CN109361233B - 双馈式可变速抽水蓄能电站输出功率动态过程建模方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了双馈式可变速抽水蓄能电站输出功率动态过程建模方法,将所述双馈式可变速抽水蓄能电站输出功率动态过程进行分块建模,通过时间逻辑元件整合封装的方法对双馈式可变速抽水蓄能电站输出功率动态过程进行建模。本发明考虑了双馈式可变速抽水蓄能电站的整个动态过程,通过双馈式可变速抽水蓄能机组发电工况和抽水工况下的输出功率动态过程分块建模,实现了对双馈式可变速抽水蓄能机组从发电工况启动并网稳定运行到停机,再从电动工况启动并网稳定运行到停机的完整动态过程的输出功率建模,有利于完整地研究双馈式可变速抽水蓄能电站的输出功率动态过程特性。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子装置在抽水蓄能电站技术领域,特别是涉及双馈式可变速抽水蓄能电站输出功率动态过程建模方法。
背景技术
电力系统需要在一定范围内维持系统频率和电压稳定,保持有功功率、无功功率的平衡。随着电网中风电、光伏发电等间歇性可再生能源的大规模利用,其在电网上所占比例日渐增大,导致电网的稳定运行,尤其是夜间频率控制,变得更为困难。双馈式可变速抽水蓄能电站使用双馈电机,可以保持变速恒频运行,可以有效地平衡可再生能源发电波动,是电网频率和电压调整的重要手段。为研究双馈式可变速抽水蓄能电站对电网的输出功率特性,提出了一种双馈式可变速抽水蓄能电站输出功率动态过程建模方法。
双馈式可变速抽水蓄能系统由双馈电机、水泵水轮机和变流器组成。双馈式抽水蓄能电站具有工况变换多、启停频繁等特点。双馈式抽水蓄能机组主要包括5种典型运行工况:静止、发电调相、发电工况、抽水调相及抽水工况。由于机组极少时间运行于调相工况,进一步将运行工况简化为静止、发电及抽水工况。水泵水轮机和双馈电机的动态过程是决定双馈式可变速抽水蓄能电站运行安全性、稳定性和经济性的关键因素,因此,对双馈式可变速抽水蓄能电站输出功率动态过程建模显得更为重要。
很多学者对双馈式可变速抽水蓄能电站的动态过程进行了研究,目前对双馈式可变速抽水蓄能电站的动态过程的研究主要集中在机组启动过程动态特性以及机组稳定运行时的动态响应。现有技术如IEEE Transactions on Energy Conversion第33卷第1期出版的“Dynamic Performance of Pumping Mode of 250MW Variable Speed Hydro-Generating Unit Subjected to Power and Control Circuit Faults”,该技术通过建立一个小型的双馈式可变速抽水蓄能机组实物平台来验证机组电动工况下的启动过程的动态特性。现有技术如IEEE Transactions on Energy Conversion第22卷第2期出版的“Modeling and Dynamic Simulations of Doubly Fed Adjustable-Speed PumpedStorage Units”,该技术建立了双馈式可变速抽水蓄能机组的数学模型,并利用仿真软件来模拟机组分别在发电工况稳定运行和电动工况稳定运行时的有功功率动态响应。但以上方法均只考虑双馈式可变速抽水蓄能电站在某一特定的运行阶段下的动态特性,没有考虑包含所有运行阶段的动态过程。
因此希望有一种双馈式可变速抽水蓄能电站输出功率动态过程建模方法以解决现有技术中的问题。
发明内容
随电力系统需要在一定范围内维持系统频率和电压稳定,保持有功功率、无功功率的平衡。随着电网中风电、光伏发电等间歇性可再生能源的大规模利用,其在电网上所占比例日渐增大,导致电网的稳定运行,尤其是夜间频率控制,变得更为困难。双馈式可变速抽水蓄能电站使用双馈电机,可以保持变速恒频运行,可以有效地平衡可再生能源发电波动,是电网频率和电压调整的重要手段。为研究双馈式可变速抽水蓄能电站对电网的输出功率特性,提出了一种双馈式可变速抽水蓄能电站输出功率动态过程建模方法。
双馈式可变速抽水蓄能系统由双馈电机、水泵水轮机和变流器组成。双馈式抽水蓄能电站具有工况变换多、启停频繁等特点。双馈式抽水蓄能机组主要包括5种典型运行工况:静止、发电调相、发电工况、抽水调相及抽水工况。由于机组极少时间运行于调相工况,进一步将运行工况简化为静止、发电及抽水工况。水泵水轮机和双馈电机的动态过程是决定双馈式可变速抽水蓄能电站运行安全性、稳定性和经济性的关键因素,因此,对双馈式可变速抽水蓄能电站输出功率动态过程建模显得更为重要。
本发明的目的在于,提出一种双馈式可变速抽水蓄能电站输出功率动态过程建模方法,用于研究并网运行的双馈式可变速抽水蓄能电站对电网的输出功率的动态过程。
本发明公开了一种双馈式可变速抽水蓄能电站输出功率动态过程建模方法,将所述双馈式可变速抽水蓄能电站输出功率动态过程进行分块建模,通过时间逻辑元件整合封装的方法对双馈式可变速抽水蓄能电站输出功率动态过程进行建模。
优选地,所述双馈式可变速抽水蓄能电站输出功率动态过程进行分块建模包括:发电工况输出功率动态过程建模和抽水工况输出功率动态过程建模。
优选地,所述发电工况输出功率动态过程建模包括:发电工况启动阶段、发电工况增负荷阶段、发电工况稳定运行阶段、发电工况甩负荷阶段和发电工况停机阶段5个阶段的动态过程建模。
优选地,所述抽水工况输出功率动态过程建模包括:抽水工况启动阶段、抽水工况增负荷阶段、抽水工况稳定运行阶段、抽水工况甩负荷阶段和抽水工况停机阶段5个阶段的动态过程建模。
优选地,所述发电工况启动阶段和发电工况停机阶段的输出功率分别为0。
优选地,所述发电工况增负荷阶段、发电工况稳定运行阶段和发电工况甩负荷阶段采用功率优先的控制策略。
优选地,所述发电工况增负荷阶段和发电工况甩负荷阶段的功率参考值以阶梯或斜坡指令给出,发电工况稳定运行阶段为观察稳定运行时的动态特性,先在功率指令上加一个数十兆瓦的阶跃指令,然后再减去这个阶跃,来观察功率响应的动态特性。
优选地,所述抽水工况启动阶段和抽水工况停机阶段的输出功率分别为0。
优选地,所述抽水工况增负荷阶段、抽水工况稳定运行阶段和抽水工况甩负荷阶段采用转速优先的控制策略。
优选地,所述抽水工况增负荷阶段和抽水工况甩负荷阶段的功率参考值以阶梯或斜坡指令给出,抽水工况稳定运行阶段为观察稳定运行时的动态特性,先在功率指令上加一个数十兆瓦的阶跃指令,然后再减去这个阶跃,来观察功率响应的动态特性。
本发明公开的双馈式可变速抽水蓄能电站输出功率动态过程建模方法具有以下有益效果:本发明提出了一种双馈式可变速抽水蓄能电站输出功率动态过程的建模方法,考虑了双馈式可变速抽水蓄能电站的整个动态过程,通过双馈式可变速抽水蓄能机组发电工况和抽水工况下的输出功率动态过程分块建模,实现了对双馈式可变速抽水蓄能机组从发电工况启动并网稳定运行到停机,再从电动工况启动并网稳定运行到停机的完整动态过程的输出功率建模,有利于完整地研究双馈式可变速抽水蓄能电站的输出功率动态过程特性;对双馈式可变速抽水蓄能电站在电力系统中的仿真具有重要意义。
附图说明
图1是本发明的双馈式可变速抽水蓄能机组结构示意图。
图2是本发明的功率优先控制策略控制框图。
图3是本发明的转速优先控制策略控制框图。
图4是本发明的功率优先控制策略下的有功功率控制图。
图5是本发明的转速优先控制策略下的有功功率控制图。
图6是本发明的双馈式可变速抽水蓄能电站仿真输出功率波形图。
具体实施方式
为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中,自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的,旨在用于解释本发明,而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
图1为本发明的双馈式可变速抽水蓄能机组结构示意图。可变速抽水蓄能机组由水泵水轮机,双馈电机,变流器和控制部分组成。水泵水轮机是系统的负载或原动机,自带机械调速器,可以控制机组的机械转速或机械功率。双馈电机可工作在发电和电动状态下,它的转子上分布着三相绕组,通过变流器和电网相连接,由励磁调节器控制变频器输出电压的幅值、相位和频率,定子侧和电网相连。
图2为本发明的功率优先控制策略控制框图,在此种控制方式下,机组的输出功率通过转子侧变流器进行控制,机组的转速通过调节水泵水轮机的调速器进行控制。当机组的有功功率参考值发生改变时,转子侧变流器可以快速工作,使机组的输出有功功率快速响应,迅速达到给定值,同时,根据机组的运行特性曲线计算出最优效率转速,将其传递给水泵水轮机调速器,来调节机组的转速和水泵水轮机的机械功率。图2中,Pref为有功功率参考值,P为机组输出有功功率,Us为双馈电机定子侧电压幅值,ωref为转速参考值,ω为机组转速;Lm为双馈电机激磁电感,Ls为双馈电机定子侧电感,p为双馈电机极对数,J为双馈电机转动惯量,B为双馈电机摩擦系数,ωs为定子侧磁场转速,idr为转子侧电流d轴分量,Te为电磁转矩,Ty为水泵水轮机调速器时间常数,Tw为水泵水轮机水流惯性系数,y为水泵水轮机导叶开度,Pm为机械功率,Tm为机械转矩,Kp为比例系数,Ki为积分系数。
图3为本发明的转速优先控制策略控制框图,在此种控制方式下,机组转速通过转子侧变流器进行控制,机组的输出功率通过调节水泵水轮机的导叶开度控制;当机组的有功功率参考值变化时,首先根据机组的运行特性曲线计算出最优效率转速,将其传递给转子侧变流器,通过调节转子侧电流,来快速调节机组转速,同时,功率参考值传递给水泵水轮机,通过调整导叶开度,调节机组的输出功率。图3中的参数与图2中相同。
a.发电工况下的输出功率动态过程建模
发电工况下的功率动态过程可分为启动阶段、增负荷阶段、稳定运行阶段、甩负荷阶段、停机阶段。
其中启动阶段分为自启动状态、并网前准备状态、并网空载运行状态,自启动状态和并网前准备状态是在离网状态下进行的,所以对电网的输出功率为0,空载运行状态对电网的输出功率为空载功率,可以忽略。0s到τ1为启动阶段,启动阶段的功率大ps1可以表示为:
pS1=0,0≤t<τ1 (1)
图4为本发明的功率优先控制策略下的有功功率控制框图。增负荷阶段、稳定运行阶段、甩负荷阶段是并网进行的,机组采用功率优先控制策略。在此种控制方式下,机组输出有功功率的传递函数为:
由于有功功率的增加或减小会导致电机转速的波动,较大的功率变化会使机组转速超出合理范围,导致系统的不稳定。本发明中电机的有功功率指令以阶梯或者斜坡给出。增负荷阶段机组的输出功率可用线性关系表示,τ1为增负荷阶段的开始时刻,NSG为增负荷阶段所需要的总时间,pg0为增负荷阶段结束后机组需要输出的功率稳定值,增负荷阶段的输出功率pSG可以表示为:
机组稳定运行阶段开始时刻为τ1+NSG,稳定运行阶段结束时刻为τ2,机组发电工况稳定运行时的输出功率为pG与功率参考值Pref的关系为:
pG=G1(s)Pref,τ1+NSG≤t<τ2 (4)
发电工况稳定运行,增减负荷时,功率指令以阶跃的形式给出。
与增负荷阶段相同,甩负荷阶段机组的输出功率可用线性关系表示,机组甩负荷阶段开始时刻为τ2,甩负荷阶段所需总时间为NGS,甩负荷阶段开始前机组的稳定输出功率为pg1,机组甩负荷阶段输出功率pGS可表示为:
机组停机阶段可以分为解列运行状态和制动运行状态,其中解列运行状态对电网的输出功率可以忽略,制动状态在离网状态下进行对电网的输出功率为0,机组停机阶段开始时刻为τ2+NGS,结束时刻为τ3,机组停机阶段的输出功率pS2可表示为:
pS2=0,τ2+NGS≤t<τ3 (6)
b.电动工况下的输出功率动态过程建模
电动工况下的动态过程可分为启动阶段,增负荷阶段、稳定运行阶段、甩负荷阶段、停机阶段。
其中启动阶段可分为转速上升状态、并网准备状态、调压并网状态等3个状态,电动工况下的启动阶段是在离网状态下进行的,对电网的输出功率为0。启动阶段开始时刻为τ3,启动阶段结束时刻为τ4,启动阶段的输出功率pS3可表示为:
PS3=0,τ3≤t<τ4 (7)
图5为本发明的转速优先控制策略下的机械功率控制框图。增负荷、稳定运行、甩负荷阶段是并网进行的,机组采用转速优先的控制策略。在此种控制方式下,机组机械功率的传递函数为:
与发电工况相同,功率指令以阶梯或斜坡给出,电动工况增负荷阶段的功率模型以线性关系表示。增负荷阶段开始时刻为τ4,增负荷阶段所需要的总时间为NSP,机组增负荷阶段结束后的输出功率稳定值为-pP0,机组增负荷阶段的输出功率pSP可表示为:
抽水工况稳定运行阶段开始时刻为τ4+NSG,稳定运行阶段结束时刻为τ5,kr为反映机组转差率和水泵水轮机效率的系数,机组电动工况稳定运行时的输出功率为pP与功率参考值Pref的关系为:
pp=kr·G2(s)Pref,τ4+NSP≤t<τ5 (10)
电动工况稳定运行阶段,增减负荷时,功率指令以阶跃的形式给出。
与增负荷阶段相同,甩负荷阶段机组的输出功率可用线性关系表示。机组甩负荷阶段开始时刻为τ5,甩负荷阶段所需时间为NPS,甩负荷阶段开始前机组的稳定输出功率为-pP1,机组甩负荷阶段的输出功率pPS可表示为:
机组停机阶段可以分为解列运行状态和制动运行状态,其中解列运行状态对电网的输出功率可以忽略,制动状态在离网状态下进行对电网的输出功率为0。机组停机阶段开始时刻为τ5+NPS,停机阶段结束时刻为τ6,停机阶段的输出功率pS4可表示为:
PS4=0,τ5+NPS≤t<τ6 (12)
图6为本发明的双馈式可变速抽水蓄能电站输出功率仿真波形图。规定有功功率从机组流入电网为有功功率的正方向。仿真采用的机组参数如表1所示。
表1双馈电机模型参数
0s到450s为发电工况下的输出功率动态过程波形,其中,0s到120s为启动阶段,120s到185s为增负荷阶段,185s到285s为稳定运行阶段,稳定运行阶段输出功率为200MW,第225s加一个30MW的阶跃指令,模拟稳定运行时的功率变化情况,第255s时减去阶跃指令,功率再次稳定在200MW,285s到350s为甩负荷阶段,350s到450s为停机阶段。450s到850s为电动工况下的输出功率动态过程波形,450s到530s为启动阶段,530s到600s为增负荷阶段,600s到700s为稳定运行阶段,稳定运行阶段输出功率为-200MW,第610s加一个-30MW的阶跃指令,模拟稳定运行时的功率变化情况,第670s时减去阶跃指令,功率再次稳定在-200MW,700s到780s为甩负荷阶段,780s到850s为停机阶段。
最后需要指出的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (7)
1.双馈式可变速抽水蓄能电站输出功率动态过程建模方法,其特征在于,将所述双馈式可变速抽水蓄能电站输出功率动态过程进行分块建模,通过时间逻辑元件整合封装的方法对双馈式可变速抽水蓄能电站输出功率动态过程进行建模;
所述双馈式可变速抽水蓄能电站输出功率动态过程进行分块建模包括:发电工况输出功率动态过程建模和抽水工况输出功率动态过程建模;
所述发电工况输出功率动态过程建模包括:发电工况启动阶段、发电工况增负荷阶段、发电工况稳定运行阶段、发电工况甩负荷阶段和发电工况停机阶段5个阶段的动态过程建模;发电工况下,机组输出有功功率的传递函数为:
其中,Us为双馈电机定子侧电压幅值,Lm为双馈电机激磁电感,Ls为双馈电机定子侧电感;
所述抽水工况输出功率动态过程建模包括:抽水工况启动阶段、抽水工况增负荷阶段、抽水工况稳定运行阶段、抽水工况甩负荷阶段和抽水工况停机阶段5个阶段的动态过程建模;抽水工况下,机组机械功率的传递函数为:
其中,Ty为水泵水轮机调速器时间常数,Tw为水泵水轮机水流惯性系数,Kp为比例系数,Ki为积分系数。
2.根据权利要求1所述的双馈式可变速抽水蓄能电站输出功率动态过程建模方法,其特征在于:所述发电工况启动阶段和发电工况停机阶段的输出功率分别为0。
3.根据权利要求1所述的双馈式可变速抽水蓄能电站输出功率动态过程建模方法,其特征在于:所述发电工况增负荷阶段、发电工况稳定运行阶段和发电工况甩负荷阶段采用功率优先的控制策略。
4.根据权利要求3所述的双馈式可变速抽水蓄能电站输出功率动态过程建模方法,其特征在于:所述发电工况增负荷阶段和发电工况甩负荷阶段的功率参考值以阶梯或斜坡指令给出,发电工况稳定运行阶段为观察稳定运行时的动态特性,先在功率指令上加一个数十兆瓦的阶跃指令,然后再减去这个阶跃,来观察功率响应的动态特性。
5.根据权利要求1所述的双馈式可变速抽水蓄能电站输出功率动态过程建模方法,其特征在于:所述抽水工况启动阶段和抽水工况停机阶段的输出功率分别为0。
6.根据权利要求1所述的双馈式可变速抽水蓄能电站输出功率动态过程建模方法,其特征在于:所述抽水工况增负荷阶段、抽水工况稳定运行阶段和抽水工况甩负荷阶段采用转速优先的控制策略。
7.根据权利要求6所述的双馈式可变速抽水蓄能电站输出功率动态过程建模方法,其特征在于:所述抽水工况增负荷阶段和抽水工况甩负荷阶段的功率参考值以阶梯或斜坡指令给出,抽水工况稳定运行阶段为观察稳定运行时的动态特性,先在功率指令上加一个数十兆瓦的阶跃指令,然后再减去这个阶跃,来观察功率响应的动态特性。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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