CN117394547A - 一种用于中小型抽水蓄能电站的控制方法 - Google Patents

一种用于中小型抽水蓄能电站的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于中小型抽水蓄能电站的控制方法，其属于电能智能控制技术领域，其采用的控制系统包括就地控制单元和二级控制模块，就地控制单元与电网、电网调度系统、二级控制模块分别相连接；二级控制模块与调速器、励磁系统、全功率变流器分别相连接；调速器与水泵水轮机相连接；励磁系统与发电电动机相连接；水泵水轮机与发电电动机的转子同轴设置，发电电动机的定子与全功率变流器相连接，全功率变流器与电网相连接。本发明针对目前抽水蓄能变速机组运行效率及响应速度较低的情况，更好地实现水泵水轮机始终工作在对应水头/扬程下转速‑功率、开度‑功率最优曲线上，进而使抽水蓄能机组最大效率运行，同时提升机组功率的快速响应能力。

Description

一种用于中小型抽水蓄能电站的控制方法
技术领域
本发明属于电能智能控制技术领域，具体地涉及一种用于中小型抽水蓄能电站的控制方法。
背景技术
抽水蓄能电站是利用电力系统的富余电能从下水库向上水库抽水，将电能转换为水的势能储存起来，当电力系统需要时，从上水库向下水库放水发电，再将水的势能转换为电能的一种水电站，其基本结构例如图1所示。
目前常规的抽水蓄能电站水泵水轮机是定速的，存在并网慢、启动过程存在振动区、无法一直运行在最佳工作点、实际运行效率较低等问题。变速恒频抽水蓄能机组可以实现转速宽范围变化，功率调节能力强，有效改善电网频率，抑制可再生能源发电波动，解决电网面临的稳定性问题。但由于变速恒频可逆式抽水蓄能机组在国内尚未进行推广应用，目前的控制系统仍以传统的控制方式为主，即，由机组就地控制单元（LCU）对机组进行控制。现有的控制方式和控制策略很难达到机组变流器、调速器和励磁系统的寻优控制，从而限制了变速恒频可逆式抽水蓄能机组的运行效率及响应速度，发挥不出变速恒频可逆式抽水蓄能机组的优势。
发明内容
基于现有技术存在的技术问题，本发明提供一种用于中小型抽水蓄能电站的控制方法，本发明针对目前抽水蓄能变速机组运行效率及响应速度较低的情况，实现水泵水轮机始终工作在对应水头/扬程下转速-功率、开度-功率最优曲线上，进而使抽水蓄能机组最大效率运行，同时提升机组功率的快速响应能力。
依据本发明的技术方案，本发明提供了一种用于中小型抽水蓄能电站的控制方法，其采用用于中小型抽水蓄能电站的控制系统，用于中小型抽水蓄能电站的控制系统包括就地控制单元和二级控制模块，就地控制单元与电网、电网调度系统、二级控制模块分别相连接；二级控制模块与调速器、励磁系统、全功率变流器分别相连接；调速器与水泵水轮机相连接；励磁系统与发电电动机相连接；水泵水轮机与发电电动机的转子同轴设置，发电电动机的定子与全功率变流器相连接，全功率变流器与电网相连接；
用于中小型抽水蓄能电站的控制方法包括四种运行模式：
模式一为水轮机常规发电模式，在模式一下抽水蓄能机组采用变导叶开度、变转速的运行方式，并且可以参与正常一次调频；
模式二为水轮机快速响应发电模式，在模式二下抽水蓄能机组采用定初始导叶开度、变转速的运行方式，并且参与快速一次调频；
模式三为水泵常规抽水模式，在模式三下抽水蓄能机组采用定导叶开度和定转速无空化运行方式，不参与一次调频；
模式四为水泵快速响应抽水模式，在模式四下抽水蓄能机组采用定导叶开度、变转速运行方式，并且参与快速一次调频。
进一步地，模式一包括如下步骤：
步骤S11，就地控制单元向二级控制模块发送按模式一运行的指令以及功率指令P0；
步骤S12，二级控制模块接收指令，计算Pt=P0+△P；其中，Pt为中间计算功率，△P为非快速一次调频量；
步骤S13，二级控制模块判断Pt-P0>K1×△P是否成立，其中K1为步长调整系数，随导叶开度Y加速度变化；若成立，则有功功率指令最终输出值Ps=P0+K1×△P；若不成立，则Ps=Pt；二级控制模块将含有Ps的功率指令发送至全功率变流器；
步骤S14，二级控制模块根据中间计算功率Pt得到最优转速Ns；二级控制模块将含有最优转速Ns的转速指令发送至调速器，调速器基于目标转速Ns做转速闭环控制；
二级控制模块根据公式Ys=Y0+Kp△N+Ki△N+Kd△N计算得到最优开度Ys；其中，Y0为原始导叶开度，Kp为比例调整系数，Ki为积分调整系数，Kd为微分调整系数，△N为转速变化量；二级控制模块将含有最优开度Ys的开度指令发送至调速器，调速器控制导叶开度至最优开度Ys。
进一步地，模式二包括如下步骤：
步骤S21，就地控制单元向二级控制模块发送按模式二运行的指令以及功率指令P0；
步骤S22，二级控制模块向调速器发送开度指令，调速器控制导叶开度至22度；
同时，二级控制模块接收到快速调频信号△P，计算出最新功率Pt并发送给全功率变流器，全功率变流器首先快速调节转速；若无法满足调频需求，进一步加大调节幅度，同时检测频率扰动；
步骤S23，当二级控制模块检测到频率扰动△f>±0.3Hz，全功率变流器按最大能力的70%以上进行加载或减载，在频率扰动消除前，抽水蓄能机组保持在当前工作参数运行，直到频率扰动消除后，抽水蓄能机组再次回到扰动前工作参数，等待下次频率调节；在此期间，导叶开度保持22度不变。
进一步地，如果在步骤S23期间出现转速超限，二级控制模块控制全功率变流器的同时，控制调速器调整导叶开度以维持转速到限定转速范围内；如转速仍然超限，就地控制单元控制执行停机。
进一步地，模式三包括如下步骤：
步骤S31，二级控制模块接到就地控制单元发送的按模式三运行抽水模式的指令后，向全功率变流器发送开机指令，全功率变流器预充电，全功率变流器的网侧断路器闭合，全功率变流器网侧启动建立母线电压；
步骤S32，二级控制模块接到就地控制单元单一抽水令后，二级控制模块向全功率变流器发送抽水令，全功率变流器的机侧断路器闭合，全功率变流器的机侧变流器启动实现并网，带水启动；
步骤S33，二级控制模块向调速器发送抽水开机指令，调速器开机；
步骤S35，二级控制模块继续给全功率变流器发送转速信号、给调速器发送开度信号，按转速-开度控制曲线控制抽水蓄能机组从静止直到达到最优抽水工作参数。
进一步地，模式三中在步骤S33和步骤S35之间还包括步骤S34：二级控制模块根据如下方程（1）、方程（2）和方程（3）进行迭代计算，得到扬程HP、效率ηP和流量QP之间关系的模型曲线，进而得到水泵效率最高时对应的导叶最优开度；
方程（1）
方程（2）
方程（3）
其中：a0、a1、a2为曲线拟合系数，nr为水泵转速，fe为水泵摩擦系数，ηP为水泵效率，H需为设计的目标扬程，Hs为静止状态时扬程，Hl为由于管道摩擦损失的扬程，Pp为水泵工况时的入力，ρ为水的密度，g为水的重力加速度。
进一步地，模式三中抽水蓄能机组的最优抽水运行工况如下：保持导叶开度在30度，转速在1030r/min，水泵运行效率在91.8%以上。
进一步地，模式四包括如下步骤：
步骤S41，就地控制单元向二级控制模块发送按模式四运行的指令以及功率指令P0；
步骤S42，二级控制模块向调速器发送开度指令，调速器控制导叶开度至22度并保持不变；
同时，二级控制模块接收到快速调频信号△P，计算出最新功率Pt并发送给全功率变流器，全功率变流器首先快速调节转速；若无法满足调频需求，进一步加大调节幅度，同时检测频率扰动；
步骤S43，当二级控制模块检测到频率扰动△f>±0.3Hz，全功率变流器按最大能力的50%以上进行加载或减载，在频率扰动消除前，抽水蓄能机组保持在当前工作参数运行，直到频率扰动消除后，机组再次回到扰动前工作参数，等待下次频率调节；在此期间，导叶开度保持22度不变。
进一步地，如果在步骤S43期间出现转速超限，二级控制模块加大全功率变流器的调节能力到100%以维持转速到限定转速范围内；如转速仍然超限，就地控制单元控制执行停机。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果如下：
1、本发明的用于中小型抽水蓄能电站的控制方法通过分析研究可逆式抽水蓄能机组变速特性，确定最优运行模式，基于变转速、变导叶开度双寻优的原则，调节变流器，实现机组快速平稳便捷启停、可运行范围内的最佳高效平稳运行；同时，可以接收LCU的指令，进行水泵水轮机及调速器、电动发电机、励磁系统及全功率变流器的控制，不用修改LCU的控制逻辑，拓展变速恒频可逆式抽水蓄能机组的运行模式、满足抽水蓄能电站个性化运行调控需求，全面提升变速恒频抽水蓄能机组并网运行高效平稳性和对电网频率的快速响应。
2、本发明的用于中小型抽水蓄能电站的控制方法具有四种模式，即水轮机常规发电模式、水轮机快速响应发电模式、水泵常规抽水模式和水泵快速响应抽水模式。其中水轮机常规发电模式下，通过水轮机不同扬程下最优转速-功率曲线，计算出所对应的最优转速，然后通过对机组进行转速的控制，达到对水轮机最优模式运行的目的；水轮机快速响应发电模式和水泵快速响应抽水模式可以实现对抽水蓄能机组发电功率的快速调节，从而增加机组参与电网调峰、调频的能力；在水泵常规抽水模式下，水泵特性反应了扬程、效率和流量的关系，当水泵效率达到最高是，此时对应的导叶开度即为最优导叶开度，进而通过调节机械导叶，实现水泵的最有效率运行。通过此种优选的多模式控制的方式，使水泵水轮机组在变速范围不受限制的同时，具备寻优发电、最大效率抽水、变负荷、功率快速响应、频率波动快速响应等能力，更佳地实现了中小型抽水蓄能变速机组高效地在最优状态下运行。
附图说明
图1是抽水蓄能电站基本组成示意图。
图2是本发明一实施例的控制系统结构示意图。
图3是本发明一实施例的二级控制模块的机柜布置示意图。
图4是本发明一实施例的包含抽水蓄能机组的控制系统框图。
图5是本发明一实施例的控制系统工作模式一的控制框图。
图6是本发明一实施例的控制系统工作模式一的流程图。
图7是本发明一实施例的控制系统工作模式二的流程图。
图8是扬程、效率和流量三者的关系曲线图。
图9是本发明一实施例的控制系统工作模式三的控制框图。
图10是本发明一实施例的控制系统工作模式三的流程图。
图11是本发明一实施例的控制系统工作模式三的转速-开度控制曲线图。
图12是本发明一实施例的控制系统工作模式四的流程图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。
本发明提供一种用于中小型抽水蓄能电站的控制方法，尤其针对目前中小型抽水蓄能变速机组运行效率及响应速度较低的情况，实现水泵水轮机始终工作在对应水头/扬程下转速-功率、开度-功率最优曲线上，进而使抽水蓄能机组最大效率运行，同时提升机组功率的快速响应能力。更具体而言，本发明根据变速恒频可逆式抽水蓄能机组的运行特点和调节特性，提供了一种专门用于变速恒频可逆式抽水蓄能机组的控制系统及多模式控制方案，本发明的主要发明构思在于，通过二级控制模块对机组的水泵水轮机及调速器、电动发电机、励磁系统及全功率变流器进行控制，并通过专门针对以上三个设备部分的控制策略，进行寻优控制，可以有效提高机组的运行效率和快速响应能力。
本发明一实施例的一种用于中小型抽水蓄能电站的控制系统，由硬件和软件构成。其中硬件结构如图2、图4所示，主要包括就地控制单元1（LCU）、二级控制模块2、调速器5、励磁系统6、水泵水轮机8和发电电动机9。就地控制单元1与电网3、电网调度系统4、二级控制模块2分别相连接，根据需要，就地控制单元1还连接控制机组综保系统、机组外围设备等。本方案的主要改进点之一在于通过增设二级控制模块2实现对部分机组设备的分级控制。二级控制模块2与调速器5、励磁系统6、全功率变流器7分别相连接，二级控制模块2能够接受该三者的信号并进行控制调节。调速器5与水泵水轮机8相连接，用于调节水泵水轮机8的转速。励磁系统6与发电电动机9相连接。水泵水轮机8与发电电动机9的转子同轴设置，发电电动机9的定子与全功率变流器7相连接，全功率变流器7通过变压器与电网3相连接。可选的另一实施例中，就地控制单元1同时还与调速器5直接连接实现反馈及调节控制。二级控制模块2进一步由电源模块、控制器、通讯模块、IO模块和接线端子组成，一般一面机柜可布置下（例如图3所示），现场布置于就地控制单元1旁边。
水泵水轮机是一种可逆式水力机械，是抽水蓄能机组的动力设备，当转轮正向旋转时作为泵使用，反向旋转时作为水轮机使用。调速器和机械导叶是调节水泵水轮机转速的设备，是抽水蓄能机组的重要附属设备。与水泵水轮机相配合的调速器接收二级控制模块实时给定的最优转速指令，改变抽水蓄能机组的运行转速。发电电动机为同步电机，既可以作发电机使用，又可作为电动机运行。全功率变流器由电机侧变流器、电网侧变流器及直流母线构成。电机侧变流器根据二级控制模块下发的有功指令，调节发电机的输出有功，达到跟踪目标值的目的；电网侧变流器的控制目标为保持直流母线电压的恒定，同时根据电网需求发送无功功率。变速恒频可逆式抽水蓄能机组是在发电电动机定子与电网间连接了一个与电动发电机功率相同的变流器。发电时，将发电机发出的电压、频率不同的电能，经过交/直/交变换后，变成与电网电压、频率相同的电能，输入电网；反之，电动运行时则作为电动机，功率流向相反，电机从电网吸收电能。
二级控制模块的工作原理是通过实时监测机组运行参数和电网参数并接受机组就地控制单元调度指令，根据水库水头高度与流量的随机变化，通过最优控制策略协调水泵水轮机、发电电动机励磁系统和全功率变流器，实现对可逆水泵水轮机转速-功率寻优控制。
基于高效稳定运行、控制操作简便、快速功率响应、宽调节范围与机组安全可靠运行的多目标控制要求，本发明对于本发明上述控制系统的软件部分提出一种用于中小型抽水蓄能电站的控制方法，其具有四种运行模式：水轮机常规发电模式、水轮机快速响应发电模式、水泵常规抽水模式和水泵快速响应抽水模式。模式一为水轮机常规发电模式，在模式一下抽水蓄能机组采用变导叶开度、变转速的运行方式，并且可以参与正常一次调频；模式二为水轮机快速响应发电模式，在模式二下抽水蓄能机组采用定初始导叶开度、变转速的运行方式，并且参与快速一次调频；模式三为水泵常规抽水模式，在模式三下抽水蓄能机组采用定导叶开度和定转速无空化运行方式，不参与一次调频；模式四为水泵快速响应抽水模式，在模式四下抽水蓄能机组采用定导叶开度、变转速运行方式，并且参与快速一次调频。控制系统在水轮机常规发电运行模式下进行水轮机单一寻优控制；在水泵抽水运行模式下进行最大效率抽水控制；在水轮机发电模式下和水泵工况调节模式下进行快速响应控制。以下进行具体说明。
<模式一：水轮机常规发电模式>，
机组在该模式下担负基荷、不参与快速响应，是抽水蓄能电站获得直接经济效益的主要手段。为充分发挥全功率变流器变速范围不受限的特点，使得水轮机尽可能处于最佳运行工况，确定采用变转速、变导叶开度优化运行方式，此时可以参与非快速功率调节（正常一次调频）。其控制框图如图5所示，其中无功功率调节为简单比例积分调节控制。有功功率的控制，输入条件为给定的有功功率和给定的扬程，同时考虑正常一次调频，本调解算法在满足机组出力要求下，为了提高水轮机运行效率，并保证水轮机始终沿最优效率轨迹运行，提出水轮机转速稳定约束下的功率优先控制策略。依据就地控制单元（LCU）下发的目标功率指令和水轮机不同水头下最优转速-功率曲线，计算出对应水头下的水轮机最优转速Ns，然后，通过调节变流器输出功率给定值对机组进行转速的控制，达到对水轮机最优效率运行控制的目的。
本模式一下的具体控制过程如图6所示，主要包括如下步骤：
步骤S11，就地控制单元向二级控制模块发送按模式一运行的指令以及功率指令P0。
步骤S12，二级控制模块接收指令，计算Pt=P0+△P；其中，Pt为中间计算功率，△P为非快速一次调频量，△P可以为0。
步骤S13，二级控制模块判断Pt-P0>K1×△P是否成立，其中K1为步长调整系数，随导叶开度Y加速度变化；
若成立，则有功功率指令最终输出值Ps=P0+K1×△P；若不成立，则Ps=Pt；二级控制模块将含有Ps的功率指令发送至全功率变流器。
步骤S14，二级控制模块根据中间计算功率Pt查表（功率水头表）得到最优转速Ns；二级控制模块将含有最优转速Ns的转速指令发送至调速器，调速器基于目标转速Ns做转速闭环控制确保转速波动在限定范围之内，限定范围例如±1%；
二级控制模块根据公式Ys=Y0+Kp△N+Ki△N+Kd△N计算得到最优开度Ys；其中，Y0为原始导叶开度，Kp为比例调整系数，Ki为积分调整系数，Kd为微分调整系数，△N为转速变化量。二级控制模块将含有最优开度Ys的开度指令发送至调速器，调速器控制导叶开度至最优开度Ys。
<模式二：水轮机快速响应发电模式>，
此模式二下机组参与快速响应，实际运行时间相对较少。为确保快速响应过程机组的安全稳定可靠，确定采取稳妥的定初始导叶开度、变转速运行方式（参与快速一次调频）。
模式二的控制过程如图7所示，具体包括如下步骤：
步骤S21，就地控制单元向二级控制模块发送按模式二运行的指令以及功率指令P0。
步骤S22，二级控制模块向调速器发送开度指令，调速器控制导叶开度至22度。
同时，二级控制模块接收到快速调频信号△P，计算出最新功率Pt并发送给全功率变流器，全功率变流器首先快速调节转速；若无法满足调频需求，进一步加大调节幅度，同时检测频率扰动。
步骤S23，当二级控制模块检测到频率扰动△f>±0.3Hz，全功率变流器暂按最大能力的70%以上进行加载或减载（例如最大能力的90%，最终数值现场调试确定），在频率扰动消除前，机组保持在当前工作参数运行，直到频率扰动消除后，机组再次回到扰动前，等待下次频率调节；在此期间，导叶开度保持22度不变；
进一步地，如果在此期间出现转速超限（第一转速上限或第一转速下限），二级控制模块控制全功率变流器的同时，控制调速器调整导叶开度以维持转速到限定转速范围内，如转速仍然超限（第二转速上限或第二转速下限），就地控制单元控制执行停机。其中，第一转速上限、第一转速下限、第二转速上限、第二转速下限均为设定的值，且第一转速上限至第一转速下限的范围小于第二转速上限至第二转速下限的范围；在本步骤调节期间，转速可能会在一定范围内波动，例如理想的转速为1000r/min，第一转速上限设为1030r/min，第一转速下限设为970r/min，如果转速超出此上下限范围限制则进行上述控制调整过程，控制调整后再进行判断，例如第二转速上限为1060r/min，第二转速下限为940r/min，如果转速超出此上下限范围限制则执行停机。
<模式三：水泵常规抽水模式>，
抽水蓄能机组在用电低谷时段抽水蓄能，无需参与快速响应。此模式下采用定导叶开度和定转速高效稳定无空化运行方式。
可逆水泵水轮机运行在水泵模式时，其水泵特性主要反映了扬程HP、流量QP和转速nr三者之间的关系。对其建立状态方程如下所示：
方程（1）
方程（2）
方程（3）
其中：a0、a1、a2为曲线拟合系数，nr为水泵转速，fe为水泵摩擦系数，ηP为水泵效率，H需为设计的目标扬程，Hs为静止状态时扬程，Hl为由于管道摩擦损失的扬程，Pp为水泵工况时的入力，ρ为水的密度，g为水的重力加速度。
据此可得扬程HP、效率ηP和流量QP三者的关系曲线，如图8所示。
水泵效率达到最高ηPmax，此时对应的导叶开度即为最优导叶开度Y。进而通过调节机械导叶，实现水泵的最优效率运行。
在模式三下抽水蓄能机组工作在定速最优抽水模式时的控制框图和流程图如图9、图10所示，具体包括如下步骤：
步骤S31，二级控制模块接到就地控制单元发送的按模式三运行抽水模式的指令后，向全功率变流器发送开机指令，全功率变流器预充电，全功率变流器的网侧断路器闭合，全功率变流器网侧启动建立母线电压（满足抽水条件）。
步骤S32，二级控制模块接到就地控制单元单一抽水令后，二级控制模块向全功率变流器发送抽水令，全功率变流器的机侧断路器闭合，全功率变流器的机侧变流器启动实现并网，带水启动。
步骤S33，二级控制模块向调速器发送抽水开机指令，调速器开机；
步骤S34，二级控制模块根据方程（1）、方程（2）和方程（3）进行迭代计算，得到例如图8所示的扬程HP、效率ηP和流量QP之间关系的模型曲线，进而从中得到水泵效率最高时对应的导叶最优开度；
步骤S35，二级控制模块继续给全功率变流器发送转速信号、给调速器发送开度信号，按转速-开度控制曲线（例如图11所示，不同毛扬程具有相应的不同曲线）控制抽水蓄能机组从静止直到达到最优抽水工作参数；
进一步地，根据模型的仿真数据得出抽水蓄能机组的最优抽水运行工况如下：保持导叶开度Y在30度，转速N在1030r/min，水泵运行效率在91.8%以上。
<模式四：水泵快速响应抽水模式>，
此模式四应用场景同模式二，实际运行时间相对较少。为确保快速响应过程机组的安全稳定可靠，确定采用稳妥的定导叶开度、变转速运行方式（参与快速一次调频）。
模式四的控制过程如图12所示，具体包括如下步骤：
步骤S41，就地控制单元向二级控制模块发送按模式四运行的指令以及功率指令P0。
步骤S42，二级控制模块向调速器发送开度指令，调速器控制导叶开度至22度并保持不变。
同时，二级控制模块接收到快速调频信号△P，计算出最新功率Pt并发送给全功率变流器，全功率变流器首先快速调节转速；若无法满足调频需求，进一步加大调节幅度，同时检测频率扰动。
步骤S43，当二级控制模块检测到频率扰动△f>±0.3Hz，全功率变流器暂按最大能力的50%以上进行加载或减载（例如最大能力的70%，最终数值现场调试确定），在频率扰动消除前，抽水蓄能机组保持在当前工作参数运行，直到频率扰动消除后，机组再次回到扰动前工作参数，等待下次频率调节；在此期间，导叶开度保持22度不变。
进一步地，如果在此期间出现转速超限（模式四设定的第一转速上限或第一转速下限），二级控制模块加大全功率变流器的调节能力到100%以维持转速到限定转速范围内，如转速仍然超限（模式四设定的第二转速上限或第二转速下限），就地控制单元控制执行停机。
综上所述，本发明的方案与现有技术相比具有如下有益效果。变速恒频可逆式水泵水轮机相较于常规定速机组和交流励磁（双馈）变频变速机组应具备快速平稳启/停、全运行范围高效稳定安全运行的能力，具备对电网AGC及频率波动一次调频的快速响应能力，具有满足抽水蓄能电站运行个性特点和电网运行调控需求的多种运行模式。但现有的控制方式都是采用传统LCU控制，无法寻求最优运行曲线，实际应用不具备友好性，准确性，无法最大限度发挥出变速恒频可逆式抽水蓄能机组的优势。
本发明提出的用于中小型抽水蓄能电站的控制方法可以很好解决上述问题。二级控制模块通过分析研究可逆式抽水蓄能机组变速特性，确定最优运行模式，基于变转速、变导叶开度双寻优的原则，调节变流器，实现机组快速平稳便捷启停、可运行范围内的最佳高效平稳运行。同时，可以接收LCU的指令，进行水泵水轮机及调速器、电动发电机、励磁系统及全功率变流器的控制，不用修改LCU的控制逻辑，拓展变速恒频可逆式抽水蓄能机组的运行模式、满足抽水蓄能电站个性化运行调控需求，全面提升变速恒频抽水蓄能机组并网运行高效平稳性和对电网频率的快速响应。

Claims (9)

1.一种用于中小型抽水蓄能电站的控制方法，其特征在于，其采用用于中小型抽水蓄能电站的控制系统，用于中小型抽水蓄能电站的控制系统包括就地控制单元和二级控制模块，就地控制单元与电网、电网调度系统、二级控制模块分别相连接；二级控制模块与调速器、励磁系统、全功率变流器分别相连接；调速器与水泵水轮机相连接；励磁系统与发电电动机相连接；水泵水轮机与发电电动机的转子同轴设置，发电电动机的定子与全功率变流器相连接，全功率变流器与电网相连接；
所述控制方法包括四种运行模式：
模式一为水轮机常规发电模式，在模式一下抽水蓄能机组采用变导叶开度、变转速的运行方式，并且可以参与正常一次调频；
模式二为水轮机快速响应发电模式，在模式二下抽水蓄能机组采用定初始导叶开度、变转速的运行方式，并且参与快速一次调频；
模式三为水泵常规抽水模式，在模式三下抽水蓄能机组采用定导叶开度和定转速无空化运行方式，不参与一次调频；
模式四为水泵快速响应抽水模式，在模式四下抽水蓄能机组采用定导叶开度、变转速运行方式，并且参与快速一次调频。
2.根据权利要求1所述的用于中小型抽水蓄能电站的控制方法，其特征在于，模式一包括如下步骤：
步骤S11，就地控制单元向二级控制模块发送按模式一运行的指令以及功率指令P0；
步骤S12，二级控制模块接收指令，计算Pt=P0+△P；其中，Pt为中间计算功率，△P为非快速一次调频量；
步骤S13，二级控制模块判断Pt-P0>K1×△P是否成立，其中K1为步长调整系数，随导叶开度Y加速度变化；若成立，则有功功率指令最终输出值Ps=P0+K1×△P；若不成立，则Ps=Pt；二级控制模块将含有Ps的功率指令发送至全功率变流器；
步骤S14，二级控制模块根据中间计算功率Pt得到最优转速Ns；二级控制模块将含有最优转速Ns的转速指令发送至调速器，调速器基于目标转速Ns做转速闭环控制；
二级控制模块根据公式Ys=Y0+Kp△N+Ki△N+Kd△N计算得到最优开度Ys；其中，Y0为原始导叶开度，Kp为比例调整系数，Ki为积分调整系数，Kd为微分调整系数，△N为转速变化量；二级控制模块将含有最优开度Ys的开度指令发送至调速器，调速器控制导叶开度至最优开度Ys。
3.根据权利要求1所述的用于中小型抽水蓄能电站的控制方法，其特征在于，模式二包括如下步骤：
步骤S21，就地控制单元向二级控制模块发送按模式二运行的指令以及功率指令P0；
步骤S22，二级控制模块向调速器发送开度指令，调速器控制导叶开度至22度；
同时，二级控制模块接收到快速调频信号△P，计算出最新功率Pt并发送给全功率变流器，全功率变流器首先快速调节转速；若无法满足调频需求，加大调节幅度，同时检测频率扰动；
步骤S23，当二级控制模块检测到频率扰动△f>±0.3Hz，全功率变流器按最大能力的70%以上进行加载或减载，在频率扰动消除前，抽水蓄能机组保持在当前工作参数运行，直到频率扰动消除后，抽水蓄能机组再次回到扰动前工作参数，等待下次频率调节；在此期间，导叶开度保持22度不变。
4.根据权利要求3所述的用于中小型抽水蓄能电站的控制方法，其特征在于，如果在步骤S23期间出现转速超限，二级控制模块控制全功率变流器的同时，控制调速器调整导叶开度以维持转速到限定转速范围内；如转速仍然超限，就地控制单元控制执行停机。
5.根据权利要求1所述的用于中小型抽水蓄能电站的控制方法，其特征在于，模式三包括如下步骤：
步骤S31，二级控制模块接到就地控制单元发送的按模式三运行抽水模式的指令后，向全功率变流器发送开机指令，全功率变流器预充电，全功率变流器的网侧断路器闭合，全功率变流器网侧启动建立母线电压；
步骤S32，二级控制模块接到就地控制单元单一抽水令后，二级控制模块向全功率变流器发送抽水令，全功率变流器的机侧断路器闭合，全功率变流器的机侧变流器启动实现并网，带水启动；
步骤S33，二级控制模块向调速器发送抽水开机指令，调速器开机；
步骤S35，二级控制模块继续给全功率变流器发送转速信号、给调速器发送开度信号，按转速-开度控制曲线控制抽水蓄能机组从静止直到达到最优抽水工作参数。
6. 根据权利要求5所述的用于中小型抽水蓄能电站的控制方法，其特征在于，模式三中在步骤S33和步骤S35之间还包括步骤S34：二级控制模块根据如下方程（1）、方程（2）和方程（3）进行迭代计算，得到扬程HP、效率ηP和流量QP之间关系的模型曲线，进而得到水泵效率最高时对应的导叶最优开度；
方程（1）
方程（2）
方程（3）
其中：a0、a1、a2 为曲线拟合系数，nr 为水泵转速，fe 为水泵摩擦系数，ηP 为水泵效率，H需为设计的目标扬程，Hs为静止状态时扬程，Hl为由于管道摩擦损失的扬程，Pp为水泵工况时的入力，ρ为水的密度，g为水的重力加速度。
7.根据权利要求5所述的用于中小型抽水蓄能电站的控制方法，其特征在于，模式三中抽水蓄能机组的最优抽水运行工况如下：保持导叶开度在30度，转速在1030r/min，水泵运行效率在91.8%以上。
8.根据权利要求1所述的用于中小型抽水蓄能电站的控制方法，其特征在于，模式四包括如下步骤：
步骤S41，就地控制单元向二级控制模块发送按模式四运行的指令以及功率指令P0；
步骤S42，二级控制模块向调速器发送开度指令，调速器控制导叶开度至22度并保持不变；
同时，二级控制模块接收到快速调频信号△P，计算出最新功率Pt并发送给全功率变流器，全功率变流器首先快速调节转速；若无法满足调频需求，加大调节幅度，同时检测频率扰动；
步骤S43，当二级控制模块检测到频率扰动△f>±0.3Hz，全功率变流器按最大能力的50%以上进行加载或减载，在频率扰动消除前，抽水蓄能机组保持在当前工作参数运行，直到频率扰动消除后，机组再次回到扰动前工作参数，等待下次频率调节；在此期间，导叶开度保持22度不变。
9.根据权利要求8所述的用于中小型抽水蓄能电站的控制方法，其特征在于，如果在步骤S43期间出现转速超限，二级控制模块加大全功率变流器的调节能力到100%以维持转速到限定转速范围内；如转速仍然超限，就地控制单元控制执行停机。
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