CN105869507A - 一种兆瓦级水力发电模拟系统 - Google Patents

Abstract

一种兆瓦级水力发电模拟系统，包括：10kV母线I、输入开关柜、高压变频器、输出开关柜、变频调速异步电机、转矩转速传感器TN、同步电机、励磁柜、励磁变压器柜、并网开关柜和操作台；所述10kV母线I与所述输入开关柜、所述高压变频器、所述输出开关柜、所述变频调速异步电动机、所述转矩转速传感器TN、所述同步电机、所述并网开关柜依次相连；所述高压变频器还与所述并网开关柜、所述励磁变压器柜、所述励磁柜、所述转矩转速传感器TN、所述操作台相连；所述操作台还与所述并网开关柜相连。本发明自动化程度高，可扩展性强。通过软件控制模拟水电机组的运行特性，亦可经软件扩展，用于模拟燃汽轮机、柴油发电机等其它发电形式的运行特性。

Description

一种兆瓦级水力发电模拟系统

技术领域

本发明涉及可再生能源发电研究领域，具体涉及一种兆瓦级水力发电模拟系统。

背景技术

进入21世纪，全球能源生产消费持续增长，能源短缺和环境恶化已经成为威胁人类生存的全球化问题，世界各国都在积极探索未来能源转型发展路线，并将发展新能源和可再生能源作为推动未来能源转型的重点，美欧日等发达国家陆续出台了以支撑新能源发展为重点的能源发展战略。

在国家的大力支持下，近年来新能源发电发展取得了令人瞩目的成就：截至2015年底，我国风电装机规模全球第一，风电并网装机容量达到1.29亿千瓦；光伏装机容量超越德国，成为全球光伏装机累积最高的国家，总装机容量43GW左右。

风电本身具有不稳定性，不易准确预计，风况不稳定，产生的电能就不稳定，风电的电能质量也较差，其功率因数和谐波往往得不到有效控制。光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。主要由太阳电池板(组件)、控制器和逆变器三大部分组成，主要部件由电子元器件构成。太阳能电池经过串联后进行封装保护可形成大面积的太阳电池组件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电装置。

由于风力发电和光伏发电的间歇性和随机性特点，大规模风电、光伏并网消纳及输送对电网建设、电源结构配置以及电站运行方式、管理体制等方面提出了新的要求。水力发电具有运行灵活、启动迅速、较快适应负荷变动等特点， 利用水力发电的调节能力，对不稳定的风电、光电发电出力进行补偿，可促进稳定性较差的风电、光伏被电网消纳。

目前的水力发电模拟系统无法快速控制发电机对水电机组外特性的精确模拟，并且成本较高、建设慢、精度不高。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明提供一种兆瓦级水力发电模拟系统，提出了大容量水力发电模拟系统设计方案，模拟运行灵活、启动迅速、较快适应负荷变动等特点的水力发电机组，用于风水、光水等可再生能源联合运行技术研究和实验验证。利用模拟水电承担电力系统的调峰、调频、负荷备用和事故备用等任务，提高整个风水、光水等可再生能源联合运行的经济效益，从而促进破解大规模可再生能源并网运行的技术瓶颈，提高电网对大规模间歇性能源的接纳能力，实现电网对间歇性可再生能源集约化发展的有力支撑。

实现上述目的所采用的解决方案为：

一种兆瓦级水力发电模拟系统，所述模拟系统包括：10kV母线I、输入开关柜、高压变频器、输出开关柜、变频调速异步电机、转矩转速传感器TN、同步电机、励磁柜、励磁变压器柜、并网开关柜和操作台；所述10kV母线I与所述输入开关柜、所述高压变频器、所述输出开关柜、所述变频调速异步电动机、所述转矩转速传感器TN、所述同步电机、所述并网开关柜依次相连；所述高压变频器还与所述并网开关柜、所述励磁变压器柜、所述励磁柜、所述转矩转速传感器TN、所述操作台相连；所述操作台还与所述并网开关柜相连。

优选的，所述10kV母线I用于提供一次输入电源，容量不小于1400KVA。

优选的，所述输入开关柜配置有10kV真空断路器，用于电源与供电电路的切断及连接。

优选的，所述高压变频器将电网电源通过AC-DC-AC转换成电压、频率可调的三相交流电压；

所述高压变频器采用6个独立的低压串联实现高压输出，输出采用13电平移相正弦PWM控制，包括移相变压器和功率单元；

所述移相变压器二次侧绕组在绕制时采用延边三角形接法，相互之间形成10°固定相位差，将网侧的10kV高压变换成二次侧的18组580V低电压。

优选的，所述输出开关柜配置10kV真空断路器，对高压变频器输出到电机的电源进行分/合闸控制。

优选的，所述变频调速异步电机选用鼠笼式变频调速感应电动机，作为变频电源的负载和同步发电机的动力源，与同步发电机同轴联结。

优选的，所述转矩转速传感器TN用于测量电机同轴的转矩转速信号，并将信号送入所述高压变频器。

优选的，所述励磁柜采用可控硅自动励磁调节器，通过晶闸管整流方式为所述同步电机提供励磁电流。

优选的，所述并网开关柜配置10kV真空断路器，分别采集母线II电压和本系统输出电压及电流，采集信号经过光纤通讯送入所述高压变频器，由高压变频器控制并网开关同期合闸。

优选的，所述操作台包括监控工控机和PLC控制器，用于对本系统所有电气设备的监视、控制和通信；

所述PLC控制器用于模拟水力发电的逻辑控制与连锁保护。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本系统通过高压变频器灵活快速控制发电机，实现对水电机组外特性的精确模拟，具有成本低、建设快、精度高的特点。

2、本系统采用大功率变频电源，模拟水力发电容量可达1MW，系统具有高过载能力，最高可达1.5倍运行。

3、本系统调节范围很宽，频率在0Hz～60Hz连续可调，电压在0～6kV连续可调，调速范围为0-100％连续可调，在20％～100％的调速范围内，变频系统的不加任何功率因数补偿的情况下输入端功率因数必须达到或超过0.95。

4、本系统对电网电压的波动有较强的适应能力，在-10％～10％电网电压波动时必须满载输出；瞬时失电可满载运行5个周期不跳闸，轻载时间更长。

5、本系统模拟能力强，可接受上级调度指令，控制发电机组的电压输出、有功和无功出力，模拟不同容量水电机组发电的典型特性。

6、本系统具有完善的保护功能，变频装置、同步电机、异步电机、励磁装置、开关柜、变压器等均具有安全可靠的保护功能。

7、本系统自动化程度高，可扩展性强。系统通过软件控制模拟水电机组的运行特性，亦可经软件扩展，用于模拟燃汽轮机、柴油发电机、直驱式风机等其它发电形式的运行特性。

附图说明

图1是本发明提供的系统结构拓扑图。

图2是本发明提供的1000kW水电发电模拟系统通信拓扑图。

图3是本发明提供的功率调节控制图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。

1、总体方案：本系统原理拓扑如图1所示，10kV电网经输入开关柜连接至高压变频器，再经过输出开关柜连接至6kV变频调速异步电动机。高压变频器起动变频调速异步电动机，拖动同轴连接的同步发电机至同步转速，经并网 开关柜和升压变压器后与10kV电网并网发电。在同步发电机未并网时，由外部提供380V电源至励磁柜进行励磁，并由高压变频器控制并网开关同期合闸并网；并网后由并网开关柜经励磁变压器柜为励磁柜提供电源对同步发电机进行励磁；这两路励磁电源供电由励磁变压器柜中的KM1和KM2进行切换，KM1和KM2具有电气互锁功能。

操作台包括监控工控机和PLC控制器，对本系统所有电气设备的监视和控制，监控系统接收上级调度指令，根据调度指令自动生成对应容量的水电机组典型运行特性模型，通过PLC控制器下发给高压变频器，高压变频器调节异步电机的转速和转矩，从而调节同步发电机的输出，实现对水电机组运行特性的模拟。系统拓扑如附图1所示。

2、系统组成及技术参数：

1)母线I 10kV电源

本系统由母线I提供一次输入电源，容量不小于1400KVA。

2)输入开关柜

输入开关柜配置10kV真空断路器，通过其为变频电源装置供电，负责电源与供电电路的切断及连接，在系统故障、紧急情况下可跳闸。

3)高压变频器

为本系统核心部件，将电网电源通过AC-DC-AC转换成电压、频率可调的三相交流电压。

变频器输出侧采用13电平移相正弦PWM控制，输入降压变压器采用移相方式，可有效消除装置对电网的谐波污染。串联型13电平高压变频器采用6个独立的低压串联实现高压输出，包含移相变压器和功率单元两大部分。

移相变压器采用多重化设计，将网侧的10kV高压变换成二次侧的18组580V低电压。二次侧绕组在绕制时采用延边三角形接法，相互之间形成10°固定相位差，产生多脉冲整流方式，使得变压器二次侧各绕组(功率单元的输入)的谐波电流相互抵消，不反映到高压侧，从而有效改善电网的电流波形，基本上 消除了变频器对电网的谐波污染。变压器各二次绕组相互独立，并单独为一个功率单元供电，所以每个功率单元的主回路相对对立，并且工作在低电压状态。各功率单元之间的相对电压，由变压器二次绕组的绝缘承担，功率单元之间不存在串联均压问题。

4)输出开关柜

输出开关柜配置10kV真空断路器，对高压变频器输出到电机的电源进行分/合闸控制。

5)变频调速异步电机

异步电动机既作为变频电源的负载，又作为同步发电机的动力源，与同步发电机同轴联结，适合于变频器软启动和力矩控制要求，电动机选用鼠笼式变频调速感应电动机，电动机的额定功率为1120kW，额定电压为6kV，额定转速为750r/min，定子电流为135A，起动方式为变频起动，可实现0～50Hz时的恒转矩调速和恒功率调速。

6)转矩转速传感器TN

转矩转速传感器TN测量电机同轴的转矩转速信号，并将信号送入高压变频器，以便进行速度闭环控制。

7)同步电机

同步电机在本系统中作为发电设备使用，与异步电机同轴联结，配备有励磁设备、同期设备和测量保护设备，电机为三相交流凸极式同步发电机，额定功率为1000kW，定子电流为107A，且能承受1.2倍过载，额定机端电压为6kV，额定转速为750r/min，励磁方式为它励。发电机具有定子绕组相间短路保护、定子绕组接地保护、定子绕组过流保护、定子绕组过负荷保护、定子绕组过电压保护等保护功能。

8)励磁系统

励磁设备包括励磁柜和励磁变压器。励磁变压器采用干式变压器，Y/△组别，一次额定电压为6kV，二次额定电压为380V，为励磁柜提供AC380V电源。 当同步电机发电低于6KV时，使用配电箱的AC380V电源通过KM2给励磁柜供电，当同步电机发出6KV电压时，6KV变换至380V电压，经过KM1给励磁柜供电，KM1与KM2具有互锁功能。

励磁柜采用可控硅自动励磁调节器，通过晶闸管整流方式为同步电机提供励磁电流，具有阻容吸收、灭磁电阻、灭磁开关、电压电流互感器等基本元件，调节方式具有恒功率、恒功率因数、恒励磁电流、调差率等多种，保护功能具有过流、低励、强励、空载过电压、PT熔丝熔断等，并具有软件自检和容错处理功能。

9)并网开关柜

并网开关柜配置10kV真空断路器，采集6路电压和3路电流，分别采集II母线电压和本系统输出电压及电流，采集信号经过光纤通讯送入高压变频器，由高压变频器控制并网开关同期合闸，实现本系统的同期并网功能。开关柜具有电流速断、过流、过/欠电压、高/低频率等保护功能。

10)操作台

操作台包括监控工控机和PLC控制器，对本系统所有电气设备的监视和控制等各种功能，与本地变频电器、励磁设备、试验发电机、开关设备进行实时通讯，亦可与上级调度系统实时通讯。监控功能包括数据采集与处理、人机接口、监视、控制、故障报警、统计计算、制表打印、实时数据库、历史数据库等。

PLC控制器完成模拟水力发电的逻辑控制与连锁保护，实现对水电机组运行特性的模拟。PLC控制器和监控系统采用串口通讯方式通信，监控系统与上级调度系统采用以太网通讯方式通信。

通信结构拓扑图如附图2所示。

3、功率调节设计

1)有功功率调节

并网有功功率的调节是通过对6kV异步电机调速实现的。电网可视为固定 频率50Hz，当同步电机并网后，可视为同步电机转速一定；此时通过变频器对异步电机进行转矩闭环控制，调节异步电机转矩电流，就可以调节异步电机的输出有功功率，对应的就是同步电机的负载有功功率(不考虑空载损耗)。当同步电机的负载功率为负时，系统状态为异步电机拖动同步电机运行，异步电机处于电动状态，同步电机处于发电态，异步电机提供的有功功率通过同步电机又回馈到电网，在不考虑相关损耗的情况下，异步电机转矩闭环控制提供的有功功率的大小就是同步电机的负载有功功率大小，也就是同步电机并网有功功率的大小，功率调节控制原理如附图3所示。

图中I_{q_ref}为异步电机转矩电流给定分量，用于调节异步电机有功功率(也就是并网有功功率)；I_{r_ref}为同步电机转子励磁电流给定，用于调节同步电机功率因数(也就是同步电机无功功率)；Q_ref为同步电机无功功率给定值；P_ref为同步电机有功功率给定值。

同步电机功率调节过程中，异步电机采用转矩闭环控制，只需要给定同步电机有功功率P_ref与无功功率Q_ref，控制系统会自行调节同步电机并网功率到达所给定的功率值。

2)无功功率调节

与电网并联的同步发电机，不仅要向电网输出有功功率，还要输出无功功率。并网无功功率的调节是通过对同步电机转子励磁电流的控制实现的。

同步电机并网后，由于电网电压、频率一定，所以此时同步电机的无功功率的调节是通过转子励磁电流的大小来调节的，无功的调节也可认为是功率因数的调节。

同步电机三种励磁状态如下：

正常励磁状态：I与U同相，吸收有功P，无功Q＝0；

过励磁状态：I超前U，吸收有功P，吸收容性无功Q(发感性无功Q)；

欠励磁状态：I滞后U，吸收有功P，吸收感性无功Q(发容性无功Q)；

通过控制转子励磁电流处于三种不同的状态，即可以实现同步电机无功功 率的调节。

最后应当说明的是:以上实施例仅用于说明本申请的技术方案而非对其保护范围的限制,尽管参照上述实施例对本申请进行了详细的说明,所属领域的普通技术人员应当理解:本领域技术人员阅读本申请后依然可对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在申请待批的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种兆瓦级水力发电模拟系统，其特征在于，所述模拟系统包括：10kV母线I、输入开关柜、高压变频器、输出开关柜、变频调速异步电机、转矩转速传感器TN、同步电机、励磁柜、励磁变压器柜、并网开关柜和操作台；所述10kV母线I与所述输入开关柜、所述高压变频器、所述输出开关柜、所述变频调速异步电动机、所述转矩转速传感器TN、所述同步电机、所述并网开关柜依次相连；所述高压变频器还与所述并网开关柜、所述励磁变压器柜、所述励磁柜、所述转矩转速传感器TN、所述操作台相连；所述操作台还与所述并网开关柜相连。

2.如权利要求1所述的模拟系统，其特征在于，所述10kV母线I用于提供一次输入电源，容量不小于1400KVA。

3.如权利要求1所述的模拟系统，其特征在于，所述输入开关柜配置有10kV真空断路器，用于电源与供电电路的切断及连接。

4.如权利要求1所述的模拟系统，其特征在于，所述高压变频器将电网电源通过AC-DC-AC转换成电压、频率可调的三相交流电压；

所述高压变频器采用6个独立的低压串联实现高压输出，输出采用13电平移相正弦PWM控制，包括移相变压器和功率单元；

所述移相变压器二次侧绕组在绕制时采用延边三角形接法，相互之间形成10°固定相位差，将网侧的10kV高压变换成二次侧的18组580V低电压。

5.如权利要求1所述的模拟系统，其特征在于，所述输出开关柜配置10kV真空断路器，对高压变频器输出到电机的电源进行分/合闸控制。

6.如权利要求1所述的模拟系统，其特征在于，所述变频调速异步电机选用鼠笼式变频调速感应电动机，作为变频电源的负载和同步发电机的动力源，与同步发电机同轴联结。

7.如权利要求1所述的模拟系统，其特征在于，所述转矩转速传感器TN用于测量电机同轴的转矩转速信号，并将信号送入所述高压变频器。

8.如权利要求1所述的模拟系统，其特征在于，所述励磁柜采用可控硅自动励磁调节器，通过晶闸管整流方式为所述同步电机提供励磁电流。

9.如权利要求1所述的模拟系统，其特征在于，所述并网开关柜配置10kV真空断路器，分别采集母线II电压和本系统输出电压及电流，采集信号经过光纤通讯送入所述高压变频器，由高压变频器控制并网开关同期合闸。

10.如权利要求1所述的模拟系统，其特征在于，所述操作台包括监控工控机和PLC控制器，用于对本系统所有电气设备的监视、控制和通信；

所述PLC控制器用于模拟水力发电的逻辑控制与连锁保护。