CN203503005U

CN203503005U - 适用于抽水蓄能机组的调速模拟系统

Info

Publication number: CN203503005U
Application number: CN201320645646.6U
Authority: CN
Inventors: 冯凌云; 巩宇; 邱小波; 吴昊; 李青
Original assignee: GUANGZHOU PUMPED STORAGE POWER STATION
Current assignee: GUANGZHOU PUMPED STORAGE POWER STATION
Priority date: 2013-10-18
Filing date: 2013-10-18
Publication date: 2014-03-26
Anticipated expiration: 2023-10-18

Abstract

本实用新型提供了适用于抽水蓄能机组的调速模拟系统，通过监控系统模拟单元、蓄能水电机组模拟系统和电网模拟单元组成，可以通过多元化仿真，进而实现抽水蓄能机组调速系统的实时仿真、超实时仿真和欠实时仿真等多种仿真模式。本实用新型能够真实模拟抽水蓄能电厂负荷设定、负荷调节、负荷输出的整个电力调控回路，实现了基于抽水蓄能机组调速系统模型的机网联合仿真，有助于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；其相比较仅能实现单机组厂级调速系统仿真功能的平台，功能性更加优越，也更利于实现试验和分析研究等需求，因此对现有技术的促进发展和生产效率的提升都有着积极的意义。

Description

适用于抽水蓄能机组的调速模拟系统

技术领域

本实用新型涉及电力系统仿真技术领域，特别是涉及一种适用于抽水蓄能机组的调速模拟系统。

背景技术

随着核电站建设与新能源开发的迅速发展，我国抽水蓄能电站建设也进入了一个高速发展的时期。其中，抽水蓄能机组在电力系统中承担着调峰、调频、调相、事故备用以及吸收多余电能等任务，是当前电网中最重要的储能和调峰调频节点。而调速器系统作为抽水蓄能机组最重要的辅机之一，主要负责机组转速控制、同期、负荷调节和工况转换等重要任务，因此其实际控制性能会直接影响整体机组的运行性能。

为了保证电网及蓄能机组安全运行，充分发挥蓄能机组调频能力，提高电能质量及电网频率的控制水平，以及确保系统频率调节品质与安全稳定运行，需要对抽水蓄能机组的调速器系统的静、动态特性进行深入分析，并考虑其与电网运行特性之间的相互影响，以便实现机网协调控制并优化控制策略和控制参数。在此前提下，对调速器系统建立数学模型进行仿真就变得非常必要，这样一方面可以对其静、动态特性进行经济、方便、直观、迅速的研究，令许多在现场无法进行或不宜多次重复进行的试验，都可以利用模型进行仿真实现，而另一方面也便于对大型抽水蓄能机组并网后对电网运行的影响性等大型项目进行评估研究，起到事半功倍的效果。

其中，抽水蓄能机组调速系统控制回路的完整拓扑结构应该包括其接入的电网、调速系统主回路及其上级监控系统，即连接电网、微机调速器、液压随动系统、引水系统、可逆式水轮机、发电机、监控系统等部分。然而，目前国内外能够对整个抽水蓄能机组调速系统及其上、下级连接部分进行完整仿真的平台还较少，且现有的蓄能机组调速系统仿真平台的功能也仅局限于在调速系统的厂级机电设备层面进行仿真。

而由于目前国内外现有的电力系统仿真平台对调速器系统模型的开发较少，因此功能普遍简单，很难完善的适应抽水蓄能机组的应用现状；如一般只涉及单台机组的调速系统仿真；不包括监控系统模拟单元；不具备实现转速、同期、负荷调节和工况转换等多种任务的功能；只能模拟发电过程，不能模拟同期和抽水工况负荷调节过程；以及没有电网模拟模块，少数有电网模拟模块却不具备模拟电网负荷频率特性的功能，而只能简单的模拟电网频率波动等。这些都不利于促进高效生产的推动。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种能够实现抽水蓄能机组调速系统的实时仿真、超实时仿真和欠实时仿真的调速模拟系统。

本实用新型通过以下技术方案实现：

适用于抽水蓄能机组的调速模拟系统，包括监控系统模拟单元、蓄能水电机组模拟系统和电网模拟单元；所述监控系统模拟单元中设有用户输入接口；所述蓄能水电机组模拟系统包含多个相互独立的机组；其中，监控系统模拟单元分别与各个机组相连；各个机组同时与电网模拟单元相连；且电网模拟单元分别与监控系统模拟单元和蓄能水电机组模拟系统相连。

所述监控系统模拟单元用于模拟抽水蓄能电站的上位机监控系统，实现成组开机发电、抽水、有功分配等对应的自动控制功能。

所述蓄能水电机组模拟系统用于仿真电站，蓄能水电机组模拟系统中的机组数量可以在实际应用中自行设置，且每台机组的特性参数亦可自行定义。其中，所述机组均包括微机调速器模拟单元和蓄能水电厂主设备模拟单元。

所述电网模拟单元用于模拟蓄能电厂所接入的电力系统的负荷频率特性，以便实现在电网框架下研究抽水蓄能机组的运行特性，以及抽水蓄能机组与电网系统间的相互影响等目的。

所述微机调速器模拟单元用于模拟蓄能水电厂的微机调速器，进行机组转速控制、同期、负荷调节和工况转换等任务。微机调速器模拟单元包括工况切换单元和PID控制单元，其中工况切换单元与PID控制单元相连。所述工况切换单元的主要功能是根据监控系统模拟单元的下发指令，确定微机调速器要投入的工况。其中，所述PID为Proportion Integration Differentiation，即比例、积分、微分，PID控制单元的主要功能是依据比例控制、积分控制和微分控制原理，根据工况切换单元的工况状态，采用PID算法对各个机组的转速和功率进行控制。

所述蓄能水电厂主设备模拟单元用于模拟蓄能水电厂主要机电设备的运行特性。蓄能水电厂主设备模拟单元包括引水及水轮机单元、引水及可逆式水轮机单元、第一液压随动单元、第二液压随动单元以及模拟同步发电机的第一同步发电机单元和第二同步发电机单元。所述引水及水轮机单元用于模拟引水和水轮机，所述引水及可逆式水轮机单元用于模拟引水和可逆式水轮机。

其中，第一同步发电机单元用于发电工况下正传，起到发电机的作用；第二同步发电机单元用于抽水工况下反转，进而消耗电网功率，起到电动机的作用。此外，第一同步发电机单元和第二同步发电机单元可根据需求合并为同一个电机单元，通过该电机单元正传及反转间的转换，以适应不同工况的功能需要。同时，引水及水轮机单元与引水及可逆式水轮机单元，以及第一液压随动单元与第二液压随动单元，均可根据需求合并为同一个水轮机单元或液压随动单元，通过功能转换，以适应不同工况的功能需要。

其中，第一液压随动单元、引水及水轮机单元、第一同步发电机单元之间依次相连构成发电通道；第二液压随动单元、引水及可逆式水轮机单元、第二同步发电机单元之间依次相连构成抽水通道；另外，工况切换单元分别与第一液压随动单元、第二液压随动单元相连，此外，第一同步发电机单元、第二同步发电机单元同时与PID控制单元相连。

基于上述模拟系统实现的适用于抽水蓄能机组的调速模拟工作流程，包括如下步骤：

在监控系统模拟单元中输入全厂负荷设定值，由监控系统模拟单元判断并择一令全厂进入发电工况流程或抽水工况流程，同时将对应的开机命令发送给各个机组；各个机组完成同期阶段后即进入对应的发电工况或抽水工况。

其中，待各个机组完成同期阶段后，根据全厂负荷需求，经过自动控制计算，决定各个机组应输出的功率，并将负荷指令下发给各个机组。

此外，电网模拟单元从蓄能水电机组模拟系统中接收功率数据和频率数据，依据预设的电网负荷频率特性，对当电网系统功率出现缺额或过饱和时，电网频率的波动情况进行模拟；并将电网频率反馈至各个机组的微机调速器模拟单元，同时将电网负荷需求反馈至监控系统模拟单元。

所述同期阶段包含如下步骤：

s11：机组接收到来自监控系统模拟单元的抽水或发电开机命令后，将频率设定值设为系统所处电网的标准频率，传递给其内部的微机调速器模拟单元进行下一步处理；其中，系统所处电网的标准频率依照系统所设置的地域而定，如中国大陆地区的电网标准频率为50HZ，欧美国家标准为60HZ等；

s12：微机调速器模拟单元以频率设定值为目标量，与蓄能水电厂主设备模拟单元的频率反馈做比较后，经过计算得到频率偏差值，并将频率偏差值发送给PID控制单元；

s13：PID控制单元根据频率偏差值，通过PID算法计算得到对应的水轮机或可逆式水轮机的导叶开度数据，将导叶开度数据发送给工况切换单元；

s14：工况切换单元根据导叶开度数据，依据当前的工况流程，将导叶开度数据择一转发至蓄能水电厂主设备模拟单元的发电通道或抽水通道，其中，当前工况流程为发电工况流程时进行步骤s15，当前工况流程为抽水工况流程时进行步骤s17；

s15：将导叶开度数据转发至发电通道后，闭锁抽水通道功能；在发电工况流程下的同期阶段，蓄能水电厂主设备模拟单元的发电通道接收来自工况切换单元的导叶开度数据，经过对应的液压随动单元、引水及水轮机单元的计算后得到机械功率数据，并将机械功率数据发送至第一同步发电机单元；

s16：第一同步发电机单元模拟抽水蓄能机组在发电工况下的运行过程，并对机械功率数据进行数字仿真计算，得到对应同步发电机的运行状态，将当前机组频率反馈给微机调速器模拟单元，进入步骤s19；

s17：将导叶开度数据转发给抽水通道后，闭锁发电通道功能；在抽水工况流程下的同期阶段，蓄能水电厂主设备模拟单元的抽水通道接收来自微机调速器模拟单元的导叶开度数据，经过对应的液压随动单元、引水及可逆式水轮机单元的计算后得到机械功率数据，并将机械功率数据发送至第二同步发电机单元；

s18：第二同步发电机单元模拟抽水蓄能机组在抽水工况下的运行过程，并对机械功率数据进行数字仿真计算，得到对应同步发电机的运行状态，将当前机组频率反馈给微机调速器模拟单元；

s19：当机组频率稳定在步骤s11中所述频率设定值的目标量后，结束同期阶段，进入发电工况或抽水工况进行仿真；当机组频率还未稳定在50HZ目标量时，返回步骤s12。

所述发电工况包含如下步骤：

s21：机组完成发电工况流程的同期阶段仿真后即进入发电工况进行仿真；

s22：机组接收到来自监控系统模拟单元的负荷指令后，将该负荷指令作为机组功率设定值传递给其内部的微机调速器模拟单元，作下一步处理；

s23：微机调速器模拟单元以机组功率设定值为目标量，与蓄能水电厂主设备模拟单元的功率反馈做比较后，经过计算得到功率偏差值，并将功率值发送给PID控制单元；

s24：PID控制单元接收功率偏差值，同时接收来自电网模拟单元的频率反馈，经过PID算法计算得到水轮机的导叶开度数据，将导叶开度数据发送给工况切换单元；

s25：工况切换单元将导叶开度数据转发至蓄能水电厂主设备模拟单元的发电通道，同时闭锁其抽水通道功能；

s26：蓄能水电厂主设备模拟单元的发电通道接收导叶开度数据，经过对应的液压随动单元、引水及水轮机单元的计算后得到机械功率输出，并将机械功率数据发送给第一同步发电机单元，同时将机械功率数据反馈给微机调速器模拟单元；

s27：第一同步发电机单元模拟抽水蓄能机组在发电工况下的运行过程，并对机械功率数据进行数字仿真计算，得到对应同步发电机的运行状态，将机组频率和功率发送至电网模拟单元。

其中，发电工况下，发电通道向电网输出的功率和功率目标量均是正值。

所述抽水工况包含如下步骤：

s31：机组完成抽水工况流程的同期阶段仿真后即进入抽水工况仿真；

s32：机组接收到来自监控系统模拟单元的负荷指令后，将该负荷指令作为机组功率设定值，传递给其内部的微机调速器模拟单元作下一步处理；

s33：微机调速器模拟单元以功率设定值为目标量，与蓄能水电厂主设备模拟单元的功率反馈做比较后，经过计算得到功率偏差值，将功率偏差值发送给PID控制单元；

s34：PID控制单元接收功率偏差值，同时接收来自电网模拟单元的频率反馈，经过PID算法计算得到可逆式水轮机的导叶开度数据，将导叶开度数据发送给工况切换单元；

s35：工况切换单元将导叶开度数据转发至蓄能水电厂主设备模拟单元的抽水通道，同时闭锁发电通道功能；

s36：蓄能水电厂主设备模拟单元的抽水通道接收导叶开度数据，并经过其内部的液压随动单元、引水及可逆式水轮机单元的计算后得到机械功率数据，发送给第二同步发电机单元，同时将机械功率数据反馈给微机调速器模拟单元；

s37：第二同步发电机单元模拟抽水蓄能机组在抽水工况下的运行过程，并对机械功率数据进行数字仿真计算，得到对应同步发电机的运行状态，将当前的机组频率和功率发送给电网模拟单元。

其中，抽水工况下，抽水通道从电网模拟单元吸收的功率和功率目标量均为负值。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型包含了抽水蓄能电站多机组调速系统及其上、下级关联系统，通过严格按照现场设备的动作机理关联各个仿真装置，从而真实模拟抽水蓄能电厂负荷设定、负荷调节、负荷输出的整个电力调控回路，实现了基于抽水蓄能机组调速系统模型的机网联合仿真，有助于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；其相比较仅能实现单机组厂级调速系统仿真功能的平台，功能性更加优越，也更利于实现试验和分析研究等需求，因此对现有技术的促进发展和生产效率的提升都有着积极的意义。

附图说明

下面将结合实施例和附图对本实用新型作进一步的详细描述：

如图1所示为本实用新型一具体实施例的拓扑结构图；

如图2所示为本实用新型一具体实施例的方法流程图；

如图3所示为本实用新型一具体实施例的机组的拓扑结构图；

如图4所示为同期阶段下机组的流程结构示意图；

如图5所示为发电及抽水工况下机组的流程结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本实用新型作进一步的详细说明，但本实用新型的实施方式不限于此。

如图1和图3所示，为本实用新型较佳实施例的适用于抽水蓄能机组的调速模拟系统，包括监控系统模拟单元、蓄能水电机组模拟系统和电网模拟单元；监控系统模拟单元中设有用户输入接口；蓄能水电机组模拟系统包含多个相互独立的机组；其中，监控系统模拟单元分别与各个机组相连；各个机组同时与电网模拟单元相连；且电网模拟单元分别与监控系统模拟单元和蓄能水电机组模拟系统相连。

监控系统模拟单元用于模拟抽水蓄能电站的上位机监控系统，实现成组开机发电、抽水、有功分配等对应的自动控制功能。

机组均包括微机调速器模拟单元和蓄能水电厂主设备模拟单元。

微机调速器模拟单元包括工况切换单元和PID控制单元，其中工况切换单元与PID控制单元相连。

蓄能水电厂主设备模拟单元包括引水及水轮机单元、引水及可逆式水轮机单元、第一液压随动单元、第二液压随动单元以及模拟同步发电机的第一同步发电机单元和第二同步发电机单元。

其中，第一同步发电机单元和第二同步发电机单元可根据需求合并为同一个电机单元，当处于发电工况时，该电机单元正传，实现发电机的功能作用；而当处于抽水工况时，该电机单元进行反转，消耗电网功率，实现电动机的功能作用。同时，如第一同步发电机单元和第二同步发电机单元合并为电机单元，则引水及水轮机单元、引水及可逆式水轮机单元同时与该电机单元相连。同理，当引水及水轮机单元与引水及可逆式水轮机单元合并为同一个水轮机单元，或第一液压随动单元与第二液压随动单元合并为同一个液压随动单元后，其连接方式均进行对应的变换。

如图2所示，基于上述模拟系统实现的适用于抽水蓄能机组的调速模拟方法，在时间顺序上，对抽水蓄能机组调速系统及其上、下级关联系统进行联合仿真，具体包括如下步骤：

如图4所示，同期阶段包含如下步骤：

s11：机组接收到来自监控系统模拟单元的抽水或发电开机命令后，将频率设定值设为50HZ，传递给其内部的微机调速器模拟单元进行下一步处理；

s19：当机组频率稳定在50HZ目标量后，结束同期阶段，进入发电工况或抽水工况进行仿真；当机组频率还未稳定在50HZ目标量时，返回步骤s12。

如图5所示，发电工况包含如下步骤：

s26：蓄能水电厂主设备模拟单元的发电通道接收导叶开度数据，经过对应的液压随动单元、引水及水轮机单元的计算后得到机械功率输出，并将机械功率数据发送给第二同步发电机单元，同时将机械功率数据反馈给微机调速器模拟单元；

s27：第二同步发电机单元模拟抽水蓄能机组在发电工况下的运行过程，并对机械功率数据进行数字仿真计算，得到对应同步发电机的运行状态，将机组频率和功率发送至电网模拟单元。

如图5所示，抽水工况包含如下步骤：

在整体的模拟过程中，本实用新型采用递推方式进行仿真为佳，其中用时间节点表示仿真进度，两个相邻时间节点之间的真实时间长度称为节点步长，具体的，仿真时长=时间节点数*节点步长。其中，仿真时长表明真实时间条件下，系统达到当前状态所需的时间长度。

例如：仿真开始为1号时间节点，仿真平台经过计算得到各仿真装置或模块的第一个时间节点仿真数据后，进入2号时间节点；2号时间节点中，仿真平台根据1号时间节点的仿真数据，经过递推计算得到各仿真装置或模块的第二个时间节点仿真数据，进入3号时间节点，以此类推，假设节点步长为1S，经过5个时间节点，则仿真时长为5S，即真实时间条件下，系统需经过5S达到仿真系统第5个时间节点的状态。

另外，本实用新型中，监控系统模拟单元能够模拟抽水蓄能电站上位机监控系统，实现机组的单机或成组发电、抽水控制；亦能实现全厂有功自动分配功能，包括经济分配方式和平均分配方式。其中，经济分配方式下，监控系统模拟单元根据预先设定的经济算法制定最优的启停策略启停机组，当全厂负荷调整时，根据各机组特性和当前运行状况，采用经济运行算法进行计算，合理分配各机组的出力。在平均分配方式下，监控系统模拟单元根据固定优先级启停机组，当全厂负荷调整时，将所调整的出力平均分配至各机组。

综上所述，本实用新型的实施方式显然并不仅限与此，其能够与具体需求配合，适用于更多的场合，并解决更多的相关技术问题。

Claims

1.适用于抽水蓄能机组的调速模拟系统，包括监控系统模拟单元、蓄能水电机组模拟系统和电网模拟单元；所述监控系统模拟单元中设有用户输入接口；所述蓄能水电机组模拟系统包含多个相互独立的机组；其中，监控系统模拟单元分别与各个机组相连；各个机组同时与电网模拟单元相连；且电网模拟单元分别与监控系统模拟单元和蓄能水电机组模拟系统相连。

2.根据权利要求1所述的适用于抽水蓄能机组的调速模拟系统，其特征在于所述的机组均包括微机调速器模拟单元和蓄能水电厂主设备模拟单元。

3.根据权利要求2所述的适用于抽水蓄能机组的调速模拟系统，其特征在于所述的微机调速器模拟单元包括工况切换单元和PID控制单元，所述工况切换单元与PID控制单元相连。

4.根据权利要求3所述的适用于抽水蓄能机组的调速模拟系统，其特征在于所述的蓄能水电厂主设备模拟单元包括引水及水轮机单元、引水及可逆式水轮机单元、第一液压随动单元、第二液压随动单元以及模拟同步发电机的第一同步发电机单元和第二同步发电机单元；其中，第一液压随动单元、引水及水轮机单元、第一同步发电机单元之间依次相连构成发电通道；第二液压随动单元、引水及可逆式水轮机单元、第二同步发电机单元之间依次相连构成抽水通道；另外，工况切换单元分别与第一液压随动单元、第二液压随动单元相连，此外，第一同步发电机单元、第二同步发电机单元同时与PID控制单元相连。