CN114243728B - 一种Type-II型双馈可变速抽蓄机组的电网小信号分析方法 - Google Patents

一种Type-II型双馈可变速抽蓄机组的电网小信号分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种Type‑II型双馈可变速抽蓄机组，属于抽水蓄能领域。本发明的Type‑II型可变速机组输出功率由水力子系统通过调速器进行控制；转速由电气子系统通过背靠背变流器进行控制，该机组转轴承受“水锤”的影响更小，而转速不受该影响。本发明还建立了Type‑II可变速机组水力子系统和电气子系统的传递函数模型；考虑了可变速机组的频率响应作用，对电网频率响应模型进行改进，改进后的模型更适合应用于含可变速机组的现代电网；基于改进的电网频率响应模型获得输入负载变化与输出频率之间的传递函数，并应用奈奎斯特稳定性判据分析和评估了关键参数变化时系统的稳定性，避免了该可变速机组和电网遭受频率重大崩溃所带来的后果。

Description

一种Type-II型双馈可变速抽蓄机组的电网小信号分析方法
技术领域
本发明属于抽水蓄能领域，更具体地，涉及一种Type-II型双馈可变速抽蓄机组。
背景技术
双馈可变速抽水蓄能机组作为一种先进的水电技术，与传统的定速机组相比，具有功率调节速度快、运行效率高、控制灵活性和可靠性强等优点，已成为一种新的发展方向。可变速机组在控制方面的显着特点是，通过调速器改变导叶开度来调节机组的转速，从而影响水泵水轮机输出的机械功率，而由背靠背变流器通过改变双馈电机的交流励磁电流来控制机组的电磁功率。由于可变速机组具备变速运行的特点，其非常适合于在水头变化范围较宽的电站中应用，因此在世界范围内逐渐获得广泛关注。
然而，由于采用这种控制结构的可变速机组转速由调速器调节，因此当导叶开度变化时，由水泵水轮机的“水锤”效应引起的振荡波或瞬态反向响应将直接施加在转轴上。随着可变速机组单机容量的逐步提升(目前最大容量已超过400MW)，以及随之而来的设计极对数和机组相应转速的降低，转轴所承受的转矩大大提高。转轴上产生的转矩振荡波会导致轴断裂，对机组运行产生严重后果。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种Type-II型双馈可变速抽蓄机组，其目的在于对Type-II可变速机组以及包该机组的电网稳定性进行分析。
为实现上述目的，本发明的一个方面，提供了一种Type-II型双馈可变速抽蓄机组，包括水力子系统和电力子系统，其中，水力子系统包括压力管道、水泵水轮机、转速优化器和调速器；电气子系统包括双馈电机、背靠背变流器和转速回拉控制器；
机组的输出功率通过调速器调节；
机组的转速通过背靠背变流器控制。
本发明还提供的一种含Type-II型双馈可变速抽蓄机组的电网小信号分析方法，包括：
S1.构建水力子系统小信号传递函数模型；所述水力子系统小信号传递函数模型中包括转速优化器模型；
S2.构建电气子系统小信号传递函数模型；所述电气子系统小信号传递函数模型中包括转速回拉控制器模型；
S3.基于水力子系统小信号传递函数模型和电气子系统小信号传递函数模型，构建Type-II型可变速机组频率响应传递函数模型；
S4.基于Type-II型可变速机组频率响应传递函数模型，构建含Type-II型可变速机组的电网频率响应传递函数模型；
S5.基于含Type-II型可变速机组的电网频率响应传递函数模型，对含Type-II型双馈可变速抽蓄机组的电网进行小信号稳定性分析。
进一步地，在水力子系统中的转速优化器模型构建过程为，
01.通过插值法确定在固定水头下水泵水轮机稳态效率曲线解析式：
ai为效率曲线的拟合系数，A为叶轮扫过的面积，Ω为水泵水轮机的转速，R为水泵水轮机的半径，Q为流量，为Q的a9次方，/>为Q的a2次方；
02.计算水泵水轮机有效输出机械功率：
Pm＝η(λ,Q)HQ
η为水泵水轮机的效率，H为水泵水轮机有效水头，λ为中间变量；
03.确定不同流量下水泵水轮机最高效率点与所对应的最佳速度与功率间的关系；
04.在工作点附近取小扰动，并考虑到在稳态下Pm＝Pe，得到在s域中转速优化器的小信号模型为：
ωropt为转子的最佳参考速度，Pe为双馈电机的电磁功率，Nc为双馈电机与水泵水轮机的速比，di为效率曲线的拟合系数，Pe0为稳态工作点的电磁功率。
进一步地，水力子系统小信号传递函数模型为，
Tm、ωs分别为水力子系统的输出机械转矩与输入电网频率，Rp为永态下垂系数，RT为暂态下垂系数，TR为重置时间，Ω0为稳态工作点水泵水轮机的转速，Tw为水锤效应的时间常数，TG为主伺服时间常数。
进一步地，电气子系统中的转速回拉控制器模型为，
其中，ΔTref为双馈电机的输入转矩指令，KpT和KiT分别为转速回拉控制比例和积分参数，ωr为双馈电机的转速。
进一步地，电气子系统传递函数模型为，
Te为电磁转矩，τq为变流器响应时间常数。
进一步地，Type-II型可变速机组频率响应传递函数模型为，
GhRPT(s)为转子运动系统传递函数模型。
进一步地，含Type-II型可变速机组的电网频率响应传递函数模型为，
TL为负载的等效电磁转矩，H∑为所有发电机组的总等效惯性时间常数，D∑为所有发电机组的总等效阻尼系数，TLN为额定负载的等效电磁转矩，STi、SHi和SVi分别为火电机组、水电机组和可变速机组的容量，hTsg(s)调速器的等值模型，hHht(s)为常规水电机组的等值发电机-水轮机系统模型。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果。
(1)本发明采用的Type-II型双馈可变速抽蓄机组结构与控制方式均与传统可变速机组不同；在结构上，传统可变速机组转速优化器位于电气子系统，转速回拉控制器位于水力子系统，而本发明的Type-II型可变速机组转速优化器位于水力子系统，转速回拉控制器位于电气子系统；在控制方式上，传统可变速机组通过变流器直接控制电磁功率、调速器控制机组转速，而本发明的Type-II型可变速机组输出功率由水力子系统通过调速器进行控制；转速由电气子系统通过背靠背变流器进行控制，因此，与传统可变速机组相比，在调速器内通过合理的补偿控制后Type-II可变速机组的转轴承受“水锤”的影响更小，而转速不受该影响。此外，与传统可变速机组迅速的电磁功率响应特性相比，Type-II可变速机组的响应行为与传统同步机组相似，都相对较慢，这使得在电网接入的Type-II可变速机组总装机容量持续增长的背景下，系统频率响应特性几乎保持不变，从而使得某些依赖于电网频率响应特性的控制和保护装置的设置不需要改变。
(2)与常规的针对可变速机组所提出的复杂非线性建模方法不同，本发明通过采用在稳态工作点处进行线性化的方法，所建立的Type-II可变速机组的模型阶数(状态变量的数量)降低。该模型由于简单明了，因此无需了解整个系统的每一个细节，就可以利用其对系统进行分析。
(3)为了克服广泛使用的常规电网频率响应模型仅考虑了同步机组频率响应而忽略了可变速机组响应的不足，本发明考虑了可变速机组的频率响应作用，对电网频率响应模型进行改进，改进后的模型更适合应用于含可变速机组的现代电网。
(4)本发明基于改进的电网频率响应模型获得输入负载变化与输出频率之间的传递函数，并应用奈奎斯特稳定性判据分析和评估了关键参数变化时系统的稳定性，避免了该可变速机组和电网遭受频率重大崩溃所带来的后果。
附图说明
图1为Type-II可变速机组的主要控制结构；
图2为压力管道-水泵水轮机系统的非线性模型；
图3为调速器控制框图；
图4为水泵水轮机功率-转速曲线；
图5为可变速机组水力子系统的简化控制图；
图6为电流内环和脉宽调制环框图；
图7为转速回拉控制框图；
图8为可变速机组电气子系统的简化控制框图；
图9为可变速机组的总体简化控制框图；
图10为含可变速机组的电网改进型频率响应模型；
图11为四机十一节点测试系统；
图12为永态下垂增益Rp分别设置为0.02、0.05和0.08时GVO(s)和GGO(s)的奈奎斯特图；(a)为GVO(s)的奈奎斯特图；(b)为GGO(s)的奈奎斯特图；
图13为比例增益KpT分别设置为7.5、15和30时GVO(s)和GGO(s)的奈奎斯特图；(a)为GVO(s)的奈奎斯特图；(b)为GGO(s)的奈奎斯特图；
图14为积分增益KiT分别设置为0.1、1.0和10时GVO(s)和GGO(s)的奈奎斯特图；(a)为GVO(s)的奈奎斯特图；(b)为GGO(s)的奈奎斯特图；
图15为暂态下垂增益RT分别设置为0.08、0.7和1.5时GVO(s)的奈奎斯特图；(a)为GVO(s)的奈奎斯特图；(b)为放大的GVO(s)奈奎斯特图
图16为暂态下垂增益RT分别设置为0.08、0.7和1.5时GGO(s)的奈奎斯特图；(a)为GGO(s)的奈奎斯特图；(b)为放大的GGO(s)奈奎斯特图；
图17为重置时间TR分别设置为0.1、1和10时GVO(s)的奈奎斯特图；(a)为GVO(s)的奈奎斯特图；(b)为放大的GVO(s)奈奎斯特图；
图18为重置时间TR分别设置为0.1、1和10时GGO(s)的奈奎斯特图；(a)为GGO(s)的奈奎斯特图；(b)为放大的GGO(s)奈奎斯特图；
图19为在不同RP下仿真结果的对比；(a)为可变速机组的电磁转矩；(b)为电网的频率；
图20为在不同KpT下仿真结果的对比；(a)为可变速机组的电磁转矩；(b)为电网的频率；
图21为在不同KiT下仿真结果的对比；(a)为可变速机组的电磁转矩；(b)为电网的频率；
图22为在不同控制参数(Rp和KpT)取值下仿真结果的统计；(a)为永态下垂增益Rp改变；(b)为比例增益KpT改变；
图23为在不同积分参数KiT取值下仿真结果的统计；
图24为在不同RT下仿真结果的对比；(a)为可变速机组的电磁转矩；(b)为电网的频率；
图25为在不同TR下仿真结果的对比；(a)为可变速机组的电磁转矩；(b)为电网的频率；
图26为在不同补偿参数(RT和TR)取值下仿真结果的统计；(a)为暂态下垂增益RT改变；(b)为重置时间TR改变。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明采用了一种结构独特的可变速机组，称为Type-II可变速机组。对于该机组，转速由背靠背变流器直接进行控制，而电磁功率由调速器进行间接控制。因此，与传统可变速机组相比，在调速器内通过合理的补偿控制后Type-II可变速机组的转轴承受“水锤”的影响更小，而转速不受该影响。此外，与传统可变速机组迅速的电磁功率响应特性相比，Type-II可变速机组的响应行为与传统同步机组相似，都相对较慢。这使得在电网接入的Type-II可变速机组总装机容量持续增长的背景下，系统频率响应特性几乎保持不变，从而使得某些依赖于电网频率响应特性的控制和保护装置的设置不需要改变。
然而，与常规同步机组类似，“水锤”效应会出现在Type-II可变速机组的电磁功率上，这将导致调速器补偿控制参数的取值会对整个系统的稳定性产生显着影响。尽管Type-II可变速机组具有上述优点，但其易失稳特性和非线性动态特性对与此类机组相连的电网安全运行造成了潜在威胁。因此，必须进行稳定性分析，以防止该可变速机组和电网遭受频率重大崩溃所带来的后果。
在以往的工作中，对常规可变速机组在机组建模、冗余控制、模式切换控制、运行效率提升等方面进行了广泛而深入的研究。然而，与Type-II型可变速机组相关的研究很少，特别是缺乏对此类机组及含该机组的电网稳定性进行分析的研究。
本发明公开了一种含Type-II型双馈式可变速抽水蓄能机组的电网小信号稳定性分析方法，应用于抽水蓄能电站，具体包括如下的内容：
一、Type-II可变速机组水力系统小信号传递函数模型
图1展示了Type-II可变速机组的主要控制结构。可见，双馈电机由可逆水泵水轮机通过齿轮箱连接其机械轴来驱动。双馈电机的定子绕组通过变压器与电网直接相连，而转子绕组通过背靠背变流器与电网相连。与广泛使用的控制结构相反，本文中的机组输出功率由水力系统通过调速器进行控制，而转速由电气系统通过调节背靠背变流器进行控制。
机组的水力子系统主要包括压力管道、水泵水轮机、转速优化器和调速器。在本节中，在机电暂态的时间尺度范围内，建立了该子系统的小信号传递函数模型。
(1)压力管道-水泵水轮机系统模型
图2给出了压力管道-水泵水轮机系统的非线性模型。该模型假设水柱为非弹性，并完全描述了压力管道和水泵水轮机的主要特征以及其中的水动力学特性。然而，这种非线性模型由于比较复杂，只适合于大信号时域仿真。对于小扰动下系统的稳定性研究，由于压力管道-水泵水轮机系统的传递函数模型简单，因此，本文采用简化的线性模型来表示压力管道-水泵水轮机系统的小信号特性。
假设压力管道非弹性且流体不可压缩，在稳定性研究中具有“非最小相位”响应特性的水泵水轮机模型可表示为
其中，a11,a13为流量对于水头和导叶开度的偏导数，a21,a23为水泵水轮机功率输出对于水头和导叶开度的偏导数，Pm为水泵水轮机的输出功率机械，Y为导叶的机械位置，Tw为水锤效应的时间常数。
对于该方程如果导叶的机械位置发生变化，则会产生与导叶变化方向相反的初始功率冲击，即“水锤效应”。对于理想的无损混流式水轮机a11＝0.5、a13＝1.0、a21＝1.5、a23＝1.0成立，由此可得压力管道-水泵水轮机系统的“经典”传递函数模型如下所示。
(2)调速器模型
调速器的主要作用是通过控制导叶位置来调节机组的输出功率。然而，在动态稳定性分析中如果采用具有简单下垂特性的调速器，水泵水轮机会因“水锤效应”而产生运行不稳定现象。因此，为了控制的稳定性，需要通过暂态下垂对控制器进行补偿。比例-积分-微分(PID)型调速器控制框图如图3所示。
在实际应用中，为避免发电机振荡，往往祛除PID控制器中微分项的作用。因此，在功能上PID型调速器的传递函数可与传统机械液压调速器等效。考虑了永态和暂态下垂效应的控制器简化模型可以通过线性近似方法得到，如下。
其中，Rp为永态下垂系数，RT为暂态下垂系数，TR为重置时间，ωs ref为电网角频率参考。
导叶伺服的传递函数为
其中，TG为主伺服时间常数。
联立(3)和(4)，输出导叶位置和输入电网频率间的传递函数可表示为
其中，ωs为电网角频率。
(3)转速优化模型
在水力子系统中，转速优化器的主要作用是根据当前需要的输出功率计算出转子最优转速。然后电气子系统将最优转速作为参考转速去控制机组转速。转速优化器可以使得机组可以运行在最优效率对应的转速。当机组运行在最优转速时，除了可以提高效率，还可以降低水泵水轮机空蚀、磨损以及机组振动情况，延长机组的使用寿命。
水泵水轮机有效输出机械功率表示为
Pm＝η(λ,Q)HQ (6)
其中，η为水泵水轮机的效率，H为水泵水轮机有效水头，Q为流量。
通过插值法确定的在固定水头下水泵水轮机稳态效率曲线解析式为
其中，ai为效率曲线的拟合系数，A为叶轮扫过的面积，Ω为水泵水轮机的转速，R为水泵水轮机的半径。
水泵水轮机在不同转速和流量下的功率曲线族如图4所示。图中可以看出，不同流量下水泵水轮机最高效率点与所对应的最佳速度与功率间具有隐式关系。通过采用曲线拟合和坐标变换的方法，在不同功率下计算最佳转速的实用化显式解析式可表示为
其中，Nc为双馈电机与水泵水轮机的速比，Nc＝ωr/Ω，ωr为双馈电机的转速，di为效率曲线的拟合系数，Ωopt为水泵水轮机的最佳速度，ωr opt为转子的最佳参考速度。
在工作点附近取小扰动，并考虑到在稳态下Pm＝Pe，则在s域中转速优化器的小信号模型为
其中，Pe为双馈电机的电磁功率。
(4)水泵水轮机转子运动模型
将水体在水轮机中旋转的等效惯性与水轮机固有的惯性相结合，则水泵水轮机的转子运动模型为
其中，Ht为水泵水轮机的等效惯性时间常数，Tm为水泵水轮机机械转矩，Tt为转轴的机械转矩。
(5)可变速机组水力系统传递函数模型
可变速机组水力子系统的简化控制框图如图5所示。假设电网参考频率保持不变，则有Δωs ref＝0。在小扰动情况下，可认为转子转速Ω＝Ω0。根据旋转质体的机械转矩(Tm)、转速(Ω)和机械功率(Pm)间的关系，可得Pm＝Tm·Ω以及Pm＝Tm·Ω0。因此，基于该图所示的控制框图，并结合(2)和(5)，得到可变速机组水力子系统的输出机械转矩与输入电网频率之间的传递函数为
二、Type-II可变速机组电气系统小信号传递函数模型
可变速机组的电气子系统主要包括双馈电机、背靠背变流器和转速回拉控制器。在本节中，在机电暂态的时间尺度范围内建立了该子系统的小信号传递函数模型。
(1)双馈电机模型
忽略双馈电机定子磁通的动态变化，采用定子磁链定向的矢量控制算法，在dq0坐标系中电机的控制模型可利用全状态5阶动态方程表示。与控制相关的双馈电机输出电磁转矩表达式为
其中，Te为电磁转矩，pn为极对数，Lm为等效互感系数，Ls为等效自感系数，ψds为定子磁通的直轴分量，ψqs为定子磁通的交轴分量，idr为转子电流的直轴分量，iqr为转子电流的交轴分量，Um为机组定子电压幅值。
双馈电机的转子运动模型可表示为
其中，Hg为电机的固有惯性时间常数，Dg为电机的阻尼系数。
结合水泵水轮机和双馈电机的转子运动模型，再进行拉普拉斯变换，得到水泵水轮机-双馈电机系统转子运动小信号模型
其中，HV为可变速机组的总惯量时间常数。
(2)背靠背变流器模型
背靠背变流器由网侧变流器和转子侧变流器组成。由于转子侧变流器直接影响双馈电机的电磁转矩，因此本文中仅计及了该侧变流器的控制效果。就组成结构而言，变流器控制器主要分为三部分，即功率控制外环、电流响应内环和脉宽调制环。由于在外环的作用下，双馈电机具有跟踪参考电磁转矩的能力，因此输入参考转矩与输出参考电流的关系可表示为
其中，Tref为电磁转矩参考。
电流内环和脉宽调制环的框图如图6所示。由于电流的q轴分量负责转矩控制，因此在图中仅计入了该分量。在所指定的时间尺度范围内，变流器和双馈电机的电流响应速度相对较快。因此，电流内环的模型可简化为
其中，τq为变流器响应时间常数。
结合(12)、(15)、(16)，背靠背变流器和双馈电机系统的输入转矩指令ΔTref与输出电磁转矩ΔTe的关系为
(3)转速回拉控制模型
转速回拉控制框图如图7所示。可变速机组的转速由速度回拉控制器通过背靠背变流器直接改变双馈电机的输出电磁转矩来控制。通过转速回拉控制器的动作，可变速机组可以跟踪其最佳转速。忽略施加在转矩指令上的滤波作用，速度回拉控制的模型为
其中，KpT和KiT分别为转速回拉控制比例和积分参数。
(4)可变速机组电气子系统传递函数模型
可变速机组的电气子系统简化框图如图8所示。根据该图并结合(17)和(18)，可得前向通道的开环传递函数，即输出电磁转矩Te与输入转速偏差ωr opt-ωr之间的函数关系为
在小扰动下，可以认为转子转速ω＝ωr0，因此可得Pe＝Te·ωr0。由此，结合(9)和(19)，可得可变速机组电气子系统的输出电磁转矩和输入转子转速之间的传递函数为
三、含Type-II可变速机组的电网频率响应模型
本节首先根据前几节建立的子系统模型建立了含可变速机组的电网频率响应传递函数模型。。
(1)可变速机组频率响应传递函数模型
可变速机组的整体简化控制框图如图9所示。根据该图和前几节推导的电气、水力和转子运动系统传递函数模型Ghs(s)、Ges(s)和GhRPT(s)，可得输入电网频率偏差-Δωs(s)和输出电磁转矩增量ΔTe(s)间的开环传递函数模型为
GVO(s)＝Ghs(s)GhRPT(s)Ges(s)(21)
对于可变速机组，-ωs(s)和ΔTe(s)间的小信号闭环传递函数模型为
(2)含可变速机组的电网等值频率响应模型
图10给出了含可变速机组的电网改进型频率响应模型。为简洁，不考虑风电机组的响应作用。改进型频率响应模型与传统模型之间的主要区别在于前者考虑了可变速机组的频率响应作用。因此，改进后的模型更适合应用于含可变速机组的现代电网。在该模型中，常规火电和水电机组群和可变速机组群被等值为3台机组，各机组的等值参数采用加权聚合的方法进行计算。
将火电机组等值为再热式机组，则调速器的等值模型(对于非再热式机组，TRH＝0)为：
常规火电机组的等值发电机-汽轮机系统模型为
其中，δ为火电机组气门开度，TmT为汽轮机机械转矩，FHP为汽轮机高压级功率与汽轮机总功率的比值，TRH为再加热器的时间常数，TCH为主进汽室时间常数。
常规水电机组的等值调速器模型为
常规水电机组的等值发电机-水轮机系统模型为
其中，TmH为水轮机机械转矩，TM为转子的启动时间，KD为电机的阻尼系数。
(3)含可变速机组的电网频率响应传递函数模型
根据所提出的含可变速机组的电网改进型频率响应模型，前向通道的开环传递函数计算式为
其中，HΣ为所有发电机组的总等效惯性时间常数，DΣ为所有发电机组的总等效阻尼系数，STi、SHi和SVi分别为火电机组、水电机组和可变速机组的容量，TLN为额定负载的等效电磁转矩。
H∑和D∑由下式给出
输入功率增量-ΔTL(s)/s与输出电网频率响应Δωs(s)间的闭环传递函数由下式给出
其中，TL为负载的等效电磁转矩。
四、小信号稳定性分析
根据所得的可变速机组和含该机组的电网传递函数模型，影响小信号稳定性的主导因素为可调整控制参数(包括KpT、KiT和RP)及可调整补偿参数(包括RT和TR)。可变速机组和电网的小信号稳定性分析，通过根据图11所示四机十一节点测试系统得到的传递函数模型上开展。系统容量设置为100MVA风电机组、100MVA水电机组、100MVA火电机组和100MVA可变速机组。所得到的传递函数模型小信号稳定性，利用奈奎斯特稳定性判据，在采用不同的控制和补偿参数条件下进行判断。
(1)控制参数对系统稳定性的影响
图12中(a)和(b)、图13中(a)和(b)和图14中(a)和(b)分别给出了Rp、KpT和KiT变化时，用GVO(s)和GGO(s)作出的可变速机组和电网的奈奎斯特图。图中可见，临界点(-1,0)在所有情况下都没有被任何奈奎斯特图轨迹包围。这意味着在所有给定的参数值下不会发生可变速机组和电网的不稳定运行。随着Rp的增加，增益裕度保持不变，而相位裕度略有增加。随着KpT和KiT的增加，两种情况下的增益裕度都略有下降，后一种情况的相位裕度也有所下降。
(2)补偿参数对系统稳定性的影响
图15中(a)和(b)、图16中(a)和(b)、图17中(a)和(b)以及图18中(a)和(b)分别给出了RT和TR变化时，用GVO(s)和GGO(s)作出的可变速机组和电网的奈奎斯特图。图15清楚地表明，当RT＝1.5时，临界点(-1,0)没有被奈奎斯特图轨迹包围。当RT＝0.08和RT＝0.7时，临界点被奈奎斯特图包围，这表明可变速机组的不稳定运行现象会出现。从图16中还可见，当RT＝0.7时，不会产生电网的不稳定运行现象。这背后的主要原因是电网足够强大，可以应对可变速机组对其稳定性造成的影响。从图17可以很明显地看出，当TR＝10时，临界点(-1,0)没有被奈奎斯特图轨迹包围，因此可以保证可变速机组的稳定运行。然而，当TR＝0.1或TR＝1时，临界点周围存在包围圈。换句话说，在这些情况下，可变速机组的运行是不稳定的。观察图18可以看出，当TR＝0.1时，电网运行不稳定，而当TR＝1或TR＝10时，电网运行稳定。对此的合理解释仍然是电网为可变速机组的稳定运行提供了强有力的支撑。随着RT和TR的增加，可变速机组和电网的增益裕度和相位裕度持续增加。它们的增益裕度和相位裕度从代表系统不稳定的初始负值，逐渐增加到代表系统稳定性的正值。
五、仿真结果
通过在MATLAB/Simulink中采用不同的控制和补偿参数来研究可变速机组和含该机组的电网的时域特性。在基于四机十一节点的测试系统中，给定负载功率增量0.01p.u.，并分析了系统的小信号稳定性。
(1)控制参数对系统时域稳定性的影响
图19中(a)和(b)、图20中(a)和(b)和图21中(a)和(b)给出了负载变化时，不同RP、KpT和KiT取值下可变速机组的电磁转矩和电网频率的仿真结果。可见，在所有情况下，可变速机组和电网都可以保持稳定。图22中(a)和(b)和图23给出了不同控制参数(Rp、KpT和KiT)取值下仿真结果的统计。图中的纵坐标代表对应的变量增量占最大变化量(不稳定条件下的最大增量)的百分比。在所有情况下，可变速机组的每个变量的增量都比较小(<12％)，这意味着这些变量是稳定的。这些图中显示的仿真结果与通过上一节中的奈奎斯特稳定性准则获得的结果一致。
(2)补偿参数对系统时域稳定性的影响
图24中(a)和(b)以及图25中(a)和(b)给出了在不同的RT和TR取值下可变速机组的电磁转矩和电网频率的仿真结果，图26中(a)和(b)展示了对应仿真结果的统计数据。很明显，当RT＝0.08或TR＝0.1时，这些变量的增量非常大(≈100％)，这意味着可变速机组和电网的运行变得不稳定。而当RT＝1.5或TR＝10时，可变速机组和电网的运行保持稳定。这些结果与先前通过奈奎斯特稳定性准则分析获得的结果一致。然而，还可以看到，当RT＝0.7或TR＝1时，可变速机组的运行是稳定的，这个结果与奈奎斯特稳定性准则分析的结果正好相反。该现象的主要原因是，在仿真中可变速机组为并网运行模式而非孤岛运行，因此机组得到了电网的强劲支撑，由此保持了稳定性。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种Type-II型双馈可变速抽蓄机组的电网小信号分析方法，所述Type-II型双馈可变速抽蓄机组包括水力子系统和电力子系统，其特征在于，水力子系统包括压力管道、水泵水轮机、转速优化器和调速器；电气子系统包括双馈电机、背靠背变流器和转速回拉控制器；机组的输出功率通过调速器调节；机组的转速通过背靠背变流器控制；
所述电网小信号分析方法包括：
S1.构建水力子系统小信号传递函数模型；所述水力子系统小信号传递函数模型中包括转速优化器模型；
所述转速优化器模型的构建过程为：
01.通过插值法确定在固定水头下水泵水轮机稳态效率曲线解析式：
λi＝[a3/(λ+0.089)-a4]-1,
ai为效率曲线的拟合系数，A为叶轮扫过的面积，Ω为水泵水轮机的转速，R为水泵水轮机的半径，Q为流量，为Q的a9次方，/>为Q的a2次方；
02.计算水泵水轮机有效输出机械功率：
Pm＝η(λ,Q)HQ
η为水泵水轮机的效率，H为水泵水轮机有效水头，λ为中间变量；
03.确定不同流量下水泵水轮机最高效率点与所对应的最佳速度与功率间的关系；
04.在工作点附近取小扰动，并考虑到在稳态下Pm＝Pe，得到在s域中转速优化器的小信号模型为：
ωr opt为转子的最佳参考速度，Pe为双馈电机的电磁功率，Nc为双馈电机与水泵水轮机的速比，di为效率曲线的拟合系数，Pe0为稳态工作点的电磁功率；
水力子系统小信号传递函数模型为：
Tm、ωs分别为水力子系统的输出机械转矩与输入电网频率，Rp为永态下垂系数，RT为暂态下垂系数，TR为重置时间，Ω0为稳态工作点水泵水轮机的转速，Tw为水锤效应的时间常数，TG为主伺服时间常数；
S2.构建电气子系统小信号传递函数模型；所述电气子系统小信号传递函数模型中包括转速回拉控制器模型；
所述转速回拉控制器模型为：
其中，ΔTref为双馈电机的输入转矩指令，KpT和KiT分别为转速回拉控制比例和积分参数，ωr为双馈电机的转速；
电气子系统小信号传递函数模型为：
Te为电磁转矩，τq为变流器响应时间常数；
S3.基于水力子系统小信号传递函数模型和电气子系统小信号传递函数模型，构建Type-II型可变速机组频率响应传递函数模型；
Type-II型可变速机组频率响应传递函数模型为：
GhRPT(s)为转子运动系统传递函数模型；
S4.基于Type-II型可变速机组频率响应传递函数模型，构建含Type-II型可变速机组的电网频率响应传递函数模型；
含Type-II型可变速机组的电网频率响应传递函数模型为：
TL为负载的等效电磁转矩，H∑为所有发电机组的总等效惯性时间常数，D∑为所有发电机组的总等效阻尼系数，TLN为额定负载的等效电磁转矩，STi、SHi和SVi分别为火电机组、水电机组和可变速机组的容量，hTsg(s)调速器的等值模型，hHht(s)为常规水电机组的等值发电机-水轮机系统模型；
S5.基于含Type-II型可变速机组的电网频率响应传递函数模型，对含Type-II型双馈可变速抽蓄机组的电网进行小信号稳定性分析。
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Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103779870A (zh) * 2014-01-16 2014-05-07 华北电力大学 一种考虑尾水管水压脉动情况的水电孤岛频率抑制方法
CN113471988A (zh) * 2021-06-30 2021-10-01 武汉大学 一种基于抽水工况下双馈可变速抽蓄机组机电暂态模型的有功-频率耦合控制方法

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