CN114865712A - 一种水力发电机组最高效率运行的实现方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种水力发电机组最高效率运行的实现方法及系统，本发明水力发电机组最高效率运行的实现方法包括：根据网侧需求功率P以及工作水头H执行水轮机最高效率跟踪，规划最优导叶开度参考值α0和最优转速noptimal；根据最优转速noptimal进行最优转速跟踪控制；根据最优导叶开度参考值α0和当前导叶开度α实现对水轮机的导叶开度α的控制，通过以上步骤使水轮机输出功率Ptur适应电网负荷的变化，而且水轮机运行效率最优。本发明可在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及水轮机的导叶开度，从而跟踪水轮机最大工作效率，从而能够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

一种水力发电机组最高效率运行的实现方法及系统
技术领域
本发明属于水力发电技术，具体涉及一种水力发电机组最高效率运行的实现方法及系统。
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。恒速水力发电系统包括水轮机、发电机、励磁机(励磁调节器)以及恒速调速器。在工作时，上游水库的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(励磁调节器)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，同时恒速调速器对发电机的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。
恒速水力发电系统多采用同步发电机，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，其中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。以上关于恒速水力发电系统的描述可知，对于径流式水电站而言，水轮机出力受到河流流量的影响，随季节变化，因此一般会根据电站年周期平均发电量来设定水轮机的额定工作水头、转速、流量等参数，这样会导致在枯水季节水轮发电机组无法工作在额定工况，水轮机的运行转速又无法自适应改变，使得水轮机水能转换效率减低，进而导致水资源白白浪费。当电站工况偏离额定点时，机组的最佳运行转速也将发生变化，显然恒速机组无法做到转速的随动调节。因此，当电站水文条件偏移额定点时，因恒速机组的转速无法进行随动调节，即水轮机无法工作在最佳运行转速，从而水轮机的水能捕获效率无法达到最优，水轮机发电效率低。而且，传统水力发电站为满足电网频率的要求，水轮机及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。
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，提供一种水力发电机组最高效率运行的实现方法及系统，本发明可在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及水轮机的导叶开度，从而跟踪水轮机最大工作效率，从而能够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：
一种水力发电机组最高效率运行的实现方法，包括：
1)根据网侧需求功率P以及工作水头H执行水轮机最高效率跟踪，规划最优导叶开度参考值α0和最优转速noptimal；
2)根据最优转速noptimal进行最优转速跟踪控制，并根据最优导叶开度参考值α0和当前的导叶开度α实现对水轮机的导叶开度α的控制，从而使水轮机输出功率Ptur适应电网负荷的变化且水轮机的运行效率最优。
可选地，步骤1)包括：
1.1)基于网侧需求功率P以及工作水头H计算水轮机所需的单位出力P1；
1.2)根据最高出力曲线P1＝f2(Q1)，确定单位出力P1对应的单位流量Q1；
1.3)根据单位流量Q1与最优导叶开度参考值α0的关系曲线，确定单位流量Q1对应的最优导叶开度参考值α0；由单位流量Q1根据最高效率曲线η水max＝f1(Q1)查找最高效率η水max；由单位流量Q1根据效率峰顶曲线n1＝f3(Q1)|η水＝η水max计算得到最优单位转速n1；再由最优单位转速n1经计算得到最优转速noptimal。
可选地，
步骤1.1)中计算水轮机所需的单位出力P1的函数表达式为：
Figure BDA0003606159700000031
上式中，D为水轮机转轮直径；步骤1.2)中最高出力曲线P1＝f2(Q1)的函数表达式为：
P1＝9.81Q1η
上式中，P1为单位出力，Q1为单位流量，η为各单位流量Q1值所一一对应的最高效率；步骤1.3)中计算最优转速noptimal的函数表达式为：
Figure BDA0003606159700000032
上式中，n1为由单位流量Q1根据效率峰顶曲线n1＝f3(Q1)|η水＝η水max计算得到最优单位转速，D为水轮机转轮直径，H为工作水头。
可选地，步骤2)中根据最优转速noptimal进行最优转速跟踪控制以控制水轮机输出功率使水轮机保持最优效率运行包括：
步骤A1，计算最优转速noptimal和当前实际转速n之间的转速差值Δn，将转速差值Δn通过预设的PI控制器得到两相旋转坐标系下电流q轴分量的参考值isqref；
步骤A2，将两相旋转坐标系下电流q轴分量的参考值isqref通过乘以电流环的闭环传递函数H(s)得到用于作为转矩电流的两相旋转坐标系下电流q轴分量isq；
步骤A3，根据两相旋转坐标系下电流q轴分量isq计算发电机的电磁转矩Te；
步骤A4，计算发电机的电磁转矩Te和水轮机输出转矩Ttur之间的转矩差值，并根据电磁转矩Te和水轮机输出转矩Ttur之间的转矩差值确定水轮机角频率ω，因水轮机角频率与发电机的机械角频率相同，故将发电机的机械角频率ω下发给发电机的机侧PWM变频器，以通过发电机的机侧PWM变频器控制发电机的转子力矩以控制转子转速，同时通过发电机的网侧PWM变频器控制发电频率与电网一致，且实现无功补偿。
可选地，步骤A1中PI控制器的Knp和Kni的函数表达式为：
Figure BDA0003606159700000041
Figure BDA0003606159700000042
上式中，J为转动惯量，h为中频宽，Tsd为变频器开关周期和滤波时间常数之和，np为发电机极对数，Ψf为转子磁链；步骤A2中电流环的闭环传递函数H(s)的函数表达式为：
Figure BDA0003606159700000043
上式中，Tsd为变频器开关周期和滤波时间常数之和，s为复频率。
可选地，步骤A3中根据两相旋转坐标系下电流q轴分量isq计算发电机的电磁转矩Te的函数表达式为：
Figure BDA0003606159700000044
上式中，np为发电机极对数，Ψf为转子磁链，isq为两相旋转坐标系下电流q轴分量。
可选地，步骤A4中根据电磁转矩Te和水轮机输出转矩Ttur之间的转矩差值确定水轮机角频率ω的函数表达式为：
Figure BDA0003606159700000045
上式中，J为转动惯量，s为复频率。
可选地，步骤2)中根据最优导叶开度参考值α0和当前导叶开度α实现对水轮机的导叶开度α的控制包括：
步骤B1，根据Δα＝α0-α计算导叶开度α0和当前导叶开度α之间的导叶开度误差Δα；
步骤B2，将导叶开度误差Δα通过积分控制环节1/(τs)抑制高频，其中τ为积分控制环节的时间常数，s为复频率；
步骤B3，将通过积分控制环节1/(τs)抑制高频后得到的开度指令限幅在αmin～αmax范围内，再输出至导叶控制器以完成对导叶开度α的控制。
此外，本发明还提供一种水力发电机组最高效率运行的实现系统，包括控制单元、带有可调开度的导叶的水轮机以及带有双PWM变频器的发电机，其特征在于，所述控制单元包括：
水轮机最高效率跟踪模块，用于根据网侧需求功率P以及工作水头H执行水轮机最高效率跟踪，规划最优导叶开度参考值α0和最E优转速noptimal；
导叶开度控制模块，用于根据最优导叶开度参考值α0和当前导叶开度α实现对水轮机的导叶开度α的控制；
最优转速跟随控制模块，用于根据最优转速noptimal进行最优转速跟踪控制以控制水轮机输出功率使水轮机保持最优效率运行；
所述水轮机最高效率跟踪模块的输出端分别与导叶开度控制模块和最优转速跟随控制模块相连，所述导叶开度控制模块的输出端与水轮机的导叶控制端相连，所述最优转速跟随控制模块的输出端与双PWM变频器的控制端相连；所述双PWM变频器包括：
机侧PWM变频器，用于控制发电机的转子力矩以控制转子转速；
网侧PWM变频器，用于控制发电频率与电网频率一致以并网，并实现无功补偿；
所述发电机的输出端、机侧PWM变频器、网侧PWM变频器依次相连。
此外，本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序，该计算机程序用于被微处理器编程或配置以实施所述水力发电机组最高效率运行的实现方法的步骤。
和现有技术相比，本发明具有下述优点：本发明水力发电机组最高效率运行的实现方法包括：根据网侧需求功率P以及工作水头H执行水轮机最高效率跟踪，规划最优导叶开度参考值α0和最优转速noptimal；根据最优转速noptimal进行最优转速跟踪控制以控制水轮机输出功率使水轮机保持最优效率运行；根据最优导叶开度参考值α0和当前导叶开度α实现对水轮机的导叶开度α的控制。本发明可在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及水轮机的导叶开度，从而跟踪水轮机最大工作效率，从而能够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。
附图说明
图1为本发明实施例方法的基本流程示意图实例。
图2为本发明实施例中执行水轮机最高效率跟踪的原理示意图。
图3为本发明实施例中的最高出力曲线P1＝f2(Q1)。
图4为本发明实施例中单位流量Q1与最优导叶开度参考值α0的关系曲线。
图5为本发明实施例中的最高效率曲线η水max＝f1(Q1)。
图6为本发明实施例中的效率峰顶曲线n1＝f3(Q1)。
图7为本发明实施例中最优转速跟踪控制的原理示意图。
图8为本发明实施例中对水轮机的导叶开度α的控制原理示意图。
图9为本发明实施例中系统的结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，本实施例水力发电机组最高效率运行的实现方法包括：
1)根据网侧需求功率P以及工作水头H执行水轮机最高效率跟踪，规划最优导叶开度参考值α0和最优转速noptimal；
2)根据最优转速noptimal进行最优转速跟踪控制，并根据最优导叶开度参考值α0和当前的导叶开度α实现对水轮机的导叶开度α的控制，从而使水轮机输出功率Ptur适应电网负荷的变化且水轮机的运行效率最优。
本实施例水力发电机组最高效率运行的实现方法通过根据网侧需求功率P以及工作水头H执行水轮机最高效率跟踪，以及根据最优转速noptimal进行最优转速跟踪控制，和根据最优导叶开度参考值α0实现对水轮机的导叶开度α的控制，可在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及水轮机的导叶开度，从而跟踪水轮机最大工作效率，从而能够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。
在水电并网控制系统中，水轮机与发电机直接同轴耦合，稳态下发电机输出电磁转矩等于水轮机输出转矩，其转速动态特性可描述为：
Figure BDA0003606159700000071
上式中，Jtur为水轮机组的转动惯量；ω为水轮机转速；Ttur为水轮机输出转矩；Te为发电机输出电磁转矩。上式描述了水轮机转速相对于转矩的动态模型，通过调节水轮机输出转矩与发电机需求转矩平衡，从而实现对水轮机转速的有效控制。水轮机输出功率为：
Ptur＝λQHη， (2)
上式中，Ptur为水轮机输出功率，H为工作水头，Q为流量，η为水轮机效率，λ为水的比重；当电网需求功率发生变化，即发电机输出电磁功率改变时，水轮机需要及时改变自身工作参数以适应电网负荷变化。由上式知，影响水轮机输出功率的因素包括工作水头H、流量Q、效率η。在水轮机变参数运行过程中，一般不改变水头，以节约水资源，效率难以直接调节，因此一般通过调节水轮机流量以及转速来快速适应功率变化。
根据水轮机相似理论：具有几何相似的水轮机必然满足动力相似，即不同水轮机只要在几何参数上满足一定的相似关系，其综合特性曲线也必然满足一定的相似规律。因此可以根据某一水轮机的最优运行工况来推导其他相似水轮机的最优运行工况。根据上述理论，引入了单位参数，将水轮机各参数转化为转轮直径D为1m，工作水头H为1m时的相对参数。因此：
单位转速n1可表示为：
Figure BDA0003606159700000081
上式中，n为转速；
单位流量Q1可表示为：
Figure BDA0003606159700000082
单位功率P1可表示为：
Figure BDA0003606159700000083
将式(4)和式(5)代入式(2)可得水轮机单位出力表达式为：
P1＝9.81Q1η， (6)
由式(6)可知，水轮机效率由单位出力和单位流量来决定，当水轮机需求功率改变时，为使水轮机最优效率运行，先计算单位出力P1，按效率最优原则，依据最高出力曲线P1＝f2(Q1)，确定单位出力P1对应的单位流量Q1，再根据流量找到对应最优转速n1。因此，如图2所示，本实施例步骤1)包括：
1.1)基于网侧需求功率P以及工作水头H计算水轮机所需的单位出力P1；
1.2)根据最高出力曲线P1＝f2(Q1)，确定单位出力P1对应的单位流量Q1；最高出力曲线P1＝f2(Q1)中包含单位出力P1、单位流量Q1之间的关系曲线，例如本实施例中最高出力曲线P1＝f2(Q1)如图3所示，可根据单位出力P1确定单位出力P1对应的单位流量Q1。
1.3)根据单位流量Q1与最优导叶开度参考值α0的关系曲线，确定单位流量Q1对应的最优导叶开度参考值α0；由单位流量Q1根据最高效率曲线η水max＝f1(Q1)查找最高效率η水max；由单位流量Q1根据效率峰顶曲线n1＝f3(Q1)|η水＝η水max计算得到最优单位转速n1；再由最优单位转速n1经计算得到最优转速noptimal。单位流量Q1与最优导叶开度参考值α0的关系曲线包含了单位流量Q1与最优导叶开度参考值α0之间的关系曲线，例如本实施例中单位流量Q1与最优导叶开度参考值α0的关系曲线如图4所示，可根据单位流量Q1确定单位流量Q1对应的最优导叶开度参考值α0。最高效率曲线η水max＝f1(Q1)包含了单位流量Q1与最高效率曲线η水max之间的关系曲线，例如本实施例中最高效率曲线η水max＝f1(Q1)如图5所示，可根据单位流量Q1确定单位流量Q1对应的最高效率曲线η水max。效率峰顶曲线n1＝f3(Q1)包含了单位流量Q1与最优单位转速n1之间的关系曲线，例如本实施例中效率峰顶曲线n1＝f3(Q1)如图6所示，可由单位流量Q1根据效率峰顶曲线n1＝f3(Q1)|η水＝η水max计算得到最优单位转速n1。
通过上述方式，可根据网侧需求功率P和电站实际的工作水头H来计算导叶开度以及最优运行转速，使水轮机输出功率Ptur适应电网负荷的变化，而且水轮机运行效率最优。
本实施例中，步骤1.1)中计算水轮机所需的单位出力P1的函数表达式如前文式(5)所示；步骤1.2)最高出力曲线P1＝f2(Q1)的函数表达式如前文式(6)所示；步骤1.3)中计算最优转速noptimal的函数表达式为：
Figure BDA0003606159700000091
上式中，n1为由单位流量Q1根据效率峰顶曲线n1＝f3(Q1)|η水＝η水max计算得到最优单位转速，D为水轮机转轮直径，H为工作水头。
如图7所示，本实施例步骤2)中根据最优转速noptimal进行最优转速跟踪控制以控制水轮机输出功率使水轮机保持最优效率运行包括：
步骤A1，计算最优转速noptimal和当前实际转速n之间的转速差值Δn，将转速差值Δn通过预设的PI控制器得到两相旋转坐标系下电流q轴分量的参考值isqref；
步骤A2，将两相旋转坐标系下电流q轴分量的参考值isqref通过乘以电流环的闭环传递函数H(s)得到用于作为转矩电流的两相旋转坐标系下电流q轴分量isq；
步骤A3，根据两相旋转坐标系下电流q轴分量isq计算发电机的电磁转矩Te；
步骤A4，计算发电机的电磁转矩Te和水轮机输出转矩Ttur之间的转矩差值，并根据电磁转矩Te和水轮机输出转矩Ttur之间的转矩差值确定水轮机角频率ω，因水轮机角频率与发电机的机械角频率相同，故将发电机的机械角频率ω下发给发电机的机侧PWM变频器，以通过发电机的机侧PWM变频器控制发电机的转子力矩以控制转子转速，同时通过发电机的网侧PWM变频器控制发电频率与电网一致，且实现无功补偿。
本实施例中，步骤A1中PI控制器的Knp和Kni的函数表达式为：
Figure BDA0003606159700000101
Figure BDA0003606159700000102
上式中，J为转动惯量，h为中频宽，Tsd为变频器开关周期和滤波时间常数之和，np为发电机极对数，Ψf为转子磁链；步骤A2中电流环的闭环传递函数H(s)的函数表达式为：
Figure BDA0003606159700000103
上式中，Tsd为变频器开关周期和滤波时间常数之和，s为复频率。结合电流环外环的截止频率一般较低，故将电流环闭环传递函数降为一阶模型，电流环闭环传递函数近似处理如式(10)所示。
本实施例中，步骤A3中根据两相旋转坐标系下电流q轴分量isq计算发电机的电磁转矩Te的函数表达式为：
Figure BDA0003606159700000104
上式中，np为发电机极对数，Ψf为转子磁链，isq为两相旋转坐标系下电流q轴分量。
本实施例中，步骤A4中根据电磁转矩Te和水轮机输出转矩Ttur之间的转矩差值确定水轮机角频率ω的函数表达式为：
Figure BDA0003606159700000105
上式中，J为转动惯量，s为复频率。上式可对式(1)等式两边取拉普拉斯变换得到。
如图8所示，本实施例步骤2)中根据最优导叶开度参考值α0和当前导叶开度α实现对水轮机的导叶开度α的控制包括：
步骤B1，根据Δα＝α0-α计算导叶开度α0和当前导叶开度α之间的导叶开度误差Δα；
步骤B2，将导叶开度误差Δα通过积分控制环节1/(τs)抑制高频，其中τ为积分控制环节的时间常数，s为复频率；
步骤B3，将通过积分控制环节1/(τs)抑制高频后得到的开度指令限幅在αmin～αmax范围内，再输出至导叶控制器以完成对导叶开度α的控制。
本实施例的水力发电机组最高效率运行的实现方法采用变速恒频技术，整个发电系统引入电力电子功率器件，即引入实现交流-直流-交流(AC-DC-AC)电能变换，使得水轮发电机转速与电网频率不再关联，在水轮机变转速情况下始终以50Hz频率发电上电网，能够解决上述电站水文条件偏移额定点时水轮机发电效率低的问题，实现自适应变转速小水电发电。传统恒速恒频水电功率链结构对发电水况有固定需求，难以实现水能的灵活高效利用。该动态转速自适应的变转速小水电发电机组，相对于以往的恒速发电机组，运行范围变宽，即并网后，水轮机转速可大范围变化，以适应水流的变化，即改变了传统恒速恒频水电发电系统变工况的运行能力不足的弱点。本实施例的水力发电机组最高效率运行的实现方法使得机组转速能够根据进水流量的变化而变化，能有效保证水轮机在运行区间内均保持最佳水能捕获效率从而增加系统发电量，变速运行机组可提高发电效率；本实施例方法的机组变速运行可以优化水轮机负荷调节，有利于解决水流速与水轮机转速的不匹配问题，从而有效降低水轮机气蚀、噪声、振动和磨损，延长水轮机寿命并增加系统的稳定裕度；通过动态转速自适应的变转速小水电发电机组，降低了发电水头要求，避免设备的频繁启停机。变速系统中变频器能够根据电网需求精准补偿无功能量，仅需要改变输出电流相位角就能调节有功、无功功率，无需额外的无功补偿装置。
如图9所示，本实施例还提供一种水力发电机组最高效率运行的实现系统，包括控制单元、带有可调开度的导叶的水轮机以及带有双PWM变频器的发电机，其特征在于，控制单元包括：
水轮机最高效率跟踪模块，用于根据网侧需求功率P以及工作水头H执行水轮机最高效率跟踪，规划最优导叶开度参考值α0和最优转速noptimal；
导叶开度控制模块，用于根据最优导叶开度参考值α0和当前导叶开度α实现对水轮机的导叶开度α的控制；
最优转速跟随控制模块，用于根据最优转速noptimal进行最优转速跟踪控制以控制水轮机输出功率使水轮机保持最优效率运行；
水轮机最高效率跟踪模块的输出端分别与导叶开度控制模块和最优转速跟随控制模块相连，导叶开度控制模块的输出端与水轮机的导叶控制端相连，最优转速跟随控制模块的输出端与双PWM变频器的控制端相连；双PWM变频器包括：
机侧PWM变频器，用于控制发电机的转子力矩以控制转子转速；
网侧PWM变频器，用于控制发电频率与电网频率一致以并网，并实现无功补偿；
发电机的输出端、机侧PWM变频器、网侧PWM变频器依次相连。
此外，本实施例还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序，该计算机程序用于被微处理器编程或配置以实施前文所述水力发电机组最高效率运行的实现方法的步骤。
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 (10)

1.一种水力发电机组最高效率运行的实现方法，其特征在于，包括：
1)根据网侧需求功率P以及工作水头H执行水轮机最高效率跟踪，规划最优导叶开度参考值α0和最优转速noptimal；
2)根据最优转速noptimal进行最优转速跟踪控制，并根据最优导叶开度参考值α0和当前的导叶开度α实现对水轮机的导叶开度α的控制，从而使水轮机输出功率Ptur适应电网负荷的变化且水轮机的运行效率最优。
2.根据权利要求1所述的水力发电机组最高效率运行的实现方法，其特征在于，步骤1)包括：
1.1)基于网侧需求功率P以及工作水头H计算水轮机所需的单位出力P1；
1.2)根据最高出力曲线P1＝f2(Q1)，确定单位出力P1对应的单位流量Q1；
1.3)根据单位流量Q1与最优导叶开度参考值α0的关系曲线，确定单位流量Q1对应的最优导叶开度参考值α0；由单位流量Q1根据最高效率曲线η水max＝f1(Q1)查找最高效率η水max；由单位流量Q1根据效率峰顶曲线n1＝f3(Q1)|η水＝η水max计算得到最优单位转速n1；再由最优单位转速n1经计算得到最优转速noptimal。
3.根据权利要求2所述的水力发电机组最高效率运行的实现方法，其特征在于，步骤1.1)中计算水轮机所需的单位出力P1的函数表达式为：
Figure FDA0003606159690000011
上式中，D为水轮机转轮直径；步骤1.2)中最高出力曲线P1＝f2(Q1)的函数表达式为：
P1＝9.81Q1η
上式中，P1为单位出力，Q1为单位流量，η为各单位流量Q1值所一一对应的最高效率；步骤1.3)中计算最优转速noptimal的函数表达式为：
Figure FDA0003606159690000012
上式中，n1为由单位流量Q1根据效率峰顶曲线n1＝f3(Q1)|η水＝η水max计算得到最优单位转速，D为水轮机转轮直径，H为工作水头。
4.根据权利要求1所述的水力发电机组最高效率运行的实现方法，其特征在于，步骤2)中根据最优转速noptimal进行最优转速跟踪控制以控制水轮机输出功率使水轮机保持最优效率运行包括：
步骤A1，计算最优转速noptimal和当前实际转速n之间的转速差值Δn，将转速差值Δn通过预设的PI控制器得到两相旋转坐标系下电流q轴分量的参考值isqref；
步骤A2，将两相旋转坐标系下电流q轴分量的参考值isqref通过乘以电流环的闭环传递函数H(s)得到用于作为转矩电流的两相旋转坐标系下电流q轴分量isq；
步骤A3，根据两相旋转坐标系下电流q轴分量isq计算发电机的电磁转矩Te；
步骤A4，计算发电机的电磁转矩Te和水轮机输出转矩Ttur之间的转矩差值，并根据电磁转矩Te和水轮机输出转矩Ttur之间的转矩差值确定水轮机角频率ω，因水轮机角频率与发电机的机械角频率相同，故将发电机的机械角频率ω下发给发电机的机侧PWM变频器，以通过发电机的机侧PWM变频器控制发电机的转子力矩以控制转子转速，同时通过发电机的网侧PWM变频器控制发电频率与电网一致，且实现无功补偿。
5.根据权利要求4所述的水力发电机组最高效率运行的实现方法，其特征在于，步骤A1中PI控制器的Knp和Kni的函数表达式为：
Figure FDA0003606159690000021
Figure FDA0003606159690000022
上式中，J为转动惯量，h为中频宽，Tsd为变频器开关周期和滤波时间常数之和，np为发电机极对数，Ψf为转子磁链；步骤A2中电流环的闭环传递函数H(s)的函数表达式为：
Figure FDA0003606159690000023
上式中，Tsd为变频器开关周期和滤波时间常数之和，s为复频率。
6.根据权利要求4所述的水力发电机组最高效率运行的实现方法，其特征在于，步骤A3中根据两相旋转坐标系下电流q轴分量isq计算发电机的电磁转矩Te的函数表达式为：
Figure FDA0003606159690000031
上式中，np为发电机极对数，Ψf为转子磁链，isq为两相旋转坐标系下电流q轴分量。
7.根据权利要求4所述的水力发电机组最高效率运行的实现方法，其特征在于，步骤A4中根据电磁转矩Te和水轮机输出转矩Ttur之间的转矩差值确定水轮机角频率ω的函数表达式为：
Figure FDA0003606159690000032
上式中，J为转动惯量，s为复频率。
8.根据权利要求1所述的水力发电机组最高效率运行的实现方法，其特征在于，步骤2)中根据最优导叶开度参考值α0和当前导叶开度α实现对水轮机的导叶开度α的控制包括：
步骤B1，根据Δα＝α0-α计算导叶开度α0和当前导叶开度α之间的导叶开度误差Δα；
步骤B2，将导叶开度误差Δα通过积分控制环节1/(τs)抑制高频，其中τ为积分控制环节的时间常数，s为复频率；
步骤B3，将通过积分控制环节1/(τs)抑制高频后得到的开度指令限幅在αmin～αmax范围内，再输出至导叶控制器以完成对导叶开度α的控制。
9.一种水力发电机组最高效率运行的实现系统，包括控制单元、带有可调开度的导叶的水轮机以及带有双PWM变频器的发电机，其特征在于，所述控制单元包括：
水轮机最高效率跟踪模块，用于根据网侧需求功率P以及工作水头H执行水轮机最高效率跟踪，规划最优导叶开度参考值α0和最优转速noptimal；
导叶开度控制模块，用于根据最优导叶开度参考值α0和当前导叶开度α实现对水轮机的导叶开度α的控制；
最优转速跟随控制模块，用于根据最优转速noptimal进行最优转速跟踪控制以控制水轮机输出功率使水轮机保持最优效率运行；
所述水轮机最高效率跟踪模块的输出端分别与导叶开度控制模块和最优转速跟随控制模块相连，所述导叶开度控制模块的输出端与水轮机的导叶控制端相连，所述最优转速跟随控制模块的输出端与双PWM变频器的控制端相连；所述双PWM变频器包括：
机侧PWM变频器，用于控制发电机的转子力矩以控制转子转速；
网侧PWM变频器，用于控制发电频率与电网频率一致以并网，并实现无功补偿；
所述发电机的输出端、机侧PWM变频器、网侧PWM变频器依次相连。
10.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序用于被微处理器编程或配置以实施权利要求1～8中任意一项所述水力发电机组最高效率运行的实现方法的步骤。
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