专利名称：抽水蓄能机组励磁系统四象限无功功率控制方法
技术领域：
本发明涉及一种适用于抽水蓄能机组励磁系统四象限无功功率控制方法，使抽水蓄能机组在发电滞相运行、发电进相运行、电动滞相运行、电动进相运行工况下均能够被限制在安全稳定的范围之内，属于电力系统励磁控制技术领域。
背景技术：
抽水蓄能机组既能在负荷高峰时作为发电机发电，也能在负荷低谷时作为电动机抽水蓄能，具备调峰填谷、调频调相、事故备用和蓄洪补枯等多种用途，具有启动快、反应灵敏、负荷跟踪迅速的特点。与常规电源相比，抽水蓄能电站能够适应负荷的快速变化，对提高电力系统安全稳定运行水平、电网供电质量和可靠性起到了重要作用，同时还可以优化电源结构，实现绿色环保，达到电力系统的总体节能降耗，提高总体的经济效益。在当今核电、风电和光伏等清洁能源大规模建设的同时，必须配套建设一定比例的调峰电源已成为行业共识，抽水蓄能发电就是最佳选择之一。过励限制和欠励限制都是同步电机自动电压调节器的附加功能，过励限制的目的是将励磁系统输出电流限制在允许值之内，保护发电机转子不至于过热而损坏，欠励限制的目的是在减少励磁电流时限制同步电机不超越静态稳定极限，或不超越由定子端部铁心发热而要求的圆柱转子型电机的热容量。电机无功功率控制通过调节励磁电流来实现，因此为保证电机在安全稳定范围内运行，要通过欠励限制和过励限制来控制电机无功功率。长期以来，我国大型抽水蓄能电站控制系统设备一般采用与主机捆绑招标的方式从国外引进，国内的研究单位和设备厂商参与甚少。因此，国内在抽水蓄能机组励磁系统方面的研究较少，尤其在四象限无功功率控制器方面，国内尚无文献对此进行深入研究。
发明内容
为保证抽水蓄能机组在发电工况和电动工况下均能够运行在安全稳定范围之内， 本发明设计了一种抽水蓄能机组励磁系统四象限无功功率控制方法。为了实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案
抽水蓄能机组励磁系统四象限无功功率控制方法，包括如下步骤 过励限制的步骤，具体为过励限制参考值Qlref减去机组无功功率Qts，差值乘以比例放大倍数Kql，通过由时间常数Tqll、Tql2构成的超前滞后环节移相后，经过励限制输出下限QlMirTO限幅，最后变为过励限制输出Uoel ；
欠励限制的步骤，欠励限制参考值Qcref减去机组无功功率Qts，差值乘以比例放大倍数Kqc，通过由时间常数TqCl、TqC2构成的超前滞后环节移相后，经0 欠励限制输出上限 QcMax限幅，最后变为欠励限制输出U·；
过欠励限制输出与励磁调节器主环控制给定电压toef、机端电压Ut叠加，然后经PID 运算并限幅后，输出励磁电压Uf，控制励磁电流大小，从而实现对电机过欠励限制。所述比例放大倍数Kql、比例放大倍数Kqc、时间常数Tqll、时间常数Tql2、时间常数Tqcl、时间常数Tqc2由现场试验整定获得。本发明的有益效果在于，使抽水蓄能机组在发电滞相运行、发电进相运行、电动滞相运行、电动进相运行工况下均能够对电机无功功率进行限制。该控制器集成在励磁系统自动电压调节器内，成为自动电压调节器的一种附加功能。
下面结合附图对本发明作进一步的说明。图1为抽水蓄能机组励磁系统四象限无功功率控制运行图。图2过励限制器模型。图3欠励限制器模型。图4励磁调节器主环控制模型。图5抽水蓄能机组励磁系统原理接线图。
具体实施例方式抽水蓄能机组励磁系统四象限无功功率控制如图1所示，图中外围半径为1的大圆是同步电机功率圆，中间十字线为PQ坐标轴，横轴代表电机无功功率，纵轴代表电机有功功率。与无功功率坐标轴平行的两条直线，上面一条横线为发电机额定有功线，下面一条横线为电动机额定有功线。右半边点划线折线是过励限制曲线，左半边虚线折线是欠励限制曲线，折线范围可以根据现场试验情况在线整定。图中数字为标么值，其基值为电机额定容量。坐标轴右上方第一象限代表电机在发电滞相运行，左上方第二象限代表电机在发电进相运行，左下方第三象限代表电机在电动进相运行，右下方第四象限代表电机在电动滞相运行。过欠励限制折线构成的多边形分布在四个象限之内，描述了抽水蓄能机组励磁调节器的四象限无功功率控制功能。过励限制模型如图2所示，过励限制参考值Qlref减去机组无功功率Qts，差值乘以比例放大倍数Kql (需现场试验整定)，通过由时间常数Tqll、Tql2构成的超前滞后环节(时间常数需现场试验整定)移相后，经QlMirTO限幅，最后变为过励限制输出Uoelo其中 QlMin为过励限制输出最小值，s为微分算子。欠励限制模型如图3所示，欠励限制参考值Qcref减去机组无功功率Qts，差值乘以比例放大倍数Kqc (需现场试验整定)，通过由时间常数Tqcl、Tqc2构成的超前滞后环节 (时间常数需现场试验整定)移相后，经0 QcMax限幅，最后变为欠励限制输出U·。其中 QcMax为欠励限制输出最大值。过欠励限制输出与图4中励磁调节器主环控制给定toef、机端电压Ut等信号叠加，然后经PID运算并限幅(励磁电压上下限URMAX、URMIN可在线设置)后，输出励磁电压 Uf,控制励磁电流大小，从而实现对电机过欠励限制。该控制器集成在励磁系统自动电压调节器内，成为自动电压调节器的一种附加功能，如图5所示。抽水蓄能机组经换相开关接入电网，通过换相开关切换相序，决定蓄能机组工作在发电工况还是抽水工况。电网电源经励磁变压器降压之后，经阳极开关接入整流柜，功率柜内部的晶间管整流器将三相交流电变为直流电，为机组转子提供励磁电流。模拟量输入板采集由定子电压互感器送来的电压信号和定子电流互感器送来的电流信号，计算出定子电压值、定子电流值、频率值、输出有功和无功功率值，采集由转子电流互感器送来的电流信号，折算出转子电流值。自动电压调节器和四象限无功控制器协调工作，根据机组的实际运行状态，调节输出脉冲信号相位，从而控制晶闸管触发角，调整励磁电流的大小， 实现机组机端电压调节和无功功率的限制。 比如以实际有功和无功为坐标的当前运行点(图1中实心黑点)在第一象限，代表机组在发电滞相工况运行，若增大励磁电流以增加发电机无功输出，当前运行点将向右移动，在到达过励限制线的时候，过励限制动作，阻止励磁电流进一步增大，从而限制无功输出。若持续减小励磁电流，当前运行点将进入第二象限，电机吸收电网无功功率，进一步减小励磁电流，当前运行点继续向左移动，在到达欠励限制线的时候，欠励限制动作，阻止励磁电流进一步减小，从而限制无功输入。电动工况与发电工况动作机理相似，实现了抽水蓄能机组四象限无功功率控制的功能。
权利要求
1.抽水蓄能机组励磁系统四象限无功功率控制方法，其特征在于，包括如下步骤 过励限制的步骤，具体为过励限制参考值Qlref减去机组无功功率Qts，差值乘以比例放大倍数Kql，通过由时间常数Tqll、Tql2构成的超前滞后环节移相后，经过励限制输出下限QlMirTO限幅，最后变为过励限制输出Uoel ；欠励限制的步骤，欠励限制参考值Qcref减去机组无功功率Qts，差值乘以比例放大倍数Kqc，通过由时间常数TqCl、TqC2构成的超前滞后环节移相后，经0 欠励限制输出上限 QcMax限幅，最后变为欠励限制输出U·；过欠励限制输出与励磁调节器主环控制给定电压toef、机端电压Ut叠加，然后经PID 运算并限幅后，输出励磁电压Uf，控制励磁电流大小，从而实现对电机过欠励限制。
2.根据权利要求1所述抽水蓄能机组励磁系统四象限无功功率控制方法，其特征在于，比例放大倍数Kql、比例放大倍数Kqc、时间常数Tqll、时间常数Tql2、时间常数Tqcl、时间常数Tqc2由现场试验整定获得。
全文摘要
抽水蓄能机组励磁系统四象限无功功率控制方法，包括如下步骤过励限制的步骤，欠励限制的步骤，过欠励限制输出与励磁调节器主环控制给定电压Uref、机端电压Ut叠加，然后经PID运算并限幅后，输出励磁电压Uf，控制励磁电流大小，从而实现对电机过欠励限制。本发明的有益效果在于，使抽水蓄能机组在发电滞相运行、发电进相运行、电动滞相运行、电动进相运行工况下均能够对电机无功功率进行限制。
文档编号H02J3/18GK102364801SQ20111011393
公开日2012年2月29日 申请日期2011年5月4日 优先权日2011年5月4日
发明者刘国华, 华光辉, 吕宏水, 朱晓东, 许其品, 赫卫国, 陈梅 申请人:国网电力科学研究院