WO2015085587A1

WO2015085587A1 - 一种基于igbt控制的抽水功率调节系统及方法

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Publication number: WO2015085587A1
Application number: PCT/CN2013/089409
Authority: WO
Inventors: 李红伟; 董阳伟; 姜海山; 沈华春; 刘哲
Original assignee: 国家电网公司; 国网新源控股有限公司; 国网新源控股有限公司电力检修分公司
Priority date: 2013-12-13
Filing date: 2013-12-13
Publication date: 2015-06-18

Abstract

一种基于IGBT控制的抽水功率调节系统及方法，该系统连接于电站监控系统（2）及抽水蓄能机组（3），包括IGBT控制器（20）和功率调节电路组（10）；功率调节电路组包括多组功率调节电路（11）。该方法中，通过IGBT控制器接收电站监控系统输出的抽水蓄能指令（S401）；解析抽水蓄能指令，获得所需的抽水功率（S402）；根据抽水功率启动功率调节电路组中的N组功率调节电路，其中，N-1组功率调节电路进行满功率输出，剩余1组功率调节电路进行功率调节输出，使N组功率调节电路的输出功率达到抽水功率（S403）；抽水蓄能机组根据抽水功率进行抽水工况运行（S404）。

Description

一种基于 IGBT控制的抽水功率调节系统及方法

技术领域

本发明涉及电网电力领域中抽水蓄能电站机组的运行工况研究，尤指一种基于 IGBT控制的抽水功率调节系统及方法。背景技术

抽水蓄能机组在电网中承担着削峰填谷和调峰调频和事故备用的重要任务，目前抽水蓄能机组在发电工况具备变功率调峰调频的能力，而在抽水工况只能通过恒功率方式承担电网填谷的作用，不具备大范围变功率调节的功能。

特高压交流和特高压直流技术的发展，为各大电网区域形成互连提供了可能，目前我国正在建设以多条特高压线路互连为特征的智能电网，用以提高大电网对风电太阳能等新能源消纳能力，而太阳能、风能发电的功率大多不稳定，随机性强，功率预测难度高，因此大电网对抽水蓄能机组提出了抽水工况变功率调节功能需求，也就是要求抽水蓄能机组在抽水工况时也要能够实现连续抽水功率调整，以适应太阳能、风能发电功率变化。

为了实现上述功能，世界各国先后采用以下技术来实现变功率的目标：变极变速技术、双馈交流励磁变功率变转速技术等。

其中，通过改变发电机的磁极对数，即变极变转速技术。例如：潘家口蓄能电厂、响洪甸蓄能电厂。响洪甸蓄能电厂具体情况是：抽水最大扬程： 64米，抽水最小扬程 :32 米，由于响洪甸抽水蓄能电站的水头变化较大，为提高不同水头下抽水效率，需要改变抽水工况下额定转速，而变速的方式通过由 18对磁极增加到 21对磁极的变极操作实现的，对应的两种情况的转速为两档： 166.7/142.86R/min。潘家口蓄能电厂的情况和响洪甸蓄能电厂相似。潘家口水电站由于水头变幅比很大，水头在 36m~85.7m的范围变化，水泵水轮机必需采用多速分段或变速运行才能平稳、高效，转速分为两档： 125/142.86 由于通过 24对磁极减少到 21对磁极的方式，来实现改变机组的转速，只是一定程度上提高了机组的抽水效率，但是上述两电站在抽水工况仍然是恒定功率运行方式，难以实现机组抽水工况大范围变功率调节。

双馈感应交流励磁电机变功率技术：通过在励磁绕组中通入交流电流，由于存在着 (定子磁场转速） Nl=Nm (转子机械转速） +N2 (转子磁场转速）的数学关系，当转子机械转速发生变化时，由转子磁场转速相应跟踪调整，补偿转子机械转速变化，使得电动机输出频率仍然为额定频率，此时电动机功率实际输出功率 P=P1 (电动机功率） ±P2 (交流励磁的功率）。这样一来，可以实现变速变功率的功能。

由于转子绕组采用了交流励磁，其所能实现的抽水功率调节范围较小，功率调节范围很少超过 30%额定功率的调节范围。具体数值为：一般机组额定功率大约在 85MVA 至 475MVA不等，转子交流绕组功率在 ±25MVA至 ±72MVA之间。发明内容

上述的两种抽水工况的调节技术，通过改变磁极对数方式难以实现变功率调节，通过交流励磁调节功率范围较小；当风和太阳能功率变大的时候，抽水蓄能机组也要增加机组抽水功率，当风和太阳能功率变小的时候，抽水蓄能机组也要减少机组抽水功率，使用两者达到充抵平衡，减少功率对电网电压和功率潮流的冲击，使得无论风大或小、太阳能光照强弱，电网频率都能自动保持稳定。但是，风电、太阳能电大多不稳定，当电网中的风电、太阳能电发生变化时，现有的抽水工况调节技术不能很好地使电网功率与抽水蓄能机组的抽水功率充抵平衡，可能造成电网遭受到风电、太阳能电力变化的冲击。

本发明采用目前的高压、大容量、高功率密度、高性能的电力电子装置，运用先进的控制策略，设计一种抽水蓄能机组抽水工况变功率调节技术方案，满足电网对抽水蓄能机组抽水工况变功率调节功能的迫切需求，更好地发挥抽水蓄能机组在电网中调峰调频和削峰填谷的作用，从而提高大电网对风电太阳能等新能源消纳能力。

为达到上述目的，本发明提出了一种基于 IGBT控制的抽水功率调节系统，所述系统连接于电站监控系统及抽水蓄能机组，包括： IGBT控制器、功率调节电路组；所述功率调节电路组包括多组功率调节电路；其中，所述 IGBT控制器用于接收所述电站监控系统输出的抽水蓄能指令，并解析所述抽水蓄能指令，获得所需的抽水功率；根据所述抽水功率启动所述功率调节电路组中的 N组功率调节电路，其中， N-1组功率调节电路进行满功率输出，剩余 1组功率调节电路进行功率调节输出，使所述 N组功率调节电路的输出功率达到所述抽水功率；所述功率调节电路组用于输出所述抽水功率至所述抽水蓄能机组，所述抽水蓄能机组根据所述抽水功率进行抽水工况运行。

为达到上述目的，本发明提出了一种基于 IGBT控制的抽水功率调节方法，获取抽水蓄能指令；解析所述抽水蓄能指令，获得所需的抽水功率；根据所述抽水功率启动功率调节电路组中的 N组功率调节电路，其中， N-1组功率调节电路进行满功率输出，剩余 1组功率调节电路进行功率调节输出，使所述 N组功率调节电路的输出功率达到所述抽水功率；抽水蓄能机组根据所述抽水功率进行抽水工况运行。

通过本发明实施例的一种基于 IGBT控制的抽水功率调节系统及方法，实现了发电和抽水双工况变功率调节，在抽水功率调节时达到与电网功率充抵平衡，减少电网遭受风、太阳能等不稳定电力的冲击，使得无论风大或小、太阳能光强或弱，电网频率都能保持稳定。附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：

图 1为本发明实施例的基于 IGBT控制的抽水功率调节系统的结构示意图。

图 2A为本发明一实施例的功率调节电路组中一对一变压器的结构示意图。

图 2B为本发明另一实施例的功率调节电路组中一对多变压器的结构示意图。

图 3为本发明另一实施例的抽水蓄能系统的整体结构示意图。

图 4为本发明实施例的基于 IGBT控制的抽水功率调节方法流程图。

图 5为本发明一具体实施例的抽水蓄能系统的整体电路图。

图 6为本发明一具体实施例的抽水蓄能系统的局部电路图。具体实施方式

以下配合图式及本发明的较佳实施例，进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段。

在本发明实施例中，利用的 IGBT的控制方式为：复合全控型电压驱动触发功率控制，其工作原理是利用脉宽调制（PWM) 基本原理，通过电压信号高速触发或者数说是通过控制电压的有无控制其导通或关断，通过按统一比例系数控制各脉冲触发电压的宽度不同，来控制其输出正弦交流波形和输出电压大小和输出频率，从而实现输出功率和转速的调整。

图 1为本发明实施例的基于 IGBT控制的抽水功率调节系统的结构示意图。如图 1 所示，抽水功率调节系统 1连接于电站监控系统 2及抽水蓄能机组 3，包括：功率调节电路组 10、 IGBT控制器 20; 功率调节电路组 10包括多组功率调节电路；其中，

IGBT控制器 20用于接收电站监控系统 2输出的抽水蓄能指令，并解析抽水蓄能指令，获得所需的抽水功率；根据抽水功率启动功率调节电路组 10中的 N组功率调节电路，其中， N-1组功率调节电路进行满功率输出，剩余 1组功率调节电路进行功率调节输出，使所述 N组功率调节电路的输出功率达到抽水功率；

功率调节电路组 10用于输出抽水功率至抽水蓄能机组 3，抽水蓄能机组 3根据抽水功率进行抽水蓄能。

在本实施例中，根据抽水功率启动功率调节电路组 10中的 N组功率调节电路的计算方法如下：

其中， P为所需的抽水功率， MW;

P_M为一组功率调节电路满功率输出的功率， MW;

N为向上取整的功率调节电路的组数；其中， N-1 组功率调节电路进行满功率输出，剩余 1组进行功率调节输出。在启动 N组功率调节电路时，并不是固定的从第 1组按顺序启动前 N组，也不是固定的某几组一直保持工作；某一组在待命或者工作一段时间后可以进行轮换工作状态，这样可以保证各个功率调节电路可以进行轮换工作。

上述这种控制方式，可以称之为： N-1+1 方式，即为： N-1 组满功率工作，最后 1 组承担调节功率任务；通过这样的控制策略，一部分功率调节电路工作，另一部分功率调节电路待命，并且工作的电路与备用的电路可以进行定期轮换，并不是固定的前几组或者某几组工作，这样让所有功率调节电路的设备交替工作，相比较所有设备平均分配都进行工作，这种控制策略延长了各设备的工作寿命。

图 2A为本发明一实施例的功率调节电路组中一对一变压器的结构示意图。图 2B为本发明另一实施例的功率调节电路组中一对多变压器的结构示意图。结合图 2A及图 2B 所示，每一组功率调节电路 11包括：一 IGBT整流器 31、一平流电抗器 41、一 IGBT 逆变器 51 ; IGBT整流器 31连接平流电抗器 41及 IGBT控制器 20; IGBT逆变器 51连接平流电抗器 41及 IGBT控制器 20; 其中，

IGBT整流器 31，用于将交流电整流为直流电；

平流电抗器 41，用于将直流电进行平滑，降低直流纹波系数；

IGBT逆变器 51，用于将直流电逆变为功率及频率可变的交流电；

IGBT控制器 20，用于控制 IGBT整流器 31及 IGBT逆变器 51的工作状态，采用 PWM脉宽调制方式，调节 IGBT逆变器 51的输出功率。在本发明实施例中，采用的 PWM脉宽调制方式的基本原理是：对逆变器 51的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或所需要的波形。也就是在输出波形的半个周期中产生多个脉冲，使各脉冲的等值功率为正弦波形，所获得的输出平滑且低次谐波少。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，即可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出功率及频率。 PWM脉宽调制方式在现有技术中已经是成熟的技术，在此不再赘述。

在一具体实施例中，功率调节电路组 10包括 15组功率调节电路 11。每一所述 IGBT整流器 31 的额定输出功率为 20MW; 所述 IGBT逆变器 51 的额定输出功率为 20MW。

如图 2A所示，功率调节电路组 10还包括：多个换流变压器 21及多个升压变压器

61；其中，换流变压器 21可为三绕组变压器，升压变压器 61可为双绕组变压器；

每一换流变压器 21分别连接一 IGBT整流器 31，用于将电压降压至对应的 IGBT整流器 31的所需电压；

每一升压变压器 61分别连接一 IGBT逆变器 51及抽水蓄能机组 3，用于将对应的 IGBT逆变器 51的输出电压升压至抽水蓄能机组 3的额定电压。

如图 2B所示，另一实施例中，功率调节电路组 10中还可以设置一多绕组换流变压器 21 '及一多绕组升压变压器 6Γ ; 原理同图 2A相同，只是通过改变变压器绕组，通过多绕组变压器替代了前述的三绕组变压器和双绕组变压器，减少了变压器的配置数量。

图 3为本发明另一实施例的抽水蓄能系统的整体结构示意图。如图 3所示，抽水蓄能系统设置有主变压器 30及发电机同期断路器 40 (GCB) ；发电机同期断路器 40连接功率调节电路组 10中的换流变压器 21及主变压器 30，主变压器 30连接电网 6。

在本实施例中，抽水功率调节系统 1还包括一励磁控制器 50，励磁控制器 50连接 IGBT控制器 20及抽水蓄能机组 3;

当 IGBT控制器 20根据调节功率调节电路组 10的输出功率时，励磁控制器用于相应的调节抽水蓄能机组 3的励磁电流及励磁电压，使抽水蓄能机组 3工作稳定。

在本实施例中，电站监控系统 2连接于 RTU系统 4， RTU系统 4与一电力调度系统 5进行通信；其中，

电力调度系统 5根据电网 6的电网电力数据生成的自动控制指令；

RTU系统 4用于接收自动控制指令，并生成抽水蓄能指令发送至电站监控系统 2。另外，工作人员还可人工输入人工控制指令至 RTU系统 4， RTU系统 4通过人工控制指令生成抽水蓄能指令发送至电站监控系统 2。

图 4为本发明实施例的基于 IGBT控制的抽水功率调节方法流程图。如图 4所示，所述方法包括：

步骤 S401 , 获取抽水蓄能指令；

步骤 S402, 解析抽水蓄能指令，获得所需的抽水功率；

步骤 S403, 根据抽水功率启动功率调节电路组中的 N组功率调节电路，其中， N-1 组功率调节电路进行满功率输出，剩余 1组功率调节电路进行功率调节输出，使 N组功率调节电路的输出功率达到抽水功率；

步骤 S404, 抽水蓄能机组根据抽水功率进行抽水蓄能。

在步骤 S403中，根据抽水功率启动功率调节电路组中的 N组功率调节电路的计算方法如下：

其中， P为所需的抽水功率， MW;

P_M为一组功率调节电路满功率输出的功率， MW;

N为向上取整的功率调节电路的组数；其中， N-1 组功率调节电路进行满功率输出，剩余 1组进行功率调节输出。其中，调节功率调节电路的输出功率是采用 PWM脉宽调制方式。

在本实施例中，方法还包括：步骤 S4011 , 根据电网电力数据生成自动控制指令；步骤 S4012, 根据自动控制指令，生成抽水蓄能指令。

另外，工作人员可以通过人工输入人工控制指令，并根据人工控制指令生成抽水蓄能指令；

在本实施例的在步骤 S403及步骤 S404中，当调节电路的输出功率时，相应的调节抽水蓄能机组的励磁电流及励磁电压，使抽水蓄能机组工作稳定。

图 5为本发明一具体实施例的抽水蓄能系统的整体电路图。如图 5所示，发电的工作流程为：水流冲动抽水蓄能机组，发电机在发电方向发出电力，经过 1G隔离刀闸、发电机同期断路器，将所发电力送入电网。

图 6为本发明一具体实施例的抽水蓄能系统的整体的局部电路图。结合 5及图 6所示，抽水的工作流程为：

电力调度系统（未绘示）根据电网电力下达自动控制指令给 RTU系统 4; RTU系统 4根据自动控制指令生成抽水蓄能指令并发送至电站监控系统 2; 电站监控系统 2将抽水蓄能指令下达给 IGBT控制器 20;

IGBT控制器 20解析后，根据所需的抽水功率启动相应的功率调节电路；同时，下达启动命令给励磁控制器 50，通过励磁控制器 50调节抽水蓄能机组的励磁电流和励磁电压；其中，功率调节电路的 IGBT整流器 31收到指令后开始整流工作， IGBT逆变器也同步工作，采用 PWM脉宽调制方式进行逆变调整，使输出频率和输出功率逐步增加到所需数值，达到机组转速和输出功率与电网电力平衡。

当每一 IGBT整流器及 IGBT逆变器的额定输出功率为 20MW时，以下以一具体实施例来说明调节功率调节电路组的方法：

当所需抽水功率为 90MW时，通过计算可得需要 5组功率调节电路，则其中 4组满功率工作，剩余 1组输出为 10MW即可满足。

若所需抽水功率变为 95MW时，则只需要将前述剩余 1组的输出调节为 15MW, 其他 4组功率不变，继续保持满功率工作。

若所需抽水功率变为 110MW时，则需要再投入 1组功率调节电路，则其中 5组满功率工作，第 6组即剩余 1组输出为 10MW即可。

当所需抽水功率逐步减少时，则与上述调节方式相同，先减少其中 1 组的功率，如果不能满足减功率的要求，则可以逐组降低，其余组仍保持满功率工作。

上述这种控制方式，可以称之为： N-1+1 方式，即为： N-1 组满功率工作，最后 1 组承担调节功率；通过这样的控制策略，一部分功率调节电路工作，另一部分功率调节电路待命，并且工作的电路可以进行定期轮换，并不是固定的前几组或者某几组工作，这样让所有功率调节电路的设备交替工作，相比较所有设备平均分配都进行工作，这种控制方法延长了设备的工作寿命。

在本发明的实施例中，依靠 IGBT控制器调节 IGBT逆变器就可以改变其输出相序，因此不再需要在抽水蓄能系统一次回路设置五极换相刀间来改变输出相序。在本发明实施例中，因为 IGBT本身具备变频启动的功能，所以不再需要额外配置 SFC变频抽水启动回路。在实际应用中，当 IGBT制造技术提高后，其电力换流容量和工作电压也会相应提高，所述配置的功率调节电路组可以相对减少。

通过本发明实施例的一种基于 IGBT控制的抽水功率调节系统及方法，实现了抽水工况变功率调节，在抽水功率调节时达到与电网功率充抵平衡，减少电网遭受风、太阳能等不稳定电力的冲击，使得无论风大或小、太阳能光强或弱，电网频率都能保持稳定。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

权利要求书

1、一种基于 IGBT控制的抽水功率调节系统，其特征在于，所述系统连接于电站监控系统及抽水蓄能机组，包括： IGBT控制器、功率调节电路组；所述功率调节电路组包括多组功率调节电路；其中，

所述 IGBT控制器用于接收所述电站监控系统输出的抽水蓄能指令，并解析所述抽水蓄能指令，获得所需的抽水功率；根据所述抽水功率启动所述功率调节电路组中的 N 组功率调节电路，其中， N-1组功率调节电路进行满功率输出，剩余 1组功率调节电路进行功率调节输出，使所述 N组功率调节电路的输出功率达到所述抽水功率；

所述功率调节电路组用于输出所述抽水功率至所述抽水蓄能机组，所述抽水蓄能机组根据所述抽水功率进行抽水工况运行。

2、根据权利要求 1所述的系统，其特征在于，根据所述抽水功率启动所述功率调节电路组中的 N组功率调节电路的计算方法如下：

其中， P为所需的抽水功率， MW;

P_M为一组功率调节电路满功率输出的功率， MW;

N为向上取整的功率调节电路的组数；其中， N-1 组功率调节电路进行满功率输出，剩余 1组进行功率调节输出。

3、根据权利要求 1所述的系统，其特征在于，每一组所述功率调节电路包括：一 IGBT整流器、一平流电抗器、一 IGBT逆变器；所述 IGBT整流器连接平流电抗器及 IGBT控制器；所述 IGBT逆变器连接平流电抗器及 IGBT控制器；其中，

所述 IGBT整流器，用于将交流电整流为直流电；

所述平流电抗器，用于将所述直流电进行平滑，降低直流纹波系数；

所述 IGBT逆变器，用于将所述直流电逆变为功率及频率可变的交流电；

所述 IGBT控制器，用于控制所述 IGBT整流器及所述 IGBT逆变器的工作状态，采用 PWM脉宽调制方式，调节所述 IGBT逆变器的输出功率。

4、根据权利要求 3所述的系统，其特征在于，所述功率调节电路组包括 15组功率调节电路。

5、根据权利要求 4所述的系统，其特征在于，每一所述 IGBT整流器的额定输出功率为 20MW; 每一所述 IGBT逆变器的额定输出功率为 20MW。

6、根据权利要求 3所述的系统，其特征在于，所述功率调节电路组还包括：一换流变压器及一升压变压器；

所述换流变压器连接 IGBT整流器，用于将电压降压至 IGBT整流器的所需工作电压；

所述升压变压器连接 IGBT逆变器及抽水蓄能机组，用于将 IGBT逆变器的输出电压升压至抽水蓄能机组的额定电压。

7、根据权利要求 3所述的系统，其特征在于，所述功率调节电路组还包括：多个换流变压器及多个升压变压器；其中，

每一所述换流变压器分别连接一所述 IGBT整流器，用于将电压降压至对应的所述

IGBT整流器的所需工作电压；

每一所述升压变压器分别连接一所述 IGBT逆变器及所述抽水蓄能机组，用于将对应的所述 IGBT逆变器的输出电压升压至抽水蓄能机组的额定电压。

8、根据权利要求 1所述的系统，其特征在于，所述电站监控系统连接于一 RTU系统，所述 RTU系统与一电力调度系统进行通信；其中，

所述电力调度系统根据电网电力数据生成的自动控制指令；

所述 RTU系统用于接收自动控制指令，并生成所述抽水蓄能指令发送至所述电站监控系统。

9、根据权利要求 1所述的系统，其特征在于，所述 RTU系统用于接收工作人员人工输入的人工控制指令，并生成所述抽水蓄能指令发送至所述电站监控系统。

10、根据权利要求 1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括一励磁控制器，所述励磁控制器连接 IGBT控制器及抽水蓄能机组；

当所述 IGBT控制器调节所述功率调节电路组的输出功率时，所述励磁控制器用于相应的调节所述抽水蓄能机组的励磁电流及励磁电压，使所述抽水蓄能机组工作稳定。

11、一种基于 IGBT控制的抽水功率调节方法，其特征在于，

获取抽水蓄能指令；

解析所述抽水蓄能指令，获得所需的抽水功率；

根据所述抽水功率启动功率调节电路组中的 N组功率调节电路，其中， N-1组功率调节电路进行满功率输出，剩余 1组功率调节电路进行功率调节输出，使所述 N组功率调节电路的输出功率达到所述抽水功率；抽水蓄能机组根据所述抽水功率进行抽水工况运行。

12、根据权利要求 11所述的方法，其特征在于，根据设置的抽水功率启动所述功率调节电路组中的 N组功率调节电路的计算方法如下：

丄 N ; 其中， P为所需的抽水功率， MW;

P_M为一组功率调节电路满功率输出的功率， MW;

13、根据权利要求 12所述的方法，其特征在于，根据所述抽水功率启动功率调节电路组中的 N组功率调节电路，其中， N-1组功率调节电路进行满功率输出，剩余 1组功率调节电路进行功率调节输出，使所述 N组功率调节电路的输出功率达到所述抽水功率包括：

采用 PWM脉宽调制方式，调节所述功率调节电路的输出功率。

14、根据权利要求 11所述的方法，其特征在于，所述获取抽水蓄能指令包括：根据电网电力数据生成自动控制指令，根据所述自动控制指令，生成所述抽水蓄能指令。

15、根据权利要求 11所述的方法，其特征在于，所述获取抽水蓄能指令包括：工作人员人工输入人工控制指令，并根据人工控制指令生成所述抽水蓄能指令。

16、根据权利要求 11所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：当调节所述功率调节电路组的输出功率时，相应的调节所述抽水蓄能机组的励磁电流及励磁电压，使所述抽水蓄能机组工作稳定。