CN114448306B - 一种恒流源励磁的变速恒频水力发电系统及其应用方法 - Google Patents

一种恒流源励磁的变速恒频水力发电系统及其应用方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种恒流源励磁的变速恒频水力发电系统及其应用方法，本发明的变速恒频水力发电系统包括励磁单元、水轮机、恒流源电励磁发电机、双PWM变频器及控制单元，水轮机与恒流源电励磁发电机同轴连接，励磁单元包括恒流源和励磁功率单元，恒流源的输出端与励磁功率单元相连，励磁功率单元与恒流源电励磁发电机相连，恒流源电励磁发电机的输出端与双PWM变频器相连。本发明能够在水轮机工作条件发生变化时通过改变水轮恒流源电励磁发电机的运行转速实现最大水轮捕获，变转速所带的频率不稳定交给变频器去完成使得频率恒定，从而跟踪水轮机最大工作效率，提高水轮机输出功率，改善水轮机在不同工况下工作效率、提高水轮机水能捕获能力。

Description

一种恒流源励磁的变速恒频水力发电系统及其应用方法
技术领域
本发明涉及水力发电系统，具体涉及一种恒流源励磁的变速恒频水力发电系统及其应用方法。
背景技术
传统水力发电站为满足电网频率的要求，水轮机及恒流源电励磁发电机需要保持恒速运行。而受水轮机能量转换特性约束，水轮机效率与运行转速以及进水流量存在耦合关系，当流量变化时，水轮机的最优效率运行转速将随之发生改变。并且，由于受到地区降水以及季节变化的影响，水电站的输入端水头变化明显，其进水流量可能长时间偏离电站的预期工作点，然而水轮机需要一直维持额定转速，此时水轮机转速与流量的不匹配关系不仅会影响机组的水能捕获效率、严重降低水电站输出功率，还会加剧水轮机的空蚀效应，进一步增大机组噪声和振动、减少水轮机使用寿命。
对于恒速发电系统而言，上游水库水势能通过导水机构驱动水轮机，水势能转化为机械能，水轮机轴联发电机旋转进一步将机械能转换为电能。系统运行过程中，励磁机为同步发电机转子提供励磁电流并负责电网的无功能量补偿，同时调速器对发电机转子转速加以控制并维持恒定，发电机定子侧连接电网并输出交流电。
恒速发电机组多采用同步发电机，发电机转速受电网频率约束，其输出的交流电频率必须与电网频率一致，发电机转速与电网频率关系存在如下关系：
f=pn/60，
式中：f=为电机输出电频率，与电网频率一致；p为电机极对数；n为发电机机械转速。通常来说，恒速发电机组运行于额定水文条件下时具有最佳能量转换效率以及运行环境，在实际应用中，机组也是根据电站的额定工况来设计水轮机的运行转速。
目前大多数小水电站一般采用上述的同步发电机直接并网的水力发电系统，通过调节转子绕组励磁电流来调节无功功率，满足水电并网对功率因素的要求，但调节励磁电流会改变接入的电网电压，从而影响电能质量。而且同步发电机转子转速必须与电枢旋转磁场相对静止，受到电网频率的约束，无论在何种工况下水轮机均工作在固定的转速，而小水电站多为径流式水电站，工作水头范围较宽以及流量变化较大，无法稳定运行在某一工况，固定转速运行无法发挥水轮机最大效率。
发明内容
本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种恒流源励磁的变速恒频水力发电系统及其应用方法，本发明能够在水轮机工作条件发生变化时通过改变水轮恒流源电励磁发电机的运行转速实现最大水轮捕获，变转速所带的频率不稳定交给变频器去完成使得频率恒定，从而跟踪水轮机最大工作效率，提高水轮机输出功率，实现了一种新的全功率变流发电技术，可改善水轮机在不同工况下工作效率、提高水轮机水能捕获能力。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种恒流源励磁的变速恒频水力发电系统，包括励磁单元、水轮机、恒流源电励磁发电机、双PWM变频器以及控制单元，所述水轮机与恒流源电励磁发电机同轴连接，所述励磁单元包括恒流源和励磁功率单元，所述恒流源的输出端与励磁功率单元相连，所述励磁功率单元与恒流源电励磁发电机的励磁输入端相连，所述恒流源电励磁发电机的输出端与双PWM变频器相连，所述双PWM变频器包括机侧整流器和网侧逆变器，所述机侧整流器和网侧逆变器两者的直流侧之间相互连接且直流侧正负极之间并联有电容C，所述机侧整流器的交流侧与恒流源电励磁发电机的输出端相连，所述网侧逆变器的交流侧用于将交流电力输出以用于经升压后送入电网，所述机侧整流器和网侧逆变器的控制端分别与控制单元相连。
可选地，所述水轮机包含用于控制导叶全开或全关的开合控制模块。
可选地，所述网侧逆变器的交流侧每一相均串接有滤波电抗器。
此外，本发明还提供一种前述恒流源励磁的变速恒频水力发电系统的应用方法，包括控制单元通过机侧整流器控制水轮机的转速的步骤：
1）检测水轮机的实际工作水头H；
2）根据水轮机的实际工作水头H进行水轮机最大功率捕获以获得实际最优转速n op ；
3）保持水轮机的导叶开度α全开，根据计算得到的实际最优转速n op 控制恒流源电励磁发电机组的输出功率使恒流源电励磁发电机组保持最优效率运行。
可选地，步骤2）包括：
2.1）根据实际工作水头H以及网侧需求功率P计算水轮机单位出力P 1；
2.2）将水轮机单位出力P 1根据预设的最高出力曲线f 2得到对应的单位流量Q 1；所述最高出力曲线f 2包含水轮机单位出力P 1、及其对应的单位流量Q 1之间的映射关系；
2.3）将单位流量Q 1结合转速特性曲线f 3得到对应的单位转速n 1；
2.4）基于单位转速n 1计算实际最优转速n op 。
可选地，步骤2.1）中计算水轮机单位出力P 1的函数表达式为：
P 1=P/(D 2 H 3/2)
上式中，P为恒流源电励磁发电机组的网侧需求功率，D为水轮机的转轮直径，H为实际工作水头。
可选地，步骤2.3）中将单位流量Q 1结合转速特性曲线得到单位转速n 1包括：首先将单位流量Q 1根据预设的最高效率曲线f 1得到对应的最高效率η max ，然后在转速特性曲线f 3中查找效率η为最高效率η max 下单位流量Q 1所对应的单位转速，从而得到对应的单位转速n 1；所述最高效率曲线f 1包含单位流量Q 1、及其对应的效率η之间的映射关系，所述转速特性曲线f 3中包含多种效率η下单位流量Q 1、单位转速之间的映射关系。
可选地，步骤2.4）中基于单位转速n 1计算实际最优转速n op 的函数表达式为：
n 1=n op D/H 1/2
上式中，D为水轮机的转轮直径，H为实际工作水头。
可选地，步骤3）中根据计算得到的实际最优转速n op 控制恒流源电励磁发电机组的输出功率包括：首先将计算得到的实际最优转速n op 作为转速参考指令，在转速外环控制模块将转速参考指令和水轮机的实际转速计算得到电流内环控制模块的参考电流指令；然后在电流内环控制模块将参考电流指令、测量得到的实际电流计算得到控制信号，并将控制信号转换为SVPWM调制信号后输出到机侧整流器以控制恒流源电励磁发电机组的输出功率使恒流源电励磁发电机组保持最优效率运行。
可选地，所述水轮机的实际转速为通过转速传感器测量得到，或者为采用基于模型参考自适应系统算法MRAS根据恒流源电励磁发电机的输出电压计算得到。
和现有技术相比，本发明主要具有下述优点：本发明根据恒流源电励磁发电机组的网侧需求功率P以及实际工作水头H获取实际最优转速n op ，保持水轮机的导叶开度α全开，根据计算得到的实际最优转速n op 控制恒流源电励磁发电机组的输出功率使恒流源电励磁发电机组保持最优效率运行，通过上述方式，能够在水轮机工作条件发生变化时通过改变水轮恒流源电励磁发电机的运行转速实现最大水轮捕获，变转速所带的频率不稳定交给变频器去完成使得频率恒定，从而跟踪水轮机最大工作效率，提高水轮机输出功率，实现了一种新的全功率变流发电技术，可改善水轮机在不同工况下工作效率、提高水轮机水能捕获能力，使机组在不同水头下运行于不同转速，以保持其处于最高效率和最优工况运行，增加发电量。
附图说明
图1为本发明实施例一中变速恒频水力发电系统的结构示意图。
图2为本发明实施例一中双PWM变频器的原理结构示意图。
图3为作为对比的现有技术的励磁单元结构示意图。
图4为本发明实施例一中控制单元通过机侧整流器控制水轮机的转速的流程图。
图5为本发明实施例一中的系统控制原理示意图。
图6为本发明实施例一中进行水轮机最大功率捕获的流程图。
具体实施方式
实施例一：
如图1和图2所示，本实施例提供一种恒流源励磁的变速恒频水力发电系统，包括励磁单元1、水轮机2、恒流源电励磁发电机3、双PWM变频器4以及控制单元5，水轮机2与恒流源电励磁发电机3同轴连接，励磁单元1包括恒流源11和励磁功率单元12，恒流源11的输出端与励磁功率单元12相连，励磁功率单元12与恒流源电励磁发电机3的励磁输入端相连，恒流源电励磁发电机3的输出端与双PWM变频器4相连，双PWM变频器4包括机侧整流器41和网侧逆变器42，机侧整流器41和网侧逆变器42两者的直流侧之间相互连接且直流侧正负极之间并联有电容C，机侧整流器41的交流侧与恒流源电励磁发电机3的输出端相连，网侧逆变器42的交流侧用于将交流电力输出以用于经升压（图中省略升压变压器未绘出）后送入电网，机侧整流器41和网侧逆变器42的控制端分别与控制单元5相连。如图2所示，机侧整流器41用于控制发电机转速，寻找水轮机最佳转速点，捕获最大功率，同时将三相交流电能转换为母线直流电能；网侧逆变器42用于稳定直流母线电压，将母线直流电能转换为与电网同频、同幅值、同相位的三相交流电能，先经过滤波电抗器滤除高频谐波，再由升压变压器送入电网，同时根据需要给电网提供一定的无功，实现有功并网和无功补偿的一体化控制。
作为对比，常规水电机组受到电网频率的约束，无论在何种工况下水轮机均工作在固定的转速，系统运行过程中励磁机为恒流源电励磁发电机的转子提供励磁电流并负责电网的无功能量补偿，同步恒流源电励磁发电机的励磁机一般由两部分组成。如图3所示，一部分用于向恒流源电励磁发电机的磁场绕组提供直流电流，以建立磁场，即图3中的励磁功率单元；另一部分用于调节励磁电流，以满足无功功率补偿的需要，即图3中的励磁调节器。
而本实施例中，恒流源电励磁发电机3的励磁方式采用恒流源电励磁方案，即：励磁单元1包括恒流源11和励磁功率单元12，通过恒流源11使得恒流源电励磁发电机3的励磁电流大小保持恒定，无常规同步恒流源电励磁发电机励磁调节器，具有较高的能量密度和发电效率。因恒流源电励磁发电机3的励磁电流大小保持恒定，则不能通过调节励磁电流的大小来实现补偿电力系统的无功功率。系统无功功率的补偿通过网侧逆变器42来实现，网侧逆变器42稳定直流母线电压，将母线直流电能转换为与电网同频、同幅值、同相位的三相交流电能，先经过滤波电抗器滤除高频谐波，再由升压变压器送入电网，同时根据需要给电网提供一定的无功，实现有功并网和无功补偿的一体化控制。即恒流源电励磁发电机3的转子通过恒流源励磁，省去了励磁调节器，恒流源电励磁发电机定子上产生的交流电通过变频器转换为与电网同频率的交流电，达到变速恒频发电的目的，并由网侧逆变器42实现无功功率的补偿。恒流源电励磁发电机3的结构简单，效率更高，维护成本低。通过将励磁单元1采用恒流源电励磁方案，无需常规同步发电机励磁调节器，减少了控制系统。发电机励磁系统得到简化，提高发电运行可靠性，减少人工维护工作量。
本实施例中，水轮机2包含用于控制导叶全开或全关的开合控制模块，与传统带开度调节的开合控制模块不同，本实施例中采用仅控制导叶全开或全关的开合控制模块。
常规水电机组中，由于水轮机转轮需要保持恒速运行，水轮机的运动由以下方程描述：
Jdω/dt=M t -M g ，
上式中，J为机组惯性矩，ω为角速度，M t 为水轮机动力矩，M g 为恒流源电励磁发电机阻力矩。其中，水轮机动力矩的函数表达式为：
M t =γQHη/ω
上式中，γ为水的重度，其值为9810N/m3；Q为流速，H为水头，η为水轮机的输出和输入功率之比，即水轮机的效率。根据上述公式可知，水轮机动力矩M t 由水流对水轮机叶片的作用力形成，它推动机组转动，其大小取决于水头H，流速Q，机组转速（角速度ω）等。其中流速Q可由导叶开度α来控制。常规水电机组，为调节水轮机的恒速运行，实现水轮机的恒速调节途径就是改变导叶的开度。即当水头、负荷发生变化时，水电机组依靠活动导叶来调节过机流量。这其中存在一个现象：活动导叶的变化导致水流方向发生变化，对于大多数混流式机组，其叶片和迎水方向都是固定的，这将导致机组在导叶变化时偏离高效、低噪区运行，在部分工况下，机组效率急剧下降，振动急剧增加。由于本实施例的恒流源励磁的变速恒频水力发电系统可通过机侧整流器41可控制水轮机2、恒流源电励磁发电机3的转速，水轮机2、恒流源电励磁发电机3是变速运行，因此可摒弃通过调速器来实现保持水轮机转速恒定的固有方案，即摒弃了通过调节导叶开度来实现水轮机恒速运行的固有方案。本实施例通过采用仅控制导叶全开或全关的开合控制模块，使得水轮机的引水系统的导叶无开度调节（去掉了导叶开度调节的调速器），仅保留导叶开合控制，简化其引水系统结构，提高运行稳定性，延长使用寿命，减少投资和维护成本，同时增加机组调峰深度和调频性能，并且可大幅度提升机组的运行水头范围，可保证极端情况下机组制动的安全可靠性。
如图1所示，本实施例中网侧逆变器42的交流侧每一相均串接有滤波电抗器，如图1中L g 所示。通过滤波电抗器，可提升网侧逆变器42输出电压的质量。
如图4所示，本实施例还提供一种恒流源励磁的变速恒频水力发电系统的应用方法，包括控制单元5通过机侧整流器41控制水轮机2的转速的步骤：
1）检测水轮机的实际工作水头H；
2）根据水轮机的实际工作水头H进行水轮机最大功率捕获以获得实际最优转速n op ；
3）保持水轮机的导叶开度α全开，根据计算得到的实际最优转速n op 控制恒流源电励磁发电机组的输出功率使恒流源电励磁发电机组保持最优效率运行。
步骤2）根据水轮机的实际工作水头H进行水轮机最大功率捕获以获得实际最优转速n op 旨在寻找水轮机最佳转速点，捕获水能最大功率。如图5所示，步骤2）包括：
2.1）根据实际工作水头H以及网侧需求功率P计算水轮机单位出力P 1；
2.2）将水轮机单位出力P 1根据预设的最高出力曲线f 2得到对应的单位流量Q 1；所述最高出力曲线f 2包含水轮机单位出力P 1、及其对应的单位流量Q 1之间的映射关系；
2.3）将单位流量Q 1结合转速特性曲线f 3得到对应的单位转速n 1；
2.4）基于单位转速n 1计算实际最优转速n op 。
如图5所示，本实施例步骤2.1）中计算水轮机单位出力P 1的函数表达式为：
P 1=P/(D 2 H 3/2)
上式中，P为恒流源电励磁发电机组的网侧需求功率，D为水轮机的转轮直径，H为实际工作水头。
如图5所示，本实施例步骤2.3）中将单位流量Q 1结合转速特性曲线得到单位转速n 1包括：首先将单位流量Q 1根据预设的最高效率曲线f 1得到对应的最高效率η max ，然后在转速特性曲线f 3中查找效率η为最高效率η max 下单位流量Q 1所对应的单位转速，从而得到对应的单位转速n 1；所述最高效率曲线f 1包含单位流量Q 1、及其对应的效率η之间的映射关系，所述转速特性曲线f 3中包含多种效率η下单位流量Q 1、单位转速之间的映射关系。需要说明的是，最高效率曲线f 1、最高出力曲线f 2、转速特性曲线f 3均为水轮机控制的已知曲线，故其曲线的具体示例以及生成过程在此不再展开说明。
如图5所示，步骤2.4）中基于单位转速n 1计算实际最优转速n op 的函数表达式为：
n 1=n op D/H 1/2
上式中，D为水轮机的转轮直径，H为实际工作水头。
图6中，下部左侧虚线框为机侧整流器41的的控制原理图。如图6所示，本实施例步骤3）中根据计算得到的实际最优转速n op 控制恒流源电励磁发电机组的输出功率包括：首先将计算得到的实际最优转速n op 作为转速参考指令，在转速外环控制模块将转速参考指令和水轮机的实际转速计算得到电流内环控制模块的参考电流指令；然后在电流内环控制模块将参考电流指令、测量得到的实际电流计算得到控制信号，并将控制信号转换为SVPWM调制信号后输出到机侧整流器41以控制恒流源电励磁发电机组的输出功率使恒流源电励磁发电机组保持最优效率运行。其中：“水轮机最大功率捕获”即为执行前述的步骤1）和步骤2），检测水轮机的实际工作水头H，根据水轮机的实际工作水头H进行水轮机最大功率捕获以获得实际最优转速n op ；机侧整流器41的控制方法采用转速外环控制+电流内环控制的经典双闭环控制策略。需要说明的是，转速外环控制模块、电流内环控制模块的用途是实现两路输入的差值、输出之间的映射，可以根据需要采用现有的各类控制策略的控制器，包括采用PID控制器、模糊控制器等，在此不再展开说明。
由于水轮发电机常运行在恶劣的环境中，用于采集实际转速的机械速度传感器的使用常常会降低系统的可靠性，且机械速度传感器常安装在恒流源电励磁发电机3中，造成了费用增加、体积变大引起维护不便等弊端。如图6所示，本实施例中水轮机3的实际转速为采用基于模型参考自适应系统算法MRAS根据恒流源电励磁发电机3的输出电压计算得到（图6中表示为“基于MRAS转速估计”）。采用基于模型参考自适应系统算法MRAS根据恒流源电励磁发电机3的输出电压计算水轮机2/恒流源电励磁发电机3的实际转速的好处在于摒弃掉了水轮发电机中的速度传感器，采用无速度传感器控制的方案，可实现对水轮机2/恒流源电励磁发电机3进行无速度传感器的转速控制。此外，参见图6，采用基于模型参考自适应系统算法MRAS还可以估计恒流源电励磁发电机3的转子位置角，通过该转子位置角还可以用于实现对机侧变流器41交流侧三相电流的坐标变换，以得到电流内环控制模块所需的实测电流，因此还实现了无角度传感器的转速控制。需要说明的是，基于模型参考自适应系统算法MRAS是一种现有的计算水轮机2/恒流源电励磁发电机3方法，本实施例中仅仅为将其作为一种根据恒流源电励磁发电机3的输出电压计算水轮机3的实际转速的方法示例，毫无疑问，获得水轮机3的实际转速时，一方面其可能不一定依赖于恒流源电励磁发电机3的输出电压这一特定的电参量，此外也可以采用其他方法来计算水轮机3的实际转速，同样也可以实现无速度传感器的转速控制。本实施例中针对机侧整流器41的机侧控制系统采用基于模型参考自适应系统（MRAS）算法，实现对发电机进行无速度传感器的转速控制。机侧控制系统以转速为控制对象，跟踪水轮机最佳转速，保证水轮机最大功率输出，结合电流解耦控制和SVPWM调制算法，将电能以最大效率传输到直流母线。
如图6所示，本实施例中对于网侧逆变器42的控制则采用了电压外环控制+电流内环控制的经典双闭环控制策略。电压外环控制模块用于将直流检测检测得到的实测电压、参考电压计算得到参考电流指令，电流内环控制模块则将参考电流指令、给定的无功电流分量两者求和得到总参考电流指令，然后根据总参考电流指令、实测电流计算得到控制信号，并将控制信号转换为SVPWM调制信号后输出到网侧逆变器42，以利用网侧逆变器42实现对电网的无功补偿。图6中，网侧逆变器42的网侧控制系统中，电流进行坐标变换所需的位置角为通过锁相环基于b、c两相电流的相位计算得到，U dc 表示网侧逆变器42的直流侧母线电压，可通过直流侧并联的电容C的电压来测量，e a ,e b ,e c 分别为a、b、c三相的电压。同样地，电压外环控制模块、电流内环控制模块的用途是实现两路输入的差值、输出之间的映射，可根据需要采用现有的各类控制策略的控制器，包括采用PID控制器、模糊控制器等，在此不再展开说明。本实施例中针对网侧逆变器42的网侧控制系统以母线电压为控制对象，根据电网功率需求，在稳定直流母线电压的同时，调整有功与无功的比例，实现有功并网和无功补偿的一体化控制。
综上所述，为了改善水轮机在不同工况下工作效率，提高水轮机水能捕获能力，本实施例的恒流源励磁的变速恒频水力发电系统采用变速恒频技术，当水轮机工作条件发生变化时，通过改变水轮发电机的运行转速，从而跟踪水轮机最大工作效率，提高水轮机输出功率，提出一种新的全功率变流发电系统。本实施例的恒流源励磁的变速恒频水力发电系统中，水轮机2与恒流源电励磁发电机3同轴连接，恒流源电励磁发电机3与电网通过双PWM变频器4隔开。水轮机2采用变速运行的方式，摒弃了通过调节导叶开度来实现水轮机恒速运行的固有方案，引水系统的导叶无开度调节，仅保留导叶全开或全关的开合控制。恒流源电励磁发电机3针对其励磁方式创新地提出了恒流源电励磁的方案，无常规同步发电机励磁调节器。因恒流源电励磁发电机3的励磁电流大小保持恒定，则不能通过调节励磁电流的大小来实现补偿电力系统的无功功率。系统无功功率的补偿通过网侧逆变器42来实现。双PWM变频器4的机侧整流器41摒弃掉了基于速度传感器采样对发电机进行转速控制，采用无速度传感器控制的方案。恒流源电励磁发电机3在水轮机2的拖动下切割磁力线，发出三相电能，由机侧整流器41转换为母线直流电能，再由网侧逆变器42转换为与电网同频的三相交流电能，经滤波电抗滤除高次谐波后并网电网，控制结构简单。
实施例二：
本实施例与实施例一基本相同，其主要区别点为：实施例一中水轮机的实际转速为采用基于模型参考自适应系统算法MRAS计算得到。而本实施例中，水轮机或恒流源电励磁发电机上带有转速传感器，水轮机的实际转速为通过该转速传感器测量得到。
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读存储介质（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。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种恒流源励磁的变速恒频水力发电系统的应用方法，其特征在于，所述变速恒频水力发电系统包括励磁单元（1）、水轮机（2）、恒流源电励磁发电机（3）、双PWM变频器（4）以及控制单元（5），所述水轮机（2）与恒流源电励磁发电机（3）同轴连接，所述励磁单元（1）包括恒流源（11）和励磁功率单元（12），所述恒流源（11）的输出端与励磁功率单元（12）相连，所述励磁功率单元（12）与恒流源电励磁发电机（3）的励磁输入端相连，所述恒流源电励磁发电机（3）的输出端与双PWM变频器（4）相连，所述双PWM变频器（4）包括机侧整流器（41）和网侧逆变器（42），所述机侧整流器（41）和网侧逆变器（42）两者的直流侧之间相互连接且直流侧正负极之间并联有电容C，所述机侧整流器（41）的交流侧与恒流源电励磁发电机（3）的输出端相连，所述网侧逆变器（42）的交流侧用于将交流电力输出以用于经升压后送入电网，所述机侧整流器（41）和网侧逆变器（42）的控制端分别与控制单元（5）相连；所述应用方法包括控制单元（5）通过机侧整流器（41）控制水轮机（2）的转速的步骤：1）检测水轮机的实际工作水头H；2）根据水轮机的实际工作水头H进行水轮机最大功率捕获以获得实际最优转速n op；3）保持水轮机的导叶开度α全开，根据计算得到的实际最优转速n op控制恒流源电励磁发电机组的输出功率使恒流源电励磁发电机组保持最优效率运行。
2.根据权利要求1所述的恒流源励磁的变速恒频水力发电系统的应用方法，其特征在于，所述水轮机（2）包含用于控制导叶全开或全关的开合控制模块。
3.根据权利要求2所述的恒流源励磁的变速恒频水力发电系统的应用方法，其特征在于，所述网侧逆变器（42）的交流侧每一相均串接有滤波电抗器。
4.根据权利要求1所述的恒流源励磁的变速恒频水力发电系统的应用方法，其特征在于，步骤2）包括：
2.1）根据实际工作水头H以及网侧需求功率P计算水轮机单位出力P 1；
2.2）将水轮机单位出力P 1根据预设的最高出力曲线f 2得到对应的单位流量Q 1；所述最高出力曲线f 2包含水轮机单位出力P 1、及其对应的单位流量Q 1之间的映射关系；
2.3）将单位流量Q 1结合转速特性曲线f 3得到对应的单位转速n 1；
2.4）基于单位转速n 1计算实际最优转速n op。
5. 根据权利要求4所述的恒流源励磁的变速恒频水力发电系统的应用方法，其特征在于，步骤2.1）中计算水轮机单位出力P 1的函数表达式为：
P 1=P/(D 2 H 3/2)
上式中，P为恒流源电励磁发电机组的网侧需求功率，D为水轮机的转轮直径，H为实际工作水头。
6.根据权利要求4所述的恒流源励磁的变速恒频水力发电系统的应用方法，其特征在于，步骤2.3）中将单位流量Q 1结合转速特性曲线得到单位转速n 1包括：首先将单位流量Q 1根据预设的最高效率曲线f 1得到对应的最高效率η max，然后在转速特性曲线f 3中查找效率η为最高效率η max下单位流量Q 1所对应的单位转速，从而得到对应的单位转速n 1；所述最高效率曲线f 1包含单位流量Q 1、及其对应的效率η之间的映射关系，所述转速特性曲线f 3中包含多种效率η下单位流量Q 1、单位转速之间的映射关系。
7. 根据权利要求4所述的恒流源励磁的变速恒频水力发电系统的应用方法，其特征在于，步骤2.4）中基于单位转速n 1计算实际最优转速n op的函数表达式为：
n 1=n op D/H 1/2
上式中，D为水轮机的转轮直径，H为实际工作水头。
8.根据权利要求1所述的恒流源励磁的变速恒频水力发电系统的应用方法，其特征在于，步骤3）中根据计算得到的实际最优转速n op控制恒流源电励磁发电机组的输出功率包括：首先将计算得到的实际最优转速n op作为转速参考指令，在转速外环控制模块将转速参考指令和水轮机（2）的实际转速计算得到电流内环控制模块的参考电流指令；然后在电流内环控制模块将参考电流指令、测量得到的实际电流计算得到控制信号，并将控制信号转换为SVPWM调制信号后输出到机侧整流器（41）以控制恒流源电励磁发电机组的输出功率使恒流源电励磁发电机组保持最优效率运行。
9.根据权利要求8所述的恒流源励磁的变速恒频水力发电系统的应用方法，其特征在于，所述水轮机（2）的实际转速为通过转速传感器测量得到，或者为采用基于模型参考自适应系统算法MRAS根据恒流源电励磁发电机（3）的输出电压计算得到。
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