发明内容
本发明所要解决的技术问题在于如何保证燃机发电机黑启动并网时满足暂态和稳态稳定性要求。
本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的:
本发明着重对基于VSG环、电流环和电压环控制的PCS综合控制策略,同时提出黑启动并网稳定及安全性研究。
一种大型燃机储能系统黑启动方法,利用蓄电池作为燃机黑启动电源,实现机组的启动与并网,其蓄电池输出电压为直流电压,通过PCS实现蓄电池直流输出电压的逆变功能,随后通过升压变压器,将PCS输出的电压接入厂用高压母线,并带燃机辅机启动,随后启动任意一台燃机﹐最后机组并网通过架空线路送出负荷﹐恢复电网供电,所述PCS的控制方法如下:
通过采样PCS的逆变模块输出的电压、电流、电角速度控制逆变模块的PMW晶闸管导通占空比为ε,假设蓄电池是一个虚拟同步发电机VSG,所述PCS的控制是基于VSG控制环、电流环和电压环控制的PCS综合控制;
在VSG外环中,根据有功和电角度等参数得到实时相位θ,同时VSG环将给定无功功率作为控制对象,依此控制输出电压Ud和Uq,具体算法见式(3):
式中,Ud为极坐标中的直轴电压,Uq为极坐标中的交轴电压,Xd为直轴电抗,Xq为交轴电抗,Dq为Q-U下垂系数,Qset为设定无功功率,e0为虚拟发电机电抗产生的电势,Q0为实际无功输出;
在电压环中,以VSG环中输出电压为控制对象,通过经典PI控制环节,确定电流输出;
在电流环中,以电压环输出的电流为被控对象,通过PI控制算法,最终确定直角坐标电压Uid,Uiq,再通过极坐标变换成Uiα,Uiβ,通过电压外环、电流内环实现输出端口电压的控制,加系统的控制精度并限制过流,最终生成PWM的参考值。
本发明首次提出基于VSG环、电流环和电压环控制的PCS综合控制策略,控制精度更高、系统鲁棒性更强。
作为更进一步的技术方案,所述基于VSG控制环、电流环和电压环控制的PCS综合控制方法基于如下分析:
同步发电机虚拟直轴同步电抗为Xd,虚拟交轴同步电抗为Xq,同步发电机有功功率P与频率f呈现下垂关系,无功功率Q与频率U也呈现下垂关系,根据P-f下垂关系,得到同步发电机运动方程如下:
式中,Pf为给定有功功率,Dp为P-f下垂系数,P为实际有功,J为发电机惯性系数,ω为电角速度,ω0为同步电角速度;
根据Q-U下垂关系,得到如下:
Us=Ue+Dq(Qset-Q0)+e0 (2)
式中,Us为输出电压,Ue为额定电压,Dq为Q-U下垂系数,Qset为设定无功功率,e0为虚拟发电机电抗产生的电势,Q0为实际无功输出;
根据电力系统分析,得到式(3);
根据(1)式,在稳态情况之下,电角速度变化率为零,在有功功率和频率下垂因素影响之下,系统频率变化量为:
根据(2)(3)式,在无功功率和电压下垂因素影响之下,系统电压变化量为:
作为更进一步的技术方案,所述机组并网控制并网时刻的方法如下:
X
d为发电机的同步电抗,X
B为变压器阻抗,X
l为线路阻抗,
为线路两端对地电容。E
q为发电机q轴电动势,U
g为母线电压。令:
Xs=Xd+XB (6)
将上式表达式画在U-I直角坐标系中,第一曲线开始为线性直线,曲线斜率为Xs,第二曲线始终为一条线性直线,斜率为X′c,两条曲线的交点B即为实际运行点;
影响实际运行B点位置的是发电机q轴电动势Eq,Eq越大,发电机暂态和稳态的机端电压也就越高;
联合上式,得到:
令Ug<130%,得到:
当Xs<X′c,Xs+X′c呈现容性,为去磁效应,会出现暂态和稳压过电压现象;
当Xs>X′c,Xs+X′c呈现感性,为助磁效应,不会出现暂态和稳压过电压现象。
作为更进一步的技术方案,该大型燃机储能系统黑启动方法使用黑启动系统,该黑启动系统包括电网系统和连接到电网系统的电池储能系统。
作为更进一步的技术方案,所述电网系统包括厂用6kV高压母线(11)、第一双绕组变压器(12)、第二双绕组变压器(13)、励磁(14)、燃机(15)、负载换相逆变器(16)、三绕组变压器(17)、发电机出口断路器(18)、高压厂用变压器(19)、高厂变开关(20)、燃机主变压器(21)、主变开关(22)、断路开关(23)以及出线开关(24);
第一双绕组变压器(12)的一端、第二双绕组变压器(13)的一端、三绕组变压器(17)的一端均连接到用6kV高压母线(11),第一双绕组变压器(12)的另一端连接负荷,第二双绕组变压器(13)的另一端通过励磁(14)连接到燃机(15),三绕组变压器(17)的另两端连接到负载换相逆变器(16)的一端,负载换相逆变器(16)的另一端连接到燃机(15),高压厂用变压器(19)和高厂变开关(20)连接在燃机(15)和6kV高压母线(11)之间,发电机出口断路器(18)位于负载换相逆变器(16)与燃机(15)的连接点以及高压厂用变压器(19)和燃机(15)的连接点之间,燃机主变压器(21)、主变开关(22)、CB(断路开关)(23)以及出线开关(24)依次串联在发电机出口断路器(18)的后端线路上。
作为更进一步的技术方案,所述电池储能系统包括蓄电池(31)、功率转换系统(32)以及升压变压器(33),蓄电池(31)通过功率转换系统(32)连接到三相升压变压器(33),升压变压器(33)接厂用6kV高压母线(11)。
本发明的优点在于:
本发明首次提出基于VSG环、电流环和电压环控制的PCS综合控制策略,控制精度更高、系统鲁棒性更强。本发明同时首次对黑启动并网稳定性进行具体分析,提出燃机发电机黑启动并网暂态和稳态稳定性需考虑发电机并入空网时刻电压,影响并入空网时刻电压的是发电机q轴电动势Eq,Eq的大小与发电机、变压器以及系统参数相关。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,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。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。
请参阅图2所示,大型燃机储能系统黑启动方法使用黑启动系统,该黑启动系统包括电网系统和电池储能系统。
所述电网系统包括厂用6kV高压母线11、第一双绕组变压器12、第二双绕组变压器13、励磁14、燃机15、LCI(负载换相逆变器)16、三绕组变压器17、GCB(发电机出口断路器)18、高压厂用变压器19、高厂变开关20、燃机主变压器21、主变开关22、CB(断路开关)23以及出线开关24。
第一双绕组变压器12的一端、第二双绕组变压器13的一端、三绕组变压器17的一端均连接到用6kV高压母线11,第一双绕组变压器12的另一端连接负荷,第二双绕组变压器13的另一端通过励磁14连接到燃机15,三绕组变压器17的另两端连接到LCI(负载换相逆变器)16的一端,LCI(负载换相逆变器)16的另一端连接到燃机15,高压厂用变压器19和高厂变开关20连接在燃机15和6kV高压母线11之间,GCB(发电机出口断路器)18位于LCI(负载换相逆变器)16与燃机15的连接点以及高压厂用变压器19和燃机15的连接点之间,燃机主变压器21、主变开关22、CB(断路开关)23以及出线开关24依次串联在GCB(发电机出口断路器)18的后端线路上。
所述电池储能系统包括蓄电池31、PCS(功率转换系统)32以及升压变压器33,蓄电池31通过PCS32连接到三相升压变压器33,升压变压器33接厂用6kV高压母线11。
使用该储能系统所设计的整体启动过程为:大型燃机储能黑启动机组利用蓄电池31作为燃机黑启动电源,实现机组的启动与并网,其蓄电池31输出电压为直流电压,通过PCS32实现蓄电池直流输出电压的逆变功能,随后通过升压变压器33,将通过PCS32输出的电压升高至6kV,接入厂用6kV高压母线11,使6kV厂用电系统受电,并带燃机辅机启动,随后可启动任意一台燃机﹐最后机组并网通过架空线路送出负荷﹐恢复电网供电。
本申请在启动过程的重要改进点在于以下两个方面:
1PCS控制策略优化
PCS(Power Conversion System)为电池储能系统的功率转换系统,实现蓄电池和电网功率交换单元。将蓄电池输出直流电压转换至6kV,需要逆变和升压。对于大型燃机黑启动储能系统,一般多为多组PCS并联运行于同一条厂用高压母线,如图2所示。
对于PCS而言,不仅需要控制输出电压、电流和频率,同时还需要考虑有功和无功功率对频率和电压的影响。据此,本申请提出的PCS控制模型如图3所示。简言之,即通过采样PCS 32输出的电压、电流、电角速度控制PCS32的PMW(脉冲宽度调制)晶闸管导通占空比为ε。
具体方法如下所述。
假设蓄电池是一个虚拟同步发电机VSG(Virtual Synchronous Generator),发电机虚拟直轴同步电抗为Xd,虚拟交轴同步电抗为Xq。同步发电机有功功率P与频率f呈现下垂关系,无功功率Q与频率U也呈现下垂关系,如图4所示。根据P-f下垂关系,可以得到同步发电机运动方程如下:
式中,Pf为给定有功功率,Dp为P-f下垂系数,P为实际有功,J为发电机惯性系数,ω为电角速度,ω0为同步电角速度。
根据Q-U下垂关系,可以得到如下:
Us=Ue+Dq(Qset-Q0)+e0 (2)
式中,Us为输出电压,Ue为额定电压,Dq为Q-U下垂系数,Qset为设定无功功率,e0为虚拟发电机电抗产生的电势,Q0为实际无功输出。
根据电力系统分析,可以得到:
式中,Ud为极坐标中的直轴电压,id为极坐标中的直轴电流,Uq为极坐标中的交轴电压,iq为极坐标中的交轴电流,Xd为直轴电抗,Xq为交轴电抗,Dq为Q-U下垂系数,Qset为设定无功功率,e0为虚拟发电机电抗产生的电势,Q0为实际无功输出。
根据(1)式,在稳态情况之下,电角速度变化率为零,在有功功率和频率下垂因素影响之下,系统频率变化量为:
根据(2)(3)式,在无功功率和电压下垂因素影响之下,系统电压变化量为:
根据上述分析,给出基于VSG控制环、电流环和电压环控制的PCS综合控制策略原理图,如图5所示,在VSG外环中,根据有功和电角度等参数得到实时相位θ,以便于电压电流的极坐标转化。同时VSG环将给定无功功率作为控制对象,依此控制输出电压Ud和Uq,具体算法见式(3)。在电压环中,以VSG环中输出电压为控制对象,通过经典PI控制环节,确定电流输出。同样在电流环中,以电压环输出的电流为被控对象,通过PI控制算法,最终确定直角坐标电压Uid,Uiq,再通过极坐标变换成Uiα,Uiβ。通过电压外环、电流内环实现输出端口电压的控制,以增加系统的控制精度并限制过流,从而最终生成PWM的参考值。
2并网安全性分析
黑启动一般多在外部电网发生较为严重故障之后,大范围电网电压消失。通过具有黑启动能力的电厂先让小部分线路恢复供电,再让其他电厂恢复运行,最后使系统全面恢复供电。当具备黑启动能力的电厂机组启动完成并建立正常机端电压,接下来一个重要的操作就是机组并网,此种情形下的并网与正常情况下具有很大的不同。此时,整个电网处于安全失压状态,线路电压为零。考虑到长线路本身具有较大的对地电容,并网时刻和长期连续运行会产生较大过电压。
图6(a)为发电机黑启动并网电路示意图。发电机带主变零启升压之后,通过主变高压侧断路器并网。
图6(b)中X
d为发电机的同步电抗,X
B为变压器阻抗,X
l为线路阻抗,
为线路两端对地电容。E
q为发电机q轴电动势,U
g为母线电压。令:
Xs=Xd+XB (6)
其等效电路如图6(c)所示。根据图6(c),有:
将上式表达式画在U-I直角坐标系中,如图7所示。曲线1开始为线性直线,曲线斜率为Xs,因为考虑到发电机和变压器铁心饱和因素,当电流逐渐增大,会呈现出饱和现象。曲线2始终为一条线性直线,斜率为Xc'。两条曲线的交点B即为实际运行点。
从图7中可以看出,影响实际运行B点位置的是发电机q轴电动势Eq。作为燃机发电机,发电机机端允许运行电压不超过发电机额定电压的130%,那么控制燃机发电机机端电压的有效途径就是控制发电机q轴电动势Eq,Eq越大,发电机暂态和稳态的机端电压也就越高。
联合上式,得到:
令Ug<130%,得到:
当Xs<X′c,Xs+X′c呈现容性,为去磁效应,会出现暂态和稳压过电压现象;
当Xs>X′c,Xs+X′c呈现感性,为助磁效应,不会出现暂态和稳压过电压现象。
由于当Xs>X′c,Xs+X′c呈现感性,为助磁效应,不会出现暂态和稳压过电压现象。因此本申请只针对Xs<X′c情况下,仿真验证上述理论推理的正确性。
在Matlab中建立燃机发电机黑启动并网模型如图8所示。
令Xs=0.2X′c,根据上述式(11),Eq<10.4%UN。
图9为Matlab中仿真示意图,图9(a)中,令Eq=UN,在并网暂态瞬间最大值Ug=200%UN,并网后稳态Ug=136%UN。图9(b)中,令Eq=10%UN,在并网暂态瞬间最大值Ug=110%UN,并网后稳态Ug=UN。很显然,仿真结果与理论一致,只有当Eq<10.4%UN,发电机并网暂态和稳态电压值小于允许值。
3、燃机黑启动负荷分析
以9F大型燃机为例分析,9F大型燃机容量为300MW,大型燃机启动前需启动主要负荷包括循环水泵、高中压给水泵、凝结水泵、笔试水泵、LCI(静止变频启动装置)等6kV高压电动机;包括顶轴油泵、润滑油泵、液压油泵等380V负荷;同时还需考虑照明、控制电源负荷等。由于9F大型燃机启动负荷较多,以某一燃机启动过程中DCS负荷曲线为例估算大型燃机启动容量,厂用电负荷显著增大主要有三个阶段,第一个为凝结水泵启动,第二个是高压给水泵,第三个是启动LCI,启动期间最大负荷容量为10MW。
在大型燃机黑启动启动过程中,储能系统用作机组的启动电源时,同样应满足如下两个条件:
(1)储能系统蓄电池容量应满足机组启动期间最大负荷容量,并留有一定裕度。
(2)储能系统放电容量,应满足燃机2次启动所需电量,并留有一定裕度。
在大规模储能应用下,全钒液流电池其优点也较为明显。首先全钒液流电池的输出功率和储能容量彼此独立,通过改变储槽中电解液数量,能够满足大规模蓄电储能需求。其次是寿命长。电池正、负极反应均在液相中完成,充、放电过程中电极只起转移电子作用,本身不参与电化学反应,极大地延长了电池的使用寿命。因此本发明采用全钒液流电池作为燃机黑启动启动电源。
综合上述实施方式,可以得到本申请应用于燃机储能系统黑启动的方法:
1、基于VSG环、电压环和电流环复合控制策略的PCS控制系统,可实现无功功率、输出电压和电流的综合控制。
2、考虑到燃机发电机黑启动并网暂态和稳态稳定性要求,需考虑发电机并入空网时刻电压,Eq的大小与发电机、变压器以及系统参数相关。
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。