專利名稱：一種動態(tài)無功補(bǔ)償器的控制系統(tǒng)及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電機(jī)和電力系統(tǒng)控制領(lǐng)域中動態(tài)無功補(bǔ)償器的控制系統(tǒng)及其控制方法，特別是關(guān)于一種用于支持大型異步電機(jī)直接啟動的動態(tài)無功補(bǔ)償器的控制系統(tǒng)及其控制方法。
背景技術(shù)：
在實際應(yīng)用中存在一些規(guī)模較小、電氣聯(lián)系相對薄弱和對負(fù)荷沖擊比較敏感的電網(wǎng)，例如遠(yuǎn)距離放射性電網(wǎng)的送電末端和海上油田群電網(wǎng)這類總裝機(jī)容量不大的電力系統(tǒng)。以典型的海上油田群電網(wǎng)為例，它通常是由數(shù)個平臺電站通過遠(yuǎn)距離海纜聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成，每個電站平臺包括數(shù)臺單機(jī)容量不大0 15MW)的燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)，同時還安裝了用于海上油田開發(fā)所必須的大型異步電動機(jī)負(fù)荷，如注水泵等，電機(jī)的容量通常很大，達(dá)到數(shù)MW。這些大型電機(jī)直接啟動時，會吸收大量的無功功率(通常達(dá)到或超過額定功率的5倍)，由于所接入的電網(wǎng)相對薄弱，會導(dǎo)致母線電壓急劇下降，可能造成一系列的不利后果，如大型電機(jī)啟動緩慢甚至不能順利啟動、同母線或附近的其他負(fù)荷因低電壓而脫扣、同母線或附近的燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)因無功功率急劇增長而過載跳閘等等。上述問題雖然可以采用降壓啟動、軟啟動和變頻啟動等方法來避開大型電機(jī)直接啟動帶來的問題，但由于需要調(diào)整電機(jī)的啟動回路，對于一些已經(jīng)投產(chǎn)的大型異步電機(jī)而言，改造工作較復(fù)雜、難度很大，且投資不菲。而另一方面，隨著大容量電力電子技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，新型的動態(tài)無功補(bǔ)償器如靜止無功補(bǔ)償器(SVC)和靜止同步補(bǔ)償器 (STATC0M)已經(jīng)在現(xiàn)代電網(wǎng)中得到廣泛的應(yīng)用，其用途包括調(diào)節(jié)電網(wǎng)潮流、改善電能質(zhì)量、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性等。研究發(fā)現(xiàn)，通過在大型電機(jī)附近安裝一定容量的動態(tài)無功補(bǔ)償器并適當(dāng)設(shè)計其控制策略，在電機(jī)直接啟動過程中提供快速動態(tài)無功支持，則可以有效解決上述大電機(jī)直接啟動問題。這種方案的突出優(yōu)點(diǎn)是動態(tài)無功補(bǔ)償器不改變大型電機(jī)的接線和啟動方式，而且還兼具其它多種應(yīng)用功能，對于綜合解決小型電網(wǎng)的供電可靠性和穩(wěn)定性具有重要的意義。然而，在實現(xiàn)這些動態(tài)無功補(bǔ)償器的控制方法時，即常規(guī)的電壓控制內(nèi)環(huán)與無功控制內(nèi)環(huán)，對于小電網(wǎng)中大型電動機(jī)的啟動雖然有一定積極意義，但仍然存在不足。這是因為其電壓控制雖然能感應(yīng)到大電機(jī)啟動時母線電壓跌落而注入一定的無功補(bǔ)償，但由于母線電壓的響應(yīng)速度要慢于電機(jī)的無功突增，導(dǎo)致動態(tài)無功補(bǔ)償?shù)乃俣冗_(dá)不到要求，而且通過簡單的電壓調(diào)節(jié)來進(jìn)行控制，可能需要很大的補(bǔ)償容量；而常規(guī)的無功控制響應(yīng)速度更慢，無法即使補(bǔ)償大電機(jī)啟動帶來的無功突增。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種能快速補(bǔ)償小電網(wǎng)下大型異步電機(jī)啟動過程中大量無功需求，穩(wěn)定母線電壓，加快電機(jī)啟動過程，并能提高小電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定性、改善大電機(jī)啟動性能的動態(tài)無功補(bǔ)償器的控制系統(tǒng)及其控制方法。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案一種動態(tài)無功補(bǔ)償器的控制系統(tǒng)，其特征在于它包括電機(jī)啟動切換器、無功功率調(diào)節(jié)器、切換器、電壓調(diào)節(jié)器和電機(jī)啟動無功補(bǔ)償器；所述電機(jī)啟動切換器連接在大型異步電機(jī)的輸入端，所述電機(jī)啟動切換器輸出的第一路切換信號和第四路控制信號輸入至所述無功功率調(diào)節(jié)器內(nèi)，控制所述無功功率調(diào)節(jié)器對動態(tài)無功補(bǔ)償器進(jìn)行無功功率的慢動態(tài)調(diào)控；所述無功功率調(diào)節(jié)器輸出端經(jīng)所述切換器連接所述電壓調(diào)節(jié)器的輸入端，所述切換器由所述電機(jī)啟動切換器輸出的第二路切換信號控制其通、斷；所述電機(jī)啟動切換器輸出的第三路切換信號輸入至所述電機(jī)啟動無功補(bǔ)償器內(nèi)，控制所述電機(jī)啟動無功補(bǔ)償器與所述電壓調(diào)節(jié)器的通、斷；所述電機(jī)啟動無功補(bǔ)償器輸出的無功信號輸入至所述電壓調(diào)節(jié)器內(nèi)，所述電壓調(diào)節(jié)器將接收到的所述無功功率調(diào)節(jié)器輸出的無功功率和所述電機(jī)啟動無功補(bǔ)償器輸出的無功信號，在所述電機(jī)啟動切換器輸出的第五路控制信號的控制下，對動態(tài)無功補(bǔ)償器進(jìn)行無功功率的快動態(tài)調(diào)控。所述無功功率調(diào)節(jié)器包括參考值切換器、比較器、PI控制器和移相器；所述參考值切換器在所述第一路切換信號控制下，使所述無功功率調(diào)節(jié)器的參考輸入值在系統(tǒng)調(diào)度給定的無功參考值和預(yù)備啟動狀態(tài)給定的無功參考值之間切換；所述參考值切換器將輸出的無功參考值送入所述比較器內(nèi)，與動態(tài)無功補(bǔ)償器當(dāng)前輸出的無功功率值相減，得到的無功偏差值輸入所述PI控制器內(nèi)；所述PI控制器由所述第四路控制信號調(diào)整其積分初值； 所述PI控制器的輸出值傳輸至所述移相器，所述移相器對所述PI控制器的輸出值進(jìn)行增益和移相處理后輸出至所述切換器。所述電機(jī)啟動無功補(bǔ)償器包括除法器、比例器和另一個切換器；所述除法器將接收到的大型異步電機(jī)吸收的無功功率除以接收到的母線電壓，得到無功電流，所述無功電流依次經(jīng)所述比例器和切換器后輸入至所述電壓調(diào)節(jié)器。所述電壓調(diào)節(jié)器包括第一個信號求和器、另一個PI控制器、第二個信號求和器、 另一個移相器和限幅器；所述第一個信號求和器將所述無功功率調(diào)節(jié)器的輸出值與母線電壓參考值求和后與輸入的母線電壓相減，得到的差值輸入所述PI控制器內(nèi)，所述第五路控制信號控制所述PI控制器的積分初值；所述PI控制器的輸出值輸入所述第二個信號求和器，與所述電機(jī)啟動無功補(bǔ)償器輸出的無功電流進(jìn)行求和，求和后依次經(jīng)所述移相器和限幅器限幅后輸出無功功率。所述動態(tài)無功補(bǔ)償器包括靜止同步補(bǔ)償器、晶間管控制電抗器式靜止型動態(tài)無功補(bǔ)償器、磁閥式靜止型動態(tài)無功補(bǔ)償器以及靜止動態(tài)無功補(bǔ)償器與固定電容器或機(jī)械投切電容器或晶間管投切電容器或無源L-C濾波器的組合?；谏鲜鰟討B(tài)無功補(bǔ)償器的控制系統(tǒng)的控制方法，所述電機(jī)啟動切換器的控制方法步驟如下(1)在大型異步電機(jī)啟動前，動態(tài)無功補(bǔ)償器已經(jīng)投入運(yùn)行，此時電機(jī)啟動切換器輸出信號的取值分別為第一路切換信號置0，第二路切換信號置1，第三路切換信號置0，第四路控制信號和第五路控制信號無作用；無功功率調(diào)節(jié)器和電壓調(diào)節(jié)器投入運(yùn)行， 動態(tài)無功補(bǔ)償器輸出的無功功率與無功參考值一致；(2)假設(shè)在to > 0時刻，給出電機(jī)預(yù)備啟動指令，電機(jī)啟動切換器將第一路切換信號從0切換成1，使無功功率調(diào)節(jié)器的參考輸入值從系統(tǒng)調(diào)度給定的無功參考值切換成預(yù)備啟動狀態(tài)給定的無功參考值，持續(xù)監(jiān)測動態(tài)無功補(bǔ)償器的輸出無功功率，并與預(yù)備啟動狀態(tài)給定的無功參考值比較；(3)假設(shè)在tl > to時刻，動態(tài)無功補(bǔ)償器輸出的無功功率與預(yù)備啟動狀態(tài)給定的無功參考值接近一致，動態(tài)無功補(bǔ)償器和系統(tǒng)進(jìn)入新的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，則電機(jī)啟動切換器發(fā)出電機(jī)合閘啟動指令，同時第二路切換信號的值從1變成0，第三路切換信號的值從0變成1，大型異步電機(jī)進(jìn)入啟動過程；(4)假設(shè)在t2 > tl時刻，電機(jī)啟動過程結(jié)束，則同時切換信號第一路切換信號從1 切換為0，第二路切換信號從0切換為1，第三路切換信號從1切換為0，第四路控制信號給無功功率調(diào)節(jié)器的積分器初值置零，第五路控制信號給電壓調(diào)節(jié)器的積分器重置初值，使其加法器的輸出量在切換前后維持不變；在切換前后，動態(tài)無功補(bǔ)償器維持連續(xù)，在無功功率調(diào)節(jié)器的作用下，動態(tài)無功補(bǔ)償器的輸出仍然由系統(tǒng)調(diào)度決定，電機(jī)啟動過程完成。本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點(diǎn)1、本發(fā)明由于采用包括啟動切換器、無功功率調(diào)節(jié)器、電壓調(diào)節(jié)器、電機(jī)啟動無功補(bǔ)償器和切換器的控制系統(tǒng)，在大型異步電機(jī)的輸入端連接電機(jī)啟動切換器，其能控制大型異步電機(jī)啟動過程中各調(diào)節(jié)器及其參量的切換，進(jìn)而實現(xiàn)大型異步電機(jī)從啟動前的狀態(tài)依次經(jīng)過預(yù)備啟動狀態(tài)、啟動狀態(tài)逐步過渡到啟動后穩(wěn)態(tài)，因此，能有效地降低靜止無功補(bǔ)償器的裝置容量、投資，增大了動態(tài)無功補(bǔ)償能力。2、本發(fā)明由于采用無功功率調(diào)節(jié)器是動態(tài)無功補(bǔ)償器的外環(huán)控制，其包括參考值切換器、比較器、PI控制器和移相器，能實現(xiàn)對動態(tài)無功補(bǔ)償器進(jìn)行無功功率的慢動態(tài)調(diào)控，使得其輸出的無功功率與參考值逐漸接近一致。3、本發(fā)明采用電機(jī)啟動無功補(bǔ)償器包括除法器、比例器和切換器，其能在大型異步電機(jī)啟動過程中快速和持續(xù)地補(bǔ)償電機(jī)所吸收的大量無功功率。4、本發(fā)明采用電壓調(diào)節(jié)器是動態(tài)無功補(bǔ)償器的內(nèi)環(huán)控制，其包括第一個信號求和器、另一個PI控制器、第二個信號求和器、另一個移相器和限幅器，能實現(xiàn)對動態(tài)無功補(bǔ)償器進(jìn)行無功功率的快動態(tài)調(diào)控，使得其快速響應(yīng)輸出無功功率，控制母線電壓穩(wěn)定在參考值附近和提供支持大型異步電動機(jī)啟動所需的無功功率。5、本發(fā)明的動態(tài)無功補(bǔ)償器控制方法由于采用基于包括啟動切換器、無功功率調(diào)節(jié)器、電壓調(diào)節(jié)器、電機(jī)啟動無功補(bǔ)償器和切換器的控制系統(tǒng)，其在大型異步電機(jī)啟動過程中，通過適當(dāng)?shù)目刂七壿嬚{(diào)控動態(tài)無功補(bǔ)償器的無功功率輸出，快速補(bǔ)償大型異步電機(jī)啟動過程中的大量無功需求， 達(dá)到穩(wěn)定母線電壓，加快電機(jī)啟動過程，避免鄰近機(jī)組和負(fù)荷自動脫扣的風(fēng)險，從而提高了小電網(wǎng)的系統(tǒng)穩(wěn)定性和改善大電機(jī)的啟動性能。本發(fā)明可以廣泛應(yīng)用于電機(jī)和電力系統(tǒng)控制領(lǐng)域中。


圖1是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明的應(yīng)用于小電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。如圖1所示，本發(fā)明包括電機(jī)啟動切換器1、無功功率調(diào)節(jié)器2、切換器3、電壓調(diào)節(jié)器4和電機(jī)啟動無功補(bǔ)償器5。電機(jī)啟動切換器1連接在現(xiàn)有技術(shù)中大型異步電機(jī)的輸入端，用于在大型異步電機(jī)啟動過程控制各調(diào)節(jié)器及其參量的切換，進(jìn)而實現(xiàn)大型異步電機(jī)從啟動前的狀態(tài)依次經(jīng)過預(yù)備啟動狀態(tài)、啟動狀態(tài)逐步過渡到啟動后穩(wěn)態(tài)，這樣與傳統(tǒng)的電機(jī)相比，增加了預(yù)備啟動狀態(tài)，這一操作的目的是先將靜止無功補(bǔ)償器的初始輸出無功功率降低，以便在后續(xù)電機(jī)啟動過程中提供最大或足夠大的動態(tài)無功補(bǔ)償，可以降低靜止無功補(bǔ)償器的裝置容量、 投資，增大動態(tài)無功補(bǔ)償能力。電機(jī)啟動切換器1輸出的切換信號SWl和控制信號SW4輸入至無功功率調(diào)節(jié)器2內(nèi)，控制無功功率調(diào)節(jié)器2對動態(tài)無功補(bǔ)償器進(jìn)行無功功率的慢動態(tài)調(diào)控，并由切換信號SWl、控制信號SW4調(diào)節(jié)無功功率調(diào)節(jié)器2輸出的無功功率，使該無功功率與預(yù)先設(shè)定的參考值逐漸接近一致。無功功率調(diào)節(jié)器2輸出端經(jīng)切換器3連接電壓調(diào)節(jié)器4的輸入端，切換器3由電機(jī)啟動切換器1輸出的切換信號SW2控制其通、斷狀態(tài)。電機(jī)啟動切換器1輸出的切換信號SW3輸入至電機(jī)啟動無功補(bǔ)償器5內(nèi)，控制電機(jī)啟動無功補(bǔ)償器5與電壓調(diào)節(jié)器4的通、斷狀態(tài)。電機(jī)啟動無功補(bǔ)償器5用于在大型異步電機(jī)啟動過程中快速和持續(xù)地補(bǔ)償電機(jī)所吸收的大量無功功率，并將輸出的無功信號輸入至電壓調(diào)節(jié)器4內(nèi)。電壓調(diào)節(jié)器4將接收到的無功功率調(diào)節(jié)器2輸出的無功功率和電機(jī)啟動無功補(bǔ)償器5輸出的無功信號，在電機(jī)啟動切換器1輸出的控制信號SW5的控制下進(jìn)行處理，實現(xiàn)對動態(tài)無功補(bǔ)償器進(jìn)行無功功率的快動態(tài)調(diào)控，使得其快速響應(yīng)輸出無功功率，控制母線電壓穩(wěn)定在參考值附近和提供支持大型異步電動機(jī)啟動所需的無功功率。上述實施例中，無功功率調(diào)節(jié)器2是動態(tài)無功補(bǔ)償器的外環(huán)控制，用于對動態(tài)無功補(bǔ)償器進(jìn)行無功功率的慢動態(tài)調(diào)控，使得其輸出的無功功率與參考值逐漸接近一致，其包括參考值切換器6、比較器7、PI控制器8和移相器9，參考值切換器6在電機(jī)啟動切換器 1輸入的切換信號SWl控制下，使得無功功率調(diào)節(jié)器2的參考輸入值在由系統(tǒng)調(diào)度給定的無功參考值Qref和預(yù)備啟動狀態(tài)給定的無功參考值Qsref之間進(jìn)行切換，無功參考值Qsref 是預(yù)先設(shè)定值。參考值切換器6將輸出的無功參考值送入比較器7內(nèi)，與動態(tài)無功補(bǔ)償器當(dāng)前輸出的無功功率值進(jìn)行減法運(yùn)算后，得到的無功偏差值輸入PI控制器8內(nèi)進(jìn)行比例積分運(yùn)算。PI控制器8在電機(jī)啟動切換器1的控制信號SW4控制下，調(diào)整PI控制器8的積分初值。PI控制器8的輸出值傳輸至移相器9，移相器9對PI控制器8的輸出進(jìn)行增益和移相處理后輸出至切換器3。上述實施例中，電壓調(diào)節(jié)器4是動態(tài)無功補(bǔ)償器的內(nèi)環(huán)控制，用于對動態(tài)無功補(bǔ)償器進(jìn)行無功功率的快動態(tài)調(diào)控，使得其快速響應(yīng)輸出無功功率，控制母線電壓穩(wěn)定在參考值附近和提供支持大型異步電動機(jī)啟動所需的無功功率，其包括第一個信號求和器10、 另一個PI控制器11、第二個信號求和器12、另一個移相器13和限幅器14。第一個信號求和器10將無功功率調(diào)節(jié)器2的輸出值與母線電壓參考值Vref進(jìn)行求和后與輸入的母線電壓Vt進(jìn)行相減，得到的差值輸入PI控制器11內(nèi)進(jìn)行比例積分運(yùn)算，并由電機(jī)啟動切換器 1的控制信號SW5控制PI控制器11的積分初值。PI控制器11的輸出值作為第二個信號求和器12的一個輸入信號，與電機(jī)啟動無功補(bǔ)償器5輸出的無功電流進(jìn)行求和，求和后依次經(jīng)移相器13和限幅器14限幅后輸出無功功率，實現(xiàn)了將母線電壓穩(wěn)定在參考值附近和提供支持大型異步電動機(jī)啟動所需的無功功率。其中，電壓調(diào)節(jié)器4中的第二個信號求和器12還可以設(shè)置在PI控制器11之前或移相器13之后。上述實施例中，電機(jī)啟動無功補(bǔ)償器5用于在大型異步電機(jī)啟動過程中快速和持續(xù)地補(bǔ)償電機(jī)所吸收的大量無功功率，其包括除法器15、比例器16和另一個切換器17。除法器15將接收到的由電機(jī)啟動切換器1傳輸至的大型異步電機(jī)吸收的無功功率除以接收到的母線電壓，得到對應(yīng)的無功電流；無功電流經(jīng)過比例器1進(jìn)行比例運(yùn)算后，經(jīng)過切換器17輸入至電壓調(diào)節(jié)器4。上述各實施例中，本發(fā)明適用的動態(tài)無功補(bǔ)償器包括靜止同步補(bǔ)償器(STATC0M 或SVG)、晶閘管控制電抗器(TCR)式靜止型動態(tài)無功補(bǔ)償器、磁閥式靜止型動態(tài)無功補(bǔ)償器MCR以及各種SVC裝置，即各種靜止動態(tài)無功補(bǔ)償器與固定電容器或機(jī)械投切電容器或晶閘管投切電容器(TSC)或無源L-C濾波器等的組合。上述各實施例中，各PI控制器和移相器也可采用其他實現(xiàn)形式或類似控制效果的控制策略，如PI控制可以簡化P控制，移相器可以采用二階或多階形式，也可省略。上述各實施例中，所有的電量(電壓、電流和功率)均采用標(biāo)么值(即標(biāo)么值=有名值/基值)，如果采用有名值或其他量化規(guī)范，則只需變換發(fā)明中的控制參數(shù)即可。本發(fā)明的動態(tài)無功補(bǔ)償控制系統(tǒng)主要由電機(jī)啟動切換器1實現(xiàn)對其進(jìn)行控制， 具體來說就是根據(jù)預(yù)啟動指令K0、電機(jī)合間開關(guān)狀態(tài)、預(yù)備啟動狀態(tài)給定的無功參考值 Qsref和動態(tài)無功補(bǔ)償器輸出的無功功率Qs來產(chǎn)生切換信號SWl SW3和大型異步電機(jī)合閘啟動指令K1，則電機(jī)啟動切換器1的控制方法包括以下步驟1)在大型異步電機(jī)啟動前，即大型異步電機(jī)主開關(guān)狀態(tài)為“分閘”，動態(tài)無功補(bǔ)償器已經(jīng)投入運(yùn)行，此時電機(jī)啟動切換器1輸出信號的取值分別為SW1 = 0，SW2 = l,Sff3 = 0，SW4和SW5不起作用；此時，無功功率調(diào)節(jié)器2和電壓調(diào)節(jié)器4投入運(yùn)行，電機(jī)啟動無功補(bǔ)償器5不投運(yùn)，動態(tài)無功補(bǔ)償器輸出的無功功率與無功參考值Qref —致。2)假設(shè)在t0(t0>0)時刻，準(zhǔn)備啟動大型異步電機(jī)，即給出電機(jī)預(yù)備啟動(合閘) 指令，則電機(jī)啟動切換器1將信號SWl從0值切換成1值，使得無功功率調(diào)節(jié)器2的參考輸入值從Qref切換成Qsref，之后持續(xù)監(jiān)測動態(tài)無功補(bǔ)償器的輸出無功功率，并與Qsref進(jìn)行比較。3)假設(shè)在tl (tl > t0)時刻，Qs與Qsref接近一致，動態(tài)無功補(bǔ)償器和系統(tǒng)進(jìn)入新的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，則電機(jī)啟動切換器1發(fā)出電機(jī)合閘啟動指令K1，同時切換信號SW2的值從1 變成0，切換信號SW3的值從0變成1，即退出無功功率調(diào)節(jié)器2、投入電機(jī)啟動無功補(bǔ)償器 5，大型異步電機(jī)進(jìn)入啟動過程；在該過程中，動態(tài)無功補(bǔ)償器將在其容量范圍盡可能地補(bǔ)償電機(jī)啟動過程吸收的大量無功功率，支撐母線電壓，在整個啟動過程中，電機(jī)啟動切換器密切監(jiān)視大電機(jī)吸收無功功率Qm的變化情況。4)假設(shè)在t2(t2>tl)時刻，監(jiān)測到大型異步電機(jī)吸收的無功功率Qm經(jīng)過快速下降階段后穩(wěn)定在某一個較小的值，即意味著電機(jī)啟動過程已經(jīng)結(jié)束，則同時切換信號SW1 從1切換為0，SW2從0切換為1，SW3從1切換為0，SW4給無功功率調(diào)節(jié)器2的積分器初值置0，SW5給電壓調(diào)節(jié)器的積分器重置初值，使得其加法器的輸出量在切換前后維持不變； 通過上述切換，將無功功率調(diào)節(jié)器2重新投入，電機(jī)啟動無功補(bǔ)償器5退出，但在切換前后， 動態(tài)無功補(bǔ)償器維持連續(xù)，自后在無功功率調(diào)節(jié)器的作用下，動態(tài)無功補(bǔ)償器的輸出仍然由系統(tǒng)調(diào)度決定；整個電機(jī)啟動過程完成。下面通過具體實施例對本發(fā)明的動態(tài)無功補(bǔ)償器控制方法作進(jìn)一步的說明。實施例1 如圖2所示，對于存在大型異步電機(jī)直接啟動的小電網(wǎng)，本發(fā)明的動態(tài)無功補(bǔ)償器控制和控制方法，將按照如下步驟進(jìn)行設(shè)計和實施1)動態(tài)無功補(bǔ)償器的容量設(shè)計。首先確定大型異步電機(jī)直接啟動的無功需求，一般來說其啟動時吸收無功功率可達(dá)到額定功率的5 7倍(某些異步電機(jī)甚至可能達(dá)到8 10倍額定功率)，而且跟電動機(jī)的具體參數(shù)和負(fù)荷狀況有關(guān)系，實際應(yīng)用中電機(jī)啟動的最大無功功率需求可通過現(xiàn)場測試、仿真分析和近似估算等幾種方法來確定。本發(fā)明中，動態(tài)無功補(bǔ)償器的無功調(diào)節(jié)范圍，亦即其從最大容性無功到最大感性無功的變動區(qū)間，一般應(yīng)不低于電機(jī)直接啟動所需無功功率的80% ；但該值也不是絕對的， 還跟電網(wǎng)的強(qiáng)弱、同母線發(fā)電機(jī)和負(fù)荷的無功-電壓特性等有關(guān)系，如果電網(wǎng)比較強(qiáng)，同母線發(fā)電機(jī)和負(fù)荷可以耐低電壓和過電壓的能力較強(qiáng)，則動態(tài)無功補(bǔ)償器的容量可以適當(dāng)降低一些；但總體來說，動態(tài)無功補(bǔ)償器的容量越大，控制能力越強(qiáng)?；帽景l(fā)明的動態(tài)無功補(bǔ)償器控制系統(tǒng)和控制方法的控制參數(shù)設(shè)計。本發(fā)明包括以下控制參數(shù)(1)無功功率調(diào)節(jié)器中PI控制器的比例增益和積分時間常數(shù)、移相器的增益和時間常數(shù)；(2)電壓調(diào)節(jié)器中PI控制器的比例增益和積分時間常數(shù)、移相器的增益和時間常數(shù)、限幅器的上下限值；(3)電機(jī)啟動無功補(bǔ)償器的增益；(4)預(yù)備啟動狀態(tài)的無功參考值Qsref。上述參數(shù)中的增益和時間常數(shù)一般需要根據(jù)具體系統(tǒng)情況，通過仿真分析來優(yōu)選；而電壓調(diào)節(jié)器中限幅器的上下限值可設(shè)定為動態(tài)無功補(bǔ)償器的最大(正的感性)和最小(負(fù)的容性)無功電流值；Qsref可下述原則來設(shè)定即使得電機(jī)啟動過程中動態(tài)無功補(bǔ)償器能提供最大的或不低于啟動所需的無功功率，也就是說，當(dāng)動態(tài)無功補(bǔ)償器的無功調(diào)節(jié)范圍(設(shè)為Qmin Qmax)不高于電機(jī)啟動所需無功(設(shè)為Qreq)時，即Qmax-Qmin彡Qreq 時，設(shè)置 Qsref = Qmin,而 Qmax-Qmin > Qreq 時，Qsref 可設(shè)置為不高于 Qmin Qmax-Qreq 之間的任意值。3)本發(fā)明的工程實現(xiàn)。對本發(fā)明的動態(tài)無功補(bǔ)償器控制系統(tǒng)和控制方法完成離線參數(shù)設(shè)計后，接著對其進(jìn)行工程實現(xiàn)。實施前要求動態(tài)無功補(bǔ)償器設(shè)備已經(jīng)就緒，且其容量滿足本實施例中步驟1)提出的容量要求，電動機(jī)/動態(tài)無功補(bǔ)償器的功率檢測設(shè)備、母線 PT等均已經(jīng)安裝，則具體實施步驟為(1)通信線纜和控制器硬件的選購；通信線纜可根據(jù)電動機(jī)/動態(tài)無功補(bǔ)償器以及母線的傳感器到控制器的距離等實際情況進(jìn)行采購，控制器硬件可基于通用的快速控制器硬件平臺進(jìn)行開發(fā)。(2)控制軟件開發(fā)；控制軟件可采用數(shù)字化實現(xiàn)，其相關(guān)技術(shù)已經(jīng)非常成熟，此處不再贅述。4)本發(fā)明的現(xiàn)場測試。在上述步驟2)中離線設(shè)計的控制參數(shù)是在基于對系統(tǒng)模型分析的基礎(chǔ)上得到的，可作為系統(tǒng)的初始設(shè)定，考慮到實際運(yùn)行情況與計算模型有一定差異，重要的控制參數(shù)(增益、時間常數(shù)等)往往需要經(jīng)過一定的調(diào)試和投運(yùn)試驗予以修正，以滿足實際運(yùn)行的需要。上述各實施例僅用于說明本發(fā)明，各部件的結(jié)構(gòu)和連接方式都是可以有所變化的，在本發(fā)明技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，凡根據(jù)本發(fā)明原理對個別部件的連接和結(jié)構(gòu)進(jìn)行的改進(jìn)和等同變換，均不應(yīng)排除在本發(fā)明的保護(hù)范圍之外。
權(quán)利要求
1.一種動態(tài)無功補(bǔ)償器的控制系統(tǒng)，其特征在于它包括電機(jī)啟動切換器、無功功率調(diào)節(jié)器、切換器、電壓調(diào)節(jié)器和電機(jī)啟動無功補(bǔ)償器；所述電機(jī)啟動切換器連接在大型異步電機(jī)的輸入端，所述電機(jī)啟動切換器輸出的第一路切換信號和第四路控制信號輸入至所述無功功率調(diào)節(jié)器內(nèi)，控制所述無功功率調(diào)節(jié)器對動態(tài)無功補(bǔ)償器進(jìn)行無功功率的慢動態(tài)調(diào)控；所述無功功率調(diào)節(jié)器輸出端經(jīng)所述切換器連接所述電壓調(diào)節(jié)器的輸入端，所述切換器由所述電機(jī)啟動切換器輸出的第二路切換信號控制其通、斷；所述電機(jī)啟動切換器輸出的第三路切換信號輸入至所述電機(jī)啟動無功補(bǔ)償器內(nèi)，控制所述電機(jī)啟動無功補(bǔ)償器與所述電壓調(diào)節(jié)器的通、斷；所述電機(jī)啟動無功補(bǔ)償器輸出的無功信號輸入至所述電壓調(diào)節(jié)器內(nèi)，所述電壓調(diào)節(jié)器將接收到的所述無功功率調(diào)節(jié)器輸出的無功功率和所述電機(jī)啟動無功補(bǔ)償器輸出的無功信號，在所述電機(jī)啟動切換器輸出的第五路控制信號的控制下，對動態(tài)無功補(bǔ)償器進(jìn)行無功功率的快動態(tài)調(diào)控。
2.如權(quán)利要求1所述的一種動態(tài)無功補(bǔ)償器的控制系統(tǒng)，其特征在于所述無功功率調(diào)節(jié)器包括參考值切換器、比較器、PI控制器和移相器；所述參考值切換器在所述第一路切換信號控制下，使所述無功功率調(diào)節(jié)器的參考輸入值在系統(tǒng)調(diào)度給定的無功參考值和預(yù)備啟動狀態(tài)給定的無功參考值之間切換；所述參考值切換器將輸出的無功參考值送入所述比較器內(nèi)，與動態(tài)無功補(bǔ)償器當(dāng)前輸出的無功功率值相減，得到的無功偏差值輸入所述PI 控制器內(nèi)；所述PI控制器由所述第四路控制信號調(diào)整其積分初值；所述PI控制器的輸出值傳輸至所述移相器，所述移相器對所述PI控制器的輸出值進(jìn)行增益和移相處理后輸出至所述切換器。
3.如權(quán)利要求1所述的一種動態(tài)無功補(bǔ)償器的控制系統(tǒng)，其特征在于所述電機(jī)啟動無功補(bǔ)償器包括除法器、比例器和另一個切換器；所述除法器將接收到的大型異步電機(jī)吸收的無功功率除以接收到的母線電壓，得到無功電流，所述無功電流依次經(jīng)所述比例器和切換器后輸入至所述電壓調(diào)節(jié)器。
4.如權(quán)利要求2所述的一種動態(tài)無功補(bǔ)償器的控制系統(tǒng)，其特征在于所述電機(jī)啟動無功補(bǔ)償器包括除法器、比例器和另一個切換器；所述除法器將接收到的大型異步電機(jī)吸收的無功功率除以接收到的母線電壓，得到無功電流，所述無功電流依次經(jīng)所述比例器和切換器后輸入至所述電壓調(diào)節(jié)器。
5.如權(quán)利要求1或2或3或4所述的一種動態(tài)無功補(bǔ)償器的控制系統(tǒng)，其特征在于 所述電壓調(diào)節(jié)器包括第一個信號求和器、另一個PI控制器、第二個信號求和器、另一個移相器和限幅器；所述第一個信號求和器將所述無功功率調(diào)節(jié)器的輸出值與母線電壓參考值求和后與輸入的母線電壓相減，得到的差值輸入所述PI控制器內(nèi)，所述第五路控制信號控制所述PI控制器的積分初值；所述PI控制器的輸出值輸入所述第二個信號求和器，與所述電機(jī)啟動無功補(bǔ)償器輸出的無功電流進(jìn)行求和，求和后依次經(jīng)所述移相器和限幅器限幅后輸出無功功率。
6.如權(quán)利要求1或2或3或4所述的一種動態(tài)無功補(bǔ)償器的控制系統(tǒng)，其特征在于 所述動態(tài)無功補(bǔ)償器包括靜止同步補(bǔ)償器、晶間管控制電抗器式靜止型動態(tài)無功補(bǔ)償器、 磁閥式靜止型動態(tài)無功補(bǔ)償器以及靜止動態(tài)無功補(bǔ)償器與固定電容器或機(jī)械投切電容器或晶間管投切電容器或無源L-C濾波器的組合。
7.如權(quán)利要求5所述的一種動態(tài)無功補(bǔ)償器的控制系統(tǒng)，其特征在于所述動態(tài)無功補(bǔ)償器包括靜止同步補(bǔ)償器、晶間管控制電抗器式靜止型動態(tài)無功補(bǔ)償器、磁閥式靜止型動態(tài)無功補(bǔ)償器以及靜止動態(tài)無功補(bǔ)償器與固定電容器或機(jī)械投切電容器或晶閘管投切電容器或無源L-C濾波器的組合。
8.如權(quán)利要求1 7任意一項所述動態(tài)無功補(bǔ)償器的控制系統(tǒng)的控制方法，所述電機(jī)啟動切換器的控制方法步驟如下(1)在大型異步電機(jī)啟動前，動態(tài)無功補(bǔ)償器已經(jīng)投入運(yùn)行，此時電機(jī)啟動切換器輸出信號的取值分別為第一路切換信號置0，第二路切換信號置1，第三路切換信號置0，第四路控制信號和第五路控制信號無作用；無功功率調(diào)節(jié)器和電壓調(diào)節(jié)器投入運(yùn)行，動態(tài)無功補(bǔ)償器輸出的無功功率與無功參考值一致；(2)假設(shè)在t0> 0時刻，給出電機(jī)預(yù)備啟動指令，電機(jī)啟動切換器將第一路切換信號從0切換成1，使無功功率調(diào)節(jié)器的參考輸入值從系統(tǒng)調(diào)度給定的無功參考值切換成預(yù)備啟動狀態(tài)給定的無功參考值，持續(xù)監(jiān)測動態(tài)無功補(bǔ)償器的輸出無功功率，并與預(yù)備啟動狀態(tài)給定的無功參考值比較；(3)假設(shè)在tl> t0時刻，動態(tài)無功補(bǔ)償器輸出的無功功率與預(yù)備啟動狀態(tài)給定的無功參考值接近一致，動態(tài)無功補(bǔ)償器和系統(tǒng)進(jìn)入新的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，則電機(jī)啟動切換器發(fā)出電機(jī)合閘啟動指令，同時第二路切換信號的值從1變成0，第三路切換信號的值從0變成1，大型異步電機(jī)進(jìn)入啟動過程；(4)假設(shè)在t2> tl時刻，電機(jī)啟動過程結(jié)束，則同時切換信號第一路切換信號從1切換為0，第二路切換信號從0切換為1，第三路切換信號從1切換為0，第四路控制信號給無功功率調(diào)節(jié)器的積分器初值置零，第五路控制信號給電壓調(diào)節(jié)器的積分器重置初值，使其加法器的輸出量在切換前后維持不變；在切換前后，動態(tài)無功補(bǔ)償器維持連續(xù)，在無功功率調(diào)節(jié)器的作用下，動態(tài)無功補(bǔ)償器的輸出仍然由系統(tǒng)調(diào)度決定，電機(jī)啟動過程完成。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種動態(tài)無功補(bǔ)償器的控制系統(tǒng)及其控制方法，它包括電機(jī)啟動切換器，其連接在大型異步電機(jī)的輸入端，電機(jī)啟動切換器輸出的第一路切換信號和第四路控制信號輸入至無功功率調(diào)節(jié)器；無功功率調(diào)節(jié)器輸出端經(jīng)切換器連接電壓調(diào)節(jié)器，切換器由電機(jī)啟動切換器輸出的第二路切換信號控制其通、斷；電機(jī)啟動切換器輸出的第三路切換信號輸入至電機(jī)啟動無功補(bǔ)償器，控制其與電壓調(diào)節(jié)器的通、斷；電機(jī)啟動無功補(bǔ)償器輸出的無功信號輸入至電壓調(diào)節(jié)器，電壓調(diào)節(jié)器將接收到的無功功率調(diào)節(jié)器輸出的無功功率和無功信號，在電機(jī)啟動切換器輸出的第五路控制信號控制下，對動態(tài)無功補(bǔ)償器進(jìn)行無功功率的快動態(tài)調(diào)控。本發(fā)明可以廣泛應(yīng)用于電機(jī)和電力系統(tǒng)控制領(lǐng)域中。
文檔編號H02J3/18GK102386627SQ20111036210
公開日2012年3月21日 申請日期2011年11月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月15日
發(fā)明者劉國鋒, 劉皓, 向守安, 張強(qiáng), 戴國華, 昝智海, 王建豐, 胡鵬, 謝小榮, 魏澈, 黃業(yè)華 申請人:中國海洋石油總公司, 中海石油(中國)有限公司天津分公司, 中海石油(中國)有限公司湛江分公司, 中海石油研究中心, 清華大學(xué)