[发明专利]变频变压器控制系统

说明书

技术领域

本发明涉及变频变压器(Variable Frequency Transformer，VFT)技术领域，尤其涉及一种变频变压器控制系统。

背景技术

目前，世界上实现大电网互联的主要手段是交流同步联网和直流异步联网。这两种方式各具特点。交流同步联网不仅可以实现有功功率交换，还可以在一定范围内自动平衡互联系统的无功功率。通过交流联网构建坚强的送端电网或受端电网，接入同步电网的发电机数量愈多，同步电网的惯性越大，可显著增强同步电网应对故障能力和接纳区外电力的能力。另一方面，随着同步电网规模的扩大，低频功率振荡和事故扩散的风险备受各方关注。例如，我国华中-华北-东北“长链式”交流联网系统就存在低频振荡的风险，制约了区域电网的交换功率水平。直流异步联网可以有效隔离互联电网之间的交互影响，实现有功功率的高效可控传输，但是大规模的直流功率交换需要有坚强的交流电网支撑，否则一旦发生直流故障会导致电网供电事故，同时，交流侧故障也会影响直流侧系统正常运行。

从电网安全稳定运行、潮流灵活控制以及电力市场发展出发，互联电网之间需要有清晰的界面，对于交流互联这一点显得更重要。否则一旦出现某一互联线路故障，就可能出现大范围的功率转移，影响整个联网系统的安全运行。这一幕就在2003年美加大停电中发生过，并带来严重的后果。此外，由于受直流输电自身特性的限制，常规直流(包括直流背靠背)的正常运行需要以两侧的系统电压为支撑，才能够实现正常的换流和整流，同时换流站附近的故障也容易带来直流换相失败等故障。因此在给弱电网供电时，直流连接存在一定的局限性。另外，直流输电会给系统带来一定的谐波，需要投入大量的滤波器设备。

因此，针对大电网互联的发展趋势，迫切需要在互联技术和装置上实现创新和突破。变频变压器就是在这一背景下研发出的一种新型的联网设备。变频变压器是一种智能高效的新型电网互联装置，该设备在解决电网互联所面临的异步互联、故障隔离、向弱电源系统供电等问题上具有一定的优势。一方面，变频变压器能够实现两个异步电网的互联，输送功率可以灵活平滑控制，同时又能够实现向弱电源甚至无源系统供电，在某种程度上具有比直流背靠背更可靠的联网供电性能。另一方面，变频变压器的损耗要远低于VSC-HVDC装置，也低于常规直流背靠背。从控制灵活性和传输效率等方面看，变频变压器在电力系统有广阔的应用前景。

在物理结构上，变频变压器是一种集成了变压器、移相器、水轮发电机、双馈电机、直流驱动等技术的新型异步电网互联装置，其核心技术是在定子与转子侧都有三相绕组的旋转变压器，并使用直流电机驱动系统调整转子磁场相对于定子磁场的空间旋转位置，从而控制经由变频变压器输出的功率大小和方向。变频变压器主要由旋转变压器、直流驱动电机和集电环等三部分组成。

当变频变压器采取竖式设计时，为了提高系统的运转的稳定性。体积小、重量轻的集电环位于变频变压器的上端，在转子三相绕组与外部系统之间传导电流，实现转子绕组与外部交流系统的电气连接。直流电机位于变频变压器中部，与转子同轴，在转子轴上也安装有直流驱动电机的转子绕组，通过直流整流回路控制直流电机驱动转矩，从而调节转子的转速以及转子磁场与定子磁场的相位移。体积大、重量大的旋转变压器位于变频变压器的下部，旋转变压器由定子三相绕组和转子三相绕组及定、转子铁心构成，转子绕组通过集电环与一侧系统相连，定子绕组与外部另一侧交流系统相连。

稳态情况下，即转子旋转(电气)频率与转子电流频率之和等于定子电流频率时，可以实现两系统之间的稳定功率输送。后文推导显示，变频变压器输送功率大小取决于直流电机施加在旋转变压器转子上的力矩。也就是说，变频变压器所传送的功率是直流电机施加在转子轴上的驱动转矩的函数。假定在某一方向上施加转矩，使得有功功率从定子侧系统流向转子侧系统，那么，在相反的方向上施加转矩时，将使功率从转子侧系统流向定子侧系统。在变频变压器设计容量范围内，变频变压器输送功率与在转子轴上所施加的转矩的大小成比例，方向也取决于转矩的方向。当变压器传输功率为零时，所需要的转子转矩也接近零。

直流驱动电机是控制变频变压器转子转速、调节转子绕组磁场与定子绕组磁场相位移、控制变频变压器输送功率的核心元件。在直流电机不输出转矩时，由于定、转子绕组之间的电磁耦合作用，转子自身的角速度将趋向于两侧的异步交流系统之间的角速度之差，但不能完全弥补该频率差，导致变频变压器的输送功率呈正弦周期性变化。如果频率差较大、系统功率波动过大，就可能导致系统失稳。