CN114017248B - 全功率变频抽蓄水轮机工况运行全路径优化方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种全功率变频抽蓄水轮机工况运行全路径优化方法、系统和介质，包括：在水轮机模型综合特性曲线上绘制原型水轮机不同转速对应的若干条等功率曲线；计算每条等功率曲线对应的水轮机加权平均效率，以水轮机加权平均效率最高为原则，获得最终确定的等功率曲线，作为变转速等功率寻优线；在水轮机模型综合特性曲线的效率最优区内确定一单位转速，绘制等单位转速曲线作为最低单位转速启动运行线；根据最低单位转速启动运行线、飞逸特性曲线和变转速等功率寻优线确定水轮机运行全路径。其使水轮机工况全运行范围内高效稳定、并网快捷和启动过程平稳。

Description

全功率变频抽蓄水轮机工况运行全路径优化方法和系统

技术领域

本发明涉及一种全功率变频抽水蓄能机组水轮机工况运行全路径优化方法、系统和介质，属于抽水蓄能技术领域，特别属于全功率变频抽水蓄能技术领域。

背景技术

目前，电力系统呈现出高比例新能源、高比例电力电子化的特点，电力系统在供需平衡、系统调节、控制保护和建设成本等方面都将面临一系列新的挑战。开展“新能源+调节性电源”模式研究以提高电源侧功率的可靠性和稳定性显得尤为重要。

水电是我国装机容量最大的可再生能源，是实现多能互补发电的重要纽带，抽水蓄能电站是公认的寿命周期长、容量大、可靠性高、较为经济、技术成熟、环境友好的储能方式。常规水轮机和可逆式抽水蓄能机组采用同步电机直接并网的方式，机组为定速运行，定速水轮机存在并网慢、启动过程无法避开振动区和抽水蓄能机组水轮机工况加权平均效率相对较低的问题；定速可逆抽水蓄能机组为了满足水泵性能要求选取的同步转速使水轮机实际运行区域偏离最优特性区域，水轮机工况运行效率较低，且部分可逆抽水蓄能机组全特性曲线上存在的S形特性造成水轮机并网困难。20世纪 90年代发展起来的交流励磁变速抽水蓄能机组，其变速范围一般不超过±10％额定转速，虽有限度的改善了水轮机工况运行效率，但仍未解决水轮机工况并网慢，及并网困难，启动过程振动和无法在全运行范围内高效稳定的问题。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种全功率变频抽水蓄能机组水轮机工况运行全路径优化方法、系统和介质，实现了水轮机工况全运行范围内高效稳定、并网快捷和启动过程平稳的目的。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种全功率变频抽蓄水轮机工况运行全路径优化方法，包括：在水轮机模型综合特性曲线上绘制原型水轮机不同转速n_P对应的若干条等功率Q₁₁-n₁₁曲线，其中，Q₁₁是水轮机单位流量，n₁₁是水轮机单位转速；计算每条等功率Q₁₁-n₁₁曲线对应的水轮机加权平均效率，获得水轮机加权平均效率最高的等功率Q₁₁-n₁₁曲线，并将其作为变转速等功率寻优线；依据水轮机模型特性，获得单位转速，绘制等单位转速曲线作为最低单位转速启动运行线；根据最低单位转速启动运行线、飞逸特性曲线和变转速等功率寻优线、确定水轮机运行全路径。

进一步，在获得水轮机运行全路径后，依据水轮机运行全路径和原型水轮机参数，绘制全功率变频抽水蓄能机组水轮机工况变速运转特性曲线。

进一步，原型水轮机不同转速n_P对应的若干条等功率Q₁₁-n₁₁曲线根据以下公式绘制：

其中，γ_P是原型水轮机水的重度；D_P是原型水轮机转轮直径；P_P是原型水轮机功率；η_P是水轮机原型效率。

进一步，全路径包括启动路径和发电运行路径，启动路径为最低单位转速启动运行线与飞逸特性曲线和正常运行时最小导叶开度线交点的连线，发电运行路径为最低单位转速启动运行线与最小导叶开度线和变转速等功率寻优线交点的连线和变转速等功率寻优线上单位转速大于最低单位转速的部分。

进一步，全功率变频抽蓄水轮机工况变速运转特性曲线包括等转速等水头区域和等转速等功率区域。

进一步，等转速等水头区域的获得方法为：在水轮机工况运行水头范围内，给定一系列水头H_P，将最低单位转速启动运行线上的模型参数换算为相应转速下的原型参数；在以原型水轮机功率P_P为横 坐标、水头H_P为纵坐标的水轮机工况变速运转特性曲线上由原型参数绘制等效率线，等开度线和等流量线，由此获得水轮机工况变速运转特性曲线的等转速等水头区域。

进一步，等转速等功率区域的获得方法为：在水轮机工况运行水头范围内，给定一系列水轮机转速n_P，将“变转速等功率寻优线”上的模型参数换算为相应功率下的原型参数；在以原型水轮机功率P_P为横 坐标、水头H_P为纵坐标的水轮机工况变速运转特性曲线上由原型参数绘制等效率线，等开度线和等流量线，由此获得水轮机工况变速运转特性曲线的等转速等功率区域。

本发明还公开了一种全功率变频抽蓄水轮机工况运行全路径优化系统，包括：等功率Q₁₁-n₁₁曲线建立模块，用于在水轮机模型综合特性曲线上绘制原型水轮机不同转速n_P对应的若干条等功率Q₁₁-n₁₁曲线，其中，Q₁₁是水轮机单位流量，n₁₁是水轮机单位转速；变转速等功率寻优线建立模块，用于计算每条等功率Q₁₁-n₁₁曲线对应的水轮机加权平均效率，获得水轮机加权平均效率最高的等功率Q₁₁-n₁₁曲线，并将其作为变转速等功率寻优线；最低单位转速启动运行线建立模块，用于在依据水轮机模型特性，获得单位转速，绘制等单位转速曲线作为最低单位转速启动运行线；全路径输出模块，用于根据最低单位转速启动运行线、飞逸特性曲线和变转速等功率寻优线、确定水轮机运行全路径。

进一步，全路径优化系统还包括：变速运转特性曲线绘制模块，用于绘制全功率变频抽蓄水轮机工况变速运转特性曲线。

本发明还公开了一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，一个或多个程序包括指令，指令当由计算设备执行时，使得计算设备执行根据上述任一项的全功率变频抽蓄水轮机工况运行全路径优化方法。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1、本发明通过对水轮机工况运行全路径优化使水轮机并网十分快捷，缩短开机时间；实现水轮机开机过程的平稳性，延长机组使用寿命。

2、本发明在全运行范围内实现高效稳定运行，大幅提高水轮机的加权平均效率，电站发电效益显著增加。

3、本发明中变速运转特性曲线可快速直观查询水轮机在任一水头下的开启或功率调节或稳态运行时机组对应的最佳转速、最佳导叶开度和对应工况下的过机流量。

4、本发明对常规发电电动机结构无特殊要求，除了可以用于新建抽水蓄能电站和水电站，也可用于已建抽水蓄能电站和水电站的改造升级项目。

附图说明

图1是本发明一实施例中包括原型水轮机不同转速n_P对应的若干条等功率线的水轮机模型综合特性曲线；

图2是本发明一实施例中包括水轮机工况运行全路径的水轮机模型综合特性曲线；

图3是本发明一实施例中变转速运转特性曲线。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方向，通过具体实施例对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，具体实施方式的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。在本发明的描述中，需要理解的是，所用到的术语仅仅是用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明涉及一种全功率变频抽水蓄能机组水轮机工况运行全路径优化方法、系统和可读介质，其基于变转速变导叶开度双寻优的原则，确定水轮机运行范围内不同水头和不同功率运行时所对应的最佳转速和最佳导叶开度，使水轮机实际运行工况均处于水轮机特性的最佳运行区域；设置最佳的水轮机并网转速，以避开全特性曲线上可能存在的S形特性区域；设置合理的从空载开度至小开度部分负荷的运行转速，以避开压力脉动幅值大的区域。其解决了现有抽水蓄能机组水轮机工况启动及运行过程中的一系列问题，最终实现了水轮机工况全运行范围内高效稳定、并网快捷和启动过程平稳的目的。下面结合附图，通过具体实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

实施例一

本发明公开了一种全功率变频抽水蓄能机组水轮机工况运行全路径优化方法，如图1所示，包括：

1、选取原型水轮机参数，在水轮机模型综合特性曲线上绘制原型水轮机不同转速n_P对应的等功率线，即若干条Q₁₁-n₁₁曲线，其中，Q₁₁是水轮机单位流量，n₁₁是水轮机单位转速。

水轮机模型综合特性曲线以单位流量Q₁₁为横 坐标，单位转速n₁₁为纵坐标，曲线上至少包括等导叶开度线、等效率线、等压力脉动线和单位飞逸转速线。图中，等导叶开度线的开度a_oM1<a_oM2<a_oM3<…<a_oMn，等效率线中模型效率η_M*1>η_M*2>η_M*3…> η_M*n，等压力脉动线ΔH₁/H_M<ΔH₂/H_M<ΔH₃/H_M，等功率线Pp(n_p1)＝Pp(n_p2)＝Pp(n_p3)， A是单位飞逸特性曲线，

B是允许的最大压力脉动等值线。

图1是本实施例中为包括原型水轮机不同转速n_P对应的若干条等功率Q₁₁-n₁₁曲线的水轮机模型综合特性曲线。

不同水轮机转速n_P对应的若干条等功率Q₁₁-n₁₁曲线根据以下公式绘制：

其中，γ_P是原型水轮机水的重度；D_P是原型水轮机转轮直径；P_P是原型水轮机功率；η_P是水轮机原型效率。

根据上式，当原型水轮机转轮直径D_P确定之后，给定一个水轮机功率P_P，即可在水轮机模型综合特性曲线上绘制不同转速n_P对应的若干条等功率Q₁₁-n₁₁曲线。

2、计算每条等功率Q₁₁-n₁₁曲线对应的水轮机加权平均效率，最终取其中原型水轮机加权平均效率值最高的Q₁₁-n₁₁曲线，作为变转速等功率寻优线。

变转速等功率寻优线是水轮机模型综合特性曲线上的一条同时满足不同导叶开度下运行轨迹规律性要求和获得原型机运行加权平均效率最高期望值的Q₁₁-n₁₁曲线，该曲线是全功率变频抽水蓄能机组水轮机工况优化发电运行路径在水轮机模型综合特性曲线上的一部分表征。

3、依据水轮机模型特性在最优运行区内选择一单位转速，绘制等单位转速曲线作为最低单位转速启动运行线。

最低单位转速启动运行线是水轮机模型综合特性曲线上的一条同时满足水轮机快速平稳并网和小开度部分负荷高效稳定运行的等单位转速线，其中从并网开度至正常运行最小导叶开度段为全功率变频抽水蓄能机组水轮机工况启动路径、从正常运行最小导叶开度至“变转速等功率寻优线”的交点段为全功率变频抽水蓄能机组水轮机工况发电运行路径的一部分。“最低单位转速启动运行线”是全功率变频抽水蓄能机组水轮机工况优化启动路径和优化发电运行路径的一部分在水轮机模型综合特性曲线上的表征。

本实施例中，最低单位转速启动运行线在水轮机模型综合特性曲线的 (0.95-1.0)n_11opt范围内进行选择，其中，n_11opt是水轮机最优单位转速。在该范围内选取最低单位转速启动运行线能够满足小开度部分负荷高效运行的需要，既能避开允许的最大压力脉动幅值又能获得最低并网单位转速的等单位转速线。

4、根据最低单位转速启动运行线、飞逸特性曲线和变转速等功率寻优线确定水轮机运行全路径。

如图2所示，全路径包括启动路径和发电运行路径，启动路径为最低单位转速启动运行线与飞逸特性曲线的交点①到其与正常运行时最小导叶开度线的交点②的连线，发电运行路径为最低单位转速启动运行线与最小导叶开度线的交点②到其与变转速等功率寻优线的交点③的连线和变转速等功率寻优线上单位转速大于最低单位转速的部分。在任何水头下原型水轮机工况都将遵循这条全路径进行开启和功率调节，稳态运行工况点也都将落在该路径线上。

如图3所示，全功率变频抽水蓄能机组水轮机工况变速运转特性曲线给定了水轮机在任一水头下开启或功率调节或稳态运行时机组对应的最佳转速和最佳导叶开度，一般以功率P_P为横 坐标、水头H_P为纵坐标，包含(但不限于)等开度线、等效率线和等转速线。该曲线由“最低单位转速启动运行线”转换的部分称为“等转速等水头区域”，由“变转速等功率寻优线”转换的部分称为“等转速等功率区域”，两区域的分界开度为图2中“最低单位转速启动运行线”与“变转速等功率寻优线”交点③所对应的导叶开度。

全功率变频抽水蓄能机组水轮机工况变速运转特性曲线依据水轮机模型综合特性曲线上优化的全运行路径和原型水轮机参数确定，包括等转速等水头区域和等转速等功率区域。

等转速等水头区域的获得方法为：在水轮机工况运行水头范围内，给定一系列水头H_P，将“最低单位转速启动运行线”上的模型参数——单位转速n₁₁、单位流量Q₁₁、模型效率η_M*和模型开度a_0M换算为相应转速下的原型参数——功率P_P、原型效率η_P、原型开度a_0P和原型流量Q_P。在以原型水轮机功率P_P为横 坐标、水头H_P为纵坐标的水轮机工况变速运转特性曲线上绘制等效率线、等开度线和等流量线，由此获得水轮机工况变速运转特性曲线的等转速等水头区域。

给定一系列水头H_P，可按下列公式将模型参数换算为相应转速下的原型参数：

转速计算公式(因n₁₁为常数，所以给定一个水头，就对应一个固定的转速)：

流量计算公式：

效率计算公式：

功率计算公式：

导叶开度计算公式，当开度以角度为单位时：

a_0P＝a_0M。

等转速等功率区域的获得方法为：在水轮机工况运行水头范围内，给定一系列水轮机转速n_P，将“变转速等功率寻优线”上的模型参数——单位转速n₁₁、单位流量 Q₁₁、模型效率

和模型开度a_0M换算为相应功率下的原型参数——功率P_P、原型效率η_P、原型开度a_0P和原型流量Q_P。在以原型水轮机功率P_P为横 坐标、水头H_P为纵坐标的水轮机工况变速运转特性曲线上由原型参数绘制等效率线，等开度线和等流量线，由此获得水轮机工况变速运转特性曲线的等转速等功率区域。

在水轮机工况运行范围内，给定一个转速n_P，可按下列公式将模型参数换算为相同功率下的原型参数：

水头计算公式：

流量计算公式：

效率计算公式：

功率计算公式(根据变转速等功率寻优线的定义，给定一个转速，就对应一个固定的功率)：

导叶开度计算公式，当开度以角度为单位时：

a_0P＝a_0M

其中，n₁₁是水轮机单位转速，单位(r/min)；Q₁₁是水轮机单位流量，单位(m³/s)； Q_P是水轮机过机流量，单位(m³/s)；D_P是原型水轮机转轮直径，单位(m)；H_M是模型试验水头，单位(m)；H_P是原型水轮机运行水头，单位(m)；n_P是原型水轮机转速，单位(r/min)；η_M*是水轮机模型效率，单位(％)；η_M*opt是水轮机模型最优效率，单位(％)，下标opt表示最优；η_P是水轮机原型效率，单位(％)，η_P＝η_M*+Δη_M*→P；η_Pmax是水轮机运行区内最高原型效率，单位(％)；Δη_M*→P是水轮机原模型效率修正值，单位(％)；a_0M是模型水轮机导叶开度，单位(°)；a_0P是原型水轮机导叶开度，单位(°)；P_P是原型水轮机功率，单位(kW)；γP是原型水轮机水的重度，单位(kg/m³)；ΔH/H_M是模型试验压力脉动相对幅值，单位(％)。

实施例二

基于相同的发明构思，本实施例公开了一种全功率变频抽蓄水轮机工况运行全路径优化方法系统，包括：

等功率Q₁₁-n₁₁曲线建立模块，用于在水轮机模型综合特性曲线上绘制原型水轮机不同转速n_P对应的若干条等功率Q₁₁-n₁₁曲线，其中，Q₁₁是水轮机单位流量，n₁₁是水轮机单位转速；

变转速等功率寻优线建立模块，用于计算每条等功率Q₁₁-n₁₁曲线对应的水轮机加权平均效率，获得最终确定的原型水轮机加权平均效率值最高的Q₁₁-n₁₁曲线，作为变转速等功率寻优线；

最低单位转速启动运行线建立模块，用于最终确定一单位转速，绘制等单位转速曲线作为最低单位转速启动运行线；

全路径输出模块，用于根据最低单位转速启动运行线、飞逸特性曲线和变转速等功率寻优线确定水轮机运行全路径

变速运转特性曲线绘制模块，用于绘制全功率变频抽蓄机组水轮机工况变速运转特性曲线。

实施例三

基于相同的发明构思，本实施例公开了一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，一个或多个程序包括指令，指令当由计算设备执行时，使得计算设备执行根据上述任一项的全功率变频抽蓄水轮机工况运行全路径优化方法。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等) 上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。上述内容仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为限。

Claims (9)

1.一种全功率变频抽蓄水轮机工况运行全路径优化方法，其特征在于，包括：

在水轮机模型综合特性曲线上绘制原型水轮机不同转速n_P对应的若干条等功率Q₁₁-n₁₁曲线，其中，Q₁₁是水轮机单位流量，n₁₁是水轮机单位转速；

计算每条等功率Q₁₁-n₁₁曲线对应的水轮机加权平均效率，获得所述水轮机加权平均效率最高的等功率Q₁₁-n₁₁曲线，并将其作为变转速等功率寻优线；

依据水轮机模型特性，获得单位转速，绘制等单位转速曲线作为最低单位转速启动运行线；

根据所述最低单位转速启动运行线、飞逸特性曲线和变转速等功率寻优线，确定水轮机运行全路径；

所述全路径包括启动路径和发电运行路径，所述启动路径为所述最低单位转速启动运行线与飞逸特性曲线和正常运行时最小导叶开度线交点的连线，所述发电运行路径为最低单位转速启动运行线与最小导叶开度线和变转速等功率寻优线交点的连线和变转速等功率寻优线上单位转速大于最低单位转速的部分。

2.如权利要求1所述的全功率变频抽蓄水轮机工况运行全路径优化方法，其特征在于，在获得所述水轮机运行全路径后，依据水轮机运行全路径和原型水轮机参数，绘制全功率变频抽蓄水轮机工况变速运转特性曲线。

3.如权利要求1所述的全功率变频抽蓄水轮机工况运行全路径优化方法，其特征在于，所述原型水轮机不同转速n_P对应的若干条等功率Q₁₁-n₁₁曲线根据以下公式绘制：

其中，γ_P是原型水轮机水的重度；D_P是原型水轮机转轮直径；P_P是原型水轮机功率；η_P是水轮机原型效率。

4.如权利要求2所述的全功率变频抽蓄水轮机工况运行全路径优化方法，其特征在于，所述全功率变频抽蓄水轮机工况变速运转特性曲线包括等转速等水头区域和等转速等功率区域。

5.如权利要求4所述的全功率变频抽蓄水轮机工况运行全路径优化方法，其特征在于，所述等转速等水头区域的获得方法为：

在水轮机工况运行水头范围内，给定一系列水头H_P，将最低单位转速启动运行线上的模型参数换算为相应转速下的原型参数；在以原型水轮机功率P_P为横 坐标、水头H_P为纵坐标的水轮机工况变速运转特性曲线上由原型参数绘制等效率线，等开度线和等流量线，由此获得水轮机工况变速运转特性曲线的等转速等水头区域。

6.如权利要求4所述的全功率变频抽蓄水轮机工况运行全路径优化方法，其特征在于，所述等转速等功率区域的获得方法为：

在水轮机工况运行水头范围内，给定一系列水轮机转速n_P，将变转速等功率寻优线上的模型参数换算为相应功率下的原型参数；在以原型水轮机功率P_P为横 坐标、水头H_P为纵坐标的水轮机工况变速运转特性曲线上由原型参数绘制等效率线，等开度线和等流量线，由此获得水轮机工况变速运转特性曲线的等转速等功率区域。

7.一种全功率变频抽蓄水轮机工况运行全路径优化系统，其特征在于，包括：

等功率Q₁₁-n₁₁曲线建立模块，用于在水轮机模型综合特性曲线上绘制原型水轮机不同转速n_P对应的若干条等功率Q₁₁-n₁₁曲线，其中，Q₁₁是水轮机单位流量，n₁₁是水轮机单位转速；

变转速等功率寻优线建立模块，用于计算每条等功率Q₁₁-n₁₁曲线对应的水轮机加权平均效率，获得所述水轮机加权平均效率最高的等功率Q₁₁-n₁₁曲线，并将其作为变转速等功率寻优线；

最低单位转速启动运行线建立模块，用于在依据水轮机模型特性，获得单位转速，绘制等单位转速曲线作为最低单位转速启动运行线；

全路径输出模块，用于根据所述最低单位转速启动运行线、飞逸特性曲线和变转速等功率寻优线，确定水轮机运行全路径；

所述全路径包括启动路径和发电运行路径，所述启动路径为所述最低单位转速启动运行线与飞逸特性曲线和正常运行时最小导叶开度线交点的连线，所述发电运行路径为最低单位转速启动运行线与最小导叶开度线和变转速等功率寻优线交点的连线和变转速等功率寻优线上单位转速大于最低单位转速的部分。

8.如权利要求7所述的全功率变频抽蓄水轮机工况运行全路径优化系统，其特征在于，还包括：变速运转特性曲线绘制模块，用于绘制全功率变频抽蓄水轮机工况变速运转特性曲线。

9.一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，其特征在于，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行根据权利要求1至6任一项所述的全功率变频抽蓄水轮机工况运行全路径优化方法。

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