一种基于三通道全控励磁装置的发电系统及其控制方法
阅读说明：本技术 一种基于三通道全控励磁装置的发电系统及其控制方法 (Power generation system based on three-channel full-control excitation device and control method thereof ) 是由 楼伯良 熊鸿韬 仇书山 华文 张建承 毛承雄 张甜甜 王丹 于 2021-08-23 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于三通道全控励磁装置的发电系统及其控制方法,属于电力系统领域,包括：发电机；三通道全控励磁装置,包括三个相互并联的电路,即与发电机的励磁绕组相连的励磁电流控制电路,用于间接向电网吸收或注入无功功率；与发电机极端并联的第一三相整流电路,用于直接向电网吸收或注入无功功率；与发电机机端串联第二三相整流电路,用于直接向电网吸收或注入无功功率；以及与三通道全控励磁装置中各全控器件分别相连的控制装置,用于根据无功功率反馈值和指令值生成控制全控器件开断的开关信号,使三通道全控励磁装置向电网吸收或注入的无功功率等于指令值。本发明能够提高发电系统的励磁电流控制能力以及向电网提供无功支撑的能力。(The invention discloses a power generation system based on a three-channel full-control excitation device and a control method thereof, belonging to the field of power systems and comprising the following steps: a generator; the three-channel full-control excitation device comprises three circuits which are connected in parallel, namely an excitation current control circuit connected with an excitation winding of a generator and used for indirectly absorbing or injecting reactive power to a power grid; the first three-phase rectifying circuit is connected with the extreme end of the generator in parallel and is used for directly absorbing or injecting reactive power into a power grid; the second three-phase rectifying circuit is connected with the generator end in series and is used for directly absorbing or injecting reactive power into the power grid; and the control device is respectively connected with all the fully-controlled devices in the three-channel fully-controlled excitation device and is used for generating a switching signal for controlling the fully-controlled devices to be switched on and off according to the reactive power feedback value and the instruction value so that the reactive power absorbed or injected into the power grid by the three-channel fully-controlled excitation device is equal to the instruction value. The invention can improve the exciting current control capability of the power generation system and the capability of providing reactive support for the power grid.)
技术领域
本发明属于电力系统领域，更具体地，涉及一种基于三通道全控励磁装置的发电系统及其控制方法。
背景技术
目前，分布式电源的大量接入电网，在节约能源、保护环境等方面有明显优势。但是由于分布式电源具有随机性，可能会改变系统潮流，扩大负荷峰谷差，对电力系统稳定造成巨大影响。在分布式电源高渗透的背景下，电网中不仅会存在短路故障、开路故障，而且光伏、风电输出功率不稳定，会引起电网的电压质量下降以及有功功率和无功功率波动等问题，对电网的稳定运行造成影响。
随着多项特高压直流输电工程相继投运，西北、西南可再生能源的开发，东西部远距离重负荷输电走廊逐步建成，跨区域互联使电力系统规模扩大的同时，也面临长距离电能输送的现实。而长距离、重负荷输电及区域间大电网互联，会使部分地区动态无功补偿能力下降，系统阻尼不足，对电网安全稳定运行造成严重威胁。
传统的自并励励磁系统机组在故障时存在机端电压下降甚至引发发电机失磁的可能；针对电网电压骤降问题，传统的励磁系统通过注入或吸收无功电流，影响网侧电压，这种控制电压的方法在精确性和快速性方面有所欠缺，不能满足敏感性电力负荷对电能质量的要求；针对系统无功、阻尼不足问题，客观上要求增加电网无功补偿的容量，SVC(static var compensator,静止无功补偿器)和STATCOM(static synchronouscompensator,静止同步补偿器)以及同步调相机均是常用的无功补偿装置。其中，同步调相机具有更加优越的性能，特别是其短时过载能力对故障情况下的系统电压有很强的支撑作用。由于运维工作量大及电能损耗高，同步调相机的年运行费用较高。
在申请公布号为CN 109830993 A、发明名称为“一种压缩空气储能发电系统及其调相控制方法”的专利申请文件中，所提供的发电系统利用全控励磁装置的两个通道分别直接或间接向电网吸收或注入无功功率，可以提高向电网提供无功支撑的能力，减少电网中同步调相机的使用，减少电网的运行成本。但是，该发电系统的励磁电流控制能力和向电网提供无功支撑的能力仍有待进一步提高。
发明内容
针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种基于三通道全控励磁装置的发电系统及其控制方法，其目的在于，提高发电系统的励磁电流控制能力，以及向电网提供无功支撑的能力，以大幅减小交流系统短路故障、开路故障以及电压波动等影响，提高发电系统的可靠性。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于三通道全控励磁装置的发电系统，其特征在于，包括：
发电机；
三通道全控励磁装置，其包括三个相互并联的电路：励磁电流控制电路，其输出端与所述发电机的励磁绕组相连，构成第一通道，用于调节所述发电机的励磁电流，以通过所述发电机间接向电网吸收或注入无功功率；第一三相整流电路，其输出端与所述发电机的机端并联，构成第二通道，用于直接向所述电网吸收或注入无功功率；第二三相整流电路，其输出端与所述发电机的机端串联，构成第三通道，用于直接向所述电网吸收或注入无功功率；
以及控制装置，其与所述三通道全控励磁装置中的各全控器件分别相连，用于根据所述三通道全控励磁装置向所述电网吸收或注入的无功功率反馈值和相应的指令值生成开关信号，以控制所述三通道全控励磁装置中全控器件的开断，使所述三通道全控励磁装置向所述电网吸收或注入的无功功率等于所述指令值。
本发明所发电系统所包含的三通道全控励磁装置具有三个通道，即与发电机的励磁绕组相连的第一通道、与发电机机端并联的第二通道和与发电机机端串联的第三通道，这三个通道都可用于向电网提供的无功支撑，且其中的两个通道可用于向发电机提供励磁电流；
具体来说，第一通道可用于间接向电网吸收或注入无功功率，第二通道和第三通道可用于直接向电网吸收或注入无功功率，由于全控器件响应速度快，经由第二通道和第三通道可快速向电网吸收或注入无功功率，迅速向电网提供无功支撑，经由第一通道可向电网吸收或注入大量且稳定的无功功率，三个通道协同运作，能够有效提高向电网提供无功支撑的能力；
第二通道和第三通道还可用于向发电机提供励磁电流，第二通道和第三通道协同作用，能够有效提高励磁电流控制能力，防止系统故障时励磁电流减小而导致发电机励磁能力下降，从而防止机端电压下降。
总体而言，本发明能够提高发电系统的励磁电流控制能力，以及向电网提供无功支撑的能力，可以大幅度减小交流系统短路故障、开路故障带来的影响，提高发电系统的可靠性。
进一步地，三通道全控励磁装置还包括：与三个电路并联的稳压电容，用于保证直流侧电压稳定，为逆变向网侧输出无功以及斩波得到励磁电流提供稳定的电压源。
进一步地，三通道全控励磁装置还包括：与稳压电容并联的储能装置，用于为逆变向网侧输出有功提供稳定的电压源，使三通道全控励磁装置通过第二通道和第三通道直接向电网吸收或注入有功功率。
本发明利用储能装置为逆变向网侧输出有功提供稳定的电压源，使三通道全控励磁装置通过第二通道和第三通道直接向电网吸收或注入有功功率，能够提高对电网提供有功支撑的能力，进一步提高发电系统的可靠性，减少电网中同步调相机的使用。
进一步地，控制装置包括：直接无功控制模块和间接无功控制模块；
直接无功控制模块与第一三相整流电路和第二三相整流电路中的各全控器件分别相连，用于根据三通道全控励磁装置通过第二通道和第三通道直接向电网吸收或注入的无功功率反馈值和直接无功功率指令值获取第一开关信号，以控制第一三相整流电路和第二三相整流电路中全控器件的开断，使三通道全控励磁装置通过第二通道和第三通道直接向电网吸收或注入的无功功率等于直接无功功率指令值；
间接无功控制模块与励磁电流控制电路中的各全控器件分别相连，用于根据三通道全控励磁装置通过第一通道间接向电网吸收或注入的无功功率反馈值和间接无功功率指令值获取第二开关信号，以控制励磁电流控制电路中全控器件的开断，使三通道全控励磁装置通过第一通道间接向电网吸收或注入的无功功率等于间接无功功率指令值；
其中，直接无功功率指令值和间接无功功率指令值由无功功率指令值按照预设的比例划分而得，且直接无功功率指令值小于间接无功指令值。
进一步地，三通道全控励磁装置包括储能装置时，控制装置还包括：有功功率控制模块，其与第一三相整流电路和第二三相整流电路中各全控器件分别相连，用于根据三通道全控励磁装置通过第二通道和第三通道直接向电网吸收或注入的有功功率反馈值和有功功率指令值获取第三开关信号，以控制第一三相整流电路和第二三相整流电路中全控器件的开断，使三通道全控励磁装置通过第二通道和第三通道直接向电网吸收或注入的有功功率等于有功功率指令值。
进一步地，第一三相整流电路和第二三相整流电路的结构相同，且均包含三相桥臂，各相桥臂均包含两只并联二极管的IGBT，记为第一IGBT和第二IGBT；
第一IGBT的集电极作为桥臂的第一端，第一IGBT的发射极与第二IGBT的集电极相连作为桥臂中点，第二IGBT的发射极作为桥臂的第二端；同一个三相整流电路中，三相桥臂的第一端相连作为三相整流电路的正极，三相桥臂的第二端相连作为三相整流电路的负极，三相桥臂的桥臂中点作为输出端，各IGBT的门极均与控制装置相连；
第一三相整流电路的正、负极与第二三相整流电路的正、负极分别相连。
进一步地，励磁电流控制电路包括两个桥臂，各桥臂均包含并联二极管的IGBT，记为第三IGBT和第四IGBT；
第三IGBT的集电极作为桥臂的第一端，第三IGBT的发射极与第四IGBT的集电极相连作为桥臂中点，第四IGBT的发射极作为桥臂的第二端；励磁电流控制电路中，两个桥臂的第一端相连作为励磁电流控制电路的正极，两个桥臂的第二端相连作为励磁电流控制电路的负极，两个桥臂的桥臂中点作为励磁电流控制电路的输出端，各IGBT的门极均与控制装置相连；
励磁电流控制电路的正、负极分别与两个三相整流电路的正、负极分别相连。
按照本发明的另一个发面，提供了上述基于三通道全控励磁装置的发电系统的控制方法，包括：
按照预设的比例将无功功率指令值划分为直接无功功率指令值和间接无功功率指令值；直接无功功率指令值小于间接无功指令值；
从发电机的极端获得三通道全控励磁装置通过第二通道和第三通道直接向电网吸收或注入的无功功率反馈值，并根据该无功功率反馈值和直接无功功率指令值获取第一开关信号，以控制第一三相整流电路和第二三相整流电路中全控器件的开断，使三通道全控励磁装置通过第二通道和第三通道直接向电网吸收或注入的无功功率等于直接无功功率指令值；
从发电机的极端获得三通道全控励磁装置通过第一通道间接向电网吸收或注入的无功功率反馈值，并根据该无功功率反馈值和间接无功功率指令值获取第二开关信号，以控制励磁电流控制电路中全控器件的开断，使三通道全控励磁装置通过第一通道间接向电网吸收或注入的无功功率等于间接无功功率指令值。
进一步地，本发明提供的控制方法，还包括：
从发电机的极端获得三通道全控励磁装置通过第二通道和第三通道直接向电网吸收或注入的有功功率反馈值，根据该有功功率反馈值和有功功率指令值获取第三开关信号，以控制第一三相整流电路和第二三相整流电路中全控器件的开断，使三通道全控励磁装置通过第二通道和第三通道直接向电网吸收或注入的有功功率等于有功功率指令值。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
(1)本发明中，发电系统所包含的三通道全控励磁装置具有三个通道，其中两个通道可以迅速向电网提供无功支撑，另一个通道可以向电网提供更大、更稳定的无功支撑，三个通道协同运作，能够提高对电网的提供无功支撑的能力，提高发电系统的可靠性。
(2)本发明中，发电系统所包含的三通道全控励磁装置具有三个通道，其中的两个通道可以为发电机提供励磁电流，能够提高发电系统的励磁电流控制能力，在电网发生故障时防止励磁电流减小而导致发电机励磁能力下降，从而防止机端电压下降，提高发电系统的可靠性。
(3)本发明所提供的发电系统，在包含储能装置时，三通道全控励磁装置中的两个通道还可用于向电网提供有功支撑，从而提高对电网有功支撑的能力，进一步提高系统稳定裕度。
附图说明
图1为本发明实施例提供的基于三通道全控励磁装置的发电系统示意图；
图2为本发明实施例提供的三通道全控励磁装置示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
为了进一步提高发电系统的励磁电流控制能力和对电网提供无功支撑的能力，本发明提供了一种基于三通道全控励磁装置的发电系统及其控制方法，其整体思路在于：在传统的双通道全控励磁装置的基础上，增加一个新的通道，用于通过电压补偿的方式直接向电网吸收或注入无功功率以及向发电机提供励磁电流，最终三通道全控励磁装置中的三个通道协同运作，有效提高发电系统的励磁电流控制能力以及向电网提供无功支撑的能力。
以下为实施例。
实施例1：
一种基于三通道全控励磁装置的发电系统，如图1和图2所示，包括：
发电机；
三通道全控励磁装置，其包括三个相互并联的电路：励磁电流控制电路，其输出端与发电机的励磁绕组相连，构成第一通道，用于调节发电机的励磁电流，以通过发电机间接向电网吸收或注入无功功率；第一三相整流电路，其输出端与发电机的机端并联，构成第二通道，用于直接向电网吸收或注入无功功率；第二三相整流电路，其输出端与发电机的机端串联，构成第三通道，用于直接向电网吸收或注入无功功率；
以及控制装置，其与三通道全控励磁装置中的各全控器件分别相连，用于根据三通道全控励磁装置向电网吸收或注入的无功功率反馈值和相应的指令值生成开关信号，以控制三通道全控励磁装置中全控器件的开断，使三通道全控励磁装置向电网吸收或注入的无功功率等于指令值。
作为一种优选的实施方式，如图2所示，本实施例中，三通道全控励磁装置还包括：
与三个电路并联的稳压电容，用于保证直流侧电压稳定，为逆变向网侧输出无功以及斩波得到励磁电流提供稳定的电压源；
以及与稳压电容并联的储能装置，用于为逆变向网侧输出有功提供稳定的电压源，使三通道全控励磁装置通过第二通道和第三通道直接向电网吸收或注入有功功率；
如图2所示，本实施例中，第一三相整流电路和第二三相整流电路的结构相同，且均包含三相桥臂，各相桥臂均包含两只并联二极管的IGBT，记为第一IGBT和第二IGBT；各IGBT的发射极和集电极分别与其所串联的二极管的正、负极相连；
第一IGBT的集电极作为桥臂的第一端，第一IGBT的发射极与第二IGBT的集电极相连作为桥臂中点，第二IGBT的发射极作为桥臂的第二端；同一个三相整流电路中，三相桥臂的第一端相连作为三相整流电路的正极，三相桥臂的第二端相连作为三相整流电路的负极，三相桥臂的桥臂中点作为输出端，各IGBT的门极均与控制装置相连；如图2所示，第一三相整流电路包含6个IGBT，依次为S1～S6，第二三相整流电路包含6个IGBT，依次为S7～S12，S1、S3、S5(S7、S9、S11)的集电极分别作为所在桥臂的第一端，S2、S6、S4(S8、S12、S10)的发射极分别作为所在桥臂的第二端，S1、S3、S5的发射极分别与S2、S6、S4的集电极相连，S7、S9、S11的发射极分别与S8、S12、S10的集电极相连；
第一三相整流电路的正、负极与第二三相整流电路的正、负极分别相连；
如图1和图2所示，本实施例中第一三相整流电路具体通过一个励磁变压器与发电机的机端并联，第二三相整流电路则具体通过一个串联变压器与发电机的机端串联；
励磁电流控制电路包括两个桥臂，各桥臂均包含并联二极管的IGBT，记为第三IGBT和第四IGBT；同样地，各IGBT的发射极和集电极分别与其所串联的二极管的正、负极相连；
第三IGBT的集电极作为桥臂的第一端，第三IGBT的发射极与第四IGBT的集电极相连作为桥臂中点，第四IGBT的发射极作为桥臂的第二端；励磁电流控制电路中，两个桥臂的第一端相连作为励磁电流控制电路的正极，两个桥臂的第二端相连作为励磁电流控制电路的负极，两个桥臂的桥臂中点作为励磁电流控制电路的输出端，各IGBT的门极均与控制装置相连；如图2所示，本实施例中，励磁电流控制电路包括4个IGBT，依次为S13～S16，S13、S15的集电极分别作为所在桥臂的第一端，S14、S16的发射极分别作为桥臂的第二端，S13、S15的发射极分别与S14、S16的集电极相连；
励磁电流控制电路的正、负极分别与两个三相整流电路的正、负极分别相连；
如图1和图2所示，本实施例中，三通道全控励磁装置中，第一三相整流电路、第二三相整流电路和励磁电流控制电路中所有的器件均为全控器件IGBT，其控制更加灵活，可控性更强。
本实施例可经由两条通道，即第二通道和第三通道向发电机提供励磁电流；电力系统正常运行时，第二通道为发电机提供励磁电流，而第三通道不提供励磁电流；电力系统发生短路或开路故障时，则第二通道和第三通道同时为发电机提供励磁电流，防止励磁电流减小而导致发电机励磁能力下降，可以大幅度减小交流系统短路故障、开路故障带来的影响，提高发电系统的可靠性。
本实施例可经由三条通道向电网吸收或注入无功功率，其中，通过第一通道可间接向电网吸收或注入无功功率，通过第二通道和第三通道可以直接向电网吸收或注入无功功率；本实施例还可经由两条通道，即第二通道和第三通道向电网吸收或注入有功功率；由于全控器件响应速度快，经由第二通道和第三通道可快速向电网吸收或注入有功和无功功率，迅速向电网提供无功支撑和有功支撑；经由第一通道可向电网注入大量且稳定的无功功率。由于本发明提供的基于三通道全控励磁装置的可靠发电系统存在三个功率通道，且三个通道协同运作，可提高对电网提供电压控制和有功及无功支撑的能力。并且由于本发明所提供的基于三通道全控励磁装置的可靠发电系统可同时向电网提供无功支撑和有功支撑，可减少电网中同步调相机的使用，从而有效减少电网的运行成本。
如图1所示，通过第二通道，可以向发电机的机端进行电流补偿，补偿电流为Δis，通过电流补偿，即可向电网吸收或注入有功功率PCp和无功功率QCp；通过第三通道，可向发电机的机端进行电压补偿，补偿电压为Δis，通过电压补偿，即可向电网吸收或注入有功功率PCs和无功功率QCs。本实施例可经由通道三向电网吸收或注入电压的有功分量和无功分量精确地补偿机端电压，防止电压波动对负荷造成的影响，提高电能质量。
本实施例中，控制装置具体包括：直接无功控制模块、间接无功控制模块和有功功率控制模块；
直接无功控制模块与第一三相整流电路和第二三相整流电路中的各全控器件分别相连，用于根据三通道全控励磁装置通过第二通道和第三通道直接向电网吸收或注入的无功功率反馈值和直接无功功率指令值获取第一开关信号，以控制第一三相整流电路和第二三相整流电路中全控器件的开断，使三通道全控励磁装置通过第二通道和第三通道直接向电网吸收或注入的无功功率等于直接无功功率指令值；
间接无功控制模块与励磁电流控制电路中的各全控器件分别相连，用于根据三通道全控励磁装置通过第一通道间接向电网吸收或注入的无功功率反馈值和间接无功功率指令值获取第二开关信号，以控制励磁电流控制电路中全控器件的开断，使三通道全控励磁装置通过第一通道间接向电网吸收或注入的无功功率等于间接无功功率指令值；
有功功率控制模块与第一三相整流电路和第二三相整流电路中各全控器件分别相连，用于根据三通道全控励磁装置通过第二通道和第三通道直接向电网吸收或注入的有功功率反馈值和有功功率指令值获取第三开关信号，以控制第一三相整流电路和第二三相整流电路中全控器件的开断，使三通道全控励磁装置通过第二通道和第三通道直接向电网吸收或注入的有功功率等于有功功率指令值；
其中，直接无功功率指令值和间接无功功率指令值由无功功率指令值按照预设的比例划分而得，且直接无功功率指令值小于间接无功指令值，在实际应用中，直接无功功率指令值和间接无功功率指令值的划分比例可按照实际运行情况进行调整，目的是保证电网运行在最优状态；无功功率指令值和有功功率指令值，可根据电网结构、参数以及当前运行情况以及各个模块的反馈信号，以电网网损最小和电压质量最好为目标，优化求解得到。
应当说明的是，储能装置仅为本发明可选的装置，不应理解为对本发明的唯一限定，在本发明其他的一些实施例中，三通道全控励磁装置中也可以不包含储能装置；不安装储能装置时，第二通道和第三通道只能直接向电网吸收或注入无功功率，在实际应用中，可根据电网的实际需求考虑是否接入储能装置；相应地，有功功率控制模块仅在接入储能装置时发挥作用。对于不安装储能装置的实施例，其余模块的实施例均与本发明实施例1类似，在此将不作复述。
实施例2：
上述实施例1提供的基于三通道全控励磁装置的发电系统的控制方法，包括：
按照预设的比例将无功功率指令值划分为直接无功功率指令值和间接无功功率指令值；直接无功功率指令值小于间接无功指令值；
从发电机的极端获得三通道全控励磁装置通过第二通道和第三通道直接向电网吸收或注入的无功功率反馈值，并根据该无功功率反馈值和直接无功功率指令值获取第一开关信号，以控制第一三相整流电路和第二三相整流电路中全控器件的开断，使三通道全控励磁装置通过第二通道和第三通道直接向电网吸收或注入的无功功率等于直接无功功率指令值；
从发电机的极端获得三通道全控励磁装置通过第一通道间接向电网吸收或注入的无功功率反馈值，并根据该无功功率反馈值和间接无功功率指令值获取第二开关信号，以控制励磁电流控制电路中全控器件的开断，使三通道全控励磁装置通过第一通道间接向电网吸收或注入的无功功率等于间接无功功率指令值；
从发电机的极端获得三通道全控励磁装置通过第二通道和第三通道直接向电网吸收或注入的有功功率反馈值，根据该有功功率反馈值和有功功率指令值获取第三开关信号，以控制第一三相整流电路和第二三相整流电路中全控器件的开断，使三通道全控励磁装置通过第二通道和第三通道直接向电网吸收或注入的有功功率等于有功功率指令值；
同样地，本实施例中，无功功率指令值和有功功率指令值，可根据电网结构、参数以及当前运行情况以及各个模块的反馈信号，以电网网损最小和电压质量最好为目标，优化求解得到。
容易理解的是，当发电系统中的三通道全控励磁装置中不接入储能装置时，则该发电系统的控制方法仅包括对三通道全控励磁装置通过第二通道和第三通道直接向电网吸收或注入的无功功率，以及三通道全控励磁装置通过第一通道间接向电网吸收或注入的无功功率进行控制的步骤，且这些步骤与本发明实施例2类似，在此将不作复述。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。