一种抽水蓄能电站发电机的建模仿真方法及系统技术方案

一种抽水蓄能电站发电机的建模仿真方法，包括以下步骤：步骤1，建立发电机数学模型，包括电压方程和磁链方程；进行派克变换，获得dq坐标系下发电机数学模型；步骤2，建立发电机直接功率控制模型；步骤3，建立水力系统模型，包括水道模型、调压井模型和水轮机模型；步骤4，建立优化目标函数和约束条件，以教与学优化算法，对定子有功功率进行仿真。与现有技术相比，提供了一种抽水蓄能电站发电机的建模仿真方法，可以对发电机控制系统的设计进行仿真，模型结构简单，精度较高，收敛速度较快。

【技术实现步骤摘要】
一种抽水蓄能电站发电机的建模仿真方法及系统
本专利技术属于抽水蓄能电站
，更具体地，涉及一种抽水蓄能电站发电机的建模仿真方法及系统。
技术介绍
抽水蓄能电站利用电力负荷低谷时的电能抽水至上水库，在电力负荷高峰期再放水至下水库发电的水电站。又称蓄能式水电站。它可将电网负荷低时的多余电能，转变为电网高峰时期的高价值电能，还适于调频、调相，稳定电力系统的周波和电压，且宜为事故备用，还可提高系统中火电站和核电站的效率。在将可再生能源集成到电力系统中以提供可靠和经济的电能的方式中，与抽水蓄能(PS)电厂等电力系统中的大型存储系统的最佳控制有关的问题已变成重大挑战。现有技术中，缺少使用直接功率控制策略对包括双馈感应发电机(DFIG)的变速PS工厂进行建模和仿真。与其他方法相比，通过定子的有功功率和无功功率分别控制。此方法具有更好的动态性能，但实现起来非常简单。但是这种方法存在一些不足，例如与有功功率，无功功率以及电流谐波有关的高纹波。在这方面，应用空间矢量调制(SVM)来消除这些不足。现有技术中的控制技术(包括SVM)中，所研究的DFIG单元的动态性能是使用比例积分(PI)控制器进行控制的。因此，本专利技术致力于提供一种抽水蓄能电站发电机的建模仿真方法及系统，仿真PI控制器，减少定子的有功功率和无功功率以及谐波功率的纹波。
技术实现思路
为解决现有技术中存在的不足，本专利技术的目的在于，提供一种抽水蓄能电站发电机的建模仿真方法。本专利技术采用如下的技术方案。一种抽水蓄能电站发电机的建模仿真方法，包括以下步骤：步骤1，建立发电机数学模型，包括电压方程和磁链方程；进行派克变换，获得dq坐标系下发电机数学模型；步骤2，建立发电机直接功率控制模型；步骤3，建立水力系统模型，包括水道模型、调压井模型和水轮机模型；步骤4，建立优化目标函数和约束条件，以教与学优化算法，对定子有功功率进行仿真。优选地，步骤1中，以如下公式表示电压方程，式中：us表示定子电压，ur表示转子电压，rs表示定子电阻，rr表示转子电阻，is表示定子电流，ir表示转子电流，ψs表示定子磁链，ψr表示转子磁链；以如下公式表示磁链方程，式中：us表示定子电压，ur表示转子电压，is表示定子电流，ir表示转子电流，Lm表示互感，Ls表示定子电感，Lr表示转子电感。优选地，步骤1中，以如下公式表示dq坐标下的电压方程和磁链方程，式中：uds表示定子电压的d轴分量，uqs表示定子电压的q轴分量，udr表示转子电压的d轴分量，uqr表示转子电压的q轴分量，ids表示定子电流的d轴分量，iqs表示定子电流的q轴分量，idr表示转子电流的d轴分量，iqr表示转子电流的q轴分量，ψds表示定子磁链的d轴分量，ψqs表示定子磁链的q轴分量，ψdr表示转子磁链的d轴分量，ψqr表示转子磁链的q轴分量，rs表示定子电阻，rr表示转子电阻，ωr表示转子转速；式中：ids表示定子电流的d轴分量，iqs表示定子电流的q轴分量，idr表示转子电流的d轴分量，iqr表示转子电流的q轴分量，Ls表示定子电感，Lr表示转子电感，Lm表示定子与转子的互感，优选地，步骤2中，以如下公式表示定子的功率控制模型，式中：Ps表示定子的有功功率，Qs表示定子的无功功率，ωr表示转子磁链转速，ψs表示定子磁链，ψr表示转子磁链，Ls表示定子电感，Lr表示转子电感，Lm表示定子与转子的互感，δ表示转子旋转的角度，σ表示漏抗因子，式中：L0表示励磁电感。优选地，以如下公式表示水道的动态模型，式中：H0表示水柱静压头，H表示水轮机入口处的静压头，即有效的水头，Hf表示管道头的摩擦损失，ρ表示水密度，g表示重力常数，h表示水落差高度，fw表示水道摩擦系数，fp表示管道头的摩擦损失系数，U表示进入引水管道的水流速，L表示引水管道的长度，D表示引水管道的直径，A表示引水管道的截面积。优选地，以如下公式表示调压池模型，式中：L表示水库与调压井之间的管道长度，As表示调压井面积，A表示管道的截面积，g表示重力常数；Tst表示调压井振荡冲击周期。优选地，以如下公式表示水轮机模型，式中：Pm表示水轮机功率输出，At表示增益系数，H表示水轮机入口处的静压头，即有效的水头，Q表示水轮机的水流量，QnL表示水轮机空载水流量，Dn表示水轮机阻尼因数，G表示水轮机导叶开度，Δω表示水轮机转速，f表示水轮机组旋转的摩擦系数，Tw表示水流惯性时间常数，也是反映水流中水锤效应的时间常数，取值范围一般为0.6-4.4。优选地，步骤4中，以如下公式表示优化目标函数，式中：Ps表示定子有功功率，Ps_ref表示定子有功功率参考值，t表示时间；以如下公式表示，式中：KP表示比例增益，KPmax表示比例增益最大值，KPmin表示比例增益最小值，KI表示积分增益，KImax表示积分增益最大值，KImin表示积分增益最小值。优选地，步骤4中，教与学优化算法对PI控制器系数进行优化的步骤包括：步骤4.1，对PI控制器系数求解空间初始化种群；步骤4.2，求取种群内所有个体即PI系数组合的适应值，选择适应值最好的个体作为作为教师，并且求解种群的平均值；步骤4.3，教师的“教”行为，通过向当前最优PI组合的学习，产生临时PI系数组合，以优胜略汰的方式替代自身状态；步骤4.4，学生之间相互学习阶段，任意两个PI系数组合，选取优秀的一个，另一个向其学习；步骤4.5，满足迭代条件后，输出最佳PI控制器系数组合。本专利技术还提供了一种基于所述优化方法的抽水蓄能电站发电机的建模仿真系统，包括数据输入模块、建模模块、优化仿真模块和输出模块，其中，输入模块，用于输入抽水蓄能电站的参数；建模模块，用于对水力系统、发电机进行建模；优化仿真模块，用于对发电机PI控制器的系数组合进行优化仿真；输出模块，用于将优化仿真模块的结果输出以可视化形式输出。本专利技术的有益效果在于，与现有技术相比，提供了一种抽水蓄能电站发电机的建模仿真方法，可以对发电机控制系统的设计进行仿真，模型结构简单，精度较高，收敛速度较快。附图说明图1为本专利技术提出的抽水蓄能电站发电机的建模仿真方法的总体框图；图2为本专利技术提出的抽水蓄能电站发电机的建模仿真方法的功率控制框图；图3为本专利技术提出的抽水蓄能电站发电机的建模仿真方法的仿真框图；图4为教与学算法的流程图。具体实施方式下面结合附图对本申请作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本专利技术的技术方案，而不能以此来限制本申请的保护范围。如图1、2所示，本专利技术提供了一种抽水蓄能电站发电机的建模仿真方法，包括以下步骤本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种抽水蓄能电站发电机的建模仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1，建立发电机数学模型，包括电压方程和磁链方程；进行派克变换，获得dq坐标系下发电机数学模型；/n步骤2，建立发电机直接功率控制模型；/n步骤3，建立水力系统模型，包括水道模型、调压井模型和水轮机模型；/n步骤4，建立优化目标函数和约束条件，以教与学优化算法，对定子有功功率进行仿真。/n

【技术特征摘要】
1.一种抽水蓄能电站发电机的建模仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，建立发电机数学模型，包括电压方程和磁链方程；进行派克变换，获得dq坐标系下发电机数学模型；
步骤2，建立发电机直接功率控制模型；
步骤3，建立水力系统模型，包括水道模型、调压井模型和水轮机模型；
步骤4，建立优化目标函数和约束条件，以教与学优化算法，对定子有功功率进行仿真。


2.根据权利要求1所述抽水蓄能电站发电机的建模仿真方法，其特征在于：
步骤1中，以如下公式表示电压方程，



式中：
us表示定子电压，ur表示转子电压，rs表示定子电阻，rr表示转子电阻，is表示定子电流，ir表示转子电流，ψs表示定子磁链，ψr表示转子磁链；
以如下公式表示磁链方程，



式中：
us表示定子电压，ur表示转子电压，is表示定子电流，ir表示转子电流，Lm表示互感，Ls表示定子电感，Lr表示转子电感。


3.根据权利要求2所述抽水蓄能电站发电机的建模仿真方法，其特征在于：
步骤1中，以如下公式表示dq坐标下的电压方程和磁链方程，



式中：
uds表示定子电压的d轴分量，uqs表示定子电压的q轴分量，udr表示转子电压的d轴分量，uqr表示转子电压的q轴分量，ids表示定子电流的d轴分量，iqs表示定子电流的q轴分量，idr表示转子电流的d轴分量，iqr表示转子电流的q轴分量，ψds表示定子磁链的d轴分量，ψqs表示定子磁链的q轴分量，ψdr表示转子磁链的d轴分量，ψqr表示转子磁链的q轴分量，rs表示定子电阻，rr表示转子电阻，ωr表示转子转速；



式中：
ids表示定子电流的d轴分量，iqs表示定子电流的q轴分量，idr表示转子电流的d轴分量，iqr表示转子电流的q轴分量，Ls表示定子电感，Lr表示转子电感，Lm表示定子与转子的互感。


4.根据权利要求1至3中任一项所述抽水蓄能电站发电机的建模仿真方法，其特征在于：
步骤2中，以如下公式表示定子的功率控制模型，



式中：
Ps表示定子的有功功率，Qs表示定子的无功功率，ωr表示转子转速，ψs表示定子磁链，ψr表示转子磁链，Ls表示定子电感，Lr表示转子电感，Lm表示定子与转子的互感，δ表示转子旋转的角度，σ表示漏抗因子，



式中：
L0表示励磁电感。


5.根据权利要求1至4中任一项所述抽水蓄能电站发电机的建模仿真方法，其特征在于：
以如下公式表示水道的动态模型，



式中：
H0表示水柱静压头，H表示水轮机入口处的静压头，即有效的水头，Hf表示管道头...

【专利技术属性】
技术研发人员：邢继宏，左厉，王旭一，蔡建鹏，王德刚，肖海波，李博，
申请(专利权)人：国网新源控股有限公司回龙分公司，
类型：发明
国别省市：河南;41