CN103470442A - 一种双速凸极同步水轮发电机组的转速选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双速凸极同步水轮发电机组的转速选择方法，即在给定转轮及水文过程的基础上，通过寻优的智能算法模型对双速凸极同步水轮发电机组的转速参数进行优选，同时制定水轮发电机组转速的切换工况，实现水轮发电机组年发电量最大。根据上述发明方法，可求得给定水文过程下双速凸极同步发电机组的最优双转速，以及转速的切换工况，实现双速凸极同步水轮发电机组年发电量最大的目标。

Description

一种双速凸极同步水轮发电机组的转速选择方法

技术领域

本发明涉及一种双速凸极同步发水轮发电机组的转速选择方法，即在给定转轮及水文过程的基础上，通过寻优的智能算法模型对双速凸极同步水轮发电机组的转速参数进行优选，同时制定水轮发电机组转速的切换工况，实现水轮发电机组年发电量最大的目标。

背景技术

当今，能源局势紧张。石油、煤炭等不可再生资源日益枯竭，使人们对可再生资源的依赖日益增加。这正是水电、风电、太阳能发电得以蓬勃发展的主要原因。而在诸多的可再生能源中，水电的经济性最优。然而，因受到技术及装备落后的影响水能资源未能得到充分的利用，尤其是水头变幅较大的电站，由于受发电机单一转速的限制，使得水轮机的适应水头范围难以涵盖电站的水头变化范围，从而在运行中不得不丢弃大量的水能，或者因为效率的影响，损失(3～10％)电能，当然，也伴随着振动、空蚀等不稳定现象，影响水力机组的寿命。

随着同步电机调速技术的发展，使得水能的进一步开发成为可能。尤其是凸极双速同步发电机变极技术，因其使用性能基本能满足水力发电的工况需求，同时具有运行可靠、制造成本低和制造工艺简单的特点，因此，其在水力发电中必将得到推广。然而，如何选择有效的两种转速以及如何选择转速切换工况，使得在给定的水文过程中取得最佳的经济效益，国内外还没有先例。因此，如何选择有效的两种转速以及如何选择转速切换工况，使得在给定的水文过程中取得最佳的经济效益是一项新技术，具有较大的经济潜力，也是目前亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种双速凸极同步发水轮发电机组的转速选择方法，使得在给定的水文过程中取得最佳的经济效益。

为实现上述目的，本发明提供以下技术方案：一种双速凸极同步发水轮发电机组的转速选择方法，即在给定转轮及水文过程的基础上，通过寻优的智能算法模型对双速凸极同步水轮发电机组的转速参数进行优选，同时制定水轮发电机组转速的切换工况，实现机组年发电量最大。具体包括如下步骤：

(1)将水轮机模型转轮综合特性曲线图导入数据库；

(2)建立准确地读全部运行参数并支持智能寻优的智能算法模型，通过数据训练，模型满足足够精度要求；

(3)导入发电站长年日径流量序列及水头数据；

(4)以发电机转速n为待求参数，综合步骤(3)导入的水文数据，建立以效率η为中间变量，以年发电量E最大为目标函数的优化模型。根据目标函数和安全稳定限制条件及发电机极对数约束条件的要求，采用优化算法，求得最优解

(5)根据求得的最优双速作水轮机运转特性曲线；

(6)由水轮机的运转特性曲线得出给定水头的效率曲线，从而确定发电机转速的切换点。

优选地，所述步骤(2)中所述智能算法模型采用具有自学习功能神经网络模型。

优选地，所述步骤(4)中所述目标函数要求为年发电量最大，所述限制条件包括吸出高度限制、导叶开度限制、最大出力限制、发电机极对数限制。

优选地，所述步骤(6)发电机转速的切换点以效率最大为目标进行制定。

本发明的有益效果在于，对于给定的水文过程，提供一种双速凸极同步水轮发电机组的转速选择方法，实现水轮发电机组年发电量最大的目标。

附图说明

图1为某电站水轮机在转速为500r/min下的运转特性曲线示意图。

图2为某电站水轮机在转速为600r/min下的运转特性曲线示意图。

图3为低水头运行时，不同水轮转速的水头效率曲线示意图。

图4为中水头运行时，不同水轮转速的水头效率曲线示意图。

图5为高水头运行时，不同水轮转速的水头效率曲线示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对发明的实施方式进行详细描述。

本发明提出一种双速凸极同步发水轮发电机组的转速选择方法，即在给定转轮及水文过程的基础上，通过寻优的智能算法模型对双速凸极同步水轮发电机组的转速参数进行优选，同时制定水轮发电机组转速的切换工况，实现水轮发电机组年发电量最大。

从原理上来讲对于水头变幅大的水电站，水轮机选型往往找不到能满足水头变幅范围内性能优秀的合适水轮机模型转轮。因此在低、高水头运行时，在发电机的单一转速下，水轮机的单位转速n₁₁会很偏高或偏低，模型的η_m很低，甚至会超出模型转轮的试验曲线范围，使得效率降低。如图1A点所示，水轮机(n＝600r/min)在低水头22m运行时，出力400kw所对应的效率约77.5％，而在图2B点所示工况点，在相同水头和出力情况下，水轮机转速降至500r/min运行，效率约为85％，同比A点效率增加了7.5％。

为实现本发明所述目的，采用如下技术实现：双速凸极同步发水轮发电机组的转速选择方法通过采用神经网络模型和寻优搜索算法，根据导入的发电站长年日径流量序列及水头数据，求得最优解

进而制定水轮发电机组转速的切换工况，其具体实施过程包括如下步骤：

(1)将水轮机模型转轮综合特性曲线图导入数据库；根据厂家提供的水轮机模型转轮综合特性曲线图，采集图中反映的η＝η′(Q₁₁，n₁₁)关系曲线数据以及出力限制线数据，将采集的数据导入数据库；

(2)建立准确地读全部运行参数并支持智能寻优的智能算法模型，通过数据训练，使之能够反映和刻画水轮机的η＝η′(Q₁₁，n₁₁)关系曲线，模型满足足够精度要求；

(3)导入发电站长年日径流量序列及水头数据；

(4)以发电机转速n为待求参数，综合步骤(3)导入的水文数据，建立以效率η为中间变量，以年发电量E最大为目标函数的优化模型。根据目标函数和安全稳定限制条件及发电机极对数约束条件的要求，采用优化算法，求得最优解

(5)根据求得的最优双速作水轮机运转特性曲线；

(6)由水轮机的运转特性曲线得出给定水头的效率曲线，从而确定发电机转速的切换点。

步骤(4)中，所述优化模型其数学表达式如下：

$\max E=\max {\∫}_0^{8760}N\left(t\right)\mathrm{dt}---\left(1\right)$

$s.t.\left\{\begin{array}{c}N\left(t\right)=9.81\mathrm{\η}(n_{11}^{\left(i\right)},Q_{11}^{\left(i\right)})H\left(t\right)Q\left(t\right)(i=\mathrm{1,2})\\ n_{11}^{\left(i\right)}=\frac{n^{\left(i\right)}{D}_1}{\sqrt{H}}(i=\mathrm{1,2})\\ Q_{11}^{\left(i\right)}=\frac{Q^{\left(i\right)}}{D_1^2\sqrt{H}}(i=\mathrm{1,2})\\ \frac{P}{P_m}=q\∈Z\\ H_s\≤H_{\mathrm{aTs}}\\ {\mathrm{\α}}_{\min }(n_{11}^{\left(i\right)},Q_{11}^{\left(i\right)})\≤\mathrm{\α}\≤{\mathrm{\α}}_{\min }(n_{11}^{\left(i\right)},Q_{11}^{\left(i\right)})\\ N\left(t\right)\≤N_{\max }\end{array}\right.---\left(2\right)$

式中：

E为年发电量；

N(t)为t时刻出力；N_max为最大出力；

η为水轮机效率；

H(t)为t时刻所对应水头；

Q(t)为t时刻所对应流量；

为转速n⁽ⁱ⁾所对应的单位转速；

为转速n⁽ⁱ⁾所对应的单位流量；

D₁为转轮直径；

P为发电机极对数；

H_s为吸出高度；H_aTs为水轮机容许吸出高度；

α为导叶开度；

上述约束条件s.t的第四式表示发电机极对数与调制波极对数之比应为整数，第五式表示水轮机吸出高度不大于水轮机的容许吸出高度，即满足空蚀条件，第六式表示水轮机导叶开度在允许值范围。

步骤(6)中发电机转速的切换点的确定，结合图3、4、5进行简单说明。

假定双速n⁽¹⁾和n⁽²⁾，n⁽¹⁾＜n⁽²⁾是两个备选转速。对给定的转速n⁽¹⁾和n⁽²⁾作水轮机运转特性曲线。由水轮机的运转特性曲线得出给定的水头效率曲线，从而决定发电机转速的切换点。下面所述水头满足H1＜H2＜H3。

如图3所示，在低水头H1运行时，在功率相同的情况下，n⁽¹⁾比n⁽²⁾的效率均高，而且使用流量减少，因此，在低水头时，采用低转速n⁽¹⁾运行。

如图4所示，在中水头H2运行时，机组在出力N≤N1时，采用转速n＝n(1)运行，在N1＜N≤N2时，采用转速n＝n(2)运行，当出力N＞N2时，采用转速n＝n(1)运行。

如图5所示，在高水头H3运行时，在功率相同的情况下，n⁽²⁾比n⁽¹⁾的效率均高，而且使用流量减少，因此，在低水头时，采用低转速n⁽²⁾运行。

综上所述，本发明所涉及的一种双速凸极同步发水轮发电机组的转速选择方法，即在给定转轮及水文过程的基础上，通过寻优的智能算法模型对双速凸极同步发电机组的转速参数进行优选，同时制定水轮发电机组转速的切换工况，实现机组年发电量最大的目标。

Claims (4)

1.一种双速凸极同步水轮发电机组的转速选择方法，其特征在于，建立了水轮发电机组特征参数的选择与水文过程相结合的数学模型，通过数学模拟，求得最优双速，然后根据最优双速，以效率最优为原则，确定水轮发电机组转速的切换工况，实现机组年发电量最大，具体包括如下步骤：

(1)建立基于双速的水轮发电机组与水文过程相互作用的最优化数学模型；

(2)将水轮机模型转轮综合特性曲线图导入数据库；

(3)建立准确地读全部运行参数并支持智能寻优的智能算法模型，通过数据训练，模型满足足够精度要求；

(4)导入发电站长年日径流量序列及水头数据；

(5)以发电机转速n为待求参数，综合步骤(3)导入的水文数据，建立以效率η为中间变量，以年发电量E最大为目标函数的优化模型，根据目标函数和安全稳定限制条件及发电机极对数约束条件的要求，采用优化算法，求得最优解

(6)根据求得的最优双速作水轮机运转特性曲线；

(7)由水轮机的运转特性曲线得出给定水头的效率曲线，从而确定水轮发电机组转速的切换点。

2.如权利要求1所述的双速凸极同步水轮发电机组的转速选择方法，其特征在于，所述步骤(2)中所述智能算法模型采用具有自学习功能神经网络模型。

3.如权利要求1所述的双速凸极同步水轮发电机组的转速选择方法，其特征在于，所述步骤(4)中所述目标函数要求为年发电量最大，所述限制条件包括吸出高度限制、导叶开度限制、最大出力限制、发电机极对数限制。

4.如权利要求1所述的双速凸极同步水轮发电机组的转速选择方法，其特征在于，所述步骤(7)水轮发电机组转速的切换点以效率最大为目标进行制定。

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