一种双轴励磁调相机深度进相下的控制方法及系统

技术领域

本发明涉及电机与电器技术领域，并且更具体地，涉及一种双轴励磁调相机深度进相下的控制方法及系统。

背景技术

随着新型调相机的陆续投运，调相机在抑制换流站过电压或换相失败，提高特高压直流输送功率方面所起的作用日益凸显。然而，现有大型调相机均集中布置在换流站或变电站，对改善整个送、受端电网尤其是新能源厂站附近区域的电压稳定水平效果有限；而新能源场站近区的暂态过电压和短路容量不足等已成为制约特高压输电功率和新能源消纳的主要因素。本着无功支撑就地平衡的原则，配置于新能源场站的中小容量调相机，能够实现灵活、分布式的无功补偿和惯量支撑，对避免风电、光伏等新能源场站的暂态过电压，提高新能源厂站汇集地区的电压、频率稳定性具有非常明显的作用，具有很好的应用前景。

与以往小型调相机相比，新能源厂站或汇聚区所用的新型分布式调相机除了要求具有良好的在暂态、次暂态特性外，还应当要具有更强的进相运行能力，以确保其能有效抑制厂站近区的过电压。传统调相机或发电机进相能力受最小励磁电流为零的限制，其最大短时进相能力完全取决于本体的电抗参数，远远小于迟相过载能力，对抑制过电压水平非常不利。如果通过进一步优化调相机参数的方法提升其进相能力，则必将引起造价的大幅上升且效果有限。

而双轴励磁调相机及其控制技术能够使调相机灵活地运行在单轴励磁、双轴励磁以及正负交变励磁工况下，突破最小励磁电流为零的限制，通过d反向励磁和q轴励磁的协调控制使调相机获得与迟相过载能力相当的短时进相能力，并保持稳定运行。由此大幅提高单位装机的过电压抑制效果，有效提升调相机的投资收益。

发明内容

本发明提出一种双轴励磁调相机深度进相下的控制方法及系统，以解决如何使双轴励磁调相机在深度进相工况下保持可控的安全稳定运行问题。

为了解决上述问题，根据本发明的一个方面，提供了一种双轴励磁调相机深度进相下的控制方法，所述方法包括：

确定双轴励磁调相机的类型和运行工况；

根据双轴励磁调相机的类型和运行工况，确定控制策略；

基于所述控制策略对双轴励磁调相机进行控制，以使得双轴励磁调相机在深度进相工况下保持安全稳定运行。

优选地，其中所述双轴励磁调相机的类型，包括：d轴单独提供励磁磁场的双轴励磁调相机和d、q轴共同提供励磁磁场的双轴励磁调相机。

优选地，其中所述根据双轴励磁调相机的类型和运行工况，确定控制策略，包括：

对于d轴单独提供励磁磁场的双轴励磁调相机，当dω<0，θ∈[θ

当dω<0，θ∈[π/2，π-θ

当dω>0，θ∈[-π/2，θ

当dω>0，θ∈[-π-θ

其中，θ为机端电压U与d、q轴合成感应电动势E

优选地，其中所述根据双轴励磁调相机的类型和运行工况，确定控制策略，包括：

对于d、q轴共同提供励磁磁场的双轴励磁调相机，当dω<0且δ∈[-π/2，π/2]时时，确定控制策略为：通过提高q轴反方向的励磁电流I

当dω＞0，且δ∈[-π/2，π/2]时，确定控制策略为：通过降低q轴反方向的励磁电流I

当dω＜0且δ∈[π/2，π]U[-π，-π/2]时，确定控制策略为：通过降低q轴反方向的励磁电流I

当dω>0且δ∈[π/2，π]U[-π，-π/2]时，确定控制策略为：通过降低q轴反方向的励磁电流I

其中，δ为调相机稳态运行时机端电压U与q轴正方向的夹角；E

优选地，其中所述方法还包括：

在q轴励磁调节器的传递函数的放大倍数中引入了符号系数cosδ，以保障q轴励磁电流控制的准确，在任何情况下q轴励磁系统产生的转矩均为正阻尼转矩；其中，δ为调相机稳态运行时机端电压U与q轴正方向的夹角。

根据本发明的另一个方面，提供了一种双轴励磁调相机深度进相下的控制系统，所述系统包括：

运行工况确定单元，用于确定双轴励磁调相机的类型和运行工况；

控制策略确定单元，用于根据双轴励磁调相机的类型和运行工况，确定控制策略；

控制单元，用于基于所述控制策略对双轴励磁调相机进行控制，以使得双轴励磁调相机在深度进相工况下保持安全稳定运行。

优选地，其中所述双轴励磁调相机的类型，包括：d轴单独提供励磁磁场的双轴励磁调相机和d、q轴共同提供励磁磁场的双轴励磁调相机。

优选地，其中所述控制策略确定单元，根据双轴励磁调相机的类型和运行工况，确定控制策略，包括：

对于d轴单独提供励磁磁场的双轴励磁调相机，当dω<0，θ∈[θ

当dω<0，θ∈[π/2，π-θ

当dω>0，θ∈[-π/2，θ

当dω>0，θ∈[-π-θ

其中，θ为机端电压U与d、q轴合成感应电动势E

优选地，其中所述控制策略确定单元，根据双轴励磁调相机的类型和运行工况，确定控制策略，包括：

对于d、q轴共同提供励磁磁场的双轴励磁调相机，当dω<0且δ∈[-π/2，π/2]时时，确定控制策略为：通过提高q轴反方向的励磁电流I

当dω＞0，且δ∈[-π/2，π/2]时，确定控制策略为：通过降低q轴反方向的励磁电流I

当dω＜0且δ∈[π/2，π]U[-π，-π/2]时，确定控制策略为：通过降低q轴反方向的励磁电流I

当dω>0且δ∈[π/2，π]U[-π，-π/2]时，确定控制策略为：通过降低q轴反方向的励磁电流I

其中，δ为调相机稳态运行时机端电压U与q轴正方向的夹角；E

优选地，其中所述控制策略确定单元，还包括：

在q轴励磁调节器的传递函数的放大倍数中引入了符号系数cosδ，以保障q轴励磁电流控制的准确，在任何情况下q轴励磁系统产生的转矩均为正阻尼转矩；其中，δ为调相机稳态运行时机端电压U与q轴正方向的夹角。

本发明提供了一种双轴励磁调相机深度进相下的控制方法及系统，包括：确定双轴励磁调相机的类型和运行工况；根据双轴励磁调相机的类型和运行工况，确定控制策略；基于所述控制策略对双轴励磁调相机进行控制，以使得双轴励磁调相机在深度进相工况下保持安全稳定运行。本发明对调相机原有的励磁控治模式无特殊要求，适合d轴单独提供励磁的双轴励磁调相机和d、q轴共同提供励磁的双轴调相机，控制系统的适应性和鲁棒性较好；具有完善的理论依据，可根据不同调相机开展励磁控制参数的优化，能够使双轴励磁调相机在深度进相工况下保持可控的安全稳定运行。

附图说明

通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式：

图1为根据本发明实施方式的双轴励磁调相机深度进相下的控制方法100的流程图；

图2为调相机电气相量图；

图3为根据本发明实施方式的双轴励磁调相机E

图4为根据本发明实施方式的双轴励磁调相机E

图5的(a)和(b)分别为根据本发明实施方式的双轴励磁调相机合成磁场在任意初始位置处的电磁转矩示意图；

图6为根据本发明实施方式的q轴励磁调节器传递函数框图；

图7为根据本发明实施方式的q轴励磁附加控制阻尼函数K

图8为根据本发明实施方式的q轴励磁附加控制阻尼系数K

图9为根据本发明实施方式的q轴励磁附加控制阻尼函数K

图10为根据本发明实施方式的双轴励磁调相机深度进相下的控制系统1100的结构示意图。

具体实施方式

现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。

除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。

图1为根据本发明实施方式的双轴励磁调相机深度进相下的控制方法100的流程图。如图1所示，本发明实施方式提供的双轴励磁调相机深度进相下的控制方法，对调相机原有的励磁控治模式无特殊要求，适合d轴单独提供励磁的双轴励磁调相机和d、q轴共同提供励磁的双轴调相机，控制系统的适应性和鲁棒性较好；具有完善的理论依据，可根据不同调相机开展励磁控制参数的优化，能够使双轴励磁调相机在深度进相工况下保持可控的安全稳定运行。本发明实施方式提供的双轴励磁调相机深度进相下的控制方法100，从步骤101处开始，在步骤101确定双轴励磁调相机的类型和运行工况。

优选地，其中所述双轴励磁调相机的类型，包括：d轴单独提供励磁磁场的双轴励磁调相机和d、q轴共同提供励磁磁场的双轴励磁调相机。

在步骤102，根据双轴励磁调相机的类型和运行工况，确定控制策略。

优选地，其中所述根据双轴励磁调相机的类型和运行工况，确定控制策略，包括：

对于d轴单独提供励磁磁场的双轴励磁调相机，当dω<0，θ∈[θ

当dω<0，θ∈[π/2，π-θ

当dω>0，θ∈[-π/2，θ

当dω>0，θ∈[-π-θ

其中，θ为机端电压U与d、q轴合成感应电动势E

优选地，其中所述根据双轴励磁调相机的类型和运行工况，确定控制策略，包括：

对于d、q轴共同提供励磁磁场的双轴励磁调相机，当dω<0且δ∈[-π/2，π/2]时时，确定控制策略为：通过提高q轴反方向的励磁电流I

当dω＞0，且δ∈[-π/2，π/2]时，确定控制策略为：通过降低q轴反方向的励磁电流I

当dω＜0且δ∈[π/2，π]U[-π，-π/2]时，确定控制策略为：通过降低q轴反方向的励磁电流I

当dω>0且δ∈[π/2，π]U[-π，-π/2]时，确定控制策略为：通过降低q轴反方向的励磁电流I

其中，δ为调相机稳态运行时机端电压U与q轴正方向的夹角；E

优选地，其中所述方法还包括：

在q轴励磁调节器的传递函数的放大倍数中引入了符号系数cosδ，以保障q轴励磁电流控制的准确，在任何情况下q轴励磁系统产生的转矩均为正阻尼转矩；其中，δ为调相机稳态运行时机端电压U与q轴正方向的夹角。

在步骤103，基于所述控制策略对双轴励磁调相机进行控制，以使得双轴励磁调相机在深度进相工况下保持安全稳定运行。

双轴励磁调相机d轴绕组通入反向励磁可获得与迟相过载能力相当的短时进相能力，然而随着励磁电流变为负值，电磁转矩由驱动转矩变为制动转矩，转子将持续减速并进入异步运行，此时调相机有功和无功功率将发生不可控的剧烈振荡。本发明目旨在提出双轴励磁调相机深度进相时的协调控制策略和实现方法，使双轴励磁调相机在深度进相工况下保持可控的安全稳定运行。

同步调相机正常运行时是一个空载运行的同步电动机，其电气相量图如2所示。假定d轴励磁电流为正时，励磁感应电动势E

1)d轴单独提供励磁磁场的双轴励磁调相机控制策略

假设调相机空载损耗为P

当q轴励磁电流不等于零时，调相机感应电动势为d、q轴合成感应电动势E

当E

实际系统中，由于P

当调相机迟相或正常进相运行时，感应电动势E

此时E

双轴励磁调相机的作用在于当E

为达到上述目的，当外部电压升高使E

表1d轴单独提供励磁磁场的双轴励磁调相机控制策略

表1中Δ表示调相机工作在稳定区域，可不必进行q轴励磁控制，√表示必须进行q轴励磁控制，否则调相机会失步。由表可知，q轴励磁电流的增减仅取决于dω的正负，与d轴励磁电流即E

2)d、q轴共同提供励磁磁场的双轴励磁调相机控制策略

当d、q轴共同提供励磁磁场时，任意大小的d、q轴励磁电流都可以合成一个相对转子静止的合成磁场并实现稳定运行。此时，稳态运行时合成感应电动势E

在图5的(a)中，当E

在图5的(b)中，当E

进一步的分析可知，当调相机稳态运行时机端电压U与q轴正方向夹角δ在[-π/2，π/2]范围内，即cosδ>0时，E

表2d、q轴共同提供励磁磁场的双轴励磁调相机控制策略

由以上分析可知，对于d轴单独提供励磁磁场的双轴励磁调相机，其初始功角δ＝θ

根据上述分析，q轴励磁控制器的传递函数可设计如图6所示。

在图6所示的传递函数中，关键在于放大倍数中引入了一个cosδ的符号系数，用于保障q轴励磁电流控制策略始终与表2所示一致。

由于q轴励磁调节器直接控制的是励磁电压，励磁电压经励磁绕组转换为励磁磁势(或励磁电流)会有惯性延时，因此当转差信号Δω为低频周期信号时，经q轴励磁控制、励磁绕组等环节后其贡献的电磁转矩增量ΔT

以下具体举例说明本发明的实施方式

调相机转速有扰动时，由q轴励磁调节产生的电磁转矩增量ΔT

其中

T

式(1)中g(s)表示q轴传递函数，X″

根据之前的分析可知，q轴励磁系统是为了保证调相机运行在平衡点附近不发生失步，即维持调相机在同步速，为此，q轴励磁控制的目标是使调相机产生较大的正向阻尼转矩。当阻尼函数K

对d轴单独提供励磁磁场的双轴励磁调相机，正常运行时δ＝θ

由图7可知，阻尼函数K

对d、q轴共同提供励磁磁场的双轴励磁调相机，若正常运行时系统电压相量与q轴正方向之间夹角较大，假设为δ＝-2π/3，则cosδ＝-0.5。由于图6所示传递函数中励中包含cosδ符号判定环节，此时励磁调相机阻尼函数K

由此可知，采用图6所示的q轴励磁控制传递函数可保证在任何情况下q轴励磁系统产生的转矩均为正阻尼转矩。不过当正常运行时，如d、q轴共同提供励磁电流，则由于cosδ<1，在深度进相期间q轴励磁所能提供的阻尼转矩系数偏小，即q轴励磁控制对阻尼转矩的作用稍差。

图10为根据本发明实施方式的双轴励磁调相机深度进相下的控制系统1000的结构示意图。如图10所示，本发明实施方式提供的双轴励磁调相机深度进相下的控制系统1000，包括：运行工况确定单元1001、控制策略确定单元1002和控制单元1003。

优选地，所述运行工况确定单元1001，用于确定双轴励磁调相机的类型和运行工况。

优选地，其中所述双轴励磁调相机的类型，包括：d轴单独提供励磁磁场的双轴励磁调相机和d、q轴共同提供励磁磁场的双轴励磁调相机。

优选地，所述控制策略确定单元1002，用于根据双轴励磁调相机的类型和运行工况，确定控制策略。

优选地，其中所述控制策略确定单元1002，根据双轴励磁调相机的类型和运行工况，确定控制策略，包括：

对于d轴单独提供励磁磁场的双轴励磁调相机，当dω<0，θ∈[θ

当dω<0，θ∈[π/2，π-θ

当dω>0，θ∈[-π/2，θ

当dω>0，θ∈[-π-θ

其中，θ为机端电压U与d、q轴合成感应电动势E

优选地，其中所述控制策略确定单元1002，根据双轴励磁调相机的类型和运行工况，确定控制策略，包括：

对于d、q轴共同提供励磁磁场的双轴励磁调相机，当dω<0且δ∈[-π/2，π/2]时时，确定控制策略为：通过提高q轴反方向的励磁电流I

当dω＞0，且δ∈[-π/2，π/2]时，确定控制策略为：通过降低q轴反方向的励磁电流I

当dω＜0且δ∈[π/2，π]U[-π，-π/2]时，确定控制策略为：通过降低q轴反方向的励磁电流I

当dω>0且δ∈[π/2，π]U[-π，-π/2]时，确定控制策略为：通过降低q轴反方向的励磁电流I

其中，δ为调相机稳态运行时机端电压U与q轴正方向的夹角；E

优选地，其中所述控制策略确定单元，还包括：

在q轴励磁调节器的传递函数的放大倍数中引入了符号系数cosδ，以保障q轴励磁电流控制的准确，在任何情况下q轴励磁系统产生的转矩均为正阻尼转矩；其中，δ为调相机稳态运行时机端电压U与q轴正方向的夹角。

优选地，所述控制单元1003，用于基于所述控制策略对双轴励磁调相机进行控制，以使得双轴励磁调相机在深度进相工况下保持安全稳定运行。

本发明的实施例的双轴励磁调相机深度进相下的控制系统1100与本发明的另一个实施例的双轴励磁调相机深度进相下的控制方法100相对应，在此不再赘述。

已经通过参考少量实施方式描述了本发明。然而，本领域技术人员所公知的，正如附带的专利权利要求所限定的，除了本发明以上公开的其他的实施例等同地落在本发明的范围内。

通常地，在权利要求中使用的所有术语都根据他们在技术领域的通常含义被解释，除非在其中被另外明确地定义。所有的参考“一个/所述/该[装置、组件等]”都被开放地解释为所述装置、组件等中的至少一个实例，除非另外明确地说明。这里公开的任何方法的步骤都没必要以公开的准确的顺序运行，除非明确地说明。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请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，本申请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。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、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：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，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：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。