CN201859442U - 一种电力系统抽水蓄能机组的数字仿真计算平台 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种电力系统抽水蓄能机组的数字仿真计算平台，包括：同步发电机单元、调速器单元、水轮机及管道系统单元、励磁系统单元、水泵单元、同步电动机单元和电网单元；所述同步发电机单元连接调速器单元、水轮机及管道系统单元、励磁系统单元、电网单元；所述调速器单元连接水轮机及管道系统单元；所述励磁系统单元连接电网单元；所述同步电动机单元连接水泵单元、电网单元。基于该数字仿真平台能够实现电力系统抽水蓄能机组的仿真计算，可以将抽水蓄能机组在数字仿真系统中进行数字仿真。本实用新型解决了抽水蓄能机组的仿真计算问题，提供了一种新的数字仿真计算平台。

Description

一种电力系统抽水蓄能机组的数字仿真计算平台

【技术领域】

本实用新型涉及一种电力系统抽水蓄能机组的数字仿真计算平台。

【背景技术】

抽水蓄能机组利用可以兼具水泵和水轮机两种工作方式的特点，在电力负荷出现低谷时做水泵运行，用基荷火电机组发出的多余电能将下水库的水抽到上水库贮存起来，在电力负荷出现高峰时作水轮机运行，将水放下来发电。

近年来，随着国内电网的发展和系统电能结构的变化，充分利用能源及保障系统的稳定性和可靠性问题，倍受国家电力部门和用户的关注。抽水蓄能机组以其独有的蓄能和发电以及调峰填谷特性，可以有效地改进电力系统的能源结构和提高供电质量，抽水蓄能电站的建设和发展已形成了较强劲的势头，全国各地根据电力发展的需要，纷纷提出兴建大中型以及小型抽水蓄能电站的要求和计划。

抽水蓄能机组是一个特性复杂的非线性系统，其过渡过程比较复杂，控制难度大，动态特性对电力系统稳定有较大的影响。在这种情况下，从系统安全稳定运行的角度出发，必须考虑对抽水蓄能机组进行详细建模，结合抽水蓄能机组的实际应用需求，开发适用于抽水蓄能机组的电力系统数组仿真计算平台，一方面可运用于电网的安全稳定分析，同时也可分析在电网经受大扰动时抽水蓄能机组所受的影响。目前国内外的电力系统仿真软件对抽水蓄能机组模型的开发较少，且功能简单，不能适应目前抽水蓄能机组应用的现状，无法对有抽水蓄能机组的大规模互联电网进行精确仿真。

西北电网近年来发展迅速，独特的330kV/750kV电压等级网架结构逐渐形成，风电、太阳能等新能源大量建设，调峰调频已经成为影响西北电网新能源外送的一大限制，因此抽水蓄能机组的建设已进入规划研究。如何建设适用于西北电网的抽水蓄能数字仿真计算平台，结合西北电网地域广大、网架结构特殊等特点，实现大电网背景下的抽水蓄能机组特性分析和电网稳定性研究，满足对抽水蓄能机组仿真功能的需求，是有待解决的问题。

【实用新型内容】

本实用新型的目的在于提供一种电力系统抽水蓄能机组的数字仿真计算平台，基于该平台能够通过对抽水蓄能机组状态的切换，将抽水蓄能机组模型接入电网数据，实现仿真计算的功能；该平台能够进行准确建模和仿真；其模型结构灵活，可以适用于各种典型的抽水蓄能机组。

为了实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案予以实现：

一种电力系统抽水蓄能机组的数字仿真计算平台，包括：同步发电机单元、调速器单元、水轮机及管道系统单元、励磁系统单元、水泵单元、同步电动机单元和电网单元；所述同步发电机单元连接调速器单元、水轮机及管道系统单元、励磁系统单元、电网单元；所述调速器单元连接水轮机及管道系统单元；所述励磁系统单元连接电网单元；所述同步电动机单元连接水泵单元、电网单元。

相对于现有技术，本实用新型具有以下优点：

(1)同步发电机单元和同步电动机单元通过发电和抽水两种工况切换的方式实现对抽水蓄能机组的精确模拟，并能接入电网数据，以开展大电网背景下的抽水蓄能机组仿真计算；

(2)水轮机及管道系统单元考虑了公用输水管的影响，适用于单个水轮机和公用输水管的多台水轮机，可灵活用于水轮机及管道系统的动态特性模型；

(3)水泵单元适用于抽水工况下的抽水蓄能机组运行特性，可准确模拟机组的抽水工况。

由于本实用新型的抽水蓄能机组数字仿真计算平台通过对抽水蓄能的两种运行工况进行精确的模拟和切换，并实现了公用输水管的多台水轮机特性模拟和水泵特性模拟，提供了一种新的抽水蓄能机组数字仿真计算平台模式。因此，本实用新型可以进行数字模型搭建的大规模电力系统背景下的抽水蓄能机组仿真计算，适用于电力系统抽水蓄能机组动态过程研究和与电力系统交互影响的分析。

【附图说明】

图1是本实用新型的电力系统抽水蓄能机组数字仿真计算平台的示意图。

【具体实施方式】

图1为根据本实用新型的电力系统抽水蓄能机组数字仿真计算平台的示意图，表示了数字仿真计算平台中各个部分之间的数据传递关系。

如图1所示，本实用新型的电力系统抽水蓄能机组数字仿真计算平台主要包括：同步发电机单元10、调速器单元20、水轮机及管道系统单元30、励磁系统单元40、水泵单元50、同步电动机单元60、电网单元70。

同步发电机单元10模拟抽水蓄能机组在发电工况下的运行过程，从电网单元70接收机端电压数据，从水轮机及管道系统单元30接收发电机机械功率数据，从励磁系统单元40接收发电机励磁电压数据，经模型的数字仿真计算后，得到同步发电机的运行状态，向电网单元70发送电流数据，向调速器单元20发送转速数据。

调速器单元20得到同步发电机单元10的转速数据后与给定的转速参考值进行比较，经计算得到水轮机的水门开度，发送给水轮机及管道系统单元30。

水轮机及管道系统单元30，得到调速器单元20的水门开度数据后经计算得到水轮机的输出机械功率，发送给同步发电机单元10。

励磁系统单元40从电网单元70接收机端电压数据后与给定的机端电压参考值进行比较，经计算得到励磁电压，发送给同步发电机单元10。

同步电动机单元60模拟抽水蓄能机组在抽水工况下的运行过程，从电网单元70接收机端电压数据，从水泵单元50收电动机械功率数据，经计算后，得到同步电动机的运行状态，向电网单元70发送电流数据。

水泵单元50模拟抽水蓄能机组的抽水负荷特性，计算同步电动机的机械功率，并发送给同步电动机单元60。

电网单元70，模拟除抽水蓄能机组外的系统特性，通过模式切换与同步发电机单元10或同步电动机单元60进行数据交换，发送机端电压数据，接收计算后更新的电流数据。

在仿真中，根据抽水蓄能机组的运行状态确定运行工况，在每一时步进行以下计算：当为发电工况时，同步发电机单元10从电网单元70接收机端电压数据，通过调速器单元20和水轮机及管道系统单元30计算同步发电机的输出机械功率，通过励磁系统单元40计算同步发电机的励磁电压，进行同步发电机单元10的计算，并将计算电流返回给电网单元70；当为抽水工况时，同步电动机单元10从电网单元70接收机端电压数据，通过水泵单元30计算同步电动机的输出机械功率，进行同步电动模型10的计算，并将计算电流返回给电网单元70。电网单元70得到抽水蓄能机组的注入电流数据后，进行网络计算，得到各个节点的电压数据，然后进入下一时步的计算。

本实用新型中同步发电机单元和同步电动机单元，两种模型结构相同，只是其出力在发电时为正，抽水时为负。电机采用忽略定子绕组暂态过程而计及励磁绕组以及阻尼绕组暂态过程的5阶模型，直轴上有励磁绕组和阻尼绕组，交轴上只有阻尼绕组。

本实用新型中调速器单元，是根据反馈转速误差信号来控制水门开度，使用一个比例-积分-微分控制环节和伺服机构环节、下降特性环节来模拟调速器的动态特性，从而调节发电机的速度。

本实用新型中水轮机及管道系统单元将水的动能转化为机械能，能够模拟流速方程、水击方程和功率方程，向同步发电机输出机械功率。在水击方程中，考虑了多台水轮机公用输水管的情况，以对称的水流时间常数矩阵来反映多个水轮机的交互影响，能够更准确得模拟水轮机及管道系统的动态特性。

本实用新型中励磁系统单元给同步发电机单元的磁场绕组提供直流电流，采用经典的传递函数模拟励磁机、电压调节器和励磁系统稳定电路等部分，实现励磁电压的控制。

本实用新型中水泵单元，模拟抽水蓄能机组在抽水工况下的功率特性，向同步电动机输出机械功率。其没有调速器，手工控制水门开度，水门开度固定；在水击方程中使用抽水水头替代水轮机及管道系统单元中使用的静止水头；考虑效率系数，抽水功率除以效率系数得到同步电动机的机械输出功率。

本实用新型中电网单元，用于模拟除抽水蓄能机组外的整个系统的特性，可包括电机模型、变压器模型、输电线模型和负荷模型等，以实现在电网框架下研究抽水蓄能机组的运行特性以及抽水蓄能机组和电网系统的相互影响。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本实用新型由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (1)

1.一种电力系统抽水蓄能机组的数字仿真计算平台，其特征在于，包括：同步发电机单元(10)、调速器单元(20)、水轮机及管道系统单元(30)、励磁系统单元(40)、水泵单元(50)、同步电动机单元(60)和电网单元(70)；所述同步发电机单元(10)连接调速器单元(20)、水轮机及管道系统单元(30)、励磁系统单元(40)、电网单元(70)；所述调速器单元(20)连接水轮机及管道系统单元(30)；所述励磁系统单元(40)连接电网单元(70)；所述同步电动机单元(60)连接水泵单元(50)、电网单元(70)。