CN106597871B - 一种海水抽蓄电站的半实物仿真模型 - Google Patents
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Abstract
一种海水抽蓄电站的半实物仿真模型，包括水泵水轮机模型、发电机模型、水池模型、环境模拟装置、管道模型、监测系统，通讯系统、数字仿真接口及控制中心；所述的水泵水轮机模型通过所述的管道模型与所述的水池模型连接，所述的水泵水轮机模型与发电机模型连接，所述的环境模拟装置分散附着于所述的水池模型及管道模型中；所述的控制中心分别与所述的监测系统、通讯系统、数字仿真接口连接，所述的通讯系统还与所述的环境模拟装置连接。本发明能够反映风浪，潮汐等因素对海水抽蓄电站的影响，为海水抽蓄电站稳定安全运行及海上风电场‑海水抽蓄电站联合运行等提供参考，适合于海水抽蓄电站的试运行前的仿真验证工作。
Description
技术领域
本发明属于实时仿真技术领域，具体涉及一种海水抽蓄电站的半实物仿真模型。
背景技术
当前海水抽蓄电站还处于研发阶段，并没有成熟的针对海水抽蓄电站的实时仿真方法。在当前的研究工作中，海水抽蓄电站往往沿用普通抽水蓄能电站的仿真模型。
但是，海水抽蓄电站相比于普通抽蓄电站，在运行方式及影响因素上是有区别的。比如，普通抽蓄电站水库平静，一般不会有大风浪；其水库水位可以由调度控制。而海水抽蓄电站则会经常受到大风浪影响，其下水库水位并不可控。并且，海水抽蓄电站的一项重要前景是与海上风电联合运行，这时需要考虑二者联合运行特性来进行调度安排。海水抽蓄电站的这些特点导致海水抽蓄电站的运行方式与普通抽蓄电站是有区别的。为了更准确的反映海水抽蓄电站的运行特点，需要一种新的仿真模型。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，准确描述海水抽蓄电站的运行特点，本发明提出了一种海水抽蓄电站的半实物仿真模型。能反映风浪，潮汐等因素对海水抽蓄电站的影响，结合合适的风电场模型、微电网模型、微型燃气轮机模型等，本模型能够对多种复杂天气情况及多电源参与情况进行实时仿真，为海水抽蓄电站稳定安全运行及海上风电场-海水抽蓄电站联合运行等提供参考。适合于海水抽蓄电站的试运行前的仿真验证工作。
一种海水抽蓄电站的半实物仿真模型，其特点在于，包括水泵水轮机模型、发电机模型、水池模型、环境模拟装置、管道模型、监测系统，通讯系统、数字仿真接口及控制中心；
所述的水泵水轮机模型通过所述的管道模型与所述的水池模型连接，所述的水泵水轮机模型与发电机模型连接，所述的环境模拟装置具有海浪模拟功能与潮汐模拟功能，且分散附着于所述的水池模型及管道模型中；
所述的控制中心分别与所述的监测系统、通讯系统、数字仿真接口连接，所述的监测系统包括传感器及模数信号转换器，传感器分散于所述的水泵水轮机模型、发电机模型、水池模型和管道模型中，监测所述的水泵水轮机模型、发电机模型、水池模型和管道模型，并将监测数据反馈给所述的控制中心，所述的通讯系统还与所述的环境模拟装置连接，上层控制系统通过通讯系统向所述的环境模拟装置传递控制命令，所述的控制中心通过所述的通讯系统与上层控制系统通讯。
所述的数字仿真接口是与半实物仿真中数字仿真部分的连接接口，用于将海水抽蓄电站仿真模型的功率、转速、水位情况传递给上层控制器。
所述的发电机模型与实际海水抽蓄电站原型发电机相似。原型发电机与所述的发电机模型功率模拟比为mp、电压模拟比为mv、电流模拟比为mI、阻抗模拟比为mx。分别定义如下：
mp＝Sy/Sm (7)
mv＝Uy/Um (8)
mI＝mp/mv (9)
其中，Sy为原型发电机功率，Sy为发电机模型功率。Uy为原型发电机电压，Uy为发电机模型电压。并且，时间常数T，角度δ，频率f模拟比均为1:1。所述的发电机模型的其他制造参数及制造工艺为行业公知，在此不再赘述。
所述的水池模型包括上水池模型与下水池模型。上水池模型与实际海水抽蓄电站上水池原型相似。实际海水抽蓄电站上水池原型与水池模型容量模拟比为mvol，其定义式为：
所述的水池模型的下水池模型应具有水量补充装置，以保证下水池水位恒定。
所述的管道模型与实际海水抽蓄电站原型管道相似。管道截面模拟比为mS，其定义式为：
所述的环境模拟装置分散附着于所述的水池模型及管道模型中。所述的环境模拟装置具有海浪模拟功能与潮汐模拟功能。为所述的水池模型及所述的管道模型提供要求的实验环境。
所述的监测系统监测所述的水泵水轮机模型、发电机模型、水池模型、管道模型。监测范围包括发电机功率、发电机转速、水泵水轮机功率、水池水位等信息。所述的监测系统将监测数据反馈给所述的控制中心。
所述的数字仿真接口与所述的控制中心连接。所述的数字仿真接口是与半实物仿真中数字仿真部分的连接接口。数字仿真接口将海水抽蓄电站仿真模型的功率、转速、水位等情况传递给上层控制器，以进行更大系统的半实物仿真过程。
本发明相比传统的海水抽蓄电站仿真方案，具有以下优点：
(1)试验参数与原型海水抽蓄电站相似，能够更准确描述原型系统的物理特定及运行特点，仿真结果更加有效。
(2)充分体现了海水抽蓄电站与普通抽蓄电站的区别。海水抽蓄电站的下水池水位并不受控制系统控制，并且加入了海浪模拟功能与潮汐模拟功能，更准确反映海水抽蓄电站在各种复杂自然环境下的运行特点。为实际海水抽蓄电站的搭建提供更准确的参考。
(3)该仿真模型可以扩展为半实物实时仿真。结合合适的风电场模型、微电网模型、微型燃气轮机模型等，本发明能够对多种复杂天气情况及多电源参与情况进行实时仿真，为海水抽蓄电站的调度提供参考。
附图说明
图1是本发明海水抽蓄电站的半实物仿真模型的结构示意图
图2是本发明海水抽蓄电站的半实物仿真模型与半实物仿真运行示意图
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
请参阅图1，图1是本发明海水抽蓄电站的半实物仿真模型的结构示意图，如图所示，一种海水抽蓄电站的半实物仿真模型，包括水泵水轮机模型1、发电机模型2、水池模型3、环境模拟装置4、管道模型5、监测系统6，通讯系统7、数字仿真接口8及控制中心9。
所述的水泵水轮机模型1、发电机模型2、水池模型3、环境模拟装置4、管道模型5为物理模型。所述的水泵水轮机模型1通过所述的管道模型5与所述的水池模型3连接。所述的水泵水轮机模型1与发电机模型2连接。以上连接为具有机械结构的物理连接。
所述的控制中心9、监测系统6、通讯系统7、数字仿真接口8为不具有机械结构的嵌入式系统。所述的控制中心9分别与监测系统6、通讯系统7、数字仿真接口8连接。以上连接为数字信号连接。其中所述的控制中心9与监测系统6及数字仿真接口8的数字信号传输需要满足处理器的实时信号传递要求，一般采用高速率传递协议，可以采用但不限于GPIB通讯方式。所述的控制中心9与通讯系统7的数字信号传输可以不采用实时传输协议，可以采用单不限于串口通讯方式。
所述的环境模拟装置4分散附着于所述的水池模型3及管道模型5中。所述的环境模拟装置4具有海浪模拟功能与潮汐模拟功能。为所述的水池模型3及所述的管道模型5提供要求的实验环境。
所述的监测系统6含有传感器及模数信号转换器，传感器分散于所述的水泵水轮机模型1、发电机模型2、水池模型3和管道模型5。所述的监测系统6监测所述的水泵水轮机模型1、发电机模型2、水池模型3、管道模型5。监测范围包括发电机功率、发电机转速、水泵水轮机功率、水池水位等信息。所述的监测系统6将监测数据反馈给所述的控制中心9。
所述的通讯系统7与所述的控制中心9及所述的环境模拟装置4连接。所述的控制中心9可以通过所述的通讯系统7与上层控制系统通讯。并且，上层控制系统可以通过所述的通讯系统7向所述的环境模拟装置4传递控制命令。
所述的数字仿真接口8与所述的控制中心9连接。所述的数字仿真接口8是与半实物仿真中数字仿真部分的连接接口。数字仿真接口8将海水抽蓄电站仿真模型的功率、转速、水位等情况传递给上层控制器，以进行更大系统的半实物仿真过程。
图2是本发明海水抽蓄电站的半实物仿真模型与半实物仿真运行示意图，如图所示，本实施例提供一种海水抽蓄电站模型用于孤岛电网半实物仿真运行的实施方法。该孤岛电网包括海水抽蓄电站11、风电场12、光伏电站13、微型燃气轮机电站14、负荷系统15和控制系统16。所述的风电场12、光伏电站13、微型燃气轮机电站14在数字仿真中实现。实现的数字仿真平台可以使用但不限于NI-PXI实时仿真平台。所述的海水抽蓄电站11、负荷系统15在物理仿真中实现。所述的海水抽蓄电站11按照本发明提出的仿真模型构造方法进行搭建。所述的负荷系统15可以使用但不限于可编程电子负载。
在实时仿真中，所述的控制系统16按照预设指令对多种环境情况下海水抽蓄电站11的运行进行测试。所述的多种环境情况包括但不限于以下情况：海水抽蓄电站11、风电场12、微型燃气轮机电站14、负荷系统15构成孤岛电网运行。此时数字仿真中逻辑开关a闭合，逻辑开关b断开，逻辑开关c闭合。实物开关d闭合。所述的控制系统(16)按照预设的天气情况对所述的风电场12，负荷系统15的功率特性进行设定，在该天气情况下，所述的风电场12，负荷系统15的功率特性有成熟的仿真方法，为行业公知，在此不再赘述。在该天气情况下，所述的海水抽蓄电站11运行，其中的环境模拟装置4产生模拟实际环境的海浪环境，监测系统6对海水抽蓄电站的运行情况进行监测，并反馈数据到控制中心9，由通讯系统7反馈给上层控制，即控制系统16。控制系统16对微型燃气轮机电站14下达控制命令，实现整个系统的功率平衡。
以上所述仅是本发明的一种实施方式，应当指出，本发明可以对海水抽蓄电站(11)在多种环境调下的特性进行仿真，并不限于本实施例提供的特定天气情况。并且对于本技术领域的技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，做出若干改进或变形，这些改进或变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种海水抽蓄电站的半实物仿真模型，其特征在于，包括水泵水轮机模型(1)、发电机模型(2)、水池模型(3)、环境模拟装置(4)、管道模型(5)、监测系统(6)、通讯系统(7)、数字仿真接口(8)及控制中心(9)；
所述的水泵水轮机模型(1)通过所述的管道模型(5)与所述的水池模型(3)连接，所述的水泵水轮机模型(1)与发电机模型(2)连接，所述的环境模拟装置(4)具有海浪模拟功能与潮汐模拟功能，且分散附着于所述的水池模型(3)及管道模型(5)中；
所述的水池模型(3)包括上水池模型与下水池模型，所述的下水池模型具有水量补充装置，以保证下水池水位恒定，实际海水抽蓄电站上水池原型与水池模型(3)的容量比mvol为其中，mp为实际海水抽蓄电站原型发电机与所述的发电机模型(2)功率模拟比；
所述的控制中心(9)分别与所述的监测系统(6)、通讯系统(7)、数字仿真接口(8)连接，所述的监测系统(6)包括传感器及模数信号转换器，传感器分散于所述的水泵水轮机模型(1)、发电机模型(2)、水池模型(3)和管道模型(5)中，监测所述的水泵水轮机模型(1)、发电机模型(2)、水池模型(3)和管道模型(5)，并将监测数据反馈给所述的控制中心(9)，所述的通讯系统(7)还与所述的环境模拟装置(4)连接，上层控制系统通过通讯系统(7)向所述的环境模拟装置(4)传递控制命令，所述的控制中心(9)通过所述的通讯系统(7)与上层控制系统通讯。
2.根据权利要求1所述的海水抽蓄电站的半实物仿真模型，其特征在于，所述的数字仿真接口(8)是与半实物仿真中数字仿真部分的连接接口，用于将海水抽蓄电站仿真模型的功率、转速、水位情况传递给上层控制器。
3.根据权利要求1所述的海水抽蓄电站的半实物仿真模型，其特征在于，实际海水抽蓄电站原型发电机与所述的发电机模型(2)功率模拟比为mp、电压模拟比为mv、电流模拟比为mI、阻抗模拟比为mx分别定义如下：
mp＝Sy/Sm
mv＝Uy/Um
mI＝mp/mv
其中，Sy为实际海水抽蓄电站原型发电机功率，Sm为发电机模型(2)功率，Uy为实际海水抽蓄电站原型发电机电压，Um为发电机模型(2)电压。
4.根据权利要求3所述的海水抽蓄电站的半实物仿真模型，其特征在于，所述的管道模型(5)与实际海水抽蓄电站原型管道的管道截面模拟比为mS，定义式为：
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