CN117937535B - 双馈式变速抽水蓄能机组的变流器容量选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了双馈式变速抽水蓄能机组的变流器容量选择方法，首先根据电站的水文特性得到机组的比转速，从而确定水泵水轮机的特性曲线；其次，再根据比转速选取几种典型的转速，确定抽水蓄能机组变速运行时的同步转速和转速变化范围；再次，根据最优转速计算得到各工况下的转子侧功率，进而得到稳态工况点的最大转子侧功率，最后，考虑一定容量裕度和功率因数，即可确定变流器容量。本发明解决了以往关于变速抽水蓄能机组变流器容量选取方法的空缺，在综合考虑机组运行成本及调节特性的条件下提出了双馈式变速抽水蓄能机组的变流器容量选择方法，对抽水蓄能机组的发展及应用具有重要意义。

Description

双馈式变速抽水蓄能机组的变流器容量选择方法

技术领域

本发明属于抽水蓄能技术领域，具体涉及双馈式变速抽水蓄能机组的变流器容量选择方法。

背景技术

为了更好地配合可再生能源的大规模开发利用，电力系统的储能技术需要迅速发展，以此提高新能源电力系统对清洁能源的综合利用效率，确保其能安全稳定运行。抽水蓄能电站作为最稳定、寿命最长、技术最成熟、单位成本最低、环境最友好的储能方式，可以调峰填谷、调频调相，具有减轻电力系统中的负荷波动，增强供电稳定性和可靠性等功能。

采用双馈电机的可变速抽水蓄能机组由于转速可变，相比于定速抽水蓄能电站，它具有更好的调节性能和运行状态，可以增强电力系统的稳定性。由于采用交流励磁系统，变速机组的转子侧需要根据机组的运行状态通过变流器与电网进行功率交换，转子侧的功率由机组的运行状态决定，又受到变流器容量的制约。若变流器容量较小，可能出现转子侧的功率大于变流容量的情况，影响机组和变流器的稳定运行；若变流器容量较大，虽然可以保证机组的稳定运行，但会明显增加机组的成本。

变速机组变流器容量的选取，直接关系到机组的稳定运行及建设成本。如何协调机组成本与稳定性指标间的矛盾，选择合理的变流器容量是变速机组建设和运行的一个关键内容及技术难点，但目前缺乏相关研究。本发明依据电站的水文参数，综合考虑泵工况的运行范围、水轮机工况下的水力效率、变流器成本等多个因素，分析并选取抽水蓄能机组变速运行时的同步转速和转速变化范围，从而确定变流器容量，对抽水蓄能机组的发展及应用具有重要意义。

发明内容

本发明目的在于提供双馈式变速抽水蓄能机组的变流器容量选择方法，解决了以往关于变速抽水蓄能机组变流器容量选取方法的空缺的问题。

本发明所采用的技术方案是：双馈式变速抽水蓄能机组的变流器容量选择方法，依据电站的水文参数，综合考虑泵工况的运行范围、水轮机工况下的水力效率、变流器成本等多个因素，分析并选取抽水蓄能机组变速运行时的同步转速和转速变化范围，根据最优转速计算得到各工况下的转子侧功率，从而得到稳态工况点的最大转子侧功率，考虑一定容量裕度和功率因数，即可确定变流器容量。

本发明所采用的双馈式变速抽水蓄能机组的变流器容量选择方法具体包括以下步骤：

步骤1、根据电站的水文特性得到机组的比转速，并确定水泵水轮机的特性曲线；

步骤2、根据步骤1得到的比转速，在上下浮动一到两个极子对数的情况下，选定两个或三个典型转速进行对比，在评价指标下，根据对比结果确定最优的同步转速及转速变化范围；

步骤3、根据稳态工况点的转子侧功率极值来确定变流器的容量；根据步骤2所得的同步转速及转速变化范围确定稳态工况点的转子侧功率极值；

步骤4、根据步骤3中稳态工况点的转子侧功率极值，在保证机组暂态特性和无功容量的基础上，选取一定容量裕度和功率因数，即可得到变流器容量。

本发明的特点还在于，

步骤2具体如下：

步骤2.1、首先采用效率寻优方法，根据水泵水轮机的特性曲线获得水泵水轮机的最优效率点，再根据水泵水轮机最优效率点得到稳态工况的变速运行特性；稳态工况包括泵工况和水轮机工况；

步骤2.2、输入转速n_i，i＝1...m，m为典型转速的个数，根据泵工况的特性确定最小变速范围，在保证机组最小变速范围的前提下，设计k种典型的变速范围；

步骤2.3、输入转速变化范围Δn_j，j＝1...k，在不同转速及变速范围的条件下得到水轮机工况的综合效率以及建设成本，计算评价指标F_ij；

步骤2.4、将所得评价指标F_ij保存至数组A中，判断j是否小于k，若成立，继续循环，且j＝j+1；若不成立，停止循环，找出数组A中的最小值记作F_{i_min},其对应的变转速范围即为当前转速下最优的变转速范围记作Δn_i；

步骤2.5、保存评价指标F_{i_min}至数组B中，判断i是否小于n，若成立，继续循环，且i＝i+1；若不成立，停止循环，找出数组B中的最小值,其对应的同步转速和转速变化范围即为最优的组合。

步骤2中特定的评价指标为：

F_ij＝aη+bC (1)

其中，F_ij为评价指标，a、b为权重系数，η为泵工况和水轮机工况下的加权平均效率，C为变流器价格。

步骤2中典型转速的选取原则是：定速抽水蓄能机组一般以水泵工况为基准设计，以水轮机工况进行校验，因此额定转速对于水轮机工况一般偏高，变速运行时通常需要降低转速来使水轮机工况运行在最优效率区。所以根据电站的水文特性得到比转速，再根据比转速所对应的极子对数上下浮动一到两个极子对数，由此选定两个或三个较小的值作为典型转速进行对比。

步骤4的容量裕度为1～1.5；功率因数为0.9。

步骤4的变流器容量具体如下：

P_c＝λP_max (2)

其中，P_c为变流器容量，λ是综合考虑容量裕度和功率因数下的系数(取值范围为0.9～1.35)，P_max为稳态工况点的转子侧功率最大值。

本发明的有益效果是：本发明明确提出一种关于双馈式变速抽水蓄能机组的变流器容量选择的方法，利用机组同步转速及转速变化范围的选取，考虑一定容量裕度及功率因数，从而确定变速机组变流器容量。该方法在确定变流器容量的同时，进一步提高了机组的调节品质，保证机组运行稳定性，对完善变速抽水蓄能机组运行理论与技术具有重要意义。

附图说明

图1是本发明双馈式变速抽水蓄能机组的变流器容量选择方法的泵工况变速运行范围图；

图2是本发明双馈式变速抽水蓄能机组的变流器容量选择方法的水轮机工况变速运行范围图；

图3是本发明双馈式变速抽水蓄能机组的变流器容量选择方法的泵工况转子侧功率图；

图4是本发明双馈式变速抽水蓄能机组的变流器容量选择方法的水轮机工况转子侧功率图。

图5是本发明双馈式变速抽水蓄能机组的变流器容量选择方法的流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读本发明后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

实施例1

本发明的双馈式变速抽水蓄能机组的变流器容量选择方法，如图5所示，具体操作步骤如下：

步骤1、根据电站的水文特性得到机组的比转速，并确定水泵水轮机的特性曲线；

步骤2、根据步骤1得到的比转速，在上下浮动一到两个极子对数的情况下，选定两个或三个典型转速进行对比，在评价指标下，根据对比结果确定最优的同步转速及转速变化范围；具体如下：

步骤2.1、首先采用效率寻优方法，根据水泵水轮机的特性曲线获得水泵水轮机的最优效率点，再根据水泵水轮机最优效率点得到稳态工况的变速运行特性；稳态工况包括泵工况和水轮机工况；

步骤2.2、输入转速n_i(i＝1...m，m为步骤2中典型转速的个数)，根据泵工况的特性确定最小变速范围，在保证机组最小变速范围的前提下，设计k种典型的变速范围；

步骤2.3、输入转速变化范围Δn_j(j＝1...k)，在不同转速及变速范围的条件下得到水轮机工况的综合效率以及建设成本，计算评价指标F_ij；

步骤2.4、将所得评价指标F_ij保存至数组A中，判断j是否小于k，若成立，继续循环，且j＝j+1；若不成立，找出数组A中的最小值记作F_{i_min},其对应的变转速范围即为当前转速下最优的变转速范围记作Δn_i；

步骤2.5、保存评价指标F_{i_min}至数组B中，判断i是否小于n，若成立，继续循环，且i＝i+1；若不成立，停止循环，找出数组B中的最小值,其对应的转速和转速变化范围即为最优的组合。具体流程图如图5所示。

步骤2中评价指标为：

F_ij＝aη+bC (1)

其中，F_ij为评价指标，a、b为权重系数，η为泵工况和水轮机工况下的加权平均效率，C为变流器价格。

步骤3、变流器的功率值即变速抽水蓄能机组转子侧的功率值，因此，变流器的容量可以根据转子侧功率的极值来确定。根据步骤3所得的的同步转速及转速变化范围确定稳态工况点的最大转子侧功率；

步骤4、根据步骤3中泵工况和水轮机工况下的转子侧功率极值，在保证机组暂态特性和无功容量的基础上，选取一定容量裕度和功率因数，即可得到变流器容量的计算方法如下：

P_c＝λP_max (2)

其中，P_c为变流器容量，λ是综合考虑容量裕度和功率因数下的系数，取值范围为0.9～1.35，P_max为稳态工况点的转子侧功率最大值。

实施例2

与实施例1的区别在于，步骤2中典型转速的选取原则是：定速抽水蓄能机组的额定转速相对偏高，变速运行时需降低转速来使水轮机工况运行在最优效率区，因此根据比转速所对应的极子对数上下浮动一到两个极子对数，由此选定两个或三个较小的值作为典型转速进行对比。

实施例3

为了验证本发明方法的有效性，以某电站为例，该抽水蓄能电站的主要参数如下：机组容量为300MW，额定水头为430m。根据电站的主要参数计算得到机组比转速为111.9m·KW，由运行中的水泵水轮机得到相似的水泵水轮机特性曲线。进而，根据转速计算公式得到机组转速为401.7r/min，因此选定两组转速，分别为428.6r/min和375r/min。

以转速为428.6r/min为例进行分析，采用效率寻优法，得到泵工况和水轮机工况的变速运行特性。泵工况变转速运行特性如图1所示，图中框内的范围即为泵工况的运行范围。可以看出，泵工况的最优转速既可以是超同步的，也可是亚同步的。为保证机组泵工况下的运行范围，机组转速的变化范围至少为-6％～3％。

水轮机工况变转速运行特性如图2所示。要保证机组水轮机工况的运行范围均在最优效率点，则转速的变化范围为-24％～0.01％。依次选取几种典型的变速方案对比其在水轮机工况对于效率和成本的影响，确定经济性最好的方案，从而确定机组的转速变化范围。比较方案如下：同步转速为428.6r/min时，①-6％～3％；②-10％～3％；③-15％～3％；④-20％～3％。其中，设定双馈变速抽水蓄能机组一天发电时间8h，上网电价0.4元，变流器容量按照机组容量×转差率估算，变流器价格参考某变速抽水蓄能电站每1MVA容量150万元。

取a＝0.083、b＝-0.00046，根据公式(1)得到方案①-方案④的评价指标F分别为8.94、8.15、11.02、12.31。因此，同步转速为428.6r/min时，最佳方案的评价指标F为8.15。

同理当同步转速为375r/min时进行对比，得到对应的最佳评价指标F为9.12。综合比较两种同步转速方案运行的效率和经济性，最终选择同步转速428.6r/min时，转速变换范围为-10％～3％。

在同步转速428.6r/min、转速变化范围选择-10％～3％时，泵工况的功率P和扬程H下的转子侧功率结果如图3所示。根据图3可以看出，超同步运行时，机组转子侧功率最大值在A点，为14.17MW，转子侧吸收电网的能量；亚同步运行时，机组转子侧最大功率值在B点，转子侧功率为9.26MW，转子侧向电网输出能量。水轮机工况的功率P和扬程H下的转子侧功率结果如图4所示。机组转子侧功率在C点，功率为202.20MW时，转子侧功率为22.42MW。

综上，泵工况转子侧功率的最大值为14.17MW，水轮机工况转子侧功率的最大为22.42MW。综合考虑功率因数的影响，并选取1.1倍容量裕度，最终选择变流器容量为27MW。

Claims (2)

1.双馈式变速抽水蓄能机组的变流器容量选择方法，其特征在于，具体操作步骤如下：

步骤1、根据电站的水文特性得到机组的比转速，并确定水泵水轮机的特性曲线；

步骤2、根据步骤1得到的比转速，在上下浮动一到两个极子对数的情况下，选定两个或三个典型转速进行对比，在评价指标下，根据对比结果确定最优的同步转速及转速变化范围；具体如下：

步骤2.1、首先采用效率寻优方法，根据水泵水轮机的特性曲线获得水泵水轮机的最优效率点，再根据水泵水轮机最优效率点得到稳态工况的变速运行特性；所述稳态工况包括泵工况和水轮机工况；

步骤2.2、输入转速n_i，i＝1...m，m为典型转速的个数，根据泵工况的特性确定最小变速范围，在保证机组最小变速范围的前提下，设计k种典型的变速范围；

步骤2.3、输入转速变化范围Δn_j，j＝1...k，在不同转速及变速范围的条件下得到水轮机工况的综合效率以及建设成本，计算评价指标F_ij；

步骤2.4、将所得评价指标F_ij保存至数组A中，判断j是否小于k，若成立，继续循环，且j＝j+1；若不成立，停止循环，找出数组A中的最小值记作F_{i_min},其对应的变转速范围即为当前转速下最优的变转速范围记作Δn_i；

步骤2.5、保存评价指标F_{i_min}至数组B中，判断i是否小于n，若成立，继续循环，且i＝i+1；若不成立，停止循环，找出数组B中的最小值,其对应的同步转速和转速变化范围即为最优的组合；

所述评价指标为：

F_ij＝aη+bC (1)

其中，F_ij为评价指标，a、b为权重系数，η为泵工况和水轮机工况下的加权平均效率，C为变流器价格；

步骤3、根据稳态工况点的转子侧功率极值来确定变流器的容量；根据步骤2所得的同步转速及转速变化范围确定稳态工况点的转子侧功率极值；

步骤4、根据步骤3中稳态工况点的转子侧功率极值，在保证机组暂态特性和无功容量的基础上，选取容量裕度和功率因数，即可得到变流器容量；

所述容量裕度为1～1.5；所述功率因数为0.9。

2.根据权利要求1所述的双馈式变速抽水蓄能机组的变流器容量选择方法，其特征在于，步骤1所述变流器容量的计算方法如下：

P_c＝λP_max (2)

其中，P_c为变流器容量，λ是综合考虑容量裕度和功率因数下的系数，取值范围为0.9～1.35，P_max为稳态工况点的转子侧功率最大值。