CN114333516A - 一种可变速抽水蓄能水机电控制耦合的物理模型实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可变速抽水蓄能水机电控制耦合的物理模型实验装置，其特征在于：包括模型实验管道系统、供回水系统、可变速抽水蓄能机组、调速器系统、变流器系统、协联控制装置、调相压水系统、数据采集系统、智能负载系统和监控系统。本发明的目的是提供一种可变速抽水蓄能水机电控制耦合的物理模型实验装置，能够满足原型电站所有运行工况的测试需求外，且满足在原型电站中不能或不敢进行的超运行范围工况和极端工况的实验条件，帮助深入挖掘机组变速运行的技术优势、实证可变速机组各工况运行性能。

Description

一种可变速抽水蓄能水机电控制耦合的物理模型实验装置

技术领域

本发明涉及抽水蓄能电站模型试验技术领域，具体涉及一种可变速抽水蓄能水机电控制耦合的物理模型实验装置。

背景技术

可变速抽水蓄能机组以其优越的动态性能和技术优势已成为全球抽水蓄能行业新的发展方向，现有技术中，对可变速抽水蓄能技术的研究大多基于数值仿真手段，而缺少必要的真机验证或物理模型实验，严重制约了可变速抽水蓄能技术的发展。根据IEC60193标准，开展物理模型实验是可变速机组投产的关键步骤，直接决定了可变速机组运行的安全性、可靠性和稳定性。采用真机验证或物理模型实验存在以下难点：(1)目前全球范围内可运行的可变速抽水蓄能电站数量较少，且真实电站多以生产盈利为主，现场实验具有一定风险且时间成本较高，在上述电站开展真机实证难度较大；(2)物理模型实验台建设成本较高、试验周期较长，尤其是可变速抽水蓄能机组动态特性物理模型实验台需要考虑不同的子系统。

国内外开展抽水蓄能机组物理模型试验主要分为三种形式：(1)以哈电、东电、福伊特等大型水力机械制造厂商、瑞士洛桑联邦理工(EPFL)和挪威科技大学(NTNU)为代表的针对水轮机/水泵水轮机运行特性开展模型试验研究，模型实验台仅以设置相应模型机组为主，研究水力机械的能量特性、空化特性、压力脉动特性及飞逸特性，不考虑输水管道、调压室、管路布置形式对机组特性和动态性能影响；(2)以清华大学、河海大学等国内外各水力学实验室为代表的针对电站全过流管道系统的过渡过程开展的模型实验研究，该类试验以阀门代替水轮机/水泵水轮机，忽略了水力机械过流特性对输水管道各特征节点对过渡过程的影响；(3)以瑞典乌普萨拉大学和英国曼彻斯特大学等高校为代表的水力发电机(交流电机) 模型实验，该类实验采用电机对拖实验方式，着重研究双馈异步电机特性及交流励磁控制策略，不考虑水力机械及管路系统的影响。

然而，可变速抽水蓄能技术改变了传统抽水蓄能电站中水-机-电-控制多个物理量的耦合模式与响应特性，其过渡过程是水力、机械、电气、控制等子系统相互协调、相互影响的复杂动态过程，忽略其中任何一个子系统，将对模型试验结果产生不利影响。

发明内容

根据现有技术的不足，本发明的目的是提供一种可变速抽水蓄能水机电控制耦合的物理模型实验装置，能够对可变速机组各工况运行性能进行测试，且具备能够满足在原型电站中不能或不敢进行的超运行范围工况和极端工况的实验条件。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种可变速抽水蓄能水机电控制耦合的物理模型实验装置，包括模型实验管道系统、供回水系统、可变速抽水蓄能机组、调速器系统、变流器系统、协联控制装置、调相压水系统、数据采集系统、智能负载系统和监控系统；

所述供回水系统与所述模型实验管道系统相连，用于实现物理模型实验装置的水流循环流动；

所述可变速抽水蓄能机组与所述模型实验管道系统相连，通过所述模型实验管道系统为所述可变速抽水蓄能机组提供实验用水，所述模型实验管道系统用于观测所述可变速抽水蓄能机组水力瞬变特性，所述可变速抽水蓄能机组用于测试能量特性、空化特性和压力脉动特性；

所述调速器系统与所述可变速抽水蓄能机组的水泵水轮机导叶连接，用于调节所述可变速抽水蓄能机组流量；

所述变流器系统与所述可变速抽水蓄能机组的双馈异步电机连接，用于发电电动机的交流励磁和并网调节；

所述调相压水系统与可变速抽水蓄能机组的水泵水轮机相连，用于水泵自启动工况的调相压水；

所述数据采集系统用于实时采集整个物理模型实验装置的传感器信号；

所述智能负载系统与所述可变速抽水蓄能机组的双馈异步电机定子出口连接，用于测试可变速抽水蓄能机组在孤网运行的动态特性；

所述监控系统用于对整个物理模型实验装置实施运行管理、数据处理、实时监视和控制功能；

所述协联控制装置与所述监控系统、所述调速器系统和所述变流器系统相连，接受所述监控系统指令，通过工况点寻优，分别将最优开度信号和最优转速信号传递给所述调速器系统和所述变流器系统。

进一步地，所述模型实验管道系统包括上游封闭式压力罐、上游侧有压引水管道、下游侧尾水管道、多功能下游水箱和调压室，所述上游侧有压引水管道一端与所述上游封闭式压力罐相连，另一端与所述可变速抽水蓄能机组的水泵水轮机相连，所述可变速抽水蓄能机组的水泵水轮机与所述下游侧尾水管道的一端相连，所述下游侧尾水管道的另一端与多功能下游水箱相连，所述下游侧尾水管道上设置调压室。

进一步地，所述模型实验管道系统还包括伸缩节，第一伸缩节设在尾水管扩散段与下游侧尾水管道之间，第二伸缩节布置在蜗壳与上游侧有压引水管道之间，所述伸缩节用于缓解管道对可变速抽水蓄能机组的水击压力。

进一步地，所述的供回水系统由变频泵系统、总供水管道、上游供水管道、上游排水管道、下游供水管道、下游排水管道、补泄水管道、下游溢流管道、地下水库和供水泵，所述变频泵系统用于给上游封闭式压力罐提供恒定的可调的上游水压，所述供水泵通过总供水管道给所述上游封闭式压力罐和所述多功能下游水箱供水，所述上游供水管道和所述上游排水管道分别用于给所述上游封闭式压力罐供水和排水，所述下游供水管道和所述下游排水管道用于所述多功能下游水箱的供水和排水，所述补泄水管道与所述多功能下游水箱相连用于波浪扰动下所述多功能下游水箱流量的补充和外泄，所述下游溢流管道与所述多功能下游水箱的溢流栅相连，用于所述多功能下游水箱水位跟踪溢流栅运动，多余流量从所述下游溢流管道溢出。

进一步地，所述物理模型实验装置包括发电模式和抽水模式，发电模式包括：

步骤101：所述多功能下游水箱充水；

步骤102：所述上游封闭式压力罐充水；

步骤103：所述可变速抽水蓄能机组按发电工况流程启动，所述上游封闭式压力罐水经所述模型实验管道系统流向所述多功能下游水箱，水流带动水泵水轮机发电，所述多功能下游水箱的水漫过溢流堰经下游溢流管道流到地下水库；

抽水模式包括：

步骤201：所述上游封闭式压力罐充水；

步骤202：所述多功能下游水箱充水；

步骤203：所述可变速抽水蓄能机组按抽水工况流程启动，打开流量调节阀，水泵水轮机从所述多功能下游水箱抽水经所述模型实验管道系统至所述上游封闭式压力罐，所述上游封闭式压力罐水通过上游排水管道至地下水库；

步骤204：通过调速器调节流量调节阀的开度，可以改变水泵水轮机的流量，通过变流器变速运行调节水泵水轮机入力。

进一步地，所述可变速抽水蓄能机组包括机组支撑平台、可变速水泵水轮机、双馈异步电机和飞轮装置，所述机组支撑平台用于固定可变速水泵水轮机、双馈异步电机和飞轮装置，所述可变速水泵水轮机与所述双馈异步电机相连，通过所述可变速水泵水轮机将水能转换为机械能，所述飞轮装置用于为所述可变速抽水蓄能机组提供不同的旋转惯性，测试所述可变速抽水蓄能机组在不同惯性时间常数下的动态特性。

进一步地，所述协联控制装置包括自动模式和手动模式，在自动模式下，协联控制器通过基于BP神经网络的最优效率追踪策略，对最优转速和最优开度的实时最优化求解；在手动模式下，通过协联控制装置上位机屏柜能够自主设置机械转速值和导叶开度值适应多场景实验需求，所述协联控制装置将所得最优机械转速和最优导叶开度分别送至所述变流器系统和所述调速器系统，实现转速调节和开度调节。

进一步地，所述调相压水系统包括空压机、储气罐、主压气电磁阀和排气回水电磁阀，所述储气罐与所述空压机连通，所述空压机用于与可变速抽水蓄能机组连通，所述主压气电磁阀用于可开闭式连通于所述空压机与可变抽水蓄能机组之间，所述排气回水电磁阀用于连通于所述主压气电磁阀与所述可变抽水蓄能机组之间，所述排气回水电磁阀用于排水和排气。

进一步地，所述调相压水系统包括水泵自启动的调相压水阶段和排气回水阶段。

进一步地，所述监控系统包括主控制层和现地控制单元层，通过所述主控制层实现远程控制模式，通过所述现地控制单元层实现现地控制模式，所述主控制层和所述现地控制单元层之间采用快速交换式双以太网络总线进行数据通讯；所述主控制层能够对模型实验装置各子系统的设备运行进行管理、数据处理、实时运行监视和控制，用于一键启机、常规运行、基本调节等操作；所述现地控制单元层在主控制层发生故障时，能够独立完成对模型实验装置的操作和控制，还适用于发电模式和抽水模式各实验场景下的试错和极端工况实验操作。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

1.本发明所述的一种可变速抽水蓄能水机电控制耦合的物理模型实验装置，具有完整的水机电控制各子系统的可变速抽水蓄能动态特性模型实验装置，主要用于对可变速抽水蓄能电站设计、调试及运行中存在的共性技术问题，开展机理性、规律性科学研究，旨在为后续我国可变速抽水蓄能电站的实际建设与运行奠定理论基础和提供技术参考。

2.本发明所述的一种可变速抽水蓄能水机电控制耦合的物理模型实验装置，能够进行真实电站正常运行的所有工况实验外，还具备了真实电站中不能进行的超范围实证实验及不敢运行的高风险极端工况实验。通过动态特性模型实验可分析抽水蓄能机组变速运行中的效率性能、出力性能、入力性能、压力脉动性能和变速性能，探讨过渡过程动态特性，有助于深入挖掘可变速抽水蓄能机组的技术优势。

附图说明

图1为本发明的整体结构框图。

图2为本发明整体结构示意图。

图3为本发明模型实验管道系统和供回水系统布置图。

图4为本发明可变速抽水蓄能机组的结构示意图。

图5为本发明电动接力器装置。

图6为本发明变流器系统控制示意图。

图7为本发明变流器系统与其他子系统连接示意图。

图8为本发明协联控制装置信号流图。

图9为本发明调相压水系统示意图。

具体实施方式

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清楚、完整地描述。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

一种可变速抽水蓄能水机电控制耦合的物理模型实验装置，参照图1和图2所示，包括模型实验管道系统、供回水系统、可变速抽水蓄能机组、调速器系统、变流器系统、协联控制装置、调相压水系统、数据采集系统、智能负载系统35和监控系统11。

具体地，供回水系统与模型实验管道系统相连，用于实现物理模型实验装置的水流循环流动。

可变速抽水蓄能机组与模型实验管道系统相连，通过模型实验管道系统为可变速抽水蓄能机组提供实验用水，模型实验管道系统用于观测可变速抽水蓄能机组水力瞬变特性，可变速抽水蓄能机组用于测试能量特性、空化特性和压力脉动特性。

调速器系统与可变速抽水蓄能机组的水泵水轮机导叶连接，用于调节可变速抽水蓄能机组流量。

变流器系统与可变速抽水蓄能机组的双馈异步电机22连接，用于发电电动机的交流励磁和并网调节。

调相压水系统与可变速抽水蓄能机组的水泵水轮机相连，用于水泵自启动工况的调相压水。

数据采集系统用于实时采集整个物理模型实验装置的传感器信号。

智能负载系统35与可变速抽水蓄能机组的双馈异步电机22定子出口连接，用于测试可变速抽水蓄能机组在孤网运行的动态特性。

监控系统11用于对整个物理模型实验装置实施运行管理、数据处理、实时监视和控制功能。

协联控制装置与监控系统11、调速器系统和变流器系统相连，接受监控系统11指令，通过工况点寻优，分别将最优开度信号和最优转速信号传递给调速器系统和变流器系统。

本发明是具有完整水机电控制各子系统的可变速抽水蓄能动态特性模型实验装置，主要用于对可变速抽水蓄能电站设计、调试及运行中存在的共性技术问题，开展机理性、规律性科学研究，旨在为后续我国可变速抽水蓄能电站的实际建设与运行奠定理论基础和提供技术参考。

除此之外，本发明能够进行真实电站正常运行的所有工况实验外，还具备了真实电站中不能进行的超范围实证实验及不敢运行的高风险极端工况实验。通过动态特性模型实验可分析抽水蓄能机组变速运行中的效率性能、出力性能、入力性能、压力脉动性能和变速性能，探讨过渡过程动态特性，有助于深入挖掘可变速抽水蓄能机组的技术优势。

下面对模型实验管道系统进行详细地描述。

模型实验管道系统包括上游封闭式压力罐1、上游侧有压引水管道2、下游侧尾水管道3、多功能下游水箱4和调压室，上游侧有压引水管道2一端与上游封闭式压力罐1相连，另一端与可变速抽水蓄能机组的水泵水轮机相连，可变速抽水蓄能机组的水泵水轮机与下游侧尾水管道3的一端相连，下游侧尾水管道3的另一端与多功能下游水箱4相连，下游侧尾水管道3上设置调压室。

模型实验管道系统还包括伸缩节，第一伸缩节5尾水管扩散段与下游侧尾水管道3之间，第二伸缩节6布置在蜗壳25与上游侧有压引水管道2之间，伸缩节用于缓解管道对可变速抽水蓄能机组的水击压力。

本发明实施例中，根据原型大万山抽水蓄能电站管道拓扑结构按1:4模型比尺进行相应布置，管路布置参数表如表1所示：

表1模型实验管道分段参数表

本发明实施例中，为了对各个管道进行调节，上游封闭式压力罐1直接与上游侧有压引水管道2连接，中间设置电动蝶阀；上游侧有压引水管道2与可变速抽水蓄能机组的水泵水轮机连接，中间设置电动球阀30；可变速抽水蓄能机组的水泵水轮机与下游侧尾水管道3相连，中间设置伸缩节，缓解过渡过程中水锤压力冲击；下游侧尾水管道3与多功能下游水箱 4相连，中间设置调压室，用于观测过渡过程中调压室涌浪波动特性。

下面对供回水系统进行详细地描述。

如图2所示，供回水系统由变频泵系统8、总供水管道、上游供水管道9、上游排水管道10、下游供水管道、下游排水管道17、补泄水管道18、下游溢流管道16、地下水库19和供水泵20，变频泵系统8用于给上游封闭式压力罐1提供恒定的可调的上游水压，供水泵20 通过总供水管道给上游封闭式压力罐1和多功能下游水箱4供水，上游供水管道9和上游排水管道10分别用于给上游封闭式压力罐1供水和排水，下游供水管道和下游排水管道17用于多功能下游水箱4的供水和排水，补泄水管道18与多功能下游水箱4相连用于波浪扰动下多功能下游水箱4流量的补充和外泄，下游溢流管道16与多功能下游水箱4的溢流栅相连，用于多功能下游水箱4水位跟踪溢流栅运动，多余流量从下游溢流管道16溢出。

本发明中，供回水系统需满足模型实验装置发电和抽水两种工作模式下的实验水头和引用流量；

发电模式下水流循环流动方向如图3实线箭头所示，发电模式的步骤如下：

步骤101：多功能下游水箱4充水；

步骤102：上游封闭式压力罐1充水；

步骤103：可变速抽水蓄能机组按发电工况流程启动，上游封闭式压力罐1水经模型实验管道系统流向多功能下游水箱4，水流带动水泵水轮机发电，多功能下游水箱4的水漫过溢流堰34经下游溢流管道16流到地下水库19。

在步骤101中，下游供水阀和下游补水阀打开，上游供水阀和下游排水阀关闭，供水泵 20从地下水库19抽水经下游供水管道、补泄水管道18至多功能下游水箱4，待水流经下游溢流管道16溢出后，关闭下游供水阀。

在步骤102中，打开上游供水阀、排气阀14，微开流量调节阀至8％开度，供水泵20抽水经上游供水管道9至上游封闭式压力罐1，待上游排水管道10出水后关闭排气阀14，在变频控制柜上设置上游压力，启动变频泵系统8，在变频控制下使上游压力稳定在设定值。

抽水模式下水流循环流动方向如图2虚线箭头所示，抽水模式的操作步骤如下：

步骤201：上游封闭式压力罐1充水；

步骤202：多功能下游水箱4充水；

步骤203：可变速抽水蓄能机组按抽水工况流程启动，打开流量调节阀，水泵水轮机从多功能下游水箱4抽水经模型实验管道系统至上游封闭式压力罐1，上游封闭式压力罐1水通过上游排水管道10至地下水库19；

步骤204：通过调速器调节流量调节阀的开度，可以改变水泵水轮机的流量，通过变流器变速运行可以调节水泵水轮机入力，从而在模型实验装置上实现抽水模式下运行工况点在水泵全运行范围甚至超运行范围内灵活迁移。

在步骤201中，打开上游供水阀、排气阀14，微开流量调节阀至8％开度，下游供水阀关闭，供水泵20抽水经上游供水管道9至上游封闭式压力罐1，待上游排水管道10出水后关闭排气阀14和流量调节阀。

在步骤202中：上游供水阀关闭，下游供水阀和下游补水阀打开，上游供水阀和下游排水阀关闭，供水泵20从地下水库19抽水经下游供水管道、补泄水管道18至多功能下游水箱 4。

本发明能够用于研究可变速抽水蓄能机组发电和抽水模式不同工况下运行策略，包括水轮机开机非同步转速启动并网策略、水泵自启动变流器和调速器协同运行策略和极端工况下导叶动作规律，为可变速机组调试及运行积累经验。

本发明的抽水模式下，模型实验装置具备开度调节(调速器实现)、转速调节(变流器实现)、流量调节(上游封闭式压力罐1流量控制系统实现)三种调节方式，可以实现水泵工况点在全运行范围内灵活迁移，能有效揭示变速抽水蓄能机组水泵工况协联运行关系，流量、扬程与出力之间的对应关系。

下面对可变速抽水蓄能机组进行详细地描述。

可变速抽水蓄能机组包括机组支撑平台23、可变速水泵水轮机21、双馈异步电机22和飞轮装置24，机组支撑平台23用于固定可变速水泵水轮机21、双馈异步电机22和飞轮装置 24，可变速水泵水轮机21与双馈异步电机22相连，通过可变速水泵水轮机21将水能转换为机械能，飞轮装置24用于为可变速抽水蓄能机组提供不同的旋转惯性，测试可变速抽水蓄能机组在不同惯性时间常数下的动态特性。

具体地，可变速水泵水轮机21包括蜗壳25、固定导叶51、活动导叶52、导叶控制拐臂 53、可逆式转轮54、传动主轴27、机玻璃锥管55水管及扩散段26。

机组支撑平台23分为顶层、中层和下层；双馈电机固定在机组支撑平台23顶层；可逆式水泵水轮机21通过蜗壳25与机组支撑平台23的大板螺栓连接，悬挂在支撑平台下层；飞轮装置24安装在双馈异步电机22与可逆式水泵水轮机21之间，通过静压轴承固定在机组支撑平台23中层。

可变速抽水蓄能机组在发电模式和抽水模式下运行方式不同，具体地，在发电模式下，调速器系统通过导叶控制拐臂带动活动导叶开启，上游封闭式压力罐1中的水经过上游侧有压引水管道2、球阀30、蜗壳25流入转轮室中，冲击可逆式转轮54旋转，可逆式转轮54带动传动主轴27并将水力矩传递给双馈异步电机22，双馈异步电机22在变流器系统的交流励磁控制下将水力矩转换为电磁力矩，并将电能传输给电网15或智能负载；水流经有机玻璃锥管、尾水管及扩散段26流至下游侧尾水管道3，最后流入到多功能下游水箱4中。

在抽水模式下，调相压水系统通过充气压水将转轮室中的水压至转轮以下，变流器系统带动水泵水轮机旋转升速，当转速达到并网转速后，变流器系统控制双馈异步电机22同期并网，调相压水系统通过排气回水将可逆式转轮浸没在水中，双馈异步电机22将电能转换成旋转机械能，通过传动主轴27带动可逆式转轮旋转，将水流从多功能下游水箱4抽入上游封闭式压力罐1中，最终实现电能到水流势能的能量转换。

本发明实施例中，水泵水轮机和双馈电机的运行参数表如表2所示。

表2水泵水轮机和双馈电机主要运行参数表

本发明中，适应多种转动惯量比尺的飞轮装置24根据水力机械系统和电气系统的不同模型相似率可灵活改变配重，用于不同转动惯量实验需求。

下面对调速器系统进行详细地描述。

调速器系统包括调速控制柜29、球阀30和接力器装置28，调速控制柜29采用可编程逻辑控制器12，能够实现球阀30开度和水泵水轮机导叶开度的同步调节。

以业内广泛使用的WDT-1000型水泵水轮机调速器为例，其具备机组频率调节、开度调节和功率调节三种模式；可设置比例、积分、微分控制参数用于三种调节模式的自动控制；也可设置导叶和球阀30的关闭规律用于甩负荷或停机工况的过渡过程实验；

以开度调节为例，所述调速器系统的具体运行方式为可编程逻辑控制器12根据最优开度设定值和实际开度反馈值的偏差，通过PID控制计算出接力器行程信号，并将信号传递给电动接力器装置28，电动接力器装置28的伺服电机根据接力器行程信号，精准控制活动导叶动作，活动导叶的开度值实时反馈给可编程逻辑控制器12构成闭环调节；

如图5所示，本实施例采用后摆式电动接力器装置28，省略了油系统，实现了模型实验装置导叶的精准、灵活、快速调节；

如图6所示，变流器系统由断路器、换相开关、滤波器、电网侧变流器39、直流母线40、转子侧变流器38、电压和电流传感器及相应的控制系统组成；双馈电机的转子经转子侧变流器38、直流母线40、电网侧变流器39、滤波器、断路器与电网15相连；定子则直接通过断路器、换相开关等与电网15相连，其中，QS3为发电换相开关，QS4为抽水换相开关，在不同的工况下应投入不同的接触器以保证机组定子相序与电网15一致；在机组水泵工况自启动时，应投入定子短路开关，由变流器调节转子励磁电流的幅值、相位和频率，使定子侧感应磁场，依靠旋转磁场的频率差值拖动水泵水轮机逐渐升速；

变流器系统中断路器为双馈异步电机22与电网15的连接开关，换相开关负责可变速抽水蓄能机组抽水和发电两种模式的相序切换，滤波器作用为抑制电压谐波，电网侧变流器39 负责将交流电转换为直流电，转子侧变流器38负责将直流电转换为交流电，电压和电流传感器属于电气二次设备，负责定转子电压、电流的实时采集；

变流器系统还具有电气保护功能，在温升超限、低电压穿越、三相短路等故障情况下能自动触发停机保护；

变流器系统分为上位机32和下位机，具备远程和本地两种工作模式；如图7所示，在远程模式下变流器通过光纤33通讯接受协联控制装置的最优转速值并进行转速调节，在本地模式下可以在上位机32屏柜上自主设定机械转速、无功功率设定值，但机械转速和无功功率的设定需在合理范围内；

机械转速信号通过码盘电缆送入到变流器系统中，实现机械转速的闭环反馈。

下面对协联控制装置进行详细地描述。

协联控制装置由可编程逻辑控制器12及其外围I/O接口组成；如图8和图9所示，协联控制装置的输入信号为工作水头、机组功率设定值，输出信号为最优开度信号、最优机械转速信号。

如图8所示，协联控制装置具备自动和手动两种模式，在自动模式下协联控制器采用基于BP神经网络的最优效率追踪策略，实现了最优转速和最优开度的实时最优化求解；在手动模式下，通过协联控制装置上位机32屏柜可以自主设置机械转速值和导叶开度值，以适应多场景实验需求；协联控制装置将所得最优机械转速信号和最优导叶开度信号分别送至变流器系统和调速器系统，实现转速调节和开度调节。

下面对调相压水系统进行详细地描述。

调相压水系统包括储气罐41、过滤器42、空气干燥器43、空压机44、调压阀45、输气管道46、主压气电磁阀47、补气阀48、排气回水电磁阀49、压水液位计50，布置示意图如图9所示；

储气罐41通过过滤器42与空气干燥器43连接，空气干燥器43通过过滤器42与空压机 44连接，管件之间通过法兰连接，过滤器42和空气干燥器43的作用是保证储气罐41送入空压机44的气体是无灰尘杂质、干燥的；所述空压机44通过调压阀45、输气管道46、主压气电磁阀47、补气阀48、排气回水电磁阀49等与可逆式水泵水轮机顶盖上的进气口相连，压水液位计50、各类电磁阀通过信号线与监控系统11连接，监控系统11根据调相压水流程对电磁阀进行控制；空压机44的作用是提供稳定可调的高压气体，用于将转轮室中的水压至转轮以下；调压阀45作用是手动调节气体压力，并进一步调节转轮室水位；输气管道46作用为将储气罐41中的空气输送到转轮室中；主压气电磁阀47作用是调相压水阶段的送气开关；排气回水电磁阀49作用是排气回水阶段的排气开关；补气阀48作用是在转轮室出现漏气情况下，及时补气维持转轮室液位稳定；压水液位计50负责监测转轮室液位高度；

调相压水系统主要用于水泵自启动的调相压水阶段和排气回水阶段，调相压水阶段的运行步骤包括：

在调相压水时，确保球阀30全关、导叶全关，空压机44工作，主压气电磁阀47接调相压水令打开，压缩空气被打入到转轮室，压水液位计50反馈转轮室水位变化，待水位下降到转轮之下后，启动变流器，按水泵软启动流程进行，转轮在空气中旋转加速，通过调压阀45 可以改变机组的充气压力，从而精细调节转轮室液位，待转速升至可变速范围后，机组并网；

排气回水阶段的运行步骤包括：在排气回水阶段，关闭主压气电磁阀47、补气阀48，开启排气回水电磁阀49和蜗壳排气阀，此时水位上升，直至转轮溅水造压，造压成功后，关闭排气回水电磁阀49和蜗壳排气阀，排气回水完成，监控系统11收到回水排气完成后，开启球阀30，球阀30开启到40％后，开启导叶至最优开度，机组进入抽水工况运行。

数据采集系统包括上位机32、多通道数据采集分析仪31和各类型传感器；本发明实施例中，各类型传感器参数表如表3所示：

表3模型实验装置的各类传感器参数表

多通道数据采集分析仪31采用GTS3-TG系列水轮机调速系统测试仿真仪，该设备满足水电机组在线监测的各项国家标准和电力行业标准，已广泛应用于全国各大水电站和抽水蓄能电站，具有较高的采样精度和运行稳定性；数据采集系统的上位机32通过光纤33通讯与多通道数据采集分析仪31连接，多通道数据采集分析仪31通过信号线与各类型传感器连接，具备多通道信号同步采样、数据实时显示和保存、数据时频域分析和报表打印功能；

智能负载系统35内置有连续可调电阻和电感负载，还包括电气参数测试系统、自动控制系统、软件分析系统；其中，电阻负载、电阻负载最小步进幅度0.01kVA或1KW，可精准提供所需电气负载，用于模型实验装置的并孤网运行；

智能负载系统35具备E-STOP紧急停止开关、三相电压过高检知，发出告警并自动停机、三相电压过低检知，发出告警并自动停机、两个温度检知，发出告警并自动停机、具有过流短路保护功能，响应时间为毫秒级，操作安全简单；

智能负载系统35通过定子出口断路器37与双馈电机连接，用于模型实验装置并孤网运行，当模型实验装置并大网运行时，则定子出口断路器37直接与电网15连接；

监控系统11包括主控制层以及现地控制单元层，具备远程和现地两种控制模式，两者之间采用快速交换式双以太网络总线进行数据通讯；主控制层具备模型实验装置各子系统的设备运行管理、数据处理、实时运行监视和控制功能，用于一键启机、常规运行、基本调节等操作；现地控制单元层由交直流双供电模块、冗余配置的MB 90控制器、触摸屏等组成；MB 90 控制器采用了模块化式的插拔结构，由CPU模件、电源模件、开入模件、开出模件、模入模件、模出模件、通讯模件组成，完成机组设备数据采集、数据处理、运行监视和控制；现地控制单元层在主控制层发生故障时，可独立完成对模型实验装置的操作和控制，还适用于发电和抽水各实验场景下的试错和极端工况实验操作；

监控系统11的现地控制单元通过光纤33通讯与调速器系统、变流器系统、协联控制装置、智能负载系统35、调相压水系统等连接；

供回水系统通过循环水管道分别与模型实验管道系统的上游封闭式压力罐1和模拟波浪扰动的下游水箱相连，实现实验用水的循环流动；可变速抽水蓄能机组的蜗壳25通过伸缩节与模型实验管道系统的上游侧有压引水管道2连接，可变速抽水蓄能机组的尾水管及扩散段26通过伸缩节与模型实验管道系统的下游侧尾水管道3连接，以此构成水力与机械的耦合联系；

可逆式水泵水轮机和双馈电机通过主轴的法兰盘连接，实现机械与电气的耦合联系；

调速器系统通过信号线与接力器系统的伺服电机连接，接力器系统伸缩杆与可逆式水泵水轮机的导叶控制拐臂连接，通过控制导叶开度调节流量，实现水力与控制的耦合联系；

变流器系统的电网15侧变流器和转子侧变流器38通过直流母线40连接，电网15侧变流器与电网15连接，转子侧变流器38与双馈电机转子连接，实现电气与控制的耦合联系；

模拟波浪扰动的多功能下游水箱4包括水位控制系统、水箱主体；水位控制系统采用4 台数字缸接力器驱动，溢流板安装脚轮并通过4条导轨和一个可伸缩波纹管与水箱衔接，并能实现上下移动；采用一拖四可编程逻辑控制器12与4台伺服电机连接，具备行程反馈实现电动推杆38的精准定位，并通过安装在水箱上的压力传感器13实现闭环反馈；可编程逻辑控制器12集成在控制柜中，通过屏柜设定不同幅值、不同频率、不同类型的波浪扰动并实时显示。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种可变速抽水蓄能水机电控制耦合的物理模型实验装置，其特征在于：包括模型实验管道系统、供回水系统、可变速抽水蓄能机组、调速器系统、变流器系统、协联控制装置、调相压水系统、数据采集系统、智能负载系统和监控系统；

所述供回水系统与所述模型实验管道系统相连，用于实现物理模型实验装置的水流循环流动；

所述可变速抽水蓄能机组与所述模型实验管道系统相连，通过所述模型实验管道系统为所述可变速抽水蓄能机组提供实验用水，所述模型实验管道系统用于观测所述可变速抽水蓄能机组水力瞬变特性，所述可变速抽水蓄能机组用于测试能量特性、空化特性和压力脉动特性；

所述调速器系统与所述可变速抽水蓄能机组的水泵水轮机导叶连接，用于调节所述可变速抽水蓄能机组流量；

所述变流器系统与所述可变速抽水蓄能机组的双馈异步电机连接，用于发电电动机的交流励磁和并网调节；

所述调相压水系统与可变速抽水蓄能机组的水泵水轮机相连，用于水泵自启动工况的调相压水；

所述数据采集系统用于实时采集整个物理模型实验装置的传感器信号；

所述智能负载系统与所述可变速抽水蓄能机组的双馈异步电机定子出口连接，用于测试可变速抽水蓄能机组在孤网运行的动态特性；

所述监控系统用于对整个物理模型实验装置实施运行管理、数据处理、实时监视和控制功能；

所述协联控制装置与所述监控系统、所述调速器系统和所述变流器系统相连，接受所述监控系统指令，通过工况点寻优，分别将最优开度信号和最优转速信号传递给所述调速器系统和所述变流器系统。

2.根据权利要求1所述的可变速抽水蓄能水机电控制耦合的物理模型实验装置，其特征在于：所述模型实验管道系统包括上游封闭式压力罐、上游侧有压引水管道、下游侧尾水管道、多功能下游水箱和调压室，所述上游侧有压引水管道一端与所述上游封闭式压力罐相连，另一端与所述可变速抽水蓄能机组的水泵水轮机相连，所述可变速抽水蓄能机组的水泵水轮机与所述下游侧尾水管道的一端相连，所述下游侧尾水管道的另一端与多功能下游水箱相连，所述下游侧尾水管道上设置调压室。

3.根据权利要求2所述的可变速抽水蓄能水机电控制耦合的物理模型实验装置，其特征在于：所述模型实验管道系统还包括伸缩节，第一伸缩节设在尾水管扩散段与下游侧尾水管道之间，第二伸缩节布置在蜗壳与上游侧有压引水管道之间，所述伸缩节用于缓解管道对可变速抽水蓄能机组的水击压力。

4.根据权利要求2所述的可变速抽水蓄能水机电控制耦合的物理模型实验装置，其特征在于：所述的供回水系统由变频泵系统、总供水管道、上游供水管道、上游排水管道、下游供水管道、下游排水管道、补泄水管道、下游溢流管道、地下水库和供水泵，所述变频泵系统用于给上游封闭式压力罐提供恒定的可调的上游水压，所述供水泵通过总供水管道给所述上游封闭式压力罐和所述多功能下游水箱供水，所述上游供水管道和所述上游排水管道分别用于给所述上游封闭式压力罐供水和排水，所述下游供水管道和所述下游排水管道用于所述多功能下游水箱的供水和排水，所述补泄水管道与所述多功能下游水箱相连用于波浪扰动下所述多功能下游水箱流量的补充和外泄，所述下游溢流管道与所述多功能下游水箱的溢流栅相连，用于所述多功能下游水箱水位跟踪溢流栅运动，多余流量从所述下游溢流管道溢出。

5.根据权利要求2所述的可变速抽水蓄能水机电控制耦合的物理模型实验装置，其特征在于：所述物理模型实验装置包括发电模式和抽水模式，发电模式包括：

步骤101：所述多功能下游水箱充水；

步骤102：所述上游封闭式压力罐充水；

步骤103：所述可变速抽水蓄能机组按发电工况流程启动，所述上游封闭式压力罐水经所述模型实验管道系统流向所述多功能下游水箱，水流带动水泵水轮机发电，所述多功能下游水箱的水漫过溢流堰经下游溢流管道流到地下水库；

抽水模式包括：

步骤201：所述上游封闭式压力罐充水；

步骤202：所述多功能下游水箱充水；

步骤203：所述可变速抽水蓄能机组按抽水工况流程启动，打开流量调节阀，水泵水轮机从所述多功能下游水箱抽水经所述模型实验管道系统至所述上游封闭式压力罐，所述上游封闭式压力罐水通过上游排水管道至地下水库；

步骤204：通过调速器调节流量调节阀的开度，可以改变水泵水轮机的流量，通过变流器变速运行调节水泵水轮机入力。

6.根据权利要求1所述的可变速抽水蓄能水机电控制耦合的物理模型实验装置，其特征在于：所述可变速抽水蓄能机组包括机组支撑平台、可变速水泵水轮机、双馈异步电机和飞轮装置，所述机组支撑平台用于固定可变速水泵水轮机、双馈异步电机和飞轮装置，所述可变速水泵水轮机与所述双馈异步电机相连，通过所述可变速水泵水轮机将水能转换为机械能，所述飞轮装置用于为所述可变速抽水蓄能机组提供不同的旋转惯性，测试所述可变速抽水蓄能机组在不同惯性时间常数下的动态特性。

7.根据权利要求1所述的可变速抽水蓄能水机电控制耦合的物理模型实验装置，其特征在于：所述协联控制装置包括自动模式和手动模式，在自动模式下，协联控制器通过基于BP神经网络的最优效率追踪策略，对最优转速和最优开度的实时最优化求解；在手动模式下，通过协联控制装置上位机屏柜能够自主设置机械转速值和导叶开度值适应多场景实验需求，所述协联控制装置将所得最优机械转速和最优导叶开度分别送至所述变流器系统和所述调速器系统，实现转速调节和开度调节。

8.根据权利要求1所述的可变速抽水蓄能水机电控制耦合的物理模型实验装置，其特征在于：所述调相压水系统包括空压机、储气罐、主压气电磁阀和排气回水电磁阀，所述储气罐与所述空压机连通，所述空压机用于与可变速抽水蓄能机组连通，所述主压气电磁阀用于可开闭式连通于所述空压机与可变抽水蓄能机组之间，所述排气回水电磁阀用于连通于所述主压气电磁阀与所述可变抽水蓄能机组之间，所述排气回水电磁阀用于排水和排气。

9.根据权利要求8所述的可变速抽水蓄能水机电控制耦合的物理模型实验装置，其特征在于：所述调相压水系统包括水泵自启动的调相压水阶段和排气回水阶段。

10.根据权利要求1所述的可变速抽水蓄能水机电控制耦合的物理模型实验装置，其特征在于：所述监控系统包括主控制层和现地控制单元层，通过所述主控制层实现远程控制模式，通过所述现地控制单元层实现现地控制模式，所述主控制层和所述现地控制单元层之间采用快速交换式双以太网络总线进行数据通讯；所述主控制层能够对模型实验装置各子系统的设备运行进行管理、数据处理、实时运行监视和控制，用于一键启机、常规运行、基本调节等操作；所述现地控制单元层在主控制层发生故障时，能够独立完成对模型实验装置的操作和控制，还适用于发电模式和抽水模式各实验场景下的试错和极端工况实验操作。

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