一种变速抽水蓄能机组用交流励磁系统及机组自启动方法技术方案

本发明专利技术涉及一种变速抽水蓄能机组用交流励磁系统及机组自启动方法，本发明专利技术的交流励磁系统包括网侧和机侧，网侧和机侧共用一个直流母线，网侧由4个功率单元并联组成，机侧由6个功率单元并联组成，每个功率单元为NPC三电平拓扑结构。交流励磁系统启动机组的过程为：在做好准备工作后，启动交流励磁系统网侧，使得直流电压从0V上升至额定电压；接着，启动交流励磁系统机侧，对机组转子进行励磁，分别经过恒转矩升速、恒功率升速、降功率升速三个阶段，使变速抽水蓄能机组从静止平稳启动至额定转速。该启动过程平滑无冲击，无需额外的启动装置，降低了电站建设成本。

【技术实现步骤摘要】
一种变速抽水蓄能机组用交流励磁系统及机组自启动方法
本专利技术属于电力电子传动
，具体涉及一种变速抽水蓄能机组用交流励磁系统及机组自启动方法。
技术介绍
近年来，新能源并网发电机组并网容量不断增加，由于风电、光伏发电的随机性，给电网调峰和调频能力都提出了更高的要求，而作为削峰填谷的最好工具的抽水蓄能电站，在电力系统中占据越来越重要的地位。抽水蓄能电站作为电网综合辅助管理工具，以水能转换为载体，给系统提供储能服务和多工况调度运行，在电网中承担调峰、填谷、调频、调相、事故备用、黑启动等任务，是现代电力系统的稳压器、调节器和存储器。抽水蓄能系统主要有两大类，一种为定速抽水蓄能系统，一种为变速抽水蓄能系统。变速抽水蓄能电站的优势为：1、电机转速可调，提高水泵水轮机的运行效率，减小磨损；2、电动和发电工况，有功功率均可调，功率调节速度快，电网频率调节精度高；3、机组振幅小，运行稳定性高；4、可自启动，无需启动装置；变速抽水蓄能电站是抽水蓄能未来发展的趋势。百兆瓦级变速抽水蓄能系统如图1所示，主要包括主变压器、定子接触器、换相开关、定子短接装置、发电电动机、水泵水轮机、机组控制保护系统、励磁断路器K1和交流励磁系统。交流励磁系统主要包括励磁变压器、网侧软起断路器K4和K6、网侧并网断路器K5和K7、网侧、直流Crowbar、机侧、交流Crowbar、控制保护系统和水冷系统。变速抽水蓄能机组稳态有两种运行工况，一种为发电工况，一种为抽水工况。发电工况，机组通过水轮机球阀和调速器启动，抽水工况需要机组自启动。目前国内外关于变速抽水蓄能机组的研究主要为功率解耦控制和电网频率控制方面，对机组自启动方面的研究较少。定速机组不具备自启动能力，通过额外配置静止启动变频器启动，变速机组也可通过额外配置静止启动变频器进行启动，但会额外增加成本。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种变速抽水蓄能机组用交流励磁系统及机组自启动方法，用以解决变速机组通过额外配置静置启动变频器启动造成的成本较高的问题。为解决上述技术问题，本专利技术的技术方案为：本专利技术提供了一种变速抽水蓄能机组的自启动方法，包括如下方法方案：方法方案一，短接电机定子，控制交流励磁系统接入电网，使机组逐步升速至额定转速。方法方案二，在方法方案一的基础上，所述控制交流励磁系统接入电网，使机组逐步升速至额定转速包括：交流励磁系统判断机组处于抽水工况下，接收机组控制系统启动命令；启动交流励磁系统网侧，使直流电压上升至额定电压；启动交流励磁系统机侧，对机组转子进行励磁，使机组升速；当机组的转子磁通达到转子额定磁通，且机组转速大于设定速度时，控制减小转子磁通；当转矩电流大于机组的转矩极限时，控制交流励磁系统按照转矩极限输出转矩电流，使机组升速至额定转速。方法方案三，在方法方案二的基础上，所述交流励磁系统网侧采用控制外环为直流电压环、控制内环为电流环的双闭环控制方法。方法方案四，在方法方案二的基础上，所述交流励磁系统机侧控制外环为转子转速环和转子磁通环、控制内环为电流环的双闭环控制方法。方法方案五，在方法方案二的基础上，所述启动交流励磁系统网侧，使直流电压上升至额定电压包括：启动交流励磁系统网侧，经网侧软启电阻，给直流侧充电；旁路网侧软启电阻，开启网侧控制脉冲，使直流电压上升至额定电压。方法方案六，在方法方案二的基础上，所述设定速度为smaxωr_rate，smax为机组并网稳态运行时的最大转差率，ωr_rate为机组转子的额定转速。方法方案七，在方法方案二的基础上，当机组转速大于设定速度时，转子磁通环的磁通指令值为：其中，ψr*为转子磁通环的磁通指令值，smax为机组并网稳态运行时的最大转差率，ωr_rate为机组转子的额定转速，ω0为交流励磁系统输出电压的转速，ψrate为转子额定磁通。方法方案八，在方法方案二的基础上，所述转矩极限为：其中，irq为转矩极限，ψr为转子磁通环幅值，Lr为转子电感，σ＝1-Lm2/LsLr为漏感系数，Lm为互感，Ls为定子电感。方法方案九，在方法方案四的基础上，转子磁通环中的转子磁通通过磁通观测器得到。本专利技术还提供了一种变速抽水蓄能机组用交流励磁系统，包括励磁变压器、网侧并网断路器、网侧软起断路器、LCL滤波器、网侧换流器、机侧换流器、交流Crowbar、直流Crowbar、控制保护系统和水冷系统，网侧换流器和机侧换流器共用一个直流母线，所述控制保护系统用于执行方法方案一～方法方案九中任一项的变速抽水蓄能机组的自启动方法。本专利技术的有益效果：本专利技术利用变速抽水蓄能机组的交流励磁系统来使机组逐步升速至额定转速。在做好准备工作后，启动交流励磁系统网侧，使得直流电压从0V上升至额定电压；接着，启动交流励磁系统机侧，对机组转子进行励磁，分别经过恒转矩升速、恒功率升速、降功率升速三个阶段，使变速抽水蓄能机组从静止平稳启动至额定转速。该启动过程平滑无冲击，无需额外的启动装置，大大减少了成本。附图说明图1是百兆瓦级变速抽水蓄能系统示意图；图2是交流励磁系统网侧的控制框图；图3是交流励磁系统机侧的控制框图；图4是转子磁通观测器的示意图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚，下面结合附图及实施例，对本专利技术作进一步的详细说明。本专利技术的变速抽水蓄能机组如图1所示，基于该机组，短接电机定子，控制交流励磁系统接入电网，使机组平稳启动至额定转速。具体如下：该自启动方法主要包括六个阶段，分别为准备阶段、稳压阶段、励磁启动阶段、恒转矩启动阶段、恒功率启动阶段和降功率启动阶段。第一阶段，准备阶段。交流励磁系统判断换向开关为抽水位置，并接收机组控制系统启动命令，在交流励磁系统确认定子接触器K2处于断开状态后，向机组控制系统发出请求闭合定子短接开关K3和请求闭合励磁断路器K1。第二阶段，稳压阶段。启动交流励磁系统网侧，闭合网侧软起断路器K4和K6，电网通过软起电阻和网侧反并联二极管给直流侧充电。当直流电压大于0.6pu且持续3秒后，断开网侧软起断路器K4和K6，闭合网侧并网断路器K5和K7，当直流电压大于0.8pu且持续2秒后，开启网侧脉冲控制，直至直流电压上升至额定电压并处于稳定状态。网侧采用电网电压定向矢量控制，具体为电压电流双闭环控制，控制外环为直流电压环，内环为电流环，其控制框图如图2所示。直流电压指令值Udc*与直流电压Udc作差，通过PI调节器进行闭环控制，得到d轴电流指令igd*。将采集到的网侧三相电流iga、igb、igc变换至dq旋转坐标系得到igd和igq，通过电网电压锁相得到变换角度θs。将d轴电流指令igd*与igd作差后，通过PI调节器进行闭环控制，得到d轴电压指令值ugd*。q轴的电流指令值为0，与igq作差后，通过PI调节器进行闭环控制，得到q轴电压指令值ugq*。将d轴电压指令值ugd*和q轴电压指令值ugq*变换至两相静止坐标系，再通过SVPWM调制，得到交流励磁系统网侧的触发脉冲。第三阶段，励磁启动阶段。启动交流励磁系统机侧，对机组转子进行励磁，该磁力电流为额定电流，转子磁通大于0.25pu后，给定转矩电流，机组开始升速。其中，转矩电流的幅值为Imax为交流励磁系统机侧稳态所能输出的最大电流，ird为转子d轴电流。机侧采用转子磁本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种变速抽水蓄能机组的自启动方法，其特征在于，短接电机定子，控制交流励磁系统接入电网，使机组逐步升速至额定转速。

【技术特征摘要】
1.一种变速抽水蓄能机组的自启动方法，其特征在于，短接电机定子，控制交流励磁系统接入电网，使机组逐步升速至额定转速。2.根据权利要求1所述的变速抽水蓄能机组的自启动方法，其特征在于，所述控制交流励磁系统接入电网，使机组逐步升速至额定转速包括：交流励磁系统判断机组处于抽水工况下，接收机组控制系统启动命令；启动交流励磁系统网侧，使直流电压上升至额定电压；启动交流励磁系统机侧，对机组转子进行励磁，使机组升速；当机组的转子磁通达到转子额定磁通，且机组转速大于设定速度时，控制减小转子磁通；当转矩电流大于机组的转矩极限时，控制交流励磁系统按照转矩极限输出转矩电流，使机组升速至额定转速。3.根据权利要求2所述的变速抽水蓄能机组的自启动方法，其特征在于，所述交流励磁系统网侧采用控制外环为直流电压环、控制内环为电流环的双闭环控制方法。4.根据权利要求2所述的变速抽水蓄能机组的自启动方法，其特征在于，所述交流励磁系统机侧控制外环为转子转速环和转子磁通环、控制内环为电流环的双闭环控制方法。5.根据权利要求2所述的变速抽水蓄能机组的自启动方法，其特征在于，所述启动交流励磁系统网侧，使直流电压上升至额定电压包括：启动交流励磁系统网侧，经网侧软启电阻，给直流侧充电；旁路网侧软启电阻，开启网侧脉冲，使直流电压上升至额定电压。6.根据权利要求2所述的变速抽水蓄能机组的自启动方法，其特征在于，所述设定速度为smaxωr_rate，smax为机组并网稳态运行时的...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯宇鹏，吴金龙，张海龙，陈旭东，宋晓梅，来璐，
申请(专利权)人：许继电气股份有限公司，西安许继电力电子技术有限公司，许继集团有限公司，国家电网公司，
类型：发明
国别省市：河南,41