉冲；如果2台及以上数量的功率柜故障，励磁系统同时投入所有功率柜的脉冲；

X6、调节器停机后，风机延时30秒，充分散热后关闭。

采用直流侧并联切换及系统电压跟踪技术，能够在调相机启动阶段配合SFC装置完成拖动，缩短了启动励磁和主励磁的切换时间及主励磁升压时间，启动及并网阶段配合开机顺控流程的成功率高达100％。

励磁装置内设有负调差模块和AVR控制模块；响应于系统母线电压跌落至预设的电压阈值时，负调差模块用于提供额外电压给定于AVR控制模块，以间接提升母线电压。

其中，负调差模块的负调差系数范围为-7％至-5％。AVR控制模块包括并联PID控制模式与串联PID控制模式。

典型调相机视在功率为412MVA，额定无功功率为300Mvar，则当机组达到额定功率时其无功标幺值为300/412＝0.73。当负调差系数分别设置为-5％与-7％时，附加电压给定分别为3.65％和5.11％。考虑到机组电压运行范围不超越额定值的±5％，推荐负调差为-7％～-5％范围。并网点等效调差为+8％～+10％，可以防止过度补偿导致两台调相机之间出现无功振荡，保持机组稳态分配稳定的同时加强了调相机与系统的电气联系。

正常运行时，励磁装置通过获取调相机的运行工况，包括实时电压、实时电流和励磁电压、励磁电流，计算出实时控制变量Uc，转换成角度脉冲后触发整流桥，实现整流桥输出电压控制继而实现调相机转子电流和机端电压控制。

系统母线电压出现波动时，励磁装置通过跟踪机端电压给定值来快速调节励磁装置输出即无功功率，保持交流母线电压稳定。当系统因短路等故障出现大幅电压跌落时，AVR控制模块可以自动实现强励有力提升交流母线电压，大大降低直流换相失败概率，实现故障过程的电压支撑。

从调相机无功功率角度出发，常规发电机组并网后的控制方式以电压闭环调节为主，控制目标为稳定机端电压，实现机端电压实际值跟随参考值变化，机端电压参考值通过外部增减磁命令进行调整。而调相机没有原动机，运行时从电网吸收少量有功功率维持其损耗，通过励磁控制机端电压和无功功率。

因此，本系统提出了基于无功外环-电压内环的双闭环控制方法以控制调相机，双闭环控制的内环是机端电压闭环，调节速度快；外环是无功功率闭环，调节速度慢。调相机的无功功率运行工况由一个无功外环控制来实现与AVR控制模块协调控制，共同实现电压支撑和稳态无功工况调节。

如图3所示，系统正常运行时，运行人员可以通过增减磁指令来调节外环无功功率的参考值。无功功率参考值Q_ref的变化经过积分运算后，会叠加到内环的电压参考值U_ref，从而改变机端参考值；电压参考值U_ref与机端电压采样值U_g的偏差经过PID计算后，输出U_k为整流桥触发角度余弦值；当外环无功功率参考值变化后，通过外环作用在电压参考值U_ref上，再经过内环的PID计算作用在U_k，实现对励磁电压的调节，从而实现对调相机无功功率Q_g的调节。

调相机无功功率的变化，经计算后作用于电压参考值变化，再经内环PID环节计算，输出控制脉冲；无功功率调节方式既能保证机组在稳态时保持一定的无功功率基本不变，又能在暂态时保持一定的电压水平不变，从而保证在不改变调相机对电网电压水平支撑能力的前提下，保持相对恒定的无功功率输出。

调相机机端电压的变化，直接经电压PID环节计算后，作用在输出的控制脉冲上；当机端电压发生变化时，调节器保持快速响应，保证调相机对电网电压水平的支撑，起到在暂态时维持电压稳定的调节效果。

为提高调相机无功功率响应速度、充分发挥调相机高倍数强励电压的优势，AVR控制模块可以在保证控制稳定裕度前提下采用较大的静态放大倍数，必要时可以采用励磁电流反馈、PSVR(电力系统电压调节器)等附加控制，以保证在母线电压幅值波动时励磁系统及早达到强励顶值电压输出，提升响应速度、增强支撑力度。启动励磁装置开机波形示意图如图4所示，启动励磁装置保护停机波形如图5所示。

需要补充的是，本系统还设有知识图谱模块，用于对变压器的损耗进行监控，实时判断变压器故障。知识图谱模块的表达式如下：

式中，Q为变压器损耗值，U为需要进行补偿的变压器一侧的阻抗电压百分值；I_m为母线装设补偿装置后，通过变压器需要补偿一侧的最大负荷电流值；I_e为变压器需要补偿一侧的额定电流值；I₀为变压器空载电流百分值；S_e为变压器需要补偿一侧的额定容量。

知识图谱模块对损耗数值进行记载，并绘制变压器损耗知识图谱，将实时监测的数据和知识图谱预测的数据之间进行碰撞，对于超出预测范围的数据进行报警处理。

实施例2

本实施例2公开了一种预装式调相机励磁控制方法，应用于励磁装置，包括如下步骤：

获取调相机的电压参考值和机端电压采样值；

根据电压参考值和机端电压采样值，基于PID计算，得到整流桥触发脉冲，进而实现对调相机励磁电压的工作；

其中，电压参考值包括内环电压参考值和外环无功功率参考值。

实施例3

本实施例3公开了一种预装式调相机励磁控制方法，应用于SFC装置，包括如下步骤：

响应于接收到DCS监控装置发出的启动并网指令，拖动调相机运行至105％额定转速；

响应于接收到DCS监控装置发出的退出信号，SFC装置退出运行，以使得调相机进入惰走状态。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种预装式调相机励磁控制系统，其特征是，包括SFC装置、励磁装置、DCS监控装置、调相机和变压器；所述DCS监控装置分别连接SFC装置、励磁装置、调相机和变压器；所述SFC装置和励磁装置分别连接调相机，所述调相机通过变压器接入系统母线；

所述DCS监控装置，用于监控SFC装置、励磁装置、调相机和变压器；

所述SFC装置，用于基于直流侧并联切换及系统电压跟踪技术，启动调相机并网；

所述励磁装置，用于基于无功外环-电压内环的双闭环控制方法以控制调相机。

2.根据权利要求1所述的预装式调相机励磁控制系统，其特征是，所述SFC装置采用三相桥式全控电路。

3.根据权利要求1所述的预装式调相机励磁控制系统，其特征是，所述励磁装置采用能够切换他励方式到自并励方式切换的励磁装置；

其中，响应于SFC装置退出运行前，励磁装置采用他励方式；响应于SFC装置退出运行后，励磁装置采用自并励方式。

4.根据权利要求1所述的预装式调相机励磁控制系统，其特征是，所述励磁装置内设有负调差模块和AVR控制模块；

响应于系统母线电压跌落至预设的电压阈值时，负调差模块用于提供额外电压给定于AVR控制模块，以间接提升母线电压。

5.根据权利要求4所述的预装式调相机励磁控制系统，其特征是，所述负调差模块的负调差系数范围为-7％至-5％。

6.根据权利要求5所述的预装式调相机励磁控制系统，其特征是，所述AVR控制模块包括并联PID控制模式与串联PID控制模式。

7.一种预装式调相机励磁控制方法，应用于权利要求1-6任一所述的励磁装置，其特征是，包括如下步骤：

获取调相机的电压参考值和机端电压采样值；

根据所述电压参考值和机端电压采样值，基于PID计算，得到整流桥触发脉冲，进而实现对调相机励磁电压的工作；

其中，所述电压参考值包括内环电压参考值和外环无功功率参考值。

8.一种预装式调相机励磁控制方法，应用于权利要求1-6任一所述的SFC装置，其特征是，包括如下步骤：

响应于接收到DCS监控装置发出的启动并网指令，拖动调相机运行至105％额定转速；

响应于接收到DCS监控装置发出的退出信号，SFC装置退出运行，以使得调相机进入惰走状态。

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