CN117996772A - 一种小容量变速调相机的控制方法及系统 - Google Patents

一种小容量变速调相机的控制方法及系统 Download PDF

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梁博韬
朱跃
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Abstract

本发明提供了一种小容量变速调相机的控制方法及系统，通过变速调相机上的主控制系统，获取当前电网电压和电网频率；当电网电压触发电压设定值时，控制所述变速调相机启动变流，通过变速调相机的电压模值的控制，维持电网电压；当电网频率触发电频设定值时，控制所述变速调相机启动变流，通过变速调相机的转子电频率的控制，维持电网频率，本发明所述是调相机控制方法，具备了电网频率调节能力增强了同步调相机的惯量支撑和电压调节能力。

Description

一种小容量变速调相机的控制方法及系统
技术领域
本发明属于调相机领域，具体涉及一种小容量变速调相机的控制方法及系统。
背景技术
调相机作为一种无机械负载，处于特殊工作状态下的电动机，可以快速地向电网提供动态无功补偿，对电网的稳定运行具有重要作用。随着新能源电站接入电网的容量和占比不断增大，电能质量问题日益突出，电网对无功功率的需求与日俱增。利用双馈的控制方法，实现调相机的快速动态速度响应，可以增强新能源场站调频、调压、转动惯量和短路容量支撑能力。
目前应用于新能源行业的调相机均为同步调相机；同步调相机具备一定的调频、调压、惯量和短路容量支撑能力，但是这四种能力有限，于是需要提升调相机的输出能力，以适应新能源急剧增长的需求。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本发明提出一种小容量变速调相机的控制方法，包括：
通过变速调相机上的主控制系统，获取当前电网电压和电网频率；
当电网电压触发电压设定值时，控制所述变速调相机启动变流，通过变速调相机的电压模值的控制，维持电网电压；
当电网频率触发电频设定值时，控制所述变速调相机启动变流，通过变速调相机的转子电频率的控制，维持电网频率。
优选的，所述当电网频率触发电频设定值时，控制所述变速调相机启动变流，通过变速调相机的转子电频率的控制，维持电网频率，包括：
当电网频率降低到电频设定值时，通过控制变速调相机的转子电频率升高，实现有功功率的输出，以维持电网频率的平衡；
当电网频率升高到电频设定值时，通过控制变速调相机的转子电频率降低实现有功功率的吸收，以维持电网频率的平衡。
优选的，所述通过控制变速调相机的转子电频率升高，实现有功功率的输出，以维持电网频率的平衡，包括：
通过控制变速调相机的转子电频率升高，降低变速调相机的转子转速，将变速调相机的转子的机械能转化为电能，实现有功功率的输出，以维持电网频率的平衡。
优选的，所述通过控制变速调相机的转子电频率降低实现有功功率的吸收，以维持电网频率的平衡，包括：
通过控制变速调相机的转子电频率降低，升高变速调相机的转子转速，将电能转化为变速调相机的转子的机械能，实现有功功率的吸收，以维持电网频率的平衡。
优选的，所述当电网电压触发电压设定值时,控制所述变速调相机启动变流，通过变速调相机的电压模值的控制，维持电网电压，包括：
当电网电压降低到电压设定值时，通过控制变速调相机的电压模值升高实现无功功率的输出，以维持电网电压；
当电网电压升高到电压设定值时，通过控制变速调相机的电压模值降低实现无功功率的吸收，以维持电网电压的平衡。
基于同一种发明构思，本发明提供了一种小容量变速调相机的控制系统，包括：
获取模块，用于通过变速调相机上的主控制系统，获取当前电网电压和电网频率；
电压触发模块，用于当电网电压触发电压设定值时，控制所述变速调相机启动变流，通过变速调相机的电压模值的控制，维持电网电压；
电频触发模块，用于当电网频率触发电频设定值时，控制所述变速调相机启动变流，通过变速调相机的转子电频率的控制，维持电网频率。
优选的，所述电频触发模块具体用于：
当电网频率降低到电频设定值时，通过控制变速调相机的转子电频率升高，实现有功功率的输出，以维持电网频率的平衡；
当电网频率升高到电频设定值时，通过控制变速调相机的转子电频率降低实现有功功率的吸收，以维持电网频率的平衡。
优选的，所述电频触发模块通过控制变速调相机的转子电频率升高，实现有功功率的输出，以维持电网频率的平衡，包括：
通过控制变速调相机的转子电频率升高，降低变速调相机的转子转速，将变速调相机的转子的机械能转化为电能，实现有功功率的输出，以维持电网频率的平衡。
优选的，所述电频触发模块通过控制变速调相机的转子电频率降低实现有功功率的吸收，以维持电网频率的平衡，包括：
通过控制变速调相机的转子电频率降低，升高变速调相机的转子转速，将电能转化为变速调相机的转子的机械能，实现有功功率的吸收，以维持电网频率的平衡。
优选的，所述电压触发模块具体用于：
当电网电压降低到电压设定值时，通过控制变速调相机的电压模值升高实现无功功率的输出，以维持电网电压；
当电网电压升高到电压设定值时，通过控制变速调相机的电压模值降低实现无功功率的吸收，以维持电网电压的平衡。
与最接近的现有技术相比，本发明具有的有益效果如下：
本发明提供了一种小容量变速调相机的控制方法及系统，包括通过变速调相机上的主控制系统，获取当前电网电压和电网频率；当电网电压触发电压设定值时，控制所述变速调相机启动变流，通过变速调相机的电压模值的控制，维持电网电压；当电网频率触发电频设定值时，控制所述变速调相机启动变流，通过变速调相机的转子电频率的控制，维持电网频率；通过本发明的变速调相机的控制方法，增强了同步调相机的惯量支撑和同步调相机的电压调节能力。
附图说明
图1为本发明一种小容量变速调相机的控制方法；
图2为本发明一种小容量变速调相机的主回路示意图；
图3为本发明一种小容量变速调相机的控制方法的双馈异步电机物理结构示意图；
图4为本发明一种小容量变速调相机的控制系统。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。
实施例1：
本发明提供了如图1所示的一种小容量变速调相机的控制方法，
通过变速调相机上的主控制系统，获取当前电网电压和电网频率；
当电网电压触发电压设定值时，控制所述变速调相机启动变流，通过变速调相机的电压模值的控制，维持电网电压；
当电网频率触发电频设定值时，控制所述变速调相机启动变流，通过变速调相机的转子电频率的控制，维持电网频率。
所述小容量变速调相机变速调相机控制方法，通过控制转子电压模值即可实现无功功率调节，控制转子电频率即可实现电机转速调节，进而增强调相机输出性能。
具体的，所述当电网频率触发电频设定值时，控制所述变速调相机启动变流，通过变速调相机的转子电频率的控制，维持电网频率，包括：
当电网频率降低到电频设定值时，通过控制变速调相机的转子电频率升高，实现有功功率的输出，以维持电网频率的平衡；
当电网频率升高到电频设定值时，通过控制变速调相机的转子电频率降低实现有功功率的吸收，以维持电网频率的平衡。
调相机正常时作为空载电动机从系统吸收少量有功功率，此时调相机内合成磁场超前励磁磁场，系统电压相量超前励磁感应电动势相量，功角略大于零。
当系统频率因功率缺额而下降，触发电频设定值后，系统电压相量的电角速度变慢，由于调相机的惯性，励磁感应电动势滞后于系统电压的相角会减小甚至变为超前系统电压，此时调相机向系统吸收的有功功率减小甚至变为发电机运行模式向系统发出一定的有功功率，此过程中，调相机因驱动转矩减小而发生减速，相当于自身机械能释放转变为电能部分补偿了系统的有功缺额。
与此同时，给定并降低转子电频率，进而实现转子转速的提升，从而补偿系统的有功缺额，有利于系统频率的恢复。
当系统频率因功率超额而上升，触发电频设定值后，系统电压相量的电角速度变快，由于调相机的惯性，励磁感应电动势优先于系统电压的相角会增大甚至落后于系统电压，此时调相机向系统输出的有功功率增多甚至发电机从系统吸收一定的有功功率，此过程中，调相机因驱动转矩增多而发生增速，相当于将电能转化为机械能部分，吸收了系统中超额出的有功。
与此同时，给定并升高转子电频率，进而实现转子转速的降低，从而吸收系统的有功超额，有利于系统频率的恢复。
具体的，所述通过控制变速调相机的转子电频率升高，实现有功功率的输出，以维持电网频率的平衡，包括：
通过控制变速调相机的转子电频率升高，降低变速调相机的转子转速，将变速调相机的转子的机械能转化为电能，实现有功功率的输出，以维持电网频率的平衡。
通过调整变速调相机的机械转速，为电力系统提供惯性并参与一次调频，支撑电网频率稳定性。
当电网频率上升时，调相机转子转速上升，变速调相机的吸收有功功率。
通过给定较大的转子电频率，在转子转速上升的过程中，阻止转子转速的上升，实现有功吸收的可持续，增强了调相机的频率调节性能。
具体的，所述通过控制变速调相机的转子电频率降低实现有功功率的吸收，以维持电网频率的平衡，包括：
通过控制变速调相机的转子电频率降低，升高变速调相机的转子转速，将电能转化为变速调相机的转子的机械能，实现有功功率的吸收，以维持电网频率的平衡。
当电网频率下降时，调相机转子转速下降，实现变速调相机有功输出。
通过给定较小的转子电频率，在转子转速被动下降的过程中，阻止转子转速的下降，相较于普通调相机而言，实现有功输出的可持续，增强了调相机的频率调节性能。
所述变速调相机的主回路连接如图2所示，其中各部件数据包括：转子额定转速1000rpm，变速运行范围800rpm-1200rpm；频率调节范围为49.5Hz-50.5Hz；电压调节范围为变速调相机网侧电压±10％。
变速调相机稳态运行时，转子电频率与转子转速呈比例关系。
暂态时，调节转子电频率，将直接转速的变化过程。
具体的，所述当电网电压触发电压设定值时,控制所述变速调相机启动变流，通过变速调相机的电压模值的控制，维持电网电压，包括：
当电网电压降低到电压设定值时，通过控制变速调相机的电压模值升高实现无功功率的输出，以维持电网电压；
当电网电压升高到电压设定值时，通过控制变速调相机的电压模值降低实现无功功率的吸收，以维持电网电压的平衡。
如图3所示，所述小容量变速调相机的控制方法的双馈异步电机物理结构通过下式进行计算：
式中，为定子综合矢量，/>为转子综合矢量，VA(t)、VB(t)、VC(t)分别为定子三相电压，Va(t)、Vb(t)、Vc(t)分别为转子三相电压，Vm1为定子电压模值，Vm2为转子电压模值，ω1为定子电频率，ω2为转子电频率，ωm为转子机械频率，f为沿转动力方向的参数常量，j为沿转动惯量的参数常量，Δδ为定子综合矢量与转子综合矢量的功角。
根据上述表达式可知，变速调相机的电磁耦合关系与同步电机无异，即电磁功率由定子综合矢量与转子综合矢量/>的模值及功角之差决定。
当变速调相机处于稳态工作时，转子电频率与机械频率之和与同步频率相同，与/>的功角为零，因此控制转子电压模值即可实现无功功率调节，控制转子电频率即可实现电机转速调节。
将双馈式风力发电机组变流器与调相机进行结合，实现转子电压模值和转子电频率的双馈控制。
实施例2：
基于同一发明构思，本发明还提供了一种如图4所示的一种小容量变速调相机的控制系统，包括：
获取模块，用于通过变速调相机上的主控制系统，获取当前电网电压和电网频率；
电压触发模块，用于当电网电压触发电压设定值时，控制所述变速调相机启动变流，通过变速调相机的电压模值的控制，维持电网电压；
电频触发模块，用于当电网频率触发电频设定值时，控制所述变速调相机启动变流，通过变速调相机的转子电频率的控制，维持电网频率。
具体的，所述电频触发模块具体用于：
当电网频率降低到电频设定值时，通过控制变速调相机的转子电频率升高，实现有功功率的输出，以维持电网频率的平衡；
当电网频率升高到电频设定值时，通过控制变速调相机的转子电频率降低实现有功功率的吸收，以维持电网频率的平衡。
具体的，所述电频触发模块通过控制变速调相机的转子电频率升高，实现有功功率的输出，以维持电网频率的平衡，包括：
通过控制变速调相机的转子电频率升高，降低变速调相机的转子转速，将变速调相机的转子的机械能转化为电能，实现有功功率的输出，以维持电网频率的平衡。
具体的，所述电频触发模块通过控制变速调相机的转子电频率降低实现有功功率的吸收，以维持电网频率的平衡，包括：
通过控制变速调相机的转子电频率降低，升高变速调相机的转子转速，将电能转化为变速调相机的转子的机械能，实现有功功率的吸收，以维持电网频率的平衡。
具体的，所述电压触发模块具体用于：
当电网电压降低到电压设定值时，通过控制变速调相机的电压模值升高实现无功功率的输出，以维持电网电压；
当电网电压升高到电压设定值时，通过控制变速调相机的电压模值降低实现无功功率的吸收，以维持电网电压的平衡。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是:以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对其保护范围的限制,尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明,所属领域的普通技术人员应当理解:本领域技术人员阅读本发明后依然可对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在申请待批的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种小容量变速调相机的控制方法，其特征在于，
通过变速调相机上的主控制系统，获取当前电网电压和电网频率；
当电网电压触发电压设定值时，控制所述变速调相机启动变流，通过变速调相机的电压模值的控制，维持电网电压；
当电网频率触发电频设定值时，控制所述变速调相机启动变流，通过变速调相机的转子电频率的控制，维持电网频率。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述当电网频率触发电频设定值时，控制所述变速调相机启动变流，通过变速调相机的转子电频率的控制，维持电网频率，包括：
当电网频率降低到电频设定值时，通过控制变速调相机的转子电频率升高，实现有功功率的输出，以维持电网频率的平衡；
当电网频率升高到电频设定值时，通过控制变速调相机的转子电频率降低实现有功功率的吸收，以维持电网频率的平衡。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述通过控制变速调相机的转子电频率升高，实现有功功率的输出，以维持电网频率的平衡，包括：
通过控制变速调相机的转子电频率升高，降低变速调相机的转子转速，将变速调相机的转子的机械能转化为电能，实现有功功率的输出，以维持电网频率的平衡。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述通过控制变速调相机的转子电频率降低实现有功功率的吸收，以维持电网频率的平衡，包括：
通过控制变速调相机的转子电频率降低，升高变速调相机的转子转速，将电能转化为变速调相机的转子的机械能，实现有功功率的吸收，以维持电网频率的平衡。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述当电网电压触发电压设定值时,控制所述变速调相机启动变流，通过变速调相机的电压模值的控制，维持电网电压，包括：
当电网电压降低到电压设定值时，通过控制变速调相机的电压模值升高实现无功功率的输出，以维持电网电压；
当电网电压升高到电压设定值时，通过控制变速调相机的电压模值降低实现无功功率的吸收，以维持电网电压的平衡。
6.一种小容量变速调相机的控制系统，其特征在于，包括：
获取模块，用于通过变速调相机上的主控制系统，获取当前电网电压和电网频率；
电压触发模块，用于当电网电压触发电压设定值时，控制所述变速调相机启动变流，通过变速调相机的电压模值的控制，维持电网电压；
电频触发模块，用于当电网频率触发电频设定值时，控制所述变速调相机启动变流，通过变速调相机的转子电频率的控制，维持电网频率。
7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述电频触发模块具体用于：
当电网频率降低到电频设定值时，通过控制变速调相机的转子电频率升高，实现有功功率的输出，以维持电网频率的平衡；
当电网频率升高到电频设定值时，通过控制变速调相机的转子电频率降低实现有功功率的吸收，以维持电网频率的平衡。
8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述电频触发模块通过控制变速调相机的转子电频率升高，实现有功功率的输出，以维持电网频率的平衡，包括：
通过控制变速调相机的转子电频率升高，降低变速调相机的转子转速，将变速调相机的转子的机械能转化为电能，实现有功功率的输出，以维持电网频率的平衡。
9.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述电频触发模块通过控制变速调相机的转子电频率降低实现有功功率的吸收，以维持电网频率的平衡，包括：
通过控制变速调相机的转子电频率降低，升高变速调相机的转子转速，将电能转化为变速调相机的转子的机械能，实现有功功率的吸收，以维持电网频率的平衡。
10.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述电压触发模块具体用于：
当电网电压降低到电压设定值时，通过控制变速调相机的电压模值升高实现无功功率的输出，以维持电网电压；
当电网电压升高到电压设定值时，通过控制变速调相机的电压模值降低实现无功功率的吸收，以维持电网电压的平衡。
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