CN115173434B - 基于交流励磁抽水蓄能机组运行约束的惯性调频控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于交流励磁抽水蓄能机组运行约束的惯性调频控制方法，属于抽水蓄能技术领域。最优功率的协同控制策略包括功率调节方式选择，用于根据机组转速及功率参考值确定机组采用功率阶跃变化方式还是功率斜坡变化进行功率调节，防止机组因快速调节而过度释放转子动能导致机组失速；水泵水轮机及变流器功率参考值分析计算，用于根据机组参考功率、转速及损耗等参数确定机侧变流器功率参考值机水泵水轮机功率参考值；最优转速及最优导叶开度查表，用于根据实时水头及水泵水轮机功率确定机组最优转速及最优导叶开度。本发明能够提高机组与电网功率交换的准确性及水泵水轮机效率。
Description
技术领域
本发明属于抽水蓄能技术领域，涉及基于交流励磁抽水蓄能机组运行约束的惯性调频控制方法。
背景技术
交流励磁抽水蓄能机组转速可调，不但可以提高发电工况水泵水轮机效率，同时，可提高抽水工况水泵水轮机功率调节范围。极大增强了抽水蓄能电站抑制间歇性、随机性可再生能源发电引起的电网功率波动的能力，逐渐成为抽水蓄能电站主流机型。然而，水泵水轮机功率调节速度较慢，国际电工技术委员会推荐水泵水轮机的增负荷时间为20～40秒，而变流器却能实现毫秒级的电磁功率调节，因此，如何协调较慢的原动机机械功率调节速度和变流器毫秒级电磁功率调节速度，提高变速抽蓄机组功率调节效率及速度，以维护大量新能源并网电力系统安全稳定运行具有重要意义。交流励磁抽水蓄能机组控制策略包括调速器控制、变流器控制。调速器控制目的是通过调节导叶开度实现机组转速或有功功率的调节，变流器控制的目的是通过调节转子电压的幅值、相位和频率进而调节机组有功功率和转速。目前，国内外关于交流励磁抽水蓄能机组的研究主要集中在系统建模、调速器控制及变流器控制策略上，但是对于机组功率控制研究较少，因此，为了充分挖掘交流励磁抽水蓄能机组效率及功率调节速度，急需一种适用于交流励磁抽水蓄能机组最有功率控制方法。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于交流励磁抽水蓄能机组运行约束的惯性调频控制方法，能够提高机组与电网功率交换的准确性及水泵水轮机效率。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
基于交流励磁抽水蓄能机组运行约束的惯性调频控制方法，该方法包括功率调节方式选择、水泵水轮机及变流器功率参考值分析计算以及最优转速及最优导叶开度查表，其中：
所述功率调节方式选择，用于根据机组转速及功率参考值确定机组采用功率阶跃变化方式还是功率斜坡变化进行功率调节，防止机组因快速调节而过度释放转子动能导致机组失速；
所述水泵水轮机及变流器功率参考值分析计算，用于根据机组参考功率、转速及损耗等参数确定机侧变流器功率参考值机水泵水轮机功率参考值；
所述最优转速及最优导叶开度查表，用于根据实时水头及水泵水轮机功率确定机组最优转速及最优导叶开度。
可选的，所述功率调节方式选择按照下述公式确定发电工况机组有功功率阶跃变化范围：
其中，J为机组转动惯量，考虑接力器的传输延迟时间Ty＝1s，机组整体效率为η，w0为机组初始转子角速度，w1为机组转子角速度极限值，机组突增负荷时为转子角速度最小值，机组突减负荷时为转子角速度最大值，交流励磁抽水蓄能机组的转子角速度变化范围为±10％，即w1max＝1.1pu，w1min＝0.9pu，am为水轮机输出机械功率增加或减少最大速度，即0.05(pu/s)；t为机组转子角速度跌落到最低值且机组实现功率平衡时所需时间，λ为机组突增或突减输出有功功率的比例，PN为机组容量；
按照下述公式确定发电工况机组有功功率斜坡变化范围：
其中，k为机组功率斜坡变化斜率，t为从机组功率调节开始起到原动机输出机械功率与机组电磁功率相等所需时间，t1为从机组功率调节开始到输出功率达到参考值所需时间；
按照下述公式确定抽水工况机组有功功率阶跃变化范围：
按照下述公式确定抽水工况机组有功功率斜坡变化范围：
可选的，所述水泵水轮机及变流器功率参考值分析计算按照下述公式确定所述发电工况下，变流器的有功功率参考值P1 *：
其中，s为转差率，P1为定子端输出有功功率，Pem为定子端电磁功率，Pm为水轮机输入机械功率，Pe2为转子端电磁功率，P2为转子端输出有功功率，pCu1＝3I2 1R1和pFe1＝3I2mRm分别为定子铜耗和定子铁耗，pCu2＝3I2 2R2为转子铜耗，pm和ps分别为机械损耗和杂散损耗，本文记为常数；其中，I1、I2和Im分别为定子电流、转子电流和激磁电流，R1、R2和Rm分别为定子电阻、转子电阻和激磁电阻，pgf、pcf分别为网侧、机侧变流器损耗，按照下述公式确定pgf及pcf：
其中，ηg、ηc分别为网侧机侧变流器效率，Ig、Ic分别为网侧机侧变流器电流；
按照下述公式确定所述发电工况下，原动机输出机械功率参考值P*m为：
按照下述公式确定所述抽水工况下，变流器的有功功率参考值P1 *为：
按照下述公式确定所述抽水工况下，原动机输入机械功率参考值Pm *为：
可选的，所述最优转速及最优导叶开度查表通过水泵水轮机全特性曲线搜索得出不同水头及功率下，机组的最优转速及最优开度。
本发明的有益效果在于：本发明不但增加了机组与电网功率交换的速度及准确性，同时，有效提高了水泵水轮机效率。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为本发明实施例中交流励磁抽水蓄能机组最优功率的协同控制策略对应的原理图；
图2为本发明实施例中发电工况机组最有转速及最优导叶开度搜索框图；
图3为本发明实施例中抽水工况机组最有转速及最优导叶开度搜索框图；
图4为本发明实施例中机组的仿真波形一；
图5为本发明实施例中机组的仿真波形二；
图6为本发明实施例中机组的仿真波形三；
图7为本发明实施例中机组的仿真波形四；
图8为本发明实施例中机组的仿真波形五；
图9为本发明实施例中机组的仿真波形六；
图10为本发明实施例中机组的仿真波形七；
图11为本发明实施例中机组的仿真波形八。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”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，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
图1为本发明中交流励磁抽水蓄能机组最优功率的协同控制策略对应的原理图。请参阅图1，所述最优功率的协同控制策略包括功率调节方式选择、水泵水轮机及变流器功率参考值分析计算以及最优转速及最优导叶开度查表，其中：
所述最优功率的协同控制策略包括功率调节方式选择，用于根据机组转速及功率参考值确定机组采用功率阶跃变化方式还是功率斜坡变化进行功率调节，防止机组因快速调节而过度释放转子动能导致机组失速；
所述水泵水轮机及变流器功率参考值分析计算，用于根据机组参考功率、转速及损耗等参数确定机侧变流器功率参考值机水泵水轮机功率参考值；
所述最优转速及最优导叶开度查表，用于根据实时水头及水泵水轮机功率确定机组最优转速及最优导叶开度。
图2为本发明实施例中发电工况机组最有转速及最优导叶开度搜索框图，其中，Pm、H、n、Mi及Qi均采用标幺值，Qop、nop及yop分别为某工况点最优流量、最优转速及最优开度，发电工况下，首先给定水泵水轮机机械功率Pm、水头H及交流励磁双馈电机转速上下限nmin＝0.9pu和nmax＝1.1pu，然后确定转速搜索步长，本文取j＝40，即转速搜索步长△n＝0.005pu。根据水泵水轮机机械功率Pm及转速ni可求得水泵水轮机力矩Mi，进而求得单位转速n11i及单位力矩值M11i，再根据第Ⅰ区域力矩特性曲线反求出导叶开度yi，进而求得H1，并根据第Ⅰ区域流量特性曲线求出Q11i，进而求出流量标幺值Qi。再判断流量标幺值是否属于[0,1]，若不满足Qi＝inf(将该转速ni排除在搜索范围之外)，若满足所得流量值可进入备选，搜索过程遍历整个转速范围后，取最小实际流量标幺值对应转速及导叶开度，即为该出力及水头下使得水泵水轮机效率最高的最优值。
图3为本发明实施例中抽水工况机组最有转速及最优导叶开度搜索框图，首先给定水泵水轮机机械功率Pm、水头H及交流励磁双馈电机转速上下限nmin＝-1.1pu和nmax＝-0.9pu，然后确定转速搜索步长，本文取j＝40，即转速搜索步长△n＝0.005pu。根据水泵水轮机机械功率Pm及转速ni可求得水泵水轮机力矩Mi，通过式(2.1)和(2.3)求得单位转速n11i及单位力矩值M11i，根据第Ⅰ区域力矩特性曲线反求出导叶开度yi，进而根据第Ⅰ区域流量特性曲线求出Q11i，根据式(2.2)求出流量标幺值Qi。再判断流量标幺值是否属于[-1,0]，若不满足Qi＝0(将该转速ni排除在搜索范围之外)，若满足所得流量值可进入备选，搜索过程遍历整个转速范围后，取最小实际流量标幺值对应转速及导叶开度，即为该出力及水头下使得水泵水轮机效率最高的最优值。
为了对比本发明提出交流励磁抽水蓄能机组最优功率的协同控制策略相对于传统功率控制策略优势，对不同控制策略下机组功率调节性能进行仿真对比分析，在Matlab/Simulink中建立了如图1原理图所示的仿真模型。
发电工况下，水头H＝0.96pu，机组与电网功率交换指令由0.2pu变为0.6pu再变回0.2pu，仿真波形如图4和图5所示。图4为机组有功功率，图5为机组流量，可看出在20s到100s期间，与采用本发明控制策略相比，采用传统控制策略功率输出增加了2.5％，而流量的使用却增加了5.67％(发电工况流量使用越少效率越高)。
发电工况下，水头H＝0.96pu，机组与电网功率交换指令由0.2pu变为0.85pu再变回0.2pu，仿真结果如图6和图7所示。图6为机组有功功率，图7为机组流量，可看出采用本发明控制策略时，从0.2pu(60MW)变为0.85pu(255MW)机组达到稳定时间为5s，功率调节速度为39MW/s。而采用传统控制策略时，机组达到稳定时间为28s，功率调节速度为7MW/s。在20s到100s期间，与本文控制策略相比，采用传统控制策略功率输出增加了2.4％，而流量的使用却增加了4.2％。
抽水工况下，水头H＝0.96pu，机组与电网功率交换指令由-0.2pu变为-0.6pu再变回-0.2pu，仿真结果如图8和图9所示。图8为机组有功功率，图9为机组流量，可看出在0s到20s期间，与本发明控制策略相比，采用传统控制策略功率输入减少了9.5％，而流量的使用却减少了18.4％(抽水工况流量使用越多效率越高)。在20s到100s期间，与本发明控制策略相比，采用传统控制策略功率输入增加了2％，而流量的使用却仅增加了0.16％。
抽水工况下，水头H＝0.96pu，机组与电网功率交换指令由-0.2pu变为-0.85pu再变回-0.2pu，仿真结果如图10和图11所示。图10为机组有功功率，图11为机组流量，可看出采用本发明控制策略时，从0.2pu(60MW)变为0.8pu(240MW)机组达到稳定时间为4.85s，功率调节速度为37.1MW/s。而采用传统控制策略时，机组达到稳定时间为19s，功率调节速度为9.5MW/s。在0s到20s期间，与本发明控制策略相比，采用传统控制策略功率输入减少了9.5％，而流量的使用却减少了18.4％(抽水工况流量使用越多效率越高)。在20s到100s期间，与本发明控制策略相比，采用传统控制策略功率输入增加了4％，而流量的使用却仅增加了2.26％。
综上可得，采用本发明功率控制策略，不但增加了机组与电网功率交换的速度及准确性，同时，有效提高了水泵水轮机效率。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (3)
1.基于交流励磁抽水蓄能机组运行约束的惯性调频控制方法，其特征在于：
该方法包括功率调节方式选择、水泵水轮机及变流器功率参考值分析计算以及最优转速及最优导叶开度查表，其中：
所述功率调节方式选择，用于根据机组转速及功率参考值确定机组采用功率阶跃变化方式还是功率斜坡变化进行功率调节，防止机组因快速调节而过度释放转子动能导致机组失速；
所述水泵水轮机及变流器功率参考值分析计算模块，用于根据机组参考功率、转速及损耗计算机侧变流器以及水泵水轮机功率参考值；
所述最优转速及最优导叶开度查表，用于根据实时水头及水泵水轮机功率确定机组最优转速及最优导叶开度；
所述功率调节方式选择按照下述公式确定发电工况机组有功功率阶跃变化范围：
其中，J为机组转动惯量，考虑接力器的传输延迟时间Ty＝1s，机组整体效率为η，w0为机组初始转子角速度，w1为机组转子角速度极限值，机组突增负荷时为转子角速度最小值，机组突减负荷时为转子角速度最大值，交流励磁抽水蓄能机组的转子角速度变化范围为±10％，即w1max＝1.1pu，w1min＝0.9pu，am为水轮机输出机械功率增加或减少最大速度，即0.05(pu/s)；t为机组转子角速度跌落到最低值且机组实现功率平衡时所需时间，λ为机组突增或突减输出有功功率的比例，PN为机组容量；
按照下述公式确定发电工况机组有功功率斜坡变化范围：
其中，t’为从机组功率调节开始起到原动机输出机械功率与机组电磁功率相等所需时间，t1为从机组功率调节开始到输出功率达到参考值所需时间；
按照下述公式确定抽水工况机组有功功率阶跃变化范围：
按照下述公式确定抽水工况机组有功功率斜坡变化范围：
2.根据权利要求1所述的基于交流励磁抽水蓄能机组运行约束的惯性调频控制方法，其特征在于：所述水泵水轮机及变流器功率参考值分析计算按照下述公式确定所述发电工况下，变流器的有功功率参考值P1 *：
其中，s为转差率，和/>分别为定子铜耗和定子铁耗，/>为转子铜耗，I1、I2和Im分别为定子电流、转子电流和激磁电流，R1、R2和Rm分别为定子电阻、转子电阻和激磁电阻，pgf、pcf分别为网侧、机侧变流器损耗，按照下述公式确定pgf及pcf：
其中，ηg、ηc分别为网侧机侧变流器效率，Ig、Ic分别为网侧机侧变流器电流；
按照下述公式确定所述发电工况下，原动机输出机械功率参考值为：
按照下述公式确定所述抽水工况下，变流器的有功功率参考值P1'*为：
按照下述公式确定所述抽水工况下，原动机输入机械功率参考值为：
3.根据权利要求1所述的基于交流励磁抽水蓄能机组运行约束的惯性调频控制方法，其特征在于：所述最优转速及最优导叶开度查表通过水泵水轮机全特性曲线搜索得出不同水头及功率下，机组的最优转速及最优开度。
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| CN202210723857.0A Active CN115173434B (zh) | 2022-06-23 | 2022-06-23 | 基于交流励磁抽水蓄能机组运行约束的惯性调频控制方法 |
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Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109361233A (zh) * | 2018-10-16 | 2019-02-19 | 华北电力大学 | 双馈式可变速抽水蓄能电站输出功率动态过程建模方法 |
| CN111555679A (zh) * | 2020-05-09 | 2020-08-18 | 南京南瑞继保电气有限公司 | 一种交流励磁可变速抽水蓄能机组控制系统及方法 |
| CN111913035A (zh) * | 2020-06-22 | 2020-11-10 | 国网江西省电力有限公司电力科学研究院 | 一种交流励磁抽水蓄能机组运行功率能力计算方法 |
| 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 |
-
2022
- 2022-06-23 CN CN202210723857.0A patent/CN115173434B/zh active Active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109361233A (zh) * | 2018-10-16 | 2019-02-19 | 华北电力大学 | 双馈式可变速抽水蓄能电站输出功率动态过程建模方法 |
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 基于转子动能与超级电容器储能的双馈风电机组惯量和一次调频改进控制策略;颜湘武等;《电工技术学报》;20211231;第36卷(第S1期);第179-190页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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