用于功率激励链的有载分接开关控制方法、相关单元及包括此类单元的功率激励链

摘要

本发明涉及一种用于功率激励链(1)的有载分接开关控制方法，所述链(1)包括发电机(3)、配备有有载分接开关(7)且一方面连接到所述发电机(3)的输出端上而另一方面连接到传输总线(9)上的升压变压器(5)，以及包括发电机自动电压调节器(AVRG)和至少一个激励限制器(OELG,UELG)的激励控制系统(11)，该方法包括以下步骤：监测所述发电机的激励状态、当所述监测的激励状态在预先限定范围外时触发所述至少一个激励限制器(OELG,UELG)，当所述激励限制器(OELG,UELG)工作时，暂时地禁止所述有载分接开关(7)的分级变化。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于功率激励链的有载分接开关控制方法、相关的单元及包括此类单元的功率激励链。其可具体在发电厂中用于生成电功率。

背景技术

在发电厂中，例如，发电机经由配备有有载分接开关(OLTC)(有时包括自动分接控制功能)的升压变压器联接到传输总线或电网上。

这允许改变分接，且因此改变升压变压器的变压比。惯例是在其与电网同步时，使用有载分接开关来调整发电单元的无功功率输出。无功功率的输出通常由传输电网操作者请求，且例如可以以电网代码指定或按日指定。

在另一方面，期望保持发电机端子上电压在其额定值下恒定。这具有如下优点，发电机具有其完全的动态调节能力，且通常连接到发电机端子上的厂用电源也在额定电压下操作。

如果发电机的激励系统中的自动电压调节器(AVR)将发电机电压保持在额定值，同时供给电网的无功功率通过OLTC调整，则可满足这些标准。

有载分接开关为重载马达驱动的切换系统，在从一个分接点切换至另一个的同时需要灭弧触点和旁通触点来确保连续性。从一个分接点到另一个的电压变化通常小于1%，且OLTC具有好几十个分接点，以提供合理的操作范围。

升压变压器的OLTC的控制现在通常使用与OLTC相关联的自动电压调节器来在升压变压器的输出侧的电压测量时自动地完成。电压调节器的参考值必须通过操作人员手动地设置，直到达到输出至电网的指定的无功功率输出。一旦发电机的电网条件或操作范围变化，则必须人工地再调整参考值。

在现有技术水平下，升压变压器及其OLTC配备有适合的调节器。该调节器为自动电压调节器(AVR)，其与变压器输出电压的输入端联接，且自动地驱动OLTC的马达。

需要用于OLTC调节器的专用硬件以及用于测量变压器的副电流和副电压的仪表变换器的该已知解决方案成本相当高。

此外，已观察到了连同传输电网中的长期电压降的功能障碍。

本申请人已详细地研究了这些现象，且可令人惊讶地确定它们起因于发电机激励限制器和OLTC控制的不协调的相互作用。

当发电机过激励限制器(OEL)减小发电机中的激励电流来防止转子和/定子绕组中的过大的热负载时，将减小发电机的端子电压。结果，单元的厂用电源可变为非稳定的，且最终使整个单元跳闸。

此外，如果与发电机激励控制不协调，则OLTC控制可危害发电机在欠激励(under-excited)操作范围中的稳定操作。

发明内容

本发明的一个目的在于防止传输电网中的长期电压降的情形中的AVR的激励限制器的非期望的影响。

这通过用于功率激励链的有载分接开关控制方法实现，所述链包括

-发电机，

-配备有有载分接开关且一方面连接到所述发电机的输出端上而另一方面连接到传输总线上的升压变压器，以及

-包括发电机自动电压调节器和至少一个激励限制器的激励控制系统，该方法包括以下步骤：

-监测发电机的激励状态，

-当监测到激励状态在预定范围外时触发所述至少一个激励限制器，

当所述激励限制器工作时，暂时地禁止所述有载分接开关的分级变化。

因此，可在刚刚开始时就消除传输电网中的长期电压降情形中的AVR的激励限制器的非期望的影响。此外，该方法容易执行，且不需要重要的资源。

根据本发明的其它方面，单独地或组合地采用：

例如，激励限制器为过激励限制器，且激励状态的所述监测步骤包括监测发电机定子电流或发电机激励电流，且所述有载分级开关的分级变化的暂时禁止的步骤包括阻止所述有载分接开关逐级上调。

此外，例如，所述过激励限制器在监测的发电机定子电流或发电机激励电流超过最大值时被触发。

根据另一个方面，该方法包括计算过激励限制器发送出激励电流控制命令的剩余时间的另一个步骤，且当所述剩余时间等于或小于预先限定的最低剩余时间值时使所述有载分级开关逐级下调。根据另一个方面，激励限制器为欠激励限制器，且激励状态的所述监测步骤包括监测发电机的稳定操作范围，且暂时地禁止所述有载分接开关的分级变化的步骤包括阻止所述有载分接开关的逐级下调。

根据另一个方面，所述欠激励限制器在监测的稳定操作范围接近预定稳定极限时受到触发。

用于功率激励链的有载分接开关控制方法可包括监测发电机定子电压的另一个步骤，且在所述发电机电压等于或超过预先限定的最大发电机定子电压时使所述有载分级开关逐级上调。

此外，用于功率激励链的有载分接开关控制方法可包括以下另一些步骤：

-测量发电机电压和发电机电流，

-处理所述测量的发电机电压和发电机电流，以便导出控制参数来用于控制所述有载分接开关，

-控制所述有载分接开关。

所述控制参数可为所述升压变压器的副电压。

本发明还涉及一种用于功率激励链的有载分接开关控制单元，所述链包括

-发电机，

-配备有有载分接开关且一方面连接到所述发电机的输出端上而另一方面连接到传输总线上的升压变压器，以及

-包括发电机自动电压调节器和至少一个激励限制器的激励控制系统，所述激励控制系统构造成用以监测发电机的激励状态，且在监测的激励状态在预先限定的范围外时触发所述至少一个激励限制器，

其中，所述有载分接开关控制单元包括构造成用以在所述激励限制器工作时暂时地禁止所述有载分接开关的分级变化的器件。

本发明还涉及一种功率激励链，其包括：

-发电机，

-配备有有载分接开关且一方面连接到所述发电机的输出端上而另一方面连接到传输总线上的升压变压器，以及

-包括发电机自动电压调节器和至少一个激励限制器的激励控制系统，所述激励控制系统构造成用以监测发电机的激励状态，且在监测的激励状态在预先限定的范围外时触发所述至少一个激励限制器，以及

有载分接开关控制单元，其包括构造成用以在所述激励限制器工作时暂时地禁止所述有载分接开关的分级变化的器件。

根据另一个方面，所述激励控制系统包括过激励限制器和欠激励限制器。

例如，所述有载分接开关控制单元在所述发电机激励控制系统中实现。

激励控制系统还可包括

-可连接到发电机上以用于测量发电机电压和发电机电流的至少一个输入端，以及

-至少一个处理单元，其用以随测量的发电机电压和发电机电流变化来控制发电机的激励，

其中

包括所述有载分接开关控制单元的所述至少一个处理单元连接到所述有载分接开关上，且还构造成用以从所述测量的发电机电压和发电机电流导出控制参数来用于控制所述有载分接开关。

附图说明

图1a和图1b为根据本发明的功率激励链的一部分的简图；

图2为用于示出根据本发明的功率激励的操作的状态图的简图；

图3为图1中的功率激励链的等效电路方案。

具体实施方式

在所有图中，相同的参考标号表示相同的元件。

图1a和图1b为例如在发电厂中执行的功率激励链1的一部分的简图。

该功率激励链1包括将机械能转变成电能的发电机3。发电机3可由通过任何可用的能源或能源组合(煤、燃料、燃气、原子能、蒸汽、风、水、太阳、水文等)给送的未示出的涡轮或发动机驱动。发电机可为同步发电机。

发电机3的输出端连接到配备有有载分接开关(OLTC)7和相关联的OLTC调节器或控制单元24的升压变压器5上。

升压变压器5的输出端连接到传输总线9上，且因此例如直接地连接到电网(未呈现)上。

功率激励链1还包括发电机激励控制系统11。

该发电机激励控制系统11包括具有至少一个但出于安全原因而优选地两个的冗余的自动电压调节通道AVR CH1和AVR CH2的处理单元13。

AVR CH1和AVR CH2具有输入端，输入端分别连接到测量单元15,17(例如，仪表变换器或Rogowski线圈)来用于测量发电机电压u_G和发电机电流i_G。

AVR CH1和AVR CH2包括信号处理单元19，该单元19例如构造成用以过滤测量信号，将它们从模拟值转变成数字值，且计算导出的量，如有功功率和无功功率、功率因数等。

来自于所述信号处理单元19的数字值给送到相应的计算处理和控制单元21中。

此类计算处理和控制单元21构造和编程为发电机自动电压调节器AVR_G、发电机磁场电流调节器FCR_G、发电机过激励限制器OEL_G，以及发电机欠激励限制器UEL_G。其可包括其它功能，如，过通量限制器，或功率系统稳定器。

这些计算处理和控制单元21然后连接到功率区段23上来用于控制功率区段23，且因此随测量的发电机电压u_G和发电机电流i_G变化来控制发电机3的激励。

此类计算处理和控制单元21可为基于计算机或微处理器的计算单元。

发电机激励控制或OLTC控制的协调需要通过在计算处理和控制单元21与OLTC调节器或控制单元24之间的接口的数据交换线路25。

如在图1a中所示，OLTC控制单元24为单独的控制单元，或如图1a中所示的独立解决方案。

参看图1b，计算处理和控制单元21的一部分还可使用和构造为有载分接开关控制单元24，见图1b。在此情况下，因此，计算处理和控制单元21连接到所述有载分接开关7上，且在激励控制功能和OLTC控制功能之间的数据交换在计算处理和控制单元21内提供。

实际上，利用整个功率激励链的调节过程的协调中的令人惊讶的协同效果，特别是在发电机过激励限制器OEL_G和发电机欠激励限制器UEL_G的情况下，可避免传输电网中的长期电压降的情形中的非期望的影响。

因此，处理单元13和特别是其计算处理和控制单元21构造成用以提供用于所述功率激励链1的有载分接开关控制方法，其包括以下步骤：

-监测发电机(3)的激励状态，

-当监测到激励状态在预先限定的范围外时触发所述至少一个激励限制器，

-当所述激励限制器OEL_G或UEL_G工作时，暂时地禁止所述有载分接开关7的分级变化。

假如，在激励限制器为过激励限制器OEL_G的情况下，激励状态的所述监测步骤包括例如监测发电机定子电流i_G或发电机激励电流i_f，以及所述有载分级开关的分级变化的暂时禁止的步骤包括阻止所述有载分级开关的逐级上调。

这样阻止有载分级开关的逐级上调允许防止发电机达到甚至更大激励的范围中。

例如，当以下情况时过激励限制器被触发：

-监测的发电机激励电流i_f超过最大值i_fmax，或

-监测的发电机定子电流i_G超过最大值i_Gmax，同时同步发电机处于过激励操作范围。

更具体而言，计算处理和控制单元21还可执行过激励限制器将激励电流控制命令发送至功率区段23的剩余时间的计算，且在所述剩余时间等于或小于预先限定的最低剩余时间值T_rem,lim时控制所述有载分解开关7的逐级下调。

所述预先限定的最低剩余时间值T_rem,lim选择在发送分接切换命令与变化器电压的实际变化之间的延迟时间的范围中，确保了变压器电压在激励限制器减小激励电流之前变化。根据使用的OLTC的响应时间，该时间值可在1.5s至5s的范围内。

必须计算直到OEL_G开始来减小激励电流的剩余时间。该计算可基于与用于OEL_G自身的相同的算法。

例如，方法为

-独立于场或定子电流，限定固定上限时间(通常10s)，

-限定积分标准∫(i²–1)dt，其分别代表磁场绕组或定子绕组上的电流的热效应。在此情况下，量i为穿过发电机的磁场绕组或定子绕组的电流，其标准化为穿过相应的绕组的最大可允许连续电流。

例如，过激励标准可为：

∫(i²(t)–1)dt<C_limit

然后，当前剩余时间T_rem(t)可按以下计算：

T_rem(t)=(C_limit-∫(i²(t’)–1)dt’)/(i²(t)–1)

其中t’表示作为积分变量的时间，以及

∫(i²(t’)–1)dt’受限于C_limit的最大值和"0"(零)的最小值。

在欠激励限制器UEL_G的情况下，激励状态的监测步骤包括相对于发电机3的功率图中的稳定操作区域监测实际无功功率输出对实际有功功率输出，且暂时地禁止所述有载分级开关7的分级变化的步骤包括阻止所述有载分接开关7的逐级下调。

这允许防止发电机3通过使OLTC逐级下调而在不稳定操作范围中运行。

当监测的无功功率输出接近于根据发电机3的功率图的用于实际有功功率输出的最大欠激励无功功率输出时，触发欠激励限制器。

此外，该方法包括监测发电机定子电压的另一个步骤，且在UEL_G工作的情况下，当发电机电压等于或超过预先限定的最大发电机定子电压U_G,lim时，逐级上调所述有载分级开关7。

该预先限定的最大发电机定子电压U_G,lim将根据发电机的最大可允许连续输出电压选择，其通常在额定发电机电压u_GN的105%至110%的范围内。例如，具有105%的最大可允许连续输出电压的发电机的合理设置将为103%至104%。该设置确保了UEL_G仍能够将发电机的操作点朝过激励区域移动，例如需要，将不会超过最大输出电压。

图2示出了图1a和图1b的功率激励链1的操作和控制的状态图。

假定了功率链1在正常操作模式100中。

如果i_f>i_fmax，或i_G>i_Gmax，同时发电机以过激励操作，其中

-i_f为发电机激励电流，

-i_fmax为最大连续发电机激励电流，

-i_G为发电机定子电流，

-i_Gmax为最大连续定子激励电流

然后，处理单元13将发送控制命令来暂时地阻止OLTC 7的逐级上调(步骤102)。在此背景下，"暂时地"意思是直到i_f<i_fmax，且i_G<i_Gmax，且因此功率激励链可在其正常操作范围100中操作。

此外，如上文所述，处理单元13且更具体地计算处理和控制单元21将计算在OEL_G将命令发送至功率区段23之前的剩余时间。如果T_rem剩余时间等于或小于预先限定的最低剩余时间值T_rem,lim，则计算处理和控制单元21还将分接逐级下调变化命令发送至OLTC 7(步骤104)，直到T_rem的实际值大于T_rem,lim，或i_f<i_fmax，且i_G<i_Gmax。

另一方面，如果UEL_G变为工作的，则处理单元13将发送出控制命令来暂时地阻止OLTC 7的逐级上调(步骤106)。在此情况下，"暂时地"意思是直到UEL_G变为不工作的。

此外，如上文所述，处理单元13且更具体而言地计算处理和控制单元21将监测发电机定子电压是否超过例如104% u_GN的预先限定的值U_g,lim。如果是这种情况，则计算处理和控制单元21还将分接上调命令发送至OLTC 7，直到发电机定子电压又低于预先限定的值U_g,lim。

将要记住的是，上文描述的功能可对于各种构造实现：

1. OLTC控制在根据图1a的单独的硬件装置中实现，需要在OLTC控制装置与发电机激励控制硬件之间的附加数据交换。

2. OLTC控制在发电机控制硬件11中执行，使用计算处理和控制单元21的实际值(图1b)。

3. OLTC控制在高级控制系统中执行，例如，发电厂(未示出)的分布式控制系统(DCS)，需要在OLTC控制装置与DCS之间的附加数据交换，以及在发电机激励控制与DCS之间的附加数据交换。

具体而言，第二构造允许硬件、工程、试机和维护的成本降低。

实际上，用于OLTC的调节器功能可在处理单元13中完全执行，甚至对于正常操作模式。

在此情况下，计算处理和控制单元21可构造成用以对于正常操作模式100从所述测量的发电机电压u_G和发电机电流i_G导出控制参数来用于控制升压变压器5的所述有载分接开关7。

例如，所述控制参数可为所述升压变压器5的副电压u_T。

图3为了说明的目的示出了图1的功率激励链的等效电路方案。

如果在分级变化之后的预期量，即，u_T(n±1)将比实际量(即，在u_T(n)处)更接近设置点，则u_T不可连续地变化，而是仅根据分接开关的分解度(resolution)以不连续分级变化，且仅将给出分接切换命令。

如图1a、图1b和图3上所见，测量的实际值u_G和i_G在发电机端子上测量，即，在升压变压器5的主侧上。

此外，在分级变化成更高的或更低的之后用于控制参数的值(即，u_T(n±1)必须对于调节器算法是已知的。u_T(n±1)的值取决于分接开关位置传输、实际负载流，且至较低的程度，传输电网的状态。  

如果忽略分级变化动作对无功功率流的影响，则可计算u_T(n±1)的值的合理近似值。

对于计算，限定了以下等式：

-指数G   发电机端子上的量

-指数T   变压器端子上的量

-指数Q   电网模型或传输总线的量

- u_i   复数(complex)电压值

- i_i   复数电流值

- e_T 升压变压器内的e.m.f.

- p_i   有功功率值

- q_i  无功功率值

- Δu 通过一次分接切换的电压变化

- Δx 通过一次分接切换的阻抗变化

- n  分接开关的位置，其中n = 0表示中间位置

此外，假定了：

·忽略电阻→有功功率在整个模型中恒定：p_G = p_T = p_Q = p

·  u_G通过发电机AVR保持恒定

·  所有值以p.u.计

待计算的量考虑：

-实际分接开关位置n处的升压变压器的副侧上的量

电压 u_T(n)

-分接开关位置n±1处的升压变压器的副侧上的量

电压 u_T(n+1), u_T(n-1)

可用的参数和值为

-来自于测量

发电机电压和电流u_G和i_G

发电机的有功功率和无功功率 p_G和q_G   (其中假定 p_G = p)

系统参数

变压器电抗 x_k

利用一次分接切换的e.m.f.的变化, Δu 

利用一次分接切换的 x_k 的变化, Δx 

例如，通过工厂控制系统的分接开关的位置n。

因此，在e_T限定实轴(real axis)的情况下，具有虚部j的复数电磁计算产生(所有值以p.u.计)

      u_T(n) = e_T(n) - j×x_k(n)×i_T(n)

其中i_T(n) = i_G / (1 + n×Δu) 以及 e_T(n) = u_G × (1 + n×Δu)

      u_T(n±1)    = e_T(n±1) - j×x_k(n±1)×i_T(n±1)

                        = e_T(n±1) - j×(x_k(n)± Δx)×i_G(n±1) / (1+(n±1) ×Δu)

                        ≈ e_T(n±1) - j×(x_k(n)± Δx)×i_G(n) / (1+(n±1) ×Δu)

其中e_T(n±1) = u_G × (1 + (n±1) ×Δu)和j为虚数。

因此，配备有升压变压器的有载分接开关的独立OLTC调节器不再是必需的，且节省成本。此外，可降低工程成本、试机成本和维护成本。

此外，由于一方面的发电机激励和升压变压器的调节的时基(time basis)相当不同，(实际上OLTC调节远慢于发电激励调节)，故不需用具有功能更强大的微处理器来执行如上文所述的计算。

本解决方案利用了OLTC调节和发电机激励控制的过激励限制器OEL_G和欠激励限制器UEL_G的相互作用。这允许了在电网干扰的情况下的整个功率激励链1的改善的表现。如果OLTC调节功能在专用的单独硬件装置中执行来作为发电机激励控制的软件功能或在高级控制系统中执行，则该解决方案可独立于构造实现。