本發(fā)明屬于電機(jī)，涉及一種大功率同步電機(jī)勵(lì)磁裝置及控制方法。

背景技術(shù)：

1、發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)廣泛采用晶閘管整流器提供快速勵(lì)磁?？焖賱?lì)磁及其控制為提高電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定性提供了一個(gè)強(qiáng)有力的重要手段。例如，采用電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(powersystemstabilizer，pss)以及增強(qiáng)版的附加勵(lì)磁阻尼控制（sedc）等勵(lì)磁控制技術(shù)，不僅可以抑制次同步低頻振蕩，還可以提高電力系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性和抗干擾能力，已經(jīng)廣為使用。

2、由于晶閘管開關(guān)器件的半控特性，每個(gè)晶閘管開關(guān)器件在每一電網(wǎng)工頻電壓周期內(nèi)只能通斷一次，其開關(guān)頻率低，對于控制信號(hào)的響應(yīng)慢，根據(jù)香農(nóng)定理，勵(lì)磁系統(tǒng)的奈奎斯特頻率僅為電網(wǎng)工頻的一半，因而在應(yīng)對系統(tǒng)短路故障等要求勵(lì)磁系統(tǒng)強(qiáng)行勵(lì)磁或加大勵(lì)磁等應(yīng)用場景時(shí)，勵(lì)磁系統(tǒng)無法提供快速而強(qiáng)有力的勵(lì)磁調(diào)節(jié)，容易導(dǎo)致電力系統(tǒng)事故擴(kuò)大化；另外通過改變晶閘管的觸發(fā)延遲角來產(chǎn)生和調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，所得到的低頻的勵(lì)磁電流紋波較大，會(huì)導(dǎo)致電機(jī)的勵(lì)磁磁場和電磁轉(zhuǎn)矩的低頻波動(dòng)，從而對電機(jī)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生不良影響，采用笨重的工頻平波電感雖可減少卻無法有效清除勵(lì)磁電流的低頻擾動(dòng)。由于基于晶閘管整流器的勵(lì)磁裝置難以提供快速準(zhǔn)確平穩(wěn)的勵(lì)磁調(diào)節(jié)，即使采用pss等勵(lì)磁控制手段來調(diào)節(jié)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩從而增強(qiáng)系統(tǒng)正阻尼，已很難做到快速有效地抑制同步發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓0.1hz~3hz的低頻/超低頻振蕩。

3、此外，由于電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩由轉(zhuǎn)子勵(lì)磁磁場和定子磁場相互作用所產(chǎn)生，因而可通過添加基于靜止無功補(bǔ)償器（statcom）的機(jī)端次同步阻尼控制器在發(fā)電機(jī)定子側(cè)提供快速的電流補(bǔ)償，轉(zhuǎn)子勵(lì)磁系統(tǒng)與機(jī)端statcom協(xié)同工作可快速地調(diào)節(jié)電磁轉(zhuǎn)矩以增強(qiáng)電機(jī)系統(tǒng)的正向阻尼，有效地抑制低頻/超低頻振蕩，從而進(jìn)一步提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。然而添加基于statcom的機(jī)端次同步阻尼控制器將顯著增加系統(tǒng)的硬件成本。

4、現(xiàn)有基于晶閘管整流器的勵(lì)磁系統(tǒng)無法很好地滿足現(xiàn)代電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的要求，其控制調(diào)節(jié)性能和經(jīng)濟(jì)性均亟待改善。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種大功率同步電機(jī)勵(lì)磁裝置及控制方法，提高勵(lì)磁系統(tǒng)的性能和功用，同時(shí)有效降低勵(lì)磁系統(tǒng)的成本、體積與重量。

2、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種大功率同步電機(jī)勵(lì)磁裝置，它包括多脈波勵(lì)磁變壓器、并聯(lián)pwm整流電路、交錯(cuò)并聯(lián)雙向dc-dc變換器和滅磁電路；所述并聯(lián)pwm整流電路與多脈波勵(lì)磁變壓器直流側(cè)電性連接，交錯(cuò)并聯(lián)雙向dc-dc變換器和滅磁電路與并聯(lián)pwm整流電路電性連接，勵(lì)磁繞組與交錯(cuò)并聯(lián)雙向dc-dc變換器電性連接；并聯(lián)pwm整流電路由多臺(tái)三相pwm高頻整流器組成。

3、所述多脈波勵(lì)磁變壓器的容量為6、12、18、24或30脈波變壓器。

4、所述多脈波勵(lì)磁變壓器的原邊為一組三相繞組，副邊每一組三相繞組連接一臺(tái)三相pwm高頻整流器。

5、所述三相pwm高頻整流器的容量為2、3或5電平三相全控器件橋式電路；各三相pwm高頻整流器直流側(cè)并聯(lián)構(gòu)成直流母線。

6、所述三相pwm高頻整流器的三相兩電平pwm整流器均采用雙環(huán)控制，包括直流母線電壓控制外環(huán)和交流側(cè)輸入電流控制內(nèi)環(huán)。

7、所述交錯(cuò)并聯(lián)雙向dc-dc變換器的輸入端接入直流母線，其輸出端與勵(lì)磁線圈相連。

8、所述交錯(cuò)并聯(lián)雙向dc-dc變換器的容量為2、3或5電平雙向橋式電路，且并聯(lián)交錯(cuò)的h橋電路數(shù)量可調(diào)；滅磁電路的輸入端接入直流母線。

9、如上所述的大功率同步電機(jī)勵(lì)磁裝置的控制方法，三相pwm高頻整流器采用直流電壓外環(huán)控制提供所設(shè)定的直流母線電壓，且勵(lì)磁變壓器的脈波數(shù)越多，直流母線電壓的紋波頻率越高且波動(dòng)越??；三相pwm高頻整流器采用常規(guī)的并網(wǎng)工頻電流控制策略，保證交流側(cè)并網(wǎng)電流為正弦且功率因數(shù)可調(diào)；三相pwm高頻整流器還添加機(jī)端附加阻尼控制器，檢測并計(jì)算低頻振蕩信號(hào)的模態(tài)補(bǔ)償電流，然后經(jīng)由三相pwm高頻整流器的電流內(nèi)環(huán)控制，注入同步電機(jī)的機(jī)端，從而提供正阻尼電磁轉(zhuǎn)矩以抑制低頻振蕩；?另外三相pwm高頻整流器的電流內(nèi)環(huán)采用均流措施，均流措施包括主從均流或下垂均流，以實(shí)現(xiàn)并聯(lián)的各三相pwm高頻整流器平均承擔(dān)傳輸功率，避免發(fā)生個(gè)別整流器出現(xiàn)過載。

10、如上所述的大功率同步電機(jī)勵(lì)磁裝置的控制方法，交錯(cuò)并聯(lián)雙向dc-dc變換器包括勵(lì)磁控制和滅磁控制兩種工況；

11、在勵(lì)磁控制工況下，交錯(cuò)并聯(lián)雙向dc-dc變換器工作在降壓模式，采用勵(lì)磁電壓控制器，包括pi控制器將直流母線電壓快速降為所需的勵(lì)磁電壓；交錯(cuò)并聯(lián)雙向dc-dc變換器還添加附加勵(lì)磁阻尼控制器，檢測并計(jì)算低頻振蕩信號(hào)的模態(tài)補(bǔ)償電流，注入同步電機(jī)的勵(lì)磁電流當(dāng)中，從而提供正阻尼電磁轉(zhuǎn)矩以抑制低頻振蕩；另外交錯(cuò)并聯(lián)雙向dc-dc變換器在電壓環(huán)內(nèi)采用了均流措施以實(shí)現(xiàn)交錯(cuò)并聯(lián)的各h橋平均承擔(dān)傳輸功率，避免個(gè)別h橋電路出現(xiàn)過載；

12、在滅磁控制工況下，交錯(cuò)并聯(lián)雙向dc-dc變換器工作在升壓模式，采用電流控制器，包括pi控制器快速將勵(lì)磁線圈中的存儲(chǔ)的電能釋放注入到直流母線并導(dǎo)致直流母線電壓動(dòng)態(tài)上升；直流母線電壓上升，一方面將引發(fā)三相pwm高頻整流器自動(dòng)將勵(lì)磁電能回饋至電網(wǎng)，另一方面當(dāng)直流母線電壓超過預(yù)先設(shè)定的閾值后，滅磁電阻將通過閉合滅磁開關(guān)接入至直流母線，通過消耗勵(lì)磁電能加速勵(lì)磁線圈的滅磁速度；

13、同樣地，交錯(cuò)并聯(lián)雙向dc-dc變換器在電壓環(huán)內(nèi)采用均流措施以實(shí)現(xiàn)交錯(cuò)并聯(lián)的各h橋平均承擔(dān)傳輸功率，避免個(gè)別h橋電路出現(xiàn)過載；

14、同樣地，交錯(cuò)并聯(lián)雙向dc-dc變換器采用均流措施以實(shí)現(xiàn)交錯(cuò)并聯(lián)的各h橋平均承擔(dān)傳輸功率，避免個(gè)別h橋電路出現(xiàn)過載。

15、還包括一個(gè)24脈波勵(lì)磁變壓器電性連接的4臺(tái)直流側(cè)并聯(lián)的三相pwm高頻整流器，以及1臺(tái)多相交錯(cuò)并聯(lián)雙向高頻dc-dc變換器和滅磁電路。

16、本發(fā)明的主要有益效果在于：

17、勵(lì)磁裝置所采用的勵(lì)磁變壓器的脈波數(shù)越多，pwm整流器的直流側(cè)母線電壓的紋波頻率越高且波動(dòng)越小，和基于晶閘管的整流電路相比，無需采用笨重的工頻平波電感，體積與重量大大減小。

18、各pwm整流器交流側(cè)連接勵(lì)磁變壓器不同的副邊繞組，避免了各pwm整流器高頻換流工作過程中出現(xiàn)環(huán)流。

19、高頻開關(guān)的pwm整流器不僅可以快速、準(zhǔn)確、平穩(wěn)、寬范圍地調(diào)節(jié)直流母線電壓，同時(shí)在無需添加statcom的情況下可根據(jù)需要向同步電機(jī)的機(jī)端注入振蕩模態(tài)補(bǔ)償電流，從而快速準(zhǔn)確地產(chǎn)生正阻尼電磁力矩，抑制電力系統(tǒng)低頻振蕩，提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性。

20、多相交錯(cuò)并聯(lián)雙向dc-dc變換器通過交錯(cuò)并聯(lián)的辦法，大大提高輸入輸出電流的等效開關(guān)頻率，和基于晶閘管的勵(lì)磁調(diào)節(jié)電路相比，不僅可以快速、準(zhǔn)確、平穩(wěn)、寬范圍地將直流母線電壓降壓供勵(lì)磁使用，改善勵(lì)磁控制調(diào)節(jié)性能，其體積與重量也大大減輕，在應(yīng)對系統(tǒng)短路故障等要求勵(lì)磁系統(tǒng)強(qiáng)行勵(lì)磁或加大勵(lì)磁等應(yīng)用場景時(shí)，勵(lì)磁系統(tǒng)能夠提供快速而強(qiáng)有力的勵(lì)磁調(diào)節(jié)，防止電力系統(tǒng)事故擴(kuò)大化。

21、在同步電機(jī)滅磁工況下，多相交錯(cuò)并聯(lián)雙向dc-dc變換器將切換為升壓工作模式，迅速將勵(lì)磁線圈存儲(chǔ)的能量反向釋放注入直流母線側(cè)，并通過pwm整流器能量回饋電網(wǎng)以及開通滅磁電路放電消耗二者相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)高效、快速、可靠的滅磁。