CN110165702B - 全功率变速抽水蓄能机组一次调频协调控制系统 - Google Patents

Abstract

一种全功率变速抽水蓄能机组一次调频协调控制系统，包括比例微分调节器模块、滤波器模块、目标有功计算模块和最优转速计算模块，以上各模块按照信号流向串联。比例微分调节器模块计算所述全功率变速抽水蓄能机组一次调频的附加有功参考值ΔP_f；滤波器模块对一次调频的附加有功参考值ΔP_f进行滤波处理，分离出低频信号ΔP_fL和高频信号ΔP_fH；目标有功计算模块根据滤波器模块分离出的低频信号ΔP_fL和高频信号ΔP_fH计算所述全功率抽水蓄能机组的第一有功参考值1和第二有功参考值2；最优转速计算模块根据第一有功参考值1计算全功率抽水蓄能机组的最优运行转速，送入全功率抽水蓄能机组，作为全功率抽水蓄能机组调速器的转速参考值。

Description

全功率变速抽水蓄能机组一次调频协调控制系统

技术领域

本发明涉及一种全功率变速抽水蓄能机组的控制系统。

背景技术

风电、光伏等可再生能源发电系统的大规模发展给电力系统的调频、调峰带来了巨大的压力。电力系统需要配置一定规模的抽水蓄能机组，补偿有功变化，适应新能源的大规模发展。全功率变速抽水蓄能机组可以实现转速全范围变化，功率调节能力强，有效改善电网频率，抑制可再生能源发电波动，解决电网面临的稳定性问题。

全功率变速抽水蓄能机组是在电动发电机定子与电网间连接了一个与电动发电机功率相同的变流器。发电时，将同步发电机发出的电压、频率不同的电能，经过交/直/交变换后，变成与电网电压、频率相同的电能，输入电网；反之，电动运行时则作为电动机，功率流向相反，电机从电网吸收电能。

全功率变速抽水蓄能机组参与一次调频的方法主要有虚拟惯性控制和下垂控制两种：1)虚拟惯性控制方式是通过附加一定的频率控制环节，将转子部分动能转化为电磁功率，参与系统频率控制；2)下垂控制方式是结合水泵水轮机的工作特性，改变机组的运行工作点，实现有功下垂特性。当系统频率降低时，通过调节调速器转速设定值或有功功率设定值，增加有功输出；反之，通过调节调速器转速设定值或有功功率设定值，减少有功输出。上述两种调频控制方法只是单独针对全功率变流器或者调速器的控制策略，缺乏对两者之间的协同配合和优化控制。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提出一种全功率变速抽水蓄能机组的一次调频协调控制系统，能够提高电网频率响应的快速性和稳定性。

为解决上述问题，本发明提供如下技术方案：

本发明全功率变速抽水蓄能机组的一次调频协调控制系统，包括比例微分调节器模块、滤波器模块、目标有功计算模块和最优转速计算模块，各模块按照信号流向串联。比例微分调节器模块计算所述全功率变速抽水蓄能机组一次调频的附加有功参考值ΔP_f，将此一次调频的附加有功参考值ΔP_f送入滤波器模块；滤波器模块对一次调频的附加有功参考值ΔP_f进行滤波处理，分离出低频信号ΔP_fL和高频信号ΔP_fH，将低频信号ΔP_fL和高频信号ΔP_fH送入目标有功计算模块；目标有功计算模块根据滤波器模块分离出的低频信号ΔP_fL和高频信号ΔP_fH计算所述全功率抽水蓄能机组的第一有功参考值1和第二有功参考值2，将全功率抽水蓄能机组的第一有功参考值1送入最优转速计算模块；最优转速计算模块根据第一有功参考值1计算全功率抽水蓄能机组的最优运行转速，送入全功率抽水蓄能机组，作为全功率抽水蓄能机组调速器的转速参考值，将全功率抽水蓄能机组的第二有功功率参考值2送入抽水蓄能机组全功率变流器，作为全功率变流器的参考值，通过控制电流的轴分量，调整抽水蓄能机组的电机的有功输出。

所述比例微分调节器模块按照下述公式计算一次调频附加有功参考值ΔP_f：

其中，ΔP_f是一次调频附加有功参考值，K_p是所述比例微分调节器模块的比例系数，K_d是所述比例微分调节器模块的微分系数，Δf是实际电网频率与参考频率之间的偏差，

是实际电网频率与参考频率之间的频率偏差的变化率。

所述低通滤波模块传递函数G₁(s)为：

所述高通滤波模块传递函数G₂(s)为：

其中，τ是低通滤波器和高通滤波器的时间常数，s是复变量。

所述目标有功计算模块计算所述全功率抽水蓄能机组的第一有功参考值1和第二有功参考值2，方法如下：

首先，计算稳态有功目标值P_cmd，

在远方控制模式下，稳态有功目标值P_cmd等于电网调度主站下发的有功指令P_agc；在本地控制模式下，稳态有功目标值P_cmd等于电站操作人员本地下发的有功指令P_local。

其次，分别计算第一有功参考值1和第二有功参考值2，

P_ref1＝P_cmd+ΔP_fL

其中，P_ref1是第一有功参考值1，ΔP_fL是经过低通滤波后的有功附加值。P_ref1作为最优转速计算模块的输入，P_cmd为稳态有功目标值。

P_ref2＝P_cmd+ΔP_fH

其中，P_ref2是第二有功参考值2，ΔP_fH是经过高通滤波后的有功附加值，P_ref2直接作为变流器的控制输入，P_cmd为稳态有功目标值。

最优转速计算模块计算所述全功率抽水蓄能机组的最优运行转速的方法如下：

ω_ref＝f(P_ref1,H)|η_max

其中，ω_ref是最优转速参考值，H是水头高度，η_max是水泵水轮机的最大效率；ω_ref即为变速机组在当前水头H和功率给定P_ref1下，使水泵水轮机工作在最大效率点的最优转速，调速器依此最优转速参考值ω_ref进行闭环调节，保证变速机组处于最优转速，f是最优转速ω_ref计算函数，可以通过查询水轮机的综合特性曲线获得。

进一步地，所述全功率变速抽水蓄能机组中还包括水泵水轮机、电动发电机、全功率变流器、调速器和机械导叶：其中水泵水轮机和电动发电机转子同轴相连，电动发电机定子与全功率变流器通过交流电缆相连接；调速器和机械导叶是调节水泵水轮机转速的设备，是抽水蓄能机组的重要附属设备。

所述水泵水轮机是一种可逆式水力机械，是抽水蓄能机组的动力设备，当转轮正向旋转时作为泵使用，反向旋转时作为水轮机使用。

所述电动发电机为同步电机，转子与水泵水轮机同轴相连，既可以作发电机使用，又可作为电动机运行。

所述全功率变流器由电机侧变流器、电网侧变流器及直流母线构成。电机侧变流器根据本发明控制系统下发的有功指令，调节发电机的输出有功，达到跟踪目标值的目的；电网侧变流器的控制目标为保持直流母线电压的恒定，同时根据电网需求发送无功功率。

所述调速器用于接收本发明控制系统预先计算出的最优转速，通过闭环控制输出机械导叶的开度Y_ref。

所述机械导叶用于根据调速器下发的导叶开度指令调整进/出水流量Q，从而改变抽蓄机组的运行转速。

本发明全功率变速抽水蓄能机组的一次调频协调控制系统对全功率抽水蓄能机组一次调频控制的过程为：

首先，比例微分调节器模块根据电网实际测量频率与参考频率的偏差计算出一次调频的附加有功参考值，其中电网实际测量频率来自全功率变流器或者其它专用测频模块的输出，一般设定为50Hz。再经过滤波器模块将此参考频率分离，得到该参考频率的低频部分和高频部分，然后经过目标有功计算模块计算第一有功参考值1和第二有功参考值2。其中，第一有功参考值经过最优转速计算模块计算得到最优运行转速，作为抽水蓄能机组调速器的参考值，调速器输出导叶开度值信号作用于机械导叶，改变水泵水轮机的运行转速；第二有功参考值2作为全功率变流器的参考值，通过控制电流的轴分量，调整抽水蓄能机组的电机的有功输出。

具体如下：

(1)比例微分调节器模块根据电网实际测量频率与参考频率的偏差计算出一次调频的附加有功参考值，当电网实际测量频率低于参考频率时，附加有功参考值为正；反之，附加有功参考值为负；

(2)滤波器模块分离附加有功参考值中的低频信号和高频信号；

(3)将步骤(2)分离出来的低频信号与稳态有功目标值叠加，得到有功参考值1，进而计算出最优运行转速，作为抽水蓄能机组调速器的参考值进行转速闭环调节；

(4)将步骤(2)分离出来的高频信号与稳态有功目标值叠加，得到有功参考值2，作为变流器的有功参考值进行有功闭环调节。

进一步的，所述步骤(1)按照以下公式确定所述附加有功参考值：

其中，ΔP_f是一次调频附加有功参考值，K_p是比例微分调节器模块的比例系数，K_d是比例微分调节器模块的微分系数，Δf是实际电网频率与参考频率之间的偏差，

是实际电网频率与参考频率之间的频率偏差的变化率。

进一步的，所述步骤(2)中的滤波器模块包括低通滤波器和高通滤波器：

低通滤波器传递函数为：

高通滤波器传递函数为：

其中，τ是滤波器的时间常数，s是复变量。

进一步地，所述步骤(3)计算最优运行转速的方法如下：

首先计算稳态有功目标值P_cmd，

在远方控制模式下，稳态有功目标值P_cmd等于电网调度主站下发的有功指令P_agc；在本地控制模式下，稳态有功目标值P_cmd等于电站操作人员本地下发的有功指令P_local。

其次，计算第一有功参考值1

P_ref1＝P_cmd+ΔP_fL

其中，P_ref1是第一有功参考值1，ΔP_fL是经过低通滤波后的有功附加值。

进一步地，按照下述公式计算最优转速参考值：

ω_ref＝f(P_ref2,H)|η_max

其中，ω_ref是最优转速参考值，H是水头高度，η_max是水泵水轮机的最大效率，f是最优转速ω_ref计算函数，可以通过查询水轮机的综合特性曲线获得。

最优转速参考值ω_ref即为变速机组在当前水头H和功率给定P_ref1下，使水泵水轮机工作在最大效率点的最优转速。调速器依此最优转速参考值ω_ref进行闭环调节，保证变速机组处于最优转速。

进一步地，所述步骤(4)计算过程如下：

P_ref2＝P_cmd+ΔP_fH

其中，P_ref2是第二有功参考值2，ΔP_fH是经过高通滤波后的有功附加值，P_cmd为稳态有功目标值。

62第二有功参考值2P_ref2作为全功率变流器的控制输入，并依此第二有功参考值2P_ref2进行有功闭环调节。

本发明的有益效果在于：

该控制系统将一次调频附加有功信号分离成低频部分和高频部分，其中低频部分叠加到转速控制环节，可以避免高频扰动引起调速器和机械导叶的频繁动作，保证机组运行的稳定性；高频部分叠加到全功率变流器控制环节，可以提高一次调频响应的快速性。

附图说明

图1是一次调频协调控制系统对应的原理图；

图2是电网频率响应仿真对比图；

图3是机组输出有功仿真对比图；

图4是一次调频协调控制方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

图1为本发明一次调频协调控制系统原理图。如图1所示，本发明控制系统包括比例微分调节器模块、滤波器模块、目标有功计算模块和最优转速计算模块，各模块按照信号流向串联。比例微分调节器模块计算一次调频的附加有功参考值ΔP_f，将计算得到的一次调频的附加有功参考值ΔP_f送入滤波器模块；滤波器模块对ΔP_f进行滤波处理，分离出低频信号ΔP_fL和高频信号ΔP_fH，并将此低频信号ΔP_fL和高频信号ΔP_fH送入目标有功计算模块；目标有功计算模块根据低频信号ΔP_fL和高频信号ΔP_fH计算所述全功率抽水蓄能机组的第一有功参考值1和第二有功参考值2，将全功率抽水蓄能机组的第一有功参考值1和第二有功参考值2送入最优转速计算模块；最优转速计算模块根据第一有功参考值1计算所述全功率抽水蓄能机组的最优运行转速，送入全功率抽水蓄能机组，作为调速器的转速参考值。

在本实施例中，所述比例微分调节器模块按照下述公式计算一次调频附加有功：

其中，ΔP_f是一次调频附加有功参考值，K_p是比例微分调节器模块的比例系数，K_d是比例微分调节器模块的微分系数，Δf是实际电网频率与参考频率之间的偏差，

是实际电网频率与参考频率之间的频率偏差的变化率。

在本实施例中，所述滤波器模块包括低通滤波器和高通滤波器，

低通滤波器传递函数G₁(s)为：

高通滤波器传递函数G₂(s)为：

其中，τ是滤波器的时间常数，s是复变量。

在本实施例中，所述目标有功计算模块的计算方法为：

1)计算稳态有功目标值P_cmd，

在远方控制模式下，稳态有功目标值P_cmd等于电网调度主站下发的有功指令P_agc；在本地控制模式下，稳态有功目标值P_cmd等于电站操作人员本地下发的有功指令P_local。

2)分别计算第一有功参考值1和第二有功参考值2

P_ref1＝P_cmd+ΔP_fL

其中，P_ref1是第一有功参考值1，ΔP_fL是经过低通滤波后的有功附加值。P_ref1作为最优转速计算模块的输入，P_cmd为稳态有功目标值。

P_ref2＝P_cmd+ΔP_fH

91其中，P_ref2是第二有功参考值2，ΔP_fH是经过高通滤波后的有功附加值。P_ref2直接作为全功率变流器的控制输入，P_cmd为稳态有功目标值。

在本实施例中，最优转速参考值的计算方法为：

ω_ref＝f(P_ref1,H)|η_max

其中，ω_ref是最优转速参考值，H是水头高度，η_max是水泵水轮机的最大效率，f是最优转速ω_ref计算函数，可以通过查询水轮机的综合特性曲线获得。

ω_ref即为变速机组在当前水头H和功率给定P_ref1下，使水泵水轮机工作在最大效率点的最优转速，调速器依此进行闭环调节，保证变速机组处于最优转速。

进一步地，所述全功率变速抽水蓄能机组中还包括水泵水轮机、电动发电机、全功率变流器、调速器和机械导叶：其中水泵水轮机和电动发电机转子同轴相连，电动发电机定子与全功率变流器通过交流电缆相连接；调速器和机械导叶是调节水泵水轮机转速的设备，是抽水蓄能机组的重要附属设备。

所述水泵水轮机是一种可逆式水力机械，是抽水蓄能机组的动力设备，当转轮正向旋转时作为泵使用，反向旋转时作为水轮机使用。

所述电动发电机为同步电机，转子与水泵水轮机同轴相连，既可以作发电机使用，又可作为电动机运行。

所述全功率变流器，由电机侧变流器、电网侧变流器以及直流母线构成，电机侧变流器根据本发明控制系统下发的有功指令，调节发电机的输出有功，达到跟踪目标值的目的；电网侧变流器的控制目标为保持直流母线电压的恒定，同时根据电网需求发送无功功率。

所述调速器，用于接收本发明控制系统预先计算出的最优转速，通过闭环控制输出机械导叶的开度Y_ref。

所述机械导叶，用于根据调速器下发的导叶开度指令调整进/出水流量Q，从而改变抽蓄机组的运行转速。

与传统一次调频控制系统相比，本发明全功率变速抽水蓄能机组一次调频协调控制系统将一次调频附加有功信号分离成低频部分和高频部分，其中低频部分叠加到转速控制环节，可以避免高频扰动引起调速器和机械导叶的频繁动作，保证机组运行的稳定性；高频部分叠加到全功率变流器控制环节，可以提高一次调频响应的快速性。

为了验证本发明提出的一次调频协调控制系统的调节效果，搭建了含全功率变速抽水蓄能机组的系统仿真模型，其中负荷为1000MW，全功率变速抽水蓄能机组额定容量为200MW，对负荷突变时，系统的频率响应特性进行分析。

其中，比例微分调节器模块的参数K_p＝20，K_i＝5，滤波器模块的时间常数τ＝1s。

当负荷突增100MW时，分别在传统下垂控制和本发明控制方法下，系统频率响应和机组有功输出仿真结果分别如图2和图3所示。对比不同控制方法下仿真波形可知：

1)本发明的一次调频协调控制系统可以实现全功率变速抽蓄机组参与系统频率调节，且与传统下垂控制方法相比，频率最低点从49.49Hz提高到49.63Hz，有利于提高电网的频率稳定性。

2)本发明的一次调频协调控制系统可以实现全功率变速抽蓄机组有功快速响应，且与传统下垂控制方法相比，一次调频响应滞后时间从2s缩短到40ms，调节时间从3.5s降低到60ms，大大提高了一次调频响应的快速性。

如图4所示，本发明全功率变速抽水蓄能机组一次调频协调控制系统的调频控制步骤如下：

S1：比例微分调节器模块根据电网实际测量频率与参考频率的偏差计算出一次调频的附加有功参考值，当电网实际测量频率低于参考频率时，附加有功参考值为正；反之，附加有功参考值为负；

S2：滤波器模块将一次调频的附加有功参考值的低频信号和高频信号分离出来；

S3：将步骤S2分离出来的低频信号与稳态有功目标值叠加，得到有功参考值1，进而计算出最优运行转速，作为调速器的参考值进行转速闭环调节；

S4：将步骤S2分离出来的高频信号与稳态有功目标值叠加，得到有功参考值2，作为变流器的有功参考值进行有功闭环调节。

在本实施方式中，按照以下公式确定所述附加有功参考值：

其中，ΔP_f是一次调频附加有功参考值，K_p是所述比例微分调节器模块的比例系数，K_d是所述比例微分调节器模块的微分系数，Δf是实际电网频率与参考频率之间的偏差，

是实际电网频率与参考频率之间的频率偏差的变化率。

本实施例的滤波器模块按照以下参数设计：

低通滤波器传递函数为：

高通滤波器传递函数为：

其中，τ是滤波器的时间常数。

在本实施例中，第一有功参考值1的计算公式如下：

P_ref1＝P_cmd+ΔP_fL

其中，P_ref1是第一有功参考值1，ΔP_fL是经过低通滤波后的有功附加值，P_cmd是稳态有功目标值。

稳态有功目标值P_cmd计算公式如下：

其中，P_agc是AGC调度主站下发的有功指令值，P_local是电站操作人员本地下发的有功指令：

在本实施方式中，最优转速参考值计算公式如下：

ω_ref＝f(P_ref2,H)|η_max

其中，ω_ref是最优转速参考值，H是水头高度，η_max是转轮最大效率，f是最优转速ω_ref计算函数。

ω_ref即为变速机组在当前水头H和功率给定P_ref1下，使水泵水轮机工作在最大效率点的最优转速。调速器依此最优转速进行闭环调节，保证变速机组处于最优转速。

本实施例中，有功功率参考值2计算公式如下：

P_ref2＝P_cmd+ΔP_fH

其中，P_ref2是有功参考值2，ΔP_fH是经过高通滤波后的有功附加值。P_ref2作为全功率变流器的控制输入，并依此有功功率参考值2进行有功闭环调节。

由上可见，本发明的全功率变速抽水蓄能机组的一次调频协调控制系统，通过对全功率变流器和调速器的协调配合，可以实现机组一次调频优化控制。与传统的下垂控制方法相比，本发明在系统负荷突增导致频率突降时，能够显著提高系统频率最低点，改善系统的稳定性；同时缩短一次调频响应滞后时间，提高频率响应的快速性。

Claims (5)

1.一种全功率变速抽水蓄能机组一次调频协调控制系统，其特征在于：所述的一次调频协调控制系统，包括比例微分调节器模块、滤波器模块、目标有功计算模块和最优转速计算模块，各模块按照信号流向串联；比例微分调节器模块计算所述全功率变速抽水蓄能机组一次调频的附加有功参考值ΔP_f，将此一次调频的附加有功参考值ΔP_f送入滤波器模块；滤波器模块对一次调频的附加有功参考值ΔP_f进行滤波处理，分离出低频信号ΔP_fL和高频信号ΔP_fH，将低频信号ΔP_fL和高频信号ΔP_fH送入目标有功计算模块；目标有功计算模块根据滤波器模块分离出的低频信号ΔP_fL和高频信号ΔP_fH计算所述全功率抽水蓄能机组的第一有功参考值1和第二有功参考值2，将全功率抽水蓄能机组的第一有功参考值1送入最优转速计算模块；最优转速计算模块根据第一有功参考值1计算全功率抽水蓄能机组的最优运行转速，送入全功率抽水蓄能机组，作为全功率抽水蓄能机组调速器的转速参考值；将全功率抽水蓄能机组的第二有功功率参考值2送入抽水蓄能机组全功率变流器，作为全功率变流器的参考值，通过控制电流的轴分量，调整抽水蓄能机组的电机的有功输出。

2.如权利要求1所述的全功率变速抽水蓄能机组一次调频协调控制系统，其特征在于：所述的比例微分调节器模块按照下述公式计算一次调频附加有功参考值ΔP_f：

其中，ΔP_f是一次调频附加有功参考值，K_p是所述比例微分调节器模块的比例系数，K_d是所述比例微分调节器模块的微分系数，Δf是实际电网频率与参考频率之间的偏差，

是实际电网频率与参考频率之间的频率偏差的变化率。

3.如权利要求1所述的全功率变速抽水蓄能机组一次调频协调控制系统，其特征在于：所述的目标有功计算模块计算所述全功率抽水蓄能机组的第一有功参考值1和第二有功参考值2，方法如下：

首先，计算稳态有功目标值P_cmd，

在远方控制模式下，稳态有功目标值P_cmd等于电网调度主站下发的有功指令P_agc；在本地控制模式下，稳态有功目标值P_cmd等于电站操作人员本地下发的有功指令P_local；

其次，分别计算第一有功参考值1和第二有功参考值2，

P_ref1＝P_cmd+ΔP_fL

其中，P_ref1是第一有功参考值1，ΔP_fL是经过低通滤波后的有功附加值，P_ref1作为最优转速计算模块的输入，P_cmd为稳态有功目标值；

P_ref2＝P_cmd+ΔP_fH

其中，P_ref2是第二有功参考值2，ΔP_fH是经过高通滤波后的有功附加值，P_ref2直接作为变流器的控制输入，P_cmd为稳态有功目标值。

4.如权利要求1所述的全功率变速抽水蓄能机组一次调频协调控制系统，其特征在于：所述的最优转速计算模块计算所述全功率抽水蓄能机组的最优运行转速的方法如下：

ω_ref＝f(P_ref1,H)|η_max

其中，ω_ref是最优转速参考值，H是水头高度，η_max是水泵水轮机的最大效率，f是最优转速ω_ref计算函数，ω_ref即为变速机组在当前水头H和功率给定P_ref1下，使水泵水轮机工作在最大效率点的最优转速，调速器依此最优转速参考值ω_ref进行闭环调节，保证变速机组处于最优转速。

5.如权利要求1所述的全功率变速抽水蓄能机组一次调频协调控制系统，其特征在于：所述的全功率变速抽水蓄能机组的一次调频协调控制系统对全功率抽水蓄能机组一次调频控制的过程为：

(1)比例微分调节器模块根据电网实际测量频率与参考频率的偏差计算出一次调频的附加有功参考值，当电网实际测量频率低于参考频率时，附加有功参考值为正；反之，附加有功参考值为负；

(2)滤波器模块分离附加有功参考值中的低频信号和高频信号；

(3)将步骤(2)分离出来的低频信号与稳态有功目标值叠加，得到有功参考值1，进而计算出最优运行转速，作为抽水蓄能机组调速器的参考值进行转速闭环调节；

(4)将步骤(2)分离出来的高频信号与稳态有功目标值叠加，得到有功参考值2，作为变流器的有功参考值进行有功闭环调节。

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