大容量火電機組合閘過程失磁保護方法探究

汪 玉，陳知行，楊 嫻，高 博，李圓智，孫 輝

(1.國網(wǎng)安徽省電力有限公司電力科學(xué)研究院，安徽 合肥 230601;2.北京理工大學(xué)，北京 100081;3.安徽新力電業(yè)科技咨詢有限責(zé)任公司，安徽 合肥 230601)

0 引 言

隨著高壓發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，采用330 MW火電機發(fā)電，能提高電流輸出的穩(wěn)定性和功率放大增益，在采用330 MW火電機組發(fā)電過程中，需要對330 MW 火電機組合閘過程進行耦合控制和失磁保護，結(jié)合耦合干擾抑制和動態(tài)輸出控制技術(shù)，提高330 MW火電機組合閘過程的失磁保護控制能力，從而優(yōu)化330 MW火電機的輸出，提高330 MW火電機組合閘過程的穩(wěn)定性和動態(tài)過程控制能力[1-2]。研究330 MW火電機組合閘過程的失磁保護方法，在優(yōu)化330 MW火電機設(shè)計和功能組件優(yōu)化控制中具有重要意義，相關(guān)的失磁保護模型研究受到人們的極大關(guān)注。

330 MW火電機組合閘過程一種多變量、非線性和強耦合的磁損耗系統(tǒng)，受到外界的不確定干擾因素影響較大，火電機組合閘的磁損耗加多，需要建立一種有效的330 MW火電機組合閘過程失磁保護模型，結(jié)合控制約束參量分析，提高330 MW火電機組合閘過程的失磁保護能力[3-4]。傳統(tǒng)方法中，對330 MW火電機組合閘過程失磁保護控制方法主要有比例-積分-微分(Proportion Integral Differential, PID)控制方法、模糊集成控制和自適應(yīng)控制方法，以及結(jié)合粒子群尋優(yōu)技術(shù)，進行失磁保護控制，提高了合閘過程穩(wěn)態(tài)性，但上述方法進行合閘過程的失磁保護過程控制中存在均衡性較差等問題。

針對上述問題，本文提出一種基于高壓直流輸電半橋子模塊調(diào)節(jié)的330 MW火電機組合閘過程的失磁保護控制模型，構(gòu)建了合閘的等效電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型，采用電容電壓波動調(diào)節(jié)方法進行合閘過程的解鎖恢復(fù)過程控制，計算火電機組合閘過程的失磁漏電特征和功率放大增益，將開關(guān)組分列運行的雙半橋子模塊進行并聯(lián)控制，提取組合閘過程的失磁穩(wěn)態(tài)特性特征量，根據(jù)特征分布的聚類性和關(guān)聯(lián)性進行失磁保護的自動化模式識別，實現(xiàn)330 MW火電機組合閘過程失磁保護優(yōu)化。最后進行仿真實驗分析，得出有效性結(jié)論。

1 330 MW火電機組的合閘過程的等效電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析及參量計算

1.1 330 MW火電機組的合閘過程等效電路

為了實現(xiàn)330 MW火電機組合閘過程的失磁保護控制和抗干擾設(shè)計，結(jié)合模糊PID控制方法構(gòu)建330 MW火電機組失磁保護控制模型，采用無阻尼非線性約束方法實現(xiàn)失磁保護控制[5]。這里采用模糊PID控制方法是充分考慮到處理的實時性問題，如果運用其他智能算法也是可行的，比如遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或者專家系統(tǒng)，但這些算法的運行時間太長，不適合大型控制系統(tǒng)。

在優(yōu)化330 MW火電機組失的電機輸出功率過程中，結(jié)合模糊時滯分析方法[6]，構(gòu)建330 MW火電機組合閘過程的幾何參數(shù)模型，得到330 MW火電機組合閘過程的輻射磁偶極子如圖1所示。

圖1 330 MW火電機組合閘過程的輻射磁偶極子

以圖1給出的磁偶極子330 MW火電機組合閘過程進行等效分析，進行330 MW火電機組合閘過程的幾何參數(shù)模型構(gòu)建，給出330 MW火電機組合閘過程失磁保護優(yōu)化參數(shù)模型分別為：電磁耦合極對數(shù)P，330 MW火電機組合閘過程的極弧系數(shù)β，輻射線圈厚度lm，火電機組合閘換相直流輸電的增益ly，330 MW火電機組合閘過程繞組厚度lw、330 MW火電機組合閘過程氣隙長度lg，解鎖恢復(fù)過程的轉(zhuǎn)子半徑rr，單端口閥段的導(dǎo)磁率Jcu，線圈直徑ls、采用自均壓型模塊化多電平換流器(Modular Multilevel Converter，MMC)拓?fù)浣Y(jié)果，構(gòu)建330 MW火電機組合閘過程的輻射磁偶極子的定/轉(zhuǎn)子軸向長度比為λ=db/ls表示，其中db=2(rr+lg)。在實際應(yīng)用中，330 MW火電機組合閘過程的輻射磁矩可以表示為：

(1)

將開關(guān)組分列運行的雙半橋子的磁矩在磁偶極子的作用下進行等效拓?fù)浞治鯷7]，得到330 MW火電機組合閘過程的輻射場的目標(biāo)函數(shù)為：

(2)

(3)

(4)

采用兩個絕緣柵雙極晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)并聯(lián)通流進行動態(tài)調(diào)節(jié)，IGBT的直流母線連接點的電阻分量，盡量保持對稱。合閘過程的定/轉(zhuǎn)子軸向相移為：

(5)

考慮到漏磁系數(shù)k1，得到330 MW火電機組合閘的控制轉(zhuǎn)矩為：

(6)

(7)

通過上述模型構(gòu)建，得到了330 MW火電機組合閘過程的幾何參數(shù)模型，為實現(xiàn)火電機組合閘過程的失磁保護控制提供系統(tǒng)參數(shù)基礎(chǔ)[8-9]。

1.2 330 MW火電機組合閘過程的磁損耗參量分析

采用電容電壓波動調(diào)節(jié)方法進行330 MW火電機組合閘過程的解鎖恢復(fù)過程控制，計算火電機組合閘過程的失磁漏電特征和功率放大增益，在失磁保護過程中，分析電磁損耗，可以分為三部分：電損耗、磁損耗和機械損耗[10]，其中磁損耗對330 MW火電機組合閘的控制輸出影響較大，磁損耗主要包括磁滯損耗、渦流損耗和附加渦流損耗[11]，為了實現(xiàn)電機失磁保護控制，采用T型等效電路，構(gòu)建30 MW火電機組合閘過程失磁保護的等效控制模型如圖2所示。

圖2 30MW火電機組合閘過程失磁保護的等效控制模型

圖2中，設(shè)UC為子模塊單個電容額定電壓，將磁偶極子輻射電磁場分為三個區(qū)域，得到30 MW火電機組合閘的偶極子的全磁場矢量為：

(8)

在初始狀態(tài)下，兩電容電壓均與輻射磁矩正相關(guān)時，磁場值是R與θ的函數(shù)隨距磁場源距離變化關(guān)系如圖3所示。

語言類課程中，語音、聽力和詞匯非常重要。根據(jù)獨立學(xué)院學(xué)生在歷年英語演講比賽和求職面試中的表現(xiàn)來看，語音往往是他們較為薄弱的環(huán)節(jié)，必須引起足夠重視。聽力課有必要單獨開設(shè)，建議在一、二年級開設(shè)，這對于提高專業(yè)四、八級通過率有很大幫助。詞匯也是英語學(xué)習(xí)者進入大學(xué)之后面臨的一大挑戰(zhàn)，在一年級或二年級開設(shè)詞匯學(xué)能切實有效拓展詞匯量。

圖3 磁場強度隨距離變化關(guān)系

根據(jù)圖3的磁場分布變化關(guān)系，進行失磁保護控制和自動調(diào)節(jié)。

2 失磁保護控制優(yōu)化

2.1 電容電壓波動調(diào)節(jié)

在構(gòu)建330 MW火電機組合閘的等效電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)上，進行330 MW火電機組合閘過程的失磁保護控制優(yōu)化設(shè)計[12]，本文提出一種基于高壓直流輸電半橋子模塊調(diào)節(jié)的330 MW火電機組合閘過程的失磁保護控制模型。計算火電機組合閘過程的失磁漏電特征和功率放大增益，可以估算為：

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

jKR(3z2-R2)]e-jKRπ

(14)

式中，M為開關(guān)導(dǎo)通配合的電磁轉(zhuǎn)矩;r為漏磁系數(shù);K為兩電容并聯(lián)的附加渦流損耗;z為非正弦磁密，令l=ls，r=rr+lg，NI=AwJcukf，計算得到兩條對稱支路的串聯(lián)電阻B，得到330 MW火電機組合閘過程的飽和磁密：

NI=πl(wèi)w(2rr+2l+lw)Jcukfkc

(15)

其中kc是電容電壓波動調(diào)節(jié)的修正系數(shù)，在任意時刻t，330 MW火電機組合閘的磁通密度為Bg，330 MW火電機組合閘的電磁場總輸入netj等于與其各穩(wěn)態(tài)工作點的線性差分幅頻響應(yīng)。假設(shè)ρm、ρw、ρy為330 MW火電機組合閘過程的永磁體密度，電機繞組的自感為：

(16)

通過上述分析可見，將開關(guān)組分列運行的雙半橋子模塊進行并聯(lián)控制，提取330 MW火電機組合閘過程的失磁穩(wěn)態(tài)特性特征量，進行過程約束控制。

2.2 330 MW火電機組合閘過程失磁保護控制輸出

計算火電機組合閘過程的失磁漏電特征和功率放大增益，構(gòu)建優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)[14]，得到330 MW火電機組合閘的電磁轉(zhuǎn)矩表示為：

(17)

其中，Pe為橫向電壓差;Ph為無功損耗。得到失磁保護過程控制的輸出轉(zhuǎn)矩為：

Tout=Tem-(Pw+Pb)/ωr

(18)

為了使磁損耗最小，用虛擬中點功率進行失磁保護的動態(tài)調(diào)節(jié)，得到自動控制輸出的約束向量為Χ，得到優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為：

Χ=[pβlmlylwlgrrλAc]T

(19)

在目標(biāo)函數(shù)中使用權(quán)重系數(shù)，以控制電機的輸出功率和電能傳輸效率[15]，得到電磁轉(zhuǎn)矩約束下的電機失磁保護控制后的輸出功率為：

P1=Pcu+Ph+Pe+Pb+Pw

(20)

(21)

通過上述設(shè)計，實時調(diào)節(jié)330 MW火電機組合閘過程的穩(wěn)定系數(shù)，實現(xiàn)了330 MW火電機組合閘過程的失磁保護控制，提高330 MW火電機組合閘過程的控制穩(wěn)定性和輸出增益。

3 實驗測試分析

為了測試本文方法在實現(xiàn)330MW火電機組合閘過程的失磁保護控制中的應(yīng)用性能，仿真平臺是intel酷睿雙核i3處理，RAM2GB，@2.45 GHz的個人筆記本電腦，編程軟件為Matlab 7.0，330 MW火電機組合閘過程的有功和無功損耗設(shè)定為2.34,和4.35，自均壓的統(tǒng)計特征分布滿足均值為2方差為2.14的均勻分布，全波整流的穩(wěn)態(tài)波特征系數(shù)0.24，基波頻率為15 KHz，額定直流電壓為300 V，等效電路拓?fù)鋮?shù)設(shè)定見表1。

表1 等效電路拓?fù)鋮?shù)設(shè)定

根據(jù)上述仿真環(huán)境和參數(shù)設(shè)定，進行330 MW火電機組合閘過程失磁保護控制，得到輸出的直流電壓如圖4所示，直流電流輸出如圖5所示。

圖4 火電機組合閘輸出的直流電壓

圖5 火電機組合閘過程的直流電流輸出

分析圖4和圖5得知，采用本文方法進行火電機組合閘過程的失磁保護，能提高輸出電壓和電流的穩(wěn)定性，由圖4和圖5可以看出，在1.35 s之后，直流電流基本呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)，失磁保護性能很快達(dá)到了最優(yōu)狀態(tài)。測試不同方法進行火電機組合閘過程的失磁保護性能，得到控制均衡性對比結(jié)果見表2，分析表2得知，采用本文方法進行火電機組合閘過程失磁保護的均衡性較好，電機組的輸出穩(wěn)定性得到提升。由表2可以看出，隨著迭代次數(shù)的增加，本文方法的失磁保護均衡性逐步提高，當(dāng)達(dá)到400次的時候，均衡性接近達(dá)到最高值1。文獻[4]是一種模糊集成控制方法，文獻[5]是一種自適應(yīng)控制方法，與文獻[4]和文獻[5]方法相比，每次迭代均具有明顯優(yōu)勢。其主要原因是本文方法在失磁漏電特征和并聯(lián)控制方面的工作，根據(jù)特征分布的聚類性和關(guān)聯(lián)性進行失磁保護的模式識別，從而實現(xiàn)了合閘過程的失磁保護優(yōu)化。而文獻[4，5]在失磁保護過程控制中存在時滯長的問題，導(dǎo)致特征的識別性能較差。

表2 火電機組合閘過程失磁保護的均衡性對比測試

4 結(jié) 語

對330 MW火電機組合閘過程進行耦合控制和失磁保護，結(jié)合耦合干擾抑制和動態(tài)輸出控制技術(shù)，提高330 MW火電機組合閘過程的失磁保護控制能力，從而優(yōu)化330 MW火電機的輸出，本文提出一種基于高壓直流輸電半橋子模塊調(diào)節(jié)的330 MW火電機組合閘過程的失磁保護控制模型，構(gòu)建330 MW火電機組合閘的等效電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型，采用電容電壓波動調(diào)節(jié)方法進行330MW火電機組合閘過程的解鎖恢復(fù)過程控制，計算火電機組合閘過程的失磁漏電特征和功率放大增益，將開關(guān)組分列運行的雙半橋子模塊進行并聯(lián)控制，提取330 MW火電機組合閘過程的失磁穩(wěn)態(tài)特性特征量，根據(jù)特征分布的聚類性和關(guān)聯(lián)性進行失磁保護的自動化模式識別，實現(xiàn)330 MW火電機組合閘過程失磁保護優(yōu)化。研究得知，采用本文方法進行火電機組合閘過程失磁保護的均衡性較好，電機組的輸出穩(wěn)定性得到提升。