CN106026122A - 一种异步励磁综合调相机及其无功补偿与有功平衡的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种异步励磁综合调相机及其无功补偿与有功平衡的方法，包括三相交流励磁绕组、电压源型逆变器、超级电容和电压源型整流器。超级电容，用于向电压源型逆变器提供能量，并能维持电压源型逆变器的电压水平。电压源型整流器，用于从电网侧吸收有功功率，将电网侧的交流电转化为直流电，向超级电容和电压源型逆变器提供有功，同时将无功功率送往电网。电压源型逆变器，用于将电压源型整流器输送来的直流电逆变为三相转子励磁绕组所需要的三相交流励磁电流。采用上述结构与方法后，通过控制转子转速，使调相机吸收一部分线路发生短路故障时电网中多余的能量，其惯性较强，有利于电网的安全与稳定；另外无功补偿能力及暂态性能更好。

Description

一种异步励磁综合调相机及其无功补偿与有功平衡的方法
技术领域
本发明涉及一种高压输电***中的调相机，特别是一种异步励磁的综合调相机。
背景技术
随着我国经济的发展，对于电力的需求日益增大，而我国资源分布的不平衡性使得长距离输电成为一种必然。然而传统的长距离高压交流输电***存在种种弊端，在高压直流输电***中几乎不存在，故而高压直流输电成为一种趋势。虽然高压直流输电***的输电线路本身不会消耗无功，但是高压直流输电的换流站由于大量采用电力电子设备，仍然会消耗大量无功。此外，高压直流输电的大量投入，也使得电网的固有惯性变小，抗扰动能力降低。因此，即使是高压直流输电***，也存在无功补偿的问题。
我国当前的电力***中，已经开始逐步的使用静止无功补偿装置（主要是SVC）来代替传统调相机，这是因为虽然传统调相机容量大，性能可靠，但是动态调节能力差，而SVC则能够做到快速响应。STATCOM相比SVC容量更大，更重要的是因为采用了全控器件IGBT，故而动态调节能力更强、响应时间更短。虽然当前也有众多关于静止无功补偿装置的研究，但是几乎没有将调相机和更先进的STATCOM二者联合起来投入使用的先例。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种异步励磁综合调相机，该异步励磁综合调相机具有更强的无功补偿、有功平衡能力和动态调节能力。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种异步励磁的综合调相机，包括三相交流励磁绕组、电压源型逆变器、超级电容和电压源型整流器。
三相交流励磁绕组包括三相转子励磁绕组和定子绕组，三相交流励磁绕组的励磁方式为异步励磁。
定子绕组与电网侧母线相连接，三相转子励磁绕组与电压源型逆变器的一端相串联，电压源型逆变器的另一端与超级电容相并联。
电压源型整流器的一端与电网侧母线相连接，电压源型整流器的另一端也与超级电容相并联。
超级电容，用于向电压源型逆变器提供能量，并能维持电压源型逆变器的电压水平。
电压源型整流器，用于从电网侧吸收有功功率，将电网侧的交流电转化为直流电，向超级电容和电压源型逆变器提供有功，同时将无功功率送往电网。
电压源型逆变器，用于将电压源型整流器输送来的直流电逆变为三相转子励磁绕组所需要的三相交流励磁电流。
综合调相机中的转子与调相机控制器相连接，调相机控制器能对转子的转速进行调节，从而对电网的有功功率进行平衡。
当综合调相机中转子的转速升高时，有功功率将从综合调相机流向电压源型整流器，即向电网输出有功；当综合调相机中转子的转速下降时，有功功率将从电压源型整流器流向综合调相机，即吸收电网多余有功功率。
所述定子绕组和电压源型整流器均能向电网输送无功功率，其中，定子绕组向电网输送的无功功率为Q1，电压源型整流器向电网输送的无功功率为Q2。
本发明还提供一种采用异步励磁综合调相机进行无功补偿与有功平衡的方法，该一种采用异步励磁综合调相机进行无功补偿与有功平衡的方法具有更强的无功补偿、有功平衡能力和动态调节能力。
一种采用异步励磁综合调相机进行无功补偿与有功平衡的方法，包括如下步骤：
第一步，电网扰动信号检测：当电网某处出现故障时，调相机控制器将接收到故障信息，并检测到电网扰动信号，该电网扰动信号包括电网电压下降和综合调相机中转子的转速出现变化；此时，综合调相机将由稳态运行转至暂态运行。
第二步，平衡电网有功功率：调相机控制器检测到电网扰动信号后，将指令综合调相机中的转子降低转速，吸收电网多余有功，进行电网有功功率平衡。
第三步，电网无功补偿：电压源型逆变器将根据需求增大综合调相机中三相转子励磁绕组的励磁电流，保持定子绕组向电网输送的无功功率Q1正常；同时，电压源型整流器向电网输送无功功率Q2，维持电网电压水平。
第四步，故障切除信号接收：在设定时间内，调相机控制器若未接收到故障切除信号，则继续第二步至第三步，直至接收到故障切除信号为止。
第五步，转至稳态运行：当调相机控制器接收到故障切除信号后，电网电压恢复，调相机控制器将指令综合调相机中的电压源型逆变器逐渐减小励磁电流，直至各项指标恢复到故障之前，即转至稳态运行。
所述第三步中，电压源型整流器在向电压源型逆变器提供能量的同时，以增发无功功率Q2的形式维持电网电压恒定。
本发明采用上述结构与方法后，具有如下有益效果：
1.上述电压源型整流器，不仅能够为三相转子励磁绕组稳定供电，同时也能够向电网输送无功功率，提高了综合调相机的无功补偿能力；并且电压源型整流器可以增大电力***阻尼，抑制电力***中的震荡。
2.上述电压源型逆变器能够向三相转子励磁绕组直接供电，能够根据需求改变三相交流励磁电流的大小，使得本调相机有更好的灵活性。
3.通过对转子转速的调节，能够达到利用调相机对有功功率进行平衡的效果，使得本调相机较传统常规调相机有更好的性能。
附图说明
图1显示了本发明一种异步励磁综合调相机的结构示意图。
图2显示了本发明异步励磁综合调相机进行无功补偿与有功平衡方法的控制框图。
其中有：
1.三相交流励磁绕组；11.三相转子励磁绕组；12.定子绕组；
2.电网侧母线；3.电压源型逆变器；4.超级电容；5.电压源型整流器。
另外，图2中所涉及字符定义如下：
P：表示电网故障状态中的输送有功功率。
f： 表示电网故障状态中的频率。
Q：表示电网故障状态中的输送无功功率。
U’：表示电网故障状态下的电压。
P1：表示调相机吸收电网多余有功功率后的输送有功功率。
f1：表示调相机吸收电网多余有功功率后的电网频率。
U：表示调相机向电网增发无功功率后的电网电压。
Δp：表示调相机吸收电网多余有功功率后的P1与原功率P的差值。
Δf：表示调相机吸收电网多余有功功率后的电网频率f1与原频率f的差值。
ΔU：表示调相机向电网增发无功功率后的电网电压U与原电压U’的差值。
PI：表示PI算法，即比例和积分算法，为自动控制中常用的控制策略。
ω0：表示工频下的转子转速，通常取3000r/min。
具体实施方式
下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，一种异步励磁的综合调相机，包括三相交流励磁绕组1、电压源型逆变器3、超级电容4和电压源型整流器5。
三相交流励磁绕组包括三相转子励磁绕组11和定子绕组12，三相交流励磁绕组的励磁方式为异步励磁。
定子绕组与电网侧母线2相连接，三相转子励磁绕组与电压源型逆变器的一端相串联，电压源型逆变器的另一端与超级电容相并联。
电压源型整流器的一端与电网侧母线相连接，电压源型整流器的另一端也与超级电容相并联。
超级电容，用于向电压源型逆变器提供能量，并能维持电压源型逆变器的电压水平。超级电容为能量元件，结构简单。
电压源型整流器，用于从电网侧吸收有功功率，将电网侧的交流电转化为直流电，向超级电容和电压源型逆变器提供有功，同时将无功功率送往电网。
本申请中，电压源型整流器也即为图2中的STATCOM 。
STATCOM也即静止同步补偿器，既是重要的无功补偿设备，其自身也是一种整流器。在本专利中，STATCOM作为电压源型整流器使用，与超级电容等相连接。整流是其主要作用，同时也具有补偿无功的作用。
电压源型整流器产生的直流电流的大小与开关器件的通断周期（即PWM波的占空比）有严格的对应关系，同时由于此处的电压源型整流器本身就是STATCOM，开关器件的通断周期自然会影响其补发无功功率Q2的大小。
电压源型逆变器，也即为转子励磁电流控制器，用于将电压源型整流器输送来的直流电逆变为三相转子励磁绕组所需要的三相交流励磁电流。
综合调相机中的转子与调相机控制器相连接，调相机控制器能对转子的转速进行调节，从而对电网的有功功率进行平衡。
当综合调相机中转子的转速升高时，有功功率将从综合调相机流向电压源型整流器，即向电网输出有功；当综合调相机中转子的转速下降时，有功功率将从电压源型整流器流向综合调相机，即吸收电网多余有功功率。
所述定子绕组和电压源型整流器均能向电网输送无功功率，其中，定子绕组向电网输送的无功功率为Q1，电压源型整流器向电网输送的无功功率为Q2。
如图2所示，一种采用异步励磁综合调相机进行无功补偿与有功平衡的方法，包括如下步骤。
第一步，电网扰动信号检测：当电网某处出现故障时，调相机控制器将接收到故障信息，并检测到电网扰动信号。
调相机控制器包括人机交互界面、输入信号处理单元和输出单元等。
输入信号处理单元内置在综合调相机所在电厂。其地位与普通电厂相似，都要接受电网调度中心的指令和相关参数并需要上传相关数据。
上述调相机控制器接收到的故障信息包括：电网调度中心传来电网故障状态中的输送有功功率P、电网故障状态中的频率f、电网故障状态中的输送无功功率Q及电网故障状态下的电压U’等信息。
调相机控制器检测到的电网扰动信号包括电网电压下降和综合调相机中转子的转速出现变化；此时，综合调相机将由稳态运行转至暂态运行。
第二步，平衡电网有功功率，也即为图2控制环节中的有功控制：调相机控制器检测到电网扰动信号后，将指令综合调相机中的转子降低转速，吸收电网多余有功，进行电网有功功率平衡。
如图2所示，调节转子转速ω1，使得当ω1>ω0时，向电网输送有功功率；当ω1<ω0时，吸收电网多余有功，从而实现有功平衡的控制。
第三步，电网无功补偿，也即为图2控制环节中的无功补偿及电压稳定控制：电压源型逆变器将根据需求增大综合调相机中三相转子励磁绕组的励磁电流，保持定子绕组向电网输送的无功功率Q1正常；同时，电压源型整流器向电网输送无功功率Q2，维持电网电压水平。
上述第三步中，电压源型整流器在向电压源型逆变器提供能量的同时，以增发无功功率Q2的形式维持电网电压恒定。
也即在故障发生后，一方面需要增大转子励磁电流，一方面需要增发无功，也就是说，从故障发生到故障结束，在整个故障期间，调相机控制器都要向STATCOM的开关器件传输计算好的PWM波形，以满足转子强行励磁及补偿无功的要求。
电厂方面通过数据计算调整本调相机的各项参数（STATCOM的PWM占空比、转子转速等），通过PI算法，分别进行有功控制、无功补偿及电压稳定控制，使得电网输送的有功功率减小至p1，电网频率变为f1，电网电压变为U。
并通过Δp、Δf、ΔU来修正调相机的各项参数，维持电网的各项指标，使电网在暂态过程中不失稳，直至故障切除。
第四步，故障切除信号接收：在设定时间内，调相机控制器若未接收到故障切除信号，则继续第二步至第三步，直至接收到故障切除信号为止。
第五步，转至稳态运行：当调相机控制器接收到故障切除信号后，电网电压恢复，调相机控制器将指令综合调相机中的电压源型逆变器逐渐减小励磁电流，直至各项指标恢复到故障之前，即转至稳态运行。
由于电网中大部分的故障属于短路故障，因此本专利中所提及的“故障”也基本是指短路故障。当电力***发生短路故障时，由“等面积法则”可知，为了减小加速面积，常采用的策略就是增大发电机的输出电磁功率，即要求增大励磁电流（即强行励磁），因此在暂态运行阶段励磁电流会大于正常工作时的励磁电流。故而，在转至正常运行时，需要将原先强行励磁的大电流减小至正常值。
综上，本发明中通过控制转子转速，使调相机吸收一部分线路发生短路故障时电网中多余的能量，其惯性较强，有利于电网的安全与稳定；本发明中利用异步励磁控制***，提高了综合调相机的无功补偿能力，其暂态性能更好；本发明中使用了电压源型整流器，可以增大电力***阻尼，抑制电力***中的震荡。
与现有技术相比，本发明能够利用新型调相机和电压源型整流器各自的优点，不仅克服了在无功补偿过程中各自存在的不足，而且还在不增加现有元件体积的前提下，大大增加了调相机的惯性和***阻尼，有利于电网的稳定和安全运行。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种异步励磁综合调相机，其特征在于：包括三相交流励磁绕组、电压源型逆变器、超级电容和电压源型整流器；
三相交流励磁绕组包括三相转子励磁绕组和定子绕组，三相交流励磁绕组的励磁方式为异步励磁；
定子绕组与电网侧母线相连接，三相转子励磁绕组与电压源型逆变器的一端相串联，电压源型逆变器的另一端与超级电容相并联；
电压源型整流器的一端与电网侧母线相连接，电压源型整流器的另一端也与超级电容相并联；
超级电容，用于向电压源型逆变器提供能量，并能维持电压源型逆变器的电压水平；
电压源型整流器，用于从电网侧吸收有功功率，将电网侧的交流电转化为直流电，向超级电容和电压源型逆变器提供有功，同时将无功功率送往电网；
电压源型逆变器，用于将电压源型整流器输送来的直流电逆变为三相转子励磁绕组所需要的三相交流励磁电流。
2.根据权利要求1所述的异步励磁综合调相机，其特征在于：综合调相机中的转子与调相机控制器相连接，调相机控制器能对转子的转速进行调节，从而对电网的有功功率进行平衡。
3.根据权利要求2所述的异步励磁综合调相机，其特征在于：当综合调相机中转子的转速升高时，有功功率将从综合调相机流向电压源型整流器，即向电网输出有功；当综合调相机中转子的转速下降时，有功功率将从电压源型整流器流向综合调相机，即吸收电网多余有功功率。
4.根据权利要求1所述的异步励磁综合调相机，其特征在于：所述定子绕组和电压源型整流器均能向电网输送无功功率，其中，定子绕组向电网输送的无功功率为Q1，电压源型整流器向电网输送的无功功率为Q2。
5.一种采用如权利要求1-4任一项所述异步励磁综合调相机进行无功补偿与有功平衡的方法，其特征在于：包括如下步骤：
第一步，电网扰动信号检测：当电网某处出现故障时，调相机控制器将接收到故障信息，并检测到电网扰动信号，该电网扰动信号包括电网电压下降和综合调相机中转子的转速出现变化；此时，综合调相机将由稳态运行转至暂态运行；
第二步，平衡电网有功功率：调相机控制器检测到电网扰动信号后，将指令综合调相机中的转子降低转速，吸收电网多余有功，进行电网有功功率平衡；
第三步，电网无功补偿：电压源型逆变器将根据需求增大综合调相机中三相转子励磁绕组的励磁电流，保持定子绕组向电网输送的无功功率Q1正常；同时，电压源型整流器向电网输送无功功率Q2，维持电网电压水平；
第四步，故障切除信号接收：在设定时间内，调相机控制器若未接收到故障切除信号，则继续第二步至第三步，直至接收到故障切除信号为止；
第五步，转至稳态运行：当调相机控制器接收到故障切除信号后，电网电压恢复，调相机控制器将指令综合调相机中的电压源型逆变器逐渐减小励磁电流，直至各项指标恢复到故障之前，即转至稳态运行。
6.如权利要求5所述的采用异步励磁综合调相机进行无功补偿与有功平衡的方法，其特征在于：所述第三步中，电压源型整流器在向电压源型逆变器提供能量的同时，以增发无功功率Q2的形式维持电网电压恒定。
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