抽水蓄能电站水泵水轮机和双馈电机的工况切换仿真实现方法技术

本发明专利技术提出一种抽水蓄能电站水泵水轮机与双馈电机的工况切换仿真实现方法，分为水轮机工况过渡过程仿真实现、水泵工况过渡过程仿真实现、水轮机工况与水泵工况之间的相互切换过程仿真实现3个部分，通过对各部分进行分块仿真建模，然后用时间逻辑元件整合封装的方法来实现对抽水蓄能电站工况切换的过渡过程的仿真。本发明专利技术考虑并网运行的抽水蓄能电站进行工况切换时的整个过渡过程对于电网功率的影响，通过对抽水蓄能电站各运行工况的分块仿真建模，实现了抽水蓄能电站从一种工况启动并网到满负荷运行到解列停机，再从另一工况启动并网到满负荷运行到解列停机的完整过渡过程的仿真；通过建模仿真，为双馈式可变速抽水蓄能机组在电力系统中仿真应用提供了新的思路；对研究抽水蓄能电站对电网功率波动的补偿范围及补偿速度具有重要意义。

Simulation and implementation of pump turbine and doubly fed machine in Pumped Storage Power Station

The invention provides a simulation method for working condition switching between pump turbine and doubly-fed machine in pumped storage power station, which is divided into three parts: the simulation realization of working condition transition process of turbine, the simulation realization of pump working condition transition process, and the simulation realization of the switching process between turbine working condition and pump working condition. Block simulation model is built, and then the transient process of working condition switching of pumped storage power station is simulated by integrating and encapsulating time logic elements. The invention considers the influence of the whole transition process of the pumped storage power station when the operation mode is switched over to the grid on the power grid. Through the block simulation modeling of each operation mode of the pumped storage power station, the pumped storage power station can start from one operation mode to the full load operation to the disconnection and shutdown, and then start from another operation mode. The simulation of the whole transition process from dynamic grid connection to full load operation to dispatch shutdown provides a new idea for the simulation application of doubly-fed variable-speed pumped storage units in power system, and is of great significance to the study of the compensation range and speed of power fluctuation of pumped storage power stations.

【技术实现步骤摘要】
抽水蓄能电站水泵水轮机和双馈电机的工况切换仿真实现方法
本专利技术属于电力电子装置在抽水蓄能电站中的应用领域，尤其涉及一种抽水蓄能电站水泵水轮机和双馈电机的工况切换仿真实现方法。
技术介绍
随着新能源发电的不断发展，具有削峰填谷、维持系统功率平衡能力的抽水蓄能系统备受关注。在抽水蓄能系统中，利用电力电子装置的双馈电机转子侧的控制对于抽水蓄能机组的运行工况有着至关重要的影响。双馈式抽水蓄能系统由一台兼做发电机和电动机的双馈电机、一台水泵水轮机和一台换流器组成。抽水蓄能机组的运行工况一般有下面几种：水泵工况、水轮机工况、同步调相、旋转备用等。抽水蓄能机组各工况之间的转换会产生20多种过渡过程。例如：水泵工况/水轮机工况起动、水泵工况/水轮机工况功率增加或减少、水泵工况/水轮机工况正常停机、水轮机工况与水泵工况之间的切换、水泵工况转换为调相工况等。抽水蓄能电站水泵水轮机和双馈电机的切换过程对于研究抽水蓄能电站并网运行时能否安全、可靠、高效运行意义重大，因此希望有一种仿真实现方法能够实现对抽水蓄能电站过渡过程的仿真。很多学者对抽水蓄能电站的过渡过程展开了研究，目前抽水蓄能电站的过渡过程的研究主要集中在发生紧急工况时的动态特性及可逆式水泵水轮机的全特性曲线对过渡过程的影响上。已有技术文献[1]中建立了一种新的考虑压水管道弹性水击模型的水轮机调节系统，建立了发电机的二阶模型，分析了在发生负荷突增时水轮机调节系统的非线性动态特性。已有技术文献[2]中，通过耦合一维的输水管道模型和三维的水泵水轮机模型来模拟抽水蓄能电站的失控过程，结果显示失控过程的动态特性将在全特性曲线的S形区域形成环路，不遵循相应的静态特性；通过理论分析和流态比较，发现水泵水轮机的瞬态流量受到先前状态的影响；这些特征使得在类似的工作点之间会因流动方向的不同表现出不同的特性。技术文献:[1]Nonlinearmodelinganddynamicanalysisofahydro-turbinegoverningsystemintheprocessofsuddenloadincreasetransient，MechanicalSystems&SignalProcessing，第80卷；[2]Loopingdynamiccharacteristicsofapump-turbineintheS-shapedregionduringrunaway，JournalofFluidsEngineering，第138卷第9期。
技术实现思路
一种抽水蓄能电站水泵水轮机和双馈电机的工况切换仿真实现方法，其特征在于：所述工况切换仿真实现分为水轮机工况过渡过程仿真实现、水泵工况过渡过程仿真实现、水轮机工况与水泵工况之间的相互切换过程仿真实现三个部分，通过对各部分进行分块仿真建模，然后用时间逻辑元件整合封装的方法来实现对抽水蓄能电站。进一步，水轮机工况与水泵工况的过渡过程仿真分别包括起动仿真、增/减负荷仿真、稳定运行仿真、解列停机仿真阶段；而对水轮机工况和水泵工况相互切换的仿真通过时间逻辑元件和换相开关的相互配合实现。进一步，仿真模型包含无限大电源、并网开关、换相开关、双馈电机、转子侧换流器、定子侧短路开关、水泵水轮机、电压电流采集观测模块，水泵水轮机输出一个机械转矩输入双馈电机，双馈电机的定子侧通过并网开关、换相开关与无限大电源相连，定子侧短接开关置于并网开关与双馈电机定子侧之间，转子侧换流器以受控电流源的形式给出。进一步，水轮机工况过渡过程仿真实现方法包括：a、水轮机工况启动仿真实现方法：模型中水轮机工况的启动可以分为三个阶段，第一阶段为自启动阶段，这一阶段，模型中双馈电机定子侧通过定子侧短接开关短接，中断转子侧的控制，使其不输出控制信号，水泵水轮机的导叶开度通过恒定值输入模块输入启动导叶开度，双馈电机开始正向旋转；当双馈电机正向旋转转速达到1.1-1.2倍同步转速时，在转子侧换流器投入转速控制环节使转速维持恒定；第二阶段为并网准备阶段，再次中断转子侧换流器的控制使其不产生控制信号，将定子侧的短接开关打开；第三阶段为空载并网阶段，在转子侧换流器投入定子侧电压调节模块，当定子电压满足并网条件时，合上定子侧的并网开关；b、水轮机工况增/减负荷、稳态运行仿真实现方法：模型中对这些阶段的仿真采用功率优先控制策略，水轮机工况负荷增/减阶段，功率指令以隔数秒给一个数十兆瓦有功功率阶跃的梯形波形式给定；c、水轮机工况解列停机仿真实现方法：模型中水轮机工况的解列停机可以分为两个阶段，第一阶段为解列阶段，模型中在转子侧换流器加控制调节定子侧电流接近于0，然后断开定子侧的并网开关；第二阶段为制动阶段，模型中的制动阶段采用电制动的方法，通过合上定子侧短接开关将定子侧短接，在转子侧换流器加励磁控制环节使得双馈电机产生反作用的电磁力矩使机组转速减小，直到双馈电机的转速接近于0时，中断转子侧换流器的控制，使其不再产生控制信号，打开定子侧的短接开关。进一步，水泵工况的过渡过程仿真实现方法包括：a、水泵工况起动仿真实现方法：模型中将水泵工况的启动分为三个阶段，第一阶段是转速上升阶段，合上定子侧的短接开关将双馈电机定子侧短接，在转子侧换流器上投入励磁控制，产生一个大小恒定、频率为60Hz的反相序电流流入双馈电机转子侧，当转速达到1.1-1.2倍同步速左右时，切换转子侧换流器的控制为转速控制使转速稳定；第二阶段为并网准备阶段，中断转子侧换流器的控制，使其不产生任何控制信号，打开定子侧的短接开关；第三阶段为调压并网阶段，在转子侧换流器上加调压控制调节定子侧电压，当满足并网条件时合上并网开关；b、水泵工况增/减负荷、稳态运行仿真实现方法：模型中采用转速优先控制策略实现这些阶段的仿真，仿真实现水泵工况的增/减负荷时，功率的参考值以隔数秒增/减数十兆瓦有功功率的阶梯状的形式给定；c、水泵工况解列停机仿真实现方法：仿真实现水泵工况正常停机可分为两个阶段，第一阶段为解列阶段，水泵工况甩负荷阶段结束后，在转子侧换流器上投入励磁控制调节定子侧电流接近于0，然后断开并网开关；第二阶段为制动阶段，仿真实现这一阶段时依然采用电制动的方式，合上定子侧短接开关，在转子侧换流器上加励磁控制产生反作用的电磁力矩使得机组转速减小，直到转速降为0时，中断转子侧换流器的控制，使其不再产生控制信号，打开定子侧的短接开关。进一步，水轮机工况与水泵工况之间的切换过程仿真实现包括：a、水轮机工况切换至水泵工况仿真实现方法：利用倒闸换相操作将水轮机工况过渡过程仿真实现与水泵工况的过渡过程仿真实现连接起来，倒闸换相操作在仿真中由4个单相断路器实现，换相前电源ABC三相与双馈电机定子侧ABC三相相连，换相后电源A相与双馈电机定子侧A相相连，电源B相与双馈电机定子侧C相相连，电源C相与双馈电机定子侧B相相连。b、水泵工况切换至水轮机工况仿真实现方法：利用倒闸换相操作将水泵工况的过渡过程仿真实现与水轮机工况过渡过程仿真实现连接起来，倒闸换相操作在仿真中由4个单相断路器实现，换相前电源ABC三相与双馈电机定子侧ABC三相相连，换相后电源A相与双馈电机定子侧A相相连，电源B相与双馈电机定子侧C相相连，电源C相与双馈电机定子侧B相相连。进一步，水轮机工本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种抽水蓄能电站水泵水轮机和双馈电机的工况切换仿真实现方法，其特征在于：所述工况切换仿真实现分为水轮机工况过渡过程仿真实现、水泵工况过渡过程仿真实现、水轮机工况与水泵工况之间的相互切换过程仿真实现三个部分，通过对各部分进行分块仿真建模，然后用时间逻辑元件整合封装的方法来实现对抽水蓄能电站。

【技术特征摘要】
1.一种抽水蓄能电站水泵水轮机和双馈电机的工况切换仿真实现方法，其特征在于：所述工况切换仿真实现分为水轮机工况过渡过程仿真实现、水泵工况过渡过程仿真实现、水轮机工况与水泵工况之间的相互切换过程仿真实现三个部分，通过对各部分进行分块仿真建模，然后用时间逻辑元件整合封装的方法来实现对抽水蓄能电站。2.根据权利要求1所述的一种抽水蓄能电站水泵水轮机和双馈电机的工况切换仿真实现方法，其特征在于：所述水轮机工况与水泵工况的过渡过程仿真分别包括起动仿真、增/减负荷仿真、稳定运行仿真、解列停机仿真阶段；而对水轮机工况和水泵工况相互切换的仿真通过时间逻辑元件和换相开关的相互配合实现。3.根据权利要求2所述的一种抽水蓄能电站水泵水轮机和双馈电机的工况切换仿真实现方法，其特征在于：仿真模型包含无限大电源、并网开关、换相开关、双馈电机、转子侧换流器、定子侧短路开关、水泵水轮机、电压电流采集观测模块，水泵水轮机输出一个机械转矩输入双馈电机，双馈电机的定子侧通过并网开关、换相开关与无限大电源相连，定子侧短接开关置于并网开关与双馈电机定子侧之间，转子侧换流器以受控电流源的形式给出。4.根据权利要求3所述的一种抽水蓄能电站水泵水轮机和双馈电机的工况切换仿真实现方法，其特征在于：水轮机工况过渡过程仿真实现方法包括：a、水轮机工况启动仿真实现方法：模型中水轮机工况的启动可以分为三个阶段，第一阶段为自启动阶段，这一阶段，模型中双馈电机定子侧通过定子侧短接开关短接，中断转子侧的控制，使其不输出控制信号，水泵水轮机的导叶开度通过恒定值输入模块输入启动导叶开度，双馈电机开始正向旋转；当双馈电机正向旋转转速达到1.1-1.2倍同步转速时，在转子侧换流器投入转速控制环节使转速维持恒定；第二阶段为并网准备阶段，再次中断转子侧换流器的控制使其不产生控制信号，将定子侧的短接开关打开；第三阶段为空载并网阶段，在转子侧换流器投入定子侧电压调节模块，当定子电压满足并网条件时，合上定子侧的并网开关；b、水轮机工况增/减负荷、稳态运行仿真实现方法：模型中对这些阶段的仿真采用功率优先控制策略，水轮机工况负荷增/减阶段，功率指令以隔数秒给一个数十兆瓦有功功率阶跃的梯形波形式给定；c、水轮机工况解列停机仿真实现方法：模型中水轮机工况的解列停机可以分为两个阶段，第一阶段为解列阶段，模型中在转子侧换流器加控制调节定子侧电流接近于0，然后断开定子侧的并网开关；第二阶段为制动阶段，模型中的制动阶段采用电制动的方法，通过合上定子侧短接开关将定子侧短接，在转子侧换流器加励磁控制环节使得双馈电机产生反作用的电磁力矩使机组转速减小，直到双馈电机的转速接近于0时，中断转子侧换流器的控制，使其不再产生控制信号，打开定子侧的短接开关。5.根据权利要求4所述的一种抽水蓄能电站水泵水轮机和双馈电机的工况切换仿真实现方法，其特征在于：水...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵国鹏，任继云，赵强，
申请(专利权)人：华北电力大学，
类型：发明
国别省市：北京,11