大容量火电机组合闸过程失磁保护方法探究

汪 玉，陈知行，杨 娴，高 博，李圆智，孙 辉

(1.国网安徽省电力有限公司电力科学研究院，安徽 合肥 230601;2.北京理工大学，北京 100081;3.安徽新力电业科技咨询有限责任公司，安徽 合肥 230601)

0 引 言

随着高压发电技术的发展，采用330 MW火电机发电，能提高电流输出的稳定性和功率放大增益，在采用330 MW火电机组发电过程中，需要对330 MW 火电机组合闸过程进行耦合控制和失磁保护，结合耦合干扰抑制和动态输出控制技术，提高330 MW火电机组合闸过程的失磁保护控制能力，从而优化330 MW火电机的输出，提高330 MW火电机组合闸过程的稳定性和动态过程控制能力[1-2]。研究330 MW火电机组合闸过程的失磁保护方法，在优化330 MW火电机设计和功能组件优化控制中具有重要意义，相关的失磁保护模型研究受到人们的极大关注。

330 MW火电机组合闸过程一种多变量、非线性和强耦合的磁损耗系统，受到外界的不确定干扰因素影响较大，火电机组合闸的磁损耗加多，需要建立一种有效的330 MW火电机组合闸过程失磁保护模型，结合控制约束参量分析，提高330 MW火电机组合闸过程的失磁保护能力[3-4]。传统方法中，对330 MW火电机组合闸过程失磁保护控制方法主要有比例-积分-微分(Proportion Integral Differential, PID)控制方法、模糊集成控制和自适应控制方法，以及结合粒子群寻优技术，进行失磁保护控制，提高了合闸过程稳态性，但上述方法进行合闸过程的失磁保护过程控制中存在均衡性较差等问题。

针对上述问题，本文提出一种基于高压直流输电半桥子模块调节的330 MW火电机组合闸过程的失磁保护控制模型，构建了合闸的等效电路拓扑结构模型，采用电容电压波动调节方法进行合闸过程的解锁恢复过程控制，计算火电机组合闸过程的失磁漏电特征和功率放大增益，将开关组分列运行的双半桥子模块进行并联控制，提取组合闸过程的失磁稳态特性特征量，根据特征分布的聚类性和关联性进行失磁保护的自动化模式识别，实现330 MW火电机组合闸过程失磁保护优化。最后进行仿真实验分析，得出有效性结论。

1 330 MW火电机组的合闸过程的等效电路拓扑结构分析及参量计算

1.1 330 MW火电机组的合闸过程等效电路

为了实现330 MW火电机组合闸过程的失磁保护控制和抗干扰设计，结合模糊PID控制方法构建330 MW火电机组失磁保护控制模型，采用无阻尼非线性约束方法实现失磁保护控制[5]。这里采用模糊PID控制方法是充分考虑到处理的实时性问题，如果运用其他智能算法也是可行的，比如遗传算法、神经网络或者专家系统，但这些算法的运行时间太长，不适合大型控制系统。

在优化330 MW火电机组失的电机输出功率过程中，结合模糊时滞分析方法[6]，构建330 MW火电机组合闸过程的几何参数模型，得到330 MW火电机组合闸过程的辐射磁偶极子如图1所示。

图1 330 MW火电机组合闸过程的辐射磁偶极子

以图1给出的磁偶极子330 MW火电机组合闸过程进行等效分析，进行330 MW火电机组合闸过程的几何参数模型构建，给出330 MW火电机组合闸过程失磁保护优化参数模型分别为：电磁耦合极对数P，330 MW火电机组合闸过程的极弧系数β，辐射线圈厚度lm，火电机组合闸换相直流输电的增益ly，330 MW火电机组合闸过程绕组厚度lw、330 MW火电机组合闸过程气隙长度lg，解锁恢复过程的转子半径rr，单端口阀段的导磁率Jcu，线圈直径ls、采用自均压型模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，MMC)拓扑结果，构建330 MW火电机组合闸过程的辐射磁偶极子的定/转子轴向长度比为λ=db/ls表示，其中db=2(rr+lg)。在实际应用中，330 MW火电机组合闸过程的辐射磁矩可以表示为：

(1)

将开关组分列运行的双半桥子的磁矩在磁偶极子的作用下进行等效拓扑分析[7]，得到330 MW火电机组合闸过程的辐射场的目标函数为：

(2)

(3)

(4)

采用两个绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)并联通流进行动态调节，IGBT的直流母线连接点的电阻分量，尽量保持对称。合闸过程的定/转子轴向相移为：

(5)

考虑到漏磁系数k1，得到330 MW火电机组合闸的控制转矩为：

(6)

(7)

通过上述模型构建，得到了330 MW火电机组合闸过程的几何参数模型，为实现火电机组合闸过程的失磁保护控制提供系统参数基础[8-9]。

1.2 330 MW火电机组合闸过程的磁损耗参量分析

采用电容电压波动调节方法进行330 MW火电机组合闸过程的解锁恢复过程控制，计算火电机组合闸过程的失磁漏电特征和功率放大增益，在失磁保护过程中，分析电磁损耗，可以分为三部分：电损耗、磁损耗和机械损耗[10]，其中磁损耗对330 MW火电机组合闸的控制输出影响较大，磁损耗主要包括磁滞损耗、涡流损耗和附加涡流损耗[11]，为了实现电机失磁保护控制，采用T型等效电路，构建30 MW火电机组合闸过程失磁保护的等效控制模型如图2所示。

图2 30MW火电机组合闸过程失磁保护的等效控制模型

图2中，设UC为子模块单个电容额定电压，将磁偶极子辐射电磁场分为三个区域，得到30 MW火电机组合闸的偶极子的全磁场矢量为：

(8)

在初始状态下，两电容电压均与辐射磁矩正相关时，磁场值是R与θ的函数随距磁场源距离变化关系如图3所示。

语言类课程中，语音、听力和词汇非常重要。根据独立学院学生在历年英语演讲比赛和求职面试中的表现来看，语音往往是他们较为薄弱的环节，必须引起足够重视。听力课有必要单独开设，建议在一、二年级开设，这对于提高专业四、八级通过率有很大帮助。词汇也是英语学习者进入大学之后面临的一大挑战，在一年级或二年级开设词汇学能切实有效拓展词汇量。

图3 磁场强度随距离变化关系

根据图3的磁场分布变化关系，进行失磁保护控制和自动调节。

2 失磁保护控制优化

2.1 电容电压波动调节

在构建330 MW火电机组合闸的等效电路拓扑结构模型的基础上，进行330 MW火电机组合闸过程的失磁保护控制优化设计[12]，本文提出一种基于高压直流输电半桥子模块调节的330 MW火电机组合闸过程的失磁保护控制模型。计算火电机组合闸过程的失磁漏电特征和功率放大增益，可以估算为：

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

jKR(3z2-R2)]e-jKRπ

(14)

式中，M为开关导通配合的电磁转矩;r为漏磁系数;K为两电容并联的附加涡流损耗;z为非正弦磁密，令l=ls，r=rr+lg，NI=AwJcukf，计算得到两条对称支路的串联电阻B，得到330 MW火电机组合闸过程的饱和磁密：

NI=πlw(2rr+2l+lw)Jcukfkc

(15)

其中kc是电容电压波动调节的修正系数，在任意时刻t，330 MW火电机组合闸的磁通密度为Bg，330 MW火电机组合闸的电磁场总输入netj等于与其各稳态工作点的线性差分幅频响应。假设ρm、ρw、ρy为330 MW火电机组合闸过程的永磁体密度，电机绕组的自感为：

(16)

通过上述分析可见，将开关组分列运行的双半桥子模块进行并联控制，提取330 MW火电机组合闸过程的失磁稳态特性特征量，进行过程约束控制。

2.2 330 MW火电机组合闸过程失磁保护控制输出

计算火电机组合闸过程的失磁漏电特征和功率放大增益，构建优化目标函数[14]，得到330 MW火电机组合闸的电磁转矩表示为：

(17)

其中，Pe为横向电压差;Ph为无功损耗。得到失磁保护过程控制的输出转矩为：

Tout=Tem-(Pw+Pb)/ωr

(18)

为了使磁损耗最小，用虚拟中点功率进行失磁保护的动态调节，得到自动控制输出的约束向量为Χ，得到优化目标函数为：

Χ=[pβlmlylwlgrrλAc]T

(19)

在目标函数中使用权重系数，以控制电机的输出功率和电能传输效率[15]，得到电磁转矩约束下的电机失磁保护控制后的输出功率为：

P1=Pcu+Ph+Pe+Pb+Pw

(20)

(21)

通过上述设计，实时调节330 MW火电机组合闸过程的稳定系数，实现了330 MW火电机组合闸过程的失磁保护控制，提高330 MW火电机组合闸过程的控制稳定性和输出增益。

3 实验测试分析

为了测试本文方法在实现330MW火电机组合闸过程的失磁保护控制中的应用性能，仿真平台是intel酷睿双核i3处理，RAM2GB，@2.45 GHz的个人笔记本电脑，编程软件为Matlab 7.0，330 MW火电机组合闸过程的有功和无功损耗设定为2.34,和4.35，自均压的统计特征分布满足均值为2方差为2.14的均匀分布，全波整流的稳态波特征系数0.24，基波频率为15 KHz，额定直流电压为300 V，等效电路拓扑参数设定见表1。

表1 等效电路拓扑参数设定

根据上述仿真环境和参数设定，进行330 MW火电机组合闸过程失磁保护控制，得到输出的直流电压如图4所示，直流电流输出如图5所示。

图4 火电机组合闸输出的直流电压

图5 火电机组合闸过程的直流电流输出

分析图4和图5得知，采用本文方法进行火电机组合闸过程的失磁保护，能提高输出电压和电流的稳定性，由图4和图5可以看出，在1.35 s之后，直流电流基本呈现稳定状态，失磁保护性能很快达到了最优状态。测试不同方法进行火电机组合闸过程的失磁保护性能，得到控制均衡性对比结果见表2，分析表2得知，采用本文方法进行火电机组合闸过程失磁保护的均衡性较好，电机组的输出稳定性得到提升。由表2可以看出，随着迭代次数的增加，本文方法的失磁保护均衡性逐步提高，当达到400次的时候，均衡性接近达到最高值1。文献[4]是一种模糊集成控制方法，文献[5]是一种自适应控制方法，与文献[4]和文献[5]方法相比，每次迭代均具有明显优势。其主要原因是本文方法在失磁漏电特征和并联控制方面的工作，根据特征分布的聚类性和关联性进行失磁保护的模式识别，从而实现了合闸过程的失磁保护优化。而文献[4，5]在失磁保护过程控制中存在时滞长的问题，导致特征的识别性能较差。

表2 火电机组合闸过程失磁保护的均衡性对比测试

4 结 语

对330 MW火电机组合闸过程进行耦合控制和失磁保护，结合耦合干扰抑制和动态输出控制技术，提高330 MW火电机组合闸过程的失磁保护控制能力，从而优化330 MW火电机的输出，本文提出一种基于高压直流输电半桥子模块调节的330 MW火电机组合闸过程的失磁保护控制模型，构建330 MW火电机组合闸的等效电路拓扑结构模型，采用电容电压波动调节方法进行330MW火电机组合闸过程的解锁恢复过程控制，计算火电机组合闸过程的失磁漏电特征和功率放大增益，将开关组分列运行的双半桥子模块进行并联控制，提取330 MW火电机组合闸过程的失磁稳态特性特征量，根据特征分布的聚类性和关联性进行失磁保护的自动化模式识别，实现330 MW火电机组合闸过程失磁保护优化。研究得知，采用本文方法进行火电机组合闸过程失磁保护的均衡性较好，电机组的输出稳定性得到提升。