CN109308005B - 一种基于工况寻优的变转速抽水蓄能机组协调控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于工况寻优的变转速抽水蓄能机组协调控制方法，根据水轮机综合特性曲线确定不同转速时的功率、水头关系曲线，寻找最优效率曲线，η_imax＝f(P,H,N_i)，利用最大效率曲线和采集的当前水头和当前功率给定，确定当前工况时的最优转速n_o＝f(P,H)|η_max，最优转速n_o即为变速机组在当前水头H和功率给定P下的最优转速，调速系统依此进行闭环调节，保证变速机组处于最优转速；本发明减少机组过渡过程调节时间，提高机组运行稳定性。

Description

一种基于工况寻优的变转速抽水蓄能机组协调控制方法

技术领域

本发明属于变转速抽水蓄能，尤其涉及一种基于工况寻优的变转速抽水蓄能机组协调控制方法。

背景技术

变转速抽水蓄能由于其高度可控性以及迅速的有功、无功对电网稳定运行的支撑能力越来越受到人们的重视，我国变转速抽水蓄能机组研究起步较晚，已投运的几座变速机组都属于变极调速机组，机组只能在两种转速之间切换，不是真正意义上的变速抽蓄机组。虽然国外变速机组研究起步较早，欧洲和日本也有大量变速抽蓄机组投运，但其控制策略基本分为两种控制方式：一种是交流励磁转速控制调速系统功率控制（转速优先的控制策略），另一种是交流励磁功率控制调速系统转速控制（功率优先的控制策略）。这两种控制策略都存在自身固有的局限。

转速优先控制策略，其优点是转速控制非常迅速，但电气部分快速变转速时，机械转速也迅速变化，由于飞轮效应的存在该过程经常伴随有功率注入和抽取，其方向和转速调节方向正好相反，这种调节方式实际上对系统稳定有害，对机组冲击也比较大，因此第一种控制策略应用较少！

功率优先的控制策略，其优点是交流励磁系统统一负责机组有功、无功的控制，可以对电网进行迅速的有功、无功支持，功率控制可以达到百毫秒级；其缺点是过渡过程伴随机组转速反调，例如，交流励磁系统瞬时增加机组出力时，由于机组机械部分输出功率不能瞬时改变，因此机组将通过迅速降低转速，利用飞轮效应提供需要的功率输出，但这与机组高效率转速方向正好相反，从而给转速调节引入扰动；如果调速器控制系统只采用传统PID控制时，转速反调及快速波动时容易引起导叶开度的大幅度调整，从而引起引水系统波动，容易引起机组转速快速振荡，不利于机组稳定运行。

从上面可以看出，现有的控制策略中交流励磁系统和调速系统之间是相互独立的，由于交流励磁部分无论是有功、无功还是转速调节都非常迅速，而调速器控制的机械部分由于水力特性和机械特性的限制其动作相对较慢，如果不进行交流励磁和调速器的协调控制，水力机械部分将很难稳定，水流流动特性的迅速改变会导致水锤现象的加剧，另一方面，变转速抽水蓄能机组变速范围一般在±10%左右，而不是任何频率范围变速运行，因此，交流励磁在不同机组运行点对飞轮效应的利用限制条件也不一样，否则变速抽水蓄能机组将偏离变速范围，这将对机组运行稳定性产生影响，这也需要一个装置来协调交流励磁和调速系统；最后，水泵水轮机存在反水泵特性，如果按照传统控制策略调速系统只以转速为控制变量，也将加重过渡过程的不稳定性。综上，需要一种装置来协调交流励磁系统和调速系统，以保证水泵水轮机的稳定运行，同时保证变速机组具有良好调度性能。

发明内容

为了克服上述现有的缺陷，本发明提供了一种基于工况寻优的变转速抽水蓄能机组协调控制方法，其目的是减少机组过渡过程调节时间，提高机组运行稳定性。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种基于工况寻优的变转速抽水蓄能机组协调控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1) 根据变转速水泵水轮机的综合特性曲线获取机组不同转速时的水头-功率-效率曲线和水头-开度-效率曲线；并把曲线变成两个三维表格，作为基础数据存储在协调控制器内；

(2) 根据水泵水轮机在水泵工况时的水头-转速-效率曲线和水头-转速-开度曲线，生成水头-转速-效率二维表格和水头-转速-开度二维表格，也作为基础数据存储在协调控制器内；

(3) 利用步骤(1)生成的三维表格获取特定水头、功率下，不同转速时的最大效率点，所有最大效率点可以形成一条最大效率曲线；所述最大效率曲线满足如下公式：

最大效率曲线可以以二维数据表保存在协调控制器内，此时最大效率点和最优转速一一对应，通过查寻最大效率可以得到最优转速；

(4) 采集变转速抽水蓄能机组的当前运行水头H和机组功率给定P。

当变速抽水蓄能机组在发电工况时，按如下步骤处理：

A．利用步骤(3)生成的最大效率曲线和步骤(4)采集的当前水头和当前功率给定，确定当前工况时的最优转速；

最优转速no即为变速机组在当前水头H和功率给定P下的最优转速，协调控制装置输出no给调速器，调速系统依此进行闭环调节，保证变速机组处于当前工况的最优转速；

B．根据功率给定限制曲线及当前转速，协调控制器实现分段功率给定及功率速率限制，并输出P_s1作为全功率变流器的功率给定，实现全功率变流器功率控制限速率和功率闭环控制；

当变速抽水蓄能机组在水泵工况时，按如下步骤处理：

C．利用步骤(2)获取的水头-转速-效率二维数据表格，获取最大效率点对应的转速值，该转速即为水泵工况最优转速n₀'； n₀'—表示水泵工况时的最优转速， n₀'直接作为全功率变流器的目标转速，进行闭环控制，实现变速机组水泵工况最优转速运行；

D．利用n₀'及步骤（2）生成的水头-转速-开度二维表格，获取水泵工况时最优导叶开度Y₀'，协调控制装置输出最优导叶开度Y₀'直接作为调速系统的开度控制目标值，进行开度闭环控制，实现水泵工况时的最优开度运行，从而实现变速机组的最优效率运行。

当变速抽水蓄能机组在发电工况时，还包括如下步骤：

以上论述以全功率变流器进行论述，当变速抽蓄机组采用交流励磁时，增加如下步骤即可实现变速机组的最优协调控制：

根据最优转速n_o获取励磁电流的频率N_r，保证系统工频50Hz输出；

对于采用交流励磁的变速抽蓄机组存在如下转速关系：

机组最优转速运行时N _m =n _o 得到交流励磁系统的励磁电流的频率N_r，协调控制装置输出Nr给交流励磁，交流励磁系统按照N_r进行励磁电流闭环控制，从而实现机组最优转速运行。

当变速抽水蓄能机组在发电工况时，还包括：

根据机组最优转速n _o 确定当前功率和水头时的水轮机最优开度；

其中：Y₀--最优开度；最优开度在调速系统中只是参考，为实现机组模糊控制提供依据。

本发明具有以下优点：

1、本发明可以保证变速抽蓄机组发挥全功率变流器（或交流励磁系统）快速调节有功调节功能的同时满足抽蓄机组稳定运行需求，并保证变速机组最大可能的最优转速运行，提高变速抽蓄机组运行稳定性，提高变速抽蓄机组输出效率。

2、本发明根据机组运行点特性（P，H，N），确认功率给定不同方向的速率限制，并根据速率限制输出功率给定，保证变速抽蓄机组调节性能的同时满足机组稳定运行要求；通过协调控制装置提供最优励磁电流磁场转速给交流励磁系统，实现交流励磁系统与调速系统转速配合调节；根据机组出力和水头，通过特性曲线寻优，寻找机组最高效率点，确定机组最优转速，保证变速抽蓄机组最高效率运行；确定发电工况时机组最优开度，实现调速系统快速控制，减小系统过渡过程波动。水泵工况时根据入力和水头，确定机组最优开度，实现水泵工况最优效率控制。

附图说明

图1为本发明变转速抽水蓄能机组协调控制系统内部功能框图；

图2为本发明协调控制系统内部框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步阐述，但本发明并不限于以下实施例，所述方法如无特别说明均为常规方法，所述材料如无特别说明均能从公开商业途径而得。

本发明基于工况寻优的变转速抽水蓄能机组协调控制方法，是建立在对变转速水泵水轮机特性充分掌握的基础上，充分考虑水泵水轮机的S特性和反水泵特性，根据变速机组不同的运行工况，不同的运行点，采用不同的控制策略，同时协调交流励磁系统和调速系统，实现变转速机组的高效稳定运行。

协调控制方法步骤如下：

第1步：根据变转速水泵水轮机厂家提供的综合特性曲线获取机组不同转速时的水头-功率-效率曲线和水头-开度-效率曲线（也可向水轮机厂家直接索取相关曲线）。并把曲线变成两个三维表格，作为基础数据存储在协调控制器内。

第2步：根据水泵水轮机在水泵工况时的水头（扬程）-转速-效率曲线和水头（扬程）-转速-开度曲线，生成水头（扬程）-转速-效率二维表格和水头（扬程）-转速-开度二维表格，并把生成的表格作为基础数据存储在协调控制器内。

第3步：根据不同水头、功率时的水头-功率-效率曲线，利用步骤1生成的三维表格获取特定水头、功率下，不同转速时的最大效率点，所有最大效率点可以形成一条最大效率曲线；把最大效率曲线通过以水头-功率为坐标的二维数组保存起来，此时最大效率点和转速一一对应；通过查寻最大效率可以得到最优转速。

其过程可以用公式1表示如下：

阿第4步：采集变转速抽水蓄能机组的当前运行水头H和机组功率给定Ps（后面用P表示）。

当变速抽蓄机组在发电工况时，按如下步骤处理：

A．利用步骤(3)生成的最大效率曲线和步骤(4)采集的当前水头和当前功率给定，确定当前工况时的最优转速；

其中：n_o--最优转速；

最优转速n_o即为变速机组在当前水头H和功率给定P下的最优转速，协调控制装置输出no给调速器，调速系统依此进行闭环调节，保证变速机组处于当前工况的最优转速；

例如：某变速抽蓄机组，当水头H=375m，功率给定P=110MW时，通过查表得到最大效率点为92.2%，对应最优转速n_o为40.7r/min。

B.根据功率给定限制曲线及当前转速，实现分段功率给定速率限制，输出P_s1作为功率给定，实现功率控制限速率和功率闭环控制；

在变速抽蓄机组在发电工况时，对于采用交流励磁的变速抽蓄机组，根据最优转速n_o获取励磁电流的频率N_r，保证系统工频50Hz输出；

对于采用交流励磁的变速抽蓄机组存在如下转速关系：

， 式中：

--机组定子电流转速；

--励磁电流的频率，由交流励磁系统控制的励磁电流频率；

--机组的实际机械转速，有±10%左右的变速范围；

机组最优转速运行时N _m =n _o 得到交流励磁系统的励磁电流的频率N_r，交流励磁系统的励磁电流的频率按照N_r进行闭环控制，从而实现机组最优转速运行。

根据机组最优转速n _o 确定当前功率和水头时的水轮机最优开度。水轮机最优开度一方面是为实现水轮机模糊控制提供依据；另一方面，也可以直接参与机组闭环调节。如果最优转速直接参与机组闭环调节，必须选择较小的永态转差系数bp和较大的调节死区，以免对最优转速产生影响。当机组开度在最优开度时就可以保证机组处于当前工况的最优效率点。最优开度参与调节，目的是防止功率优先时的转速反调，从而减少机组过渡过程调节时间，提高机组运行稳定性。

其中：Y₀--最优开度；最优开度在调速系统中只是参考，为实现机组模糊控制提供依据。

当机组运行过程中出现负荷调节时，协调控制装置根据确定功率给定速率，根据机组运行工况及工作点，对功率给定进行速率和幅值限制，输出最终的功率给定，送至交流励磁或变流器。从而保证机组始终处于变速范围内运行，保证机组运行稳定性。

当变速抽蓄机组在水泵工况时，按如下步骤处理：

C．利用步骤(2)获取的水头-转速-效率二维数据表格，获取最大效率点对应的转速值，该转速即为水泵工况最优转速n₀'；n₀'—表示水泵工况时的最优转速，n₀'直接作为交流励磁系统的目标转速，进行闭环控制，实现变速机组水泵工况最优转速运行；

D．利用n₀'及步骤（2）生成的水头-转速-开度二维表格，获取水泵工况时最优导叶开度Y₀'，最优导叶开度Y₀'直接作为调速系统的开度控制目标值，进行开度闭环控制，实现水泵工况时的最优开度运行，从而实现变速机组的最优效率运行。

根据当前扬程和最优转速，利用步骤（2）中生成的水头（扬程）-转速-开度二维数据表，查出当前扬程、当前转速时的最优开度，调速系统按照最优导叶开度Y₀'进行闭环调节，保证机组处于最优开度（最优效率点）运行。

当机组处于发电工况时，重复第（4）、A、B步；当机组处于水泵工况运行时，重复第(4)、C、D步。

协调控制方法实现以下功能：

1、根据机组运行点特性（P，H，N），确认功率给定不同方向的速率限制，并根据速率限制输出功率给定，保证抽蓄机组调节性能的同时保证机组稳定运行。

2、提供最优转子励磁电流转速给交流励磁系统，实现交流励磁系统与调速系统转速配合调节。

3、根据机组出力和水头，通过特性曲线寻优，寻找机组最高效率点，确定机组最优转速，保证变速抽蓄机组最高效率运行。

4、确定发电工况时机组最优开度，实现调速系统快速控制，减小系统过渡过程波动。

水泵工况时根据入力和水头，确定机组最优开度，实现水泵工况最优效率控制。

协调控制方法可以保证变速抽蓄机组发挥全功率变流器（或交流励磁系统）快速调节有功调节功能的同时满足抽蓄机组稳定运行需求，并保证变速机组最大可能的最优转速运行，提高变速抽蓄机组运行稳定性，提高变速抽蓄机组输出效率；该功能模块也可集成入现有调速系统，由调速系统负责与交流励磁的协调工作，其调节原理和协调控制系统一样，也是一种变速抽蓄机组稳定运行解决方案。当变速抽蓄机组采用全功率变流器结构时，与交流励磁的协调将变为与全功率变流器之间的协调，但其结构和控制方法基本相同。

Claims (3)

1.一种基于工况寻优的变转速抽水蓄能机组协调控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1) 根据变转速水泵水轮机的综合特性曲线获取机组不同转速时的水头-功率-效率曲线和水头-开度-效率曲线；并把曲线变成两个三维表格；

(2) 根据水泵水轮机在水泵工况时的水头-转速-效率曲线和水头-转速-开度曲线，生成水头-转速-效率二维表格和水头-转速-开度二维表格；

(3) 利用步骤(1)生成的三维表格获取特定水头、功率下，不同转速时的最大效率点，所有最大效率点可以形成一条最大效率曲线；所述最大效率曲线满足如下公式：η_imax＝f(P,H,N_i)其中：η_imax--第i个最大效率，P--功率，H--水头，N_i--第i个机组转速；

(4) 采集变转速抽水蓄能机组的当前运行水头H和机组功率给定P；

当水泵水轮机组在发电工况时，按如下步骤处理：

A．利用步骤(3)生成的最大效率曲线和步骤(4)采集的当前水头和当前功率给定，确定当前工况时的最优转速；

n_o＝f(P,H)|η_max其中：n_o--最优转速；

最优转速n _o 即为变速机组在当前水头H和功率给定P下的最优转速，调速系统依此进行闭环调节，保证变速机组处于最优转速；

B.根据功率给定限制曲线及当前转速，实现分段功率给定速率限制，输出Ps1作为功率给定，实现功率控制限速率和功率闭环控制；

当水泵水轮机组在水泵工况时，按如下步骤处理：

C．利用步骤(2)获取的水头-转速-效率二维数据表格，获取最大效率点对应的转速值，该转速即为水泵工况最优转速n₀'；n₀'—表示水泵工况时的最优转速，n₀'直接作为交流励磁系统的目标转速，进行闭环控制，实现变速机组水泵工况最优转速运行；

D．利用n₀'及步骤（2）生成的水头-转速-开度二维表格，获取水泵工况时最优导叶开度Y₀'，最优导叶开度Y₀'直接作为调速系统的开度控制目标值，进行开度闭环控制，实现水泵工况时的最优开度运行，从而实现变速机组的最优效率运行。

2.如权利要求1所述的一种基于工况寻优的变转速抽水蓄能机组协调控制方法，其特征在于，当水泵水轮机组在发电工况时，还包括如下步骤：

对于采用交流励磁的变速抽蓄机组，根据最优转速n_o获取励磁电流的频率N_r，保证系统工频50Hz输出；

对于采用交流励磁的变速抽蓄机组存在如下转速关系：

N_r＝N_s-N_m，式中：N_s --机组定子电流转速；N_r--励磁电流的频率，由交流励磁系统控制的励磁电流频率；N_m --机组的实际机械转速，有±10%左右的变速范围；

机组最优转速运行时N _m =n _o 得到交流励磁系统的励磁电流的频率Nr，交流励磁系统的励磁电流的频率按照N_r进行闭环控制，从而实现机组最优转速运行。

3.如权利要求1所述的一种基于工况寻优的变转速抽水蓄能机组协调控制方法，其特征在于，当水泵水轮机组在发电工况时，还包括：

根据机组最优转速n _o 确定当前功率和水头时的水轮机最优开度；

Y_o＝f(P,H)|n_o其中：Y₀--最优开度；最优开度在调速系统中只是参考，为实现机组模糊控制提供依据。

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