專利名稱：抽水蓄能機組靜止變頻器工況勵磁系統(tǒng)啟動控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明專利涉及ー種抽水蓄能機組靜止變頻器エ況勵磁系統(tǒng)啟動控制方法，屬于電カ系統(tǒng)勵磁控制技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
抽水蓄能機組既能在負荷高峰作為發(fā)電機發(fā)電，也能在負荷低谷作為電動機抽水蓄能，具備調(diào)峰填谷、調(diào)頻調(diào)相、事故備用和蓄洪補枯等多種用途，具有啟動快、反應(yīng)靈敏、 負荷跟蹤迅速的特點。與常規(guī)電源相比，抽水蓄能電站能夠適應(yīng)負荷的快速變化，對提高電 カ系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行水平、電網(wǎng)供電質(zhì)量和可靠性起到了重要作用，同時還可以優(yōu)化電源結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)綠色環(huán)保，達到電力系統(tǒng)的總體節(jié)能降耗，提高總體的經(jīng)濟效益。在當今核電和風(fēng)電等清潔能源大規(guī)模建設(shè)的同吋，必須配套建設(shè)一定比例的調(diào)峰電源已成為行業(yè)共識， 抽水蓄能發(fā)電就是最佳選擇之ー。抽水蓄能機組啟停頻繁，啟動方式靈活多祥，機組即可以以發(fā)電エ況運行，也可以以水泵方式運行，這兩種方式下，勵磁系統(tǒng)的控制策略是有區(qū)別的。在發(fā)電エ況下，勵磁系統(tǒng)以常規(guī)程序投入。在電動エ況運行吋，必須采用專門的電氣設(shè)備及操作方法，以盡可能平穩(wěn)的啟動同步電機，使啟動電流不致過大，對電網(wǎng)不產(chǎn)生過大的擾動。目前，靜止變頻器 (SFC)啟動是大型抽水蓄能機組的首選啟動方式，它利用晶間管變頻器產(chǎn)生可變的交流電源來啟動抽水蓄能機組。在采用SFC啟動吋，電機作為ー個電動機進行控制，SFC系統(tǒng)將機組由靜態(tài)拖動到水泵エ況運行，這時勵磁系統(tǒng)的控制目標與發(fā)電エ況不同，它要配合SFC系統(tǒng)將機組比較平穩(wěn)地拖動到正常的水泵エ況運行。在采用SFC啟動過程中，勵磁控制方式應(yīng)采用以控制勵磁電流為目標的控制方式，當勵磁系統(tǒng)收到SFC啟動命令吋，勵磁系統(tǒng)的控制方式選擇為勵磁電流閉環(huán)控制方式(ECR)，在啟動過程中，在當轉(zhuǎn)速小于90%的額定轉(zhuǎn)速吋，勵磁系統(tǒng)控制目標在額定勵磁電流的50% 60%，當機組轉(zhuǎn)速達到90%的額定轉(zhuǎn)速吋，勵磁系統(tǒng)控制方式則轉(zhuǎn)換為自動電壓閉環(huán)調(diào)節(jié)(AVR)方式。機組的同期系統(tǒng)進行轉(zhuǎn)速及電壓的調(diào)整， 機組在滿足同期條件后并網(wǎng)，開始水泵エ況運行。

發(fā)明內(nèi)容
為了滿足機組在電動エ況下靜止變頻器啟動的要求，勵磁調(diào)節(jié)器設(shè)置了靜止變頻器エ況啟動的獨立比例、積分和微分(PID)控制模型，該套模型的PID參數(shù)只對機組變頻器啟動起作用而不作用于機組正常運行的調(diào)節(jié)規(guī)律，從而保證機組啟動的可靠性的同時不影響機組運行的穩(wěn)定性，有利于靜止變頻器檢測電動機轉(zhuǎn)子位置，提高了電動機啟動成功率， 有利于電カ系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。勵磁系統(tǒng)停止吋，勵磁エ況寄存器處于清零狀態(tài)。勵磁系統(tǒng)投入前，監(jiān)控系統(tǒng)必須事先給勵磁系統(tǒng)發(fā)送運行“ェ況指令”，抽水蓄能勵磁系統(tǒng)首先判斷抽水蓄能勵磁系統(tǒng)運行于何種運行ェ況，然后根據(jù)不同勵磁ェ況選擇不同的勵磁控制策略，將勵磁系統(tǒng)切換到需要的運行エ況。勵磁系統(tǒng)收到靜止變頻器啟動模式令之后，控制方式切換為勵磁電流閉環(huán)， 并且采用獨立的PID模型控制勵磁電流，使機端電壓平穩(wěn)上升，運行一段可設(shè)置的固定時間之后，自動切換為正常勵磁電流閉環(huán)模式，滿足同期條件并連網(wǎng)運行之后，切換為電壓閉環(huán)控制模式，也可以根據(jù)需要選擇其他閉環(huán)控制方式。


圖1為抽水蓄能機組エ況轉(zhuǎn)換控制流程圖。圖2為抽水蓄能機組靜止變頻器啟動一次接線圖。圖2為本發(fā)明專利在靜止變頻器エ況勵磁系統(tǒng)啟動階段采用的控制模型圖。圖3為抽水蓄能機組電動機模式靜止變頻器エ況勵磁系統(tǒng)啟動前期波形圖。圖4為抽水蓄能機組電動機模式靜止變頻器エ況勵磁系統(tǒng)啟動中期波形圖。圖5為抽水蓄能機組電動機模式靜止變頻器エ況勵磁系統(tǒng)啟動并網(wǎng)后波形圖。圖6為機組并網(wǎng)之后勵磁系統(tǒng)波形。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明專利作進ー步的說明。抽水蓄能機組勵磁系統(tǒng)控制流程如圖1所示，未開機吋，勵磁系統(tǒng)處于停止狀態(tài)， 勵磁調(diào)節(jié)器處于待機模式，勵磁エ況寄存器處于清零狀態(tài)，滅磁開關(guān)及交流側(cè)斷路器均處于分斷狀態(tài)，整流柜冷卻風(fēng)機停轉(zhuǎn)。勵磁系統(tǒng)投入前，監(jiān)控系統(tǒng)必須事先通過開關(guān)量給勵磁系統(tǒng)發(fā)送運行“エ況指令”，收到指令后，抽水蓄能勵磁系統(tǒng)首先判斷抽水蓄能勵磁系統(tǒng)要運行于何種運行エ況，然后根據(jù)不同勵磁エ況選擇不同的勵磁控制策略，將勵磁系統(tǒng)切換到需要的運行エ況。抽水蓄能機組有發(fā)電機和電動機兩種運行模式，發(fā)電機運行模式分為正常發(fā)電模式和背靠背發(fā)電機模式，電動機運行模式分為背靠背電動機啟動模式和靜止變頻器啟動模式。勵磁系統(tǒng)接到“發(fā)電機模式”エ況指令后，勵磁調(diào)節(jié)器置發(fā)電機模式，電壓閉環(huán)，勵磁エ況寄存器置1，順序合滅磁開關(guān)與交流側(cè)斷路器，待勵磁系統(tǒng)收到“90%轉(zhuǎn)速令”之后輸出“勵磁系統(tǒng)準備好”信號。此時點擊“開機”按鈕，勵磁調(diào)節(jié)器起動整流柜冷卻風(fēng)機并輸出脈沖，整流柜晶閘管開始整流為發(fā)電機轉(zhuǎn)子輸出直流電流，發(fā)電機定子開始建壓，并迅速達到給定的電壓值，調(diào)節(jié)器處于空載運行狀態(tài)。合負荷開關(guān)，發(fā)電機并網(wǎng)，調(diào)節(jié)器進入負載運行狀態(tài)，發(fā)電機開始正常發(fā)電，向電網(wǎng)輸送有功和無功功率。通過點擊“增磁”或“減磁” 按鈕，可増大或減小勵磁電流，從而調(diào)節(jié)發(fā)電機的無功出力，發(fā)電機實現(xiàn)調(diào)相功能。若要停止發(fā)電，先減小發(fā)電機輸出功率到接近于零，然后斷開負荷開關(guān)，此時定子電流變?yōu)榱?，發(fā)電機回到空載運行狀態(tài)。點擊“停機”按鈕，調(diào)節(jié)器輸出脈沖變?yōu)槟孀兘?，轉(zhuǎn)子電流迅速變?yōu)榱?，發(fā)電機滅磁，機端電壓消失。之后交流側(cè)斷路器、滅磁開關(guān)自動分斷，冷卻風(fēng)機停止運行，勵磁エ況寄存器復(fù)位，勵磁調(diào)節(jié)器置待機模式。抽水蓄能機組運行于“發(fā)電機模式”吋， 勵磁控制方式與常規(guī)水電機組一祥。背靠背啟動是用一臺蓄能機組(或常規(guī)發(fā)電機組)做發(fā)電機運行來同步啟動其他蓄能機組進入電動態(tài)的啟動模式。開機之前發(fā)電機和電動機的負荷開關(guān)都是斷開的。兩臺機組的定子通過中間斷路器短接起來(兩臺機組定子的機端相序相反以確保發(fā)電機和電動機轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向相反)，以轉(zhuǎn)子電流閉環(huán)方式并分別投入各自的勵磁系統(tǒng)。逐漸開啟水輪機的導(dǎo)葉，讓發(fā)電機的轉(zhuǎn)速逐步升高，轉(zhuǎn)動起來的發(fā)電機將產(chǎn)生的低頻電源加到電動機的定子上，電動機在同步轉(zhuǎn)矩作用下跟隨發(fā)電機逐步升速。當電動機的轉(zhuǎn)速到達額定值后，斷開中間斷路器，閉鎖發(fā)電機的勵磁系統(tǒng)，閉合電動機的負荷開關(guān)，抽水蓄能機組進入電動機工作狀態(tài)。勵磁系統(tǒng)接到“背靠背發(fā)電機模式”エ況指令后，勵磁調(diào)節(jié)器置背靠背發(fā)電機模式，電流閉環(huán)，勵磁エ況寄存器置2，順序合滅磁開關(guān)與交流側(cè)斷路器，點擊“開機”按鈕，勵磁調(diào)節(jié)器起動整流柜冷卻風(fēng)機并輸出脈沖，整流柜晶間管開始整流為發(fā)電機轉(zhuǎn)子輸出直流電流，轉(zhuǎn)子電流經(jīng)過PID控制器達到事先設(shè)置的背靠背發(fā)電機模式電流閉環(huán)電流給定值， 發(fā)電機定子開始建壓，拖動與之反并聯(lián)運行的電動機旋轉(zhuǎn)，電動機轉(zhuǎn)速逐漸升高到同步轉(zhuǎn)速后，斷開與發(fā)電機的連接，經(jīng)同期裝置并網(wǎng)運行。此后發(fā)電機退出運行，調(diào)節(jié)器輸出脈沖變?yōu)槟孀兘?，轉(zhuǎn)子電流迅速變?yōu)榱悖l(fā)電機滅磁，機端電壓消失。之后交流側(cè)斷路器、滅磁開關(guān)自動分斷，冷卻風(fēng)機停止運行，勵磁エ況寄存器復(fù)位，勵磁調(diào)節(jié)器置待機模式。勵磁系統(tǒng)接到“背靠背電動機模式”エ況指令后，勵磁調(diào)節(jié)器置背靠背電動機模式，電流閉環(huán)，勵磁エ況寄存器置3，順序合滅磁開關(guān)與交流側(cè)斷路器，點擊“開機”按鈕，勵磁調(diào)節(jié)器起動整流柜冷卻風(fēng)機并輸出脈沖，整流柜晶間管開始整流為電動機轉(zhuǎn)子輸出直流電流，轉(zhuǎn)子電流經(jīng)過PID控制器達到事先設(shè)置的背靠背電動機模式電流閉環(huán)電流給定值， 電動機在與之反向并聯(lián)的背靠背發(fā)電機的拖動下，開始跟隨發(fā)電機旋轉(zhuǎn)，電動機勵磁調(diào)節(jié)器處于空載狀態(tài)。轉(zhuǎn)速逐漸升高到同步轉(zhuǎn)速后，斷開與發(fā)電機的連接，經(jīng)同期裝置并網(wǎng)運行。此后電動機勵磁調(diào)節(jié)器進入負載運行狀態(tài)，控制方式自動轉(zhuǎn)為電壓閉環(huán)，并可以手動切換為無功閉環(huán)、功率因數(shù)閉環(huán)等其他運行方式。通過點擊“增磁”或“減磁”按鈕，可増大或減小勵磁電流，從而調(diào)節(jié)電動機的無功功率，電動機實現(xiàn)調(diào)相功能。若要停止抽水，先減小電動機輸出功率到接近于零，然后斷開負荷開關(guān)，此時定子電流變?yōu)榱悖l(fā)電機回到空載運行狀態(tài)。點擊“停機”按鈕，調(diào)節(jié)器輸出脈沖變?yōu)槟孀兘牵D(zhuǎn)子電流迅速變?yōu)榱?，電動機滅磁，機端電壓消失，經(jīng)電制動后轉(zhuǎn)速快速減小最終停轉(zhuǎn)。之后交流側(cè)斷路器、滅磁開關(guān)自動分斷，冷卻風(fēng)機停止運行，勵磁エ況寄存器復(fù)位，勵磁調(diào)節(jié)器置待機模式。SFC變頻器的一次接線如圖2所示，它由三相網(wǎng)側(cè)晶閘管橋(SRN)和三相機側(cè)晶閘管橋(SRM)以及交直流電抗器組成。由于抽水蓄能機組在水泵エ況下，機組作同步電動機運行。因此，SRN為整流橋，從電網(wǎng)中將交流電能轉(zhuǎn)換為中間回路的直流電能；SRM為逆變橋，將中間回路的直流電轉(zhuǎn)化為交流電能。SRN和SRM通過直流電抗器連接起來，直流電抗器限制直流回路的電流上升率，起著平波限流的作用。與一般意義上的晶閘管交-直-交電流型逆變橋不同，該主回路無強迫換相電容和串聯(lián)ニ極管，靠抽水蓄能機組的反電動勢進行換相。啟動電機吋，電網(wǎng)側(cè)整流橋?qū)⒑泐l、恒壓的交流電變成電壓可調(diào)的直流電，然后通過電機側(cè)逆變橋逆變成與電機轉(zhuǎn)速相對應(yīng)的頻率和電壓，逆變橋輸出的可變頻率的電流送至定子繞組。與此同吋，電站的勵磁系統(tǒng)對被啟動機組供給勵磁電流，已勵磁的轉(zhuǎn)子與定子電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場相互作用，使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生轉(zhuǎn)動カ矩而啟動。變頻啟動時同期斷路器斷開，SFC斷路器1、SFC斷路器2閉合。抽水蓄能機組在變頻器的作用下加速旋轉(zhuǎn)，當轉(zhuǎn)速接近額定值時投入同期。同期裝置通過控制變頻器滿足條件后，同期斷路器閉合的同時閉鎖 SFC變頻器(SFC整流橋和逆變橋同時封脈沖)，SFC斷路器1、SFC斷路器2斷開，機組并網(wǎng)進入電動狀態(tài)。
勵磁系統(tǒng)接到“SFC電動機模式”エ況指令后，勵磁調(diào)節(jié)器置SFC電動機模式，電流閉環(huán)，勵磁エ況寄存器置4，順序合滅磁開關(guān)與交流側(cè)斷路器，點擊“開機”按鈕，勵磁調(diào)節(jié)器起動整流柜冷卻風(fēng)機并輸出脈沖，整流柜晶間管開始整流為電動機轉(zhuǎn)子輸出直流電流，轉(zhuǎn)子電流經(jīng)本發(fā)明專利所描述的控制方法達到由SFC發(fā)出的毫安信號所定義的電流閉環(huán)電流給定值，電動機在靜止變頻器的拖動下，開始旋轉(zhuǎn)并不斷加速，電動機勵磁調(diào)節(jié)器處于空載狀態(tài)。轉(zhuǎn)速逐漸升高到同步轉(zhuǎn)速后，斷開與SFC的連接，經(jīng)同期裝置并網(wǎng)運行。此后電動機勵磁調(diào)節(jié)器進入負載運行狀態(tài)，控制方式自動轉(zhuǎn)為電壓閉環(huán)，并可以手動切換為無功閉環(huán)、功率因數(shù)閉環(huán)等其他運行方式。通過點擊“增磁”或“減磁”按鈕，可調(diào)節(jié)勵磁電流，從而調(diào)節(jié)電動機的無功功率，電動機實現(xiàn)調(diào)相功能。若要停止抽水，先減小電動機輸出功率到接近于零，然后斷開負荷開關(guān)，此時定子電流變?yōu)榱?，發(fā)電機回到空載運行狀態(tài)。點擊“停機”按鈕，調(diào)節(jié)器輸出脈沖變?yōu)槟孀兘?，轉(zhuǎn)子電流迅速變?yōu)榱?，電動機滅磁，機端電壓消失， 經(jīng)電制動后轉(zhuǎn)速快速減小最終停轉(zhuǎn)。之后交流側(cè)斷路器、滅磁開關(guān)自動分斷，冷卻風(fēng)機停止運行，勵磁エ況寄存器復(fù)位，勵磁調(diào)節(jié)器置待機模式。機組啟動吋，由于轉(zhuǎn)子處于靜止狀態(tài)，在定子中無感應(yīng)電壓，SRM不可能實現(xiàn)正常的換相。所以機組啟動吋，靜止變頻器要求勵磁調(diào)節(jié)器給出ー個階越變化的勵磁電流，以便根據(jù)在定子中感應(yīng)的三相電壓計算轉(zhuǎn)子初始位置，選擇首先給哪兩相定子繞組通以電流。 采用如圖3所示獨立的PID模型控制勵磁電流，由靜止變頻器發(fā)過來的0-20mA模擬電流信號經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后作為給定，與轉(zhuǎn)子電流反饋值做差之后，送入啟動階段PID控制器，PID運算輸出ル經(jīng)反余弦計算之后控制脈沖觸發(fā)角，從而控制晶閘管的導(dǎo)通時間，使機端電壓平穩(wěn)上升。啟動階段PID參數(shù)分別為MartP、StartI和MartD，其數(shù)值經(jīng)過仿真實驗和現(xiàn)場實驗整定，具有高起始的特點。經(jīng)過一段可設(shè)置的固定時間Tstart之后，轉(zhuǎn)速超過10%額定轉(zhuǎn)速，變頻器就進入了自然換相控制階段，勵磁系統(tǒng)自動切換為正常勵磁電流閉環(huán)控制算法， 機組全功率加速運行，滿足同期條件之后，斷開與SFC的連接，經(jīng)同期裝置并網(wǎng)運行，同時切換為電壓閉環(huán)控制模式，也可以根據(jù)需要選擇其他閉環(huán)控制方式。采用本專利所述的控制方法之后，電動機模式靜止變頻器エ況勵磁系統(tǒng)啟動前期波形如圖4所示，從波形可以看出，勵磁系統(tǒng)起始階段，“轉(zhuǎn)子電流”能夠快速跟隨“電流給定”，在很短時間之內(nèi)，建立起勵磁電流，使得“機端電壓”穩(wěn)步提升，而“定子電流”波動較小。電動機模式靜止變頻器エ況勵磁系統(tǒng)啟動中期波形如圖5所示，此階段“勵磁電流”跟隨“電流給定”且基本不變，隨轉(zhuǎn)速不斷増加“機端電壓”持續(xù)上升，“定子電流”波動較小。機組并網(wǎng)之后勵磁系統(tǒng)波形如圖6所示，此時采用機端電壓閉環(huán)方式，“機端電壓”、“轉(zhuǎn)子電流”等各個參量維持恒定運行。從圖4-圖6可見，本發(fā)明專利所提出的抽水蓄能機組靜止變頻器エ況勵磁系統(tǒng)啟動控制方法能快速響應(yīng)SFC發(fā)過來的轉(zhuǎn)子電流給定，有利于靜止變頻器檢測電動機轉(zhuǎn)子位置，在保證機組啟動的可靠性的同時不影響機組運行的穩(wěn)定性，提高了電動機啟動成功率， 有利于電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。
權(quán)利要求
1.抽水蓄能機組靜止變頻器エ況勵磁系統(tǒng)啟動控制方法，其特征在干，包括由靜止變頻器發(fā)送的0-20mA模擬電流信號經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后作為給定，與轉(zhuǎn)子電流反饋值做差之后，送入啟動階段PID控制器，PID控制器運算輸出Uf經(jīng)反余弦計算之后控制脈沖觸發(fā)角，從而控制晶閘管的導(dǎo)通時間，使機端電壓平穩(wěn)上升的步驟。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的抽水蓄能機組靜止變頻器エ況勵磁系統(tǒng)啟動控制方法，其特征在干，在起始階段采用獨立的PID模型，該獨立的PID模型的PID參數(shù)只對靜止變頻器啟動起作用而不作用于機組正常運行的調(diào)節(jié)規(guī)律。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的抽水蓄能機組靜止變頻器ェ況勵磁系統(tǒng)啟動控制方法，其特征在干，勵磁系統(tǒng)收到靜止變頻器啟動模式令之后，控制方式切換為勵磁電流閉環(huán)，并且采用獨立的PID模型控制勵磁電流，使機端電壓平穩(wěn)上升，運行一段可設(shè)置的固定時間之后， 自動切換為正常勵磁電流閉環(huán)模式。
全文摘要
抽水蓄能機組靜止變頻器工況勵磁系統(tǒng)啟動控制方法，包括由靜止變頻器發(fā)送的0-20mA模擬電流信號經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后作為給定，與轉(zhuǎn)子電流反饋值做差之后，送入啟動階段PID控制器，PID控制器運算輸出Uf經(jīng)反余弦計算之后控制脈沖觸發(fā)角，從而控制晶閘管的導(dǎo)通時間，使機端電壓平穩(wěn)上升的步驟。勵磁調(diào)節(jié)器設(shè)置了靜止變頻器工況啟動的獨立比例、積分和微分(PID)控制模型，該套模型的PID參數(shù)只對機組變頻器啟動起作用而不作用于機組正常運行的調(diào)節(jié)規(guī)律，從而保證機組啟動的可靠性的同時不影響機組運行的穩(wěn)定性，有利于靜止變頻器檢測電動機轉(zhuǎn)子位置，提高了電動機啟動成功率，有利于電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。
文檔編號H02P1/52GK102570934SQ20111000000
公開日2012年7月11日 申請日期2011年1月1日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月1日
發(fā)明者劉國華, 華光輝, 呂宏水, 吳衛(wèi)東, 孫聰, 常玉紅, 朱曉東, 許其品, 赫衛(wèi)國, 陳梅, 魏偉 申請人:國網(wǎng)電力科學(xué)研究院, 安徽響水澗抽水蓄能有限公司