一种可变速抽蓄机组在工况转换过程中调速器和变流器的协调控制方法技术

可变速抽蓄机组运行工况多，工况转换频繁，转换过程复杂，合理的工况转换控制对于机组安全稳定运行至关重要。然而，与常规抽蓄机组不同，可变速机组受调速器和变流器共同的控制。调速器控制的导叶‑水泵水轮机系统相对缓慢的机械转矩响应特性与变流器快速的电磁转矩响应特性之间的不匹配，导致工况转换控制更加困难。为此，本发明专利技术针对可变速抽蓄机组在工况转换过程不同阶段的特点和控制目标，提出了一种可变速抽蓄机组在工况转换过程中调速器和变流器的协调控制方法，包括柔性自启动、切入控制、稳态运行和切出控制四个主要阶段。在工况转换过渡过程中，通过协调调速器和变流器，使机组安全、快速而又柔和地实现工况转换，并且转换各阶段之间衔接平滑。

【技术实现步骤摘要】
一种可变速抽蓄机组在工况转换过程中调速器和变流器的协调控制方法
本专利技术涉及抽水蓄能领域，具体是指一种可变速抽蓄机组在工况转换过程中调速器和变流器的协调控制方法
技术介绍
双馈式可变速抽水蓄能机组是一种新型的水力储能-发电系统，具备经济性高、容量大、功率调节范围宽和速度快的特点。在大规模可再生能源接入电网的背景下，可变速机组能承担调峰、填谷、调频等任务，助力清洁能源消纳，维持电网频率稳定和提高电网安稳水平。可变速抽蓄机组工况种类繁多，例如典型的静止、启动、发电、抽水、同步调相和旋转备用等。通常还要求机组能根据电网的需要，频繁、迅速、灵活地在不同工况间转换。因此，合理的工况转换控制是机组安全、稳定工作的前提。然而，与传统机组不同，可变速机组转子的转速独立于电网频率。机组转速受调速器-导叶-水泵水轮机系统和变流器-交流励磁系统的双重控制。由于调速器系统和变流器系统响应的时间尺度相差百倍(前者为秒级，后者为几十毫秒级)，在机组运行过程中，任一方的响应必然导致机组转速的波动，严重时造成机组运行失稳。由此，调速器系统和变流器系统之间响应的不匹配，使可变速机组的工况转换控制更加复杂，难度更高。此外，可变速机组的水力-机械部分和电气-电子部分的耦合程度相对较弱，两部分的控制相对传统机组更加独立。并且，工况转换过程中，机组各机械、电气部件的运行状态改变剧烈，若两部分的控制不协调，更易导致机组失稳。随着可变速机组容量的不断加大(最高500MW级)，机组失稳对运营商和电网的损失越来越大。在工况转换过程中，如何对调速器系统和变流器系统进行协调的控制，使机组安全、可靠、快速地由一种工况过渡到另一种工况，已经成为必须探讨的重要课题。当前，虽然已有少量文献报道了可变速机组的工况转换研究，如文献[2]提出了一种基于恒电压/频率比的可变速机组平滑启动和再生制动方法。文献[3]提出了抽水工况下可变速机组的开环VF启动控制及基于状态观测器的闭环自启动方法。但总体而言，目前已有的关于可变速机组工况转换的研究，仅局限于工况转换过程的单一阶段，未从该过程的全局对机组控制方法、动态响应特性以及不同阶段之间的平滑衔接进行考虑。这将导致单一的控制策略无法使机组整体的性能较佳。尽管传统抽蓄机组完整的工况转换控制已有报道，但可变速机组与传统机组在结构、励磁方式和控制方法上差异均较大，传统机组的控制方法无法适应该机组。总而言之，针对可变速机组在整个工况转换过渡过程中，调速器系统和变流器系统之间的协调控制研究，仍然十分缺乏。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提出了可变速抽蓄机组在工况转换过渡过程中，调速器和变流器间的多阶段柔性协调控制策略。目的是实现可变速机组安全、可靠、迅速的工况转换控制，并且工况转换的各阶段间衔接平滑。专利技术的目的是这样实现的：一种可变速抽蓄机组在工况转换过程中调速器和变流器的协调控制方法，其特征在于，针对水泵水轮机模式下由静止转发电和发电转静止2种工况，包括柔性自启动、柔性切入控制、柔性模式切换、负载率提升、稳态运行和柔性切出控制。柔性自启动用于：对调速器进行控制，将导叶的开度逐渐调至空载开度，将机组转子的转速快速而以很小的超调量拉至同步转速附近。过程中，通过自启动算法，使机组的转速以近似恒定的加速度线性地增大；柔性切入控制用于：根据电网侧的电压信息(如频率、幅值和相位信息)，对转子的三相交流励磁系统(即背靠背变流器)进行控制，使机端电压与电网电压保持一致。然后闭合并网断路器，机组与电网以零冲击电流的方式连接；柔性模式切换用于：机组在并入电网后，对变流器励磁控制系统的控制模式进行切换，由原来的电压控制模式切换成功率控制模式；负载率提升用于：将机组的出力增加到机组稳态允许的最低出力线以上，避免机组运行失稳；稳态运行用于：机组长时间的稳态运行。为了提高机组的长时间运行效率和经济性，对机组进行转速和导叶开度优化，使水泵水轮机始终运行在最佳水力效率区；柔性切出控制用于：首先将机组的出力逐渐调至最低，将机组的负荷卸下。然后机组以零电流的方式与电网断开，避免了断开瞬间对机组和电网的电流冲击。最后，通过将定子绕组进行短路，而变流器继续产生励磁电流，使机组产生电制动转矩，机组转速快速降低，最后停机。在上述的一种可变速抽蓄机组在工况转换过程中调速器和变流器的协调控制方法，柔性自启动步骤，控制器收到启动指令后，首先闭合电机定、转子三相绕组短路断路器，同时闭锁转子侧变流器PWM信号。可变速机组空载，电机的电磁转矩Te＝0。设定调速器的转速参考ωref＝ωr+Δωset，Δωset为常数，ωref随转速ωr动态地增大。调速器将导叶开度逐渐调大(至空载开度)，水泵水轮机输出机械转矩Tm相应增大，拖动机组转子正向加速。当转子到达同步转速附近时，自启动阶段结束。忽略执行机构和水泵水轮机动态，空载加速阶段转子转速方程(kd＝0，无微分项的作用)为：通常ki＜＜kp，可忽略二次项的作用。在调速器参数确定的条件下，机组转速(或导叶开度和水泵水轮机转矩)以近似恒定的速率增大。调整Δωset的值即可直接改变转子加速的斜率，改变加速的速度。若以转速终值ωr0作为调速器转速参考，受积分器的影响，转子加速猛烈、加速转矩大，机组轴系、导叶及转轮承受的冲击力较大，影响机组寿命。并且，转速超调以及稳定时间长，不利于机组快速启动。在上述的一种可变速抽蓄机组在工况转换过程中调速器和变流器的协调控制方法，柔性切入控制步骤包含空载建压控制和柔性准同期并网控制。空载建压控制用于：根据电网侧的电压信息(如频率、幅值和相位信息)，对转子的三相交流励磁系统(即背靠背变流器)进行控制，使机端电压与电网电压保持一致。然后闭合并网断路器，机组与电网以零冲击电流的方式连接；柔性准同期并网控制用于：机组在并入电网后，对变流器励磁控制系统的控制模式进行切换，由原来的电压控制模式切换成功率控制模式；在上述的一种可变速抽蓄机组在工况转换过程中调速器和变流器的协调控制方法，空载建压控制子步骤包括：首先，机组转速被拖至同步速附近(有利于机组并网后迅速进入稳态)后，协调控制器发出定子和转子绕组短路断路器跳闸信号，然后发出转子励磁断路器合闸信号，。断路器动作后，励磁控制系统投入。然后，转子侧变流器控制系统利用采集的电网电压(幅值、频率、相位)信息，先计算电机定子参考磁链幅值|ψs|和磁链相角，然后对转子注入相应的三相励磁电流，由此机端电压在转子磁场的感应作用下逐渐建立起来。本文通过给中电机模型的定、转子绕组分别并联三相短路绕组，等效于给电机的状态方程产生了两个零输入，由此电机可以进行空载仿真。在上述的一种可变速抽蓄机组在工况转换过程中调速器和变流器的协调控制方法，柔性准同期并网控制子步骤中，控制系统需要根据电网电压、电机转速和转子角度信息，通过调节变流器励磁电流，使转子产生合适的磁链，对机端电压进行补偿控制。待机端电压的幅值、频率和相位满足准同本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可变速抽蓄机组在工况转换过程中调速器和变流器的协调控制方法，其特征在于，针对水泵水轮机模式下由静止转发电和发电转静止2种工况，包括柔性自启动步骤、柔性切入控制步骤、柔性模式切换步骤、负载率提升步骤、稳态运行步骤和柔性切出控制步骤；/n柔性自启动步骤：用于对调速器进行控制，将导叶的开度逐渐调至空载开度，将机组转子的转速快速而以很小的超调量拉至同步转速附近；过程中，通过自启动算法，使机组的转速以近似恒定的加速度线性地增大；/n柔性切入控制步骤：根据电网侧的电压信息，对转子的三相交流励磁系统即背靠背变流器进行控制，使机端电压与电网电压保持一致；然后闭合并网断路器，机组与电网以零冲击电流的方式连接；/n柔性模式切换步骤：机组在并入电网后，对变流器励磁控制系统的控制模式进行切换，由原来的电压控制模式切换成功率控制模式；/n负载率提升步骤：用于将机组的出力增加到机组稳态允许的最低出力线以上，避免机组运行失稳；/n稳态运行步骤：机组长时间的稳态运行；为了提高机组的长时间运行效率和经济性，对机组进行转速和导叶开度优化，使水泵水轮机始终运行在最佳水力效率区；/n柔性切出控制步骤：首先将机组的出力逐渐调至最低，将机组的负荷卸下；然后机组以零电流的方式与电网断开，避免了断开瞬间对机组和电网的电流冲击；最后，通过将定子绕组进行短路，而变流器继续产生励磁电流，使机组产生电制动转矩，机组转速快速降低，最后停机。/n...

【技术特征摘要】
1.一种可变速抽蓄机组在工况转换过程中调速器和变流器的协调控制方法，其特征在于，针对水泵水轮机模式下由静止转发电和发电转静止2种工况，包括柔性自启动步骤、柔性切入控制步骤、柔性模式切换步骤、负载率提升步骤、稳态运行步骤和柔性切出控制步骤；
柔性自启动步骤：用于对调速器进行控制，将导叶的开度逐渐调至空载开度，将机组转子的转速快速而以很小的超调量拉至同步转速附近；过程中，通过自启动算法，使机组的转速以近似恒定的加速度线性地增大；
柔性切入控制步骤：根据电网侧的电压信息，对转子的三相交流励磁系统即背靠背变流器进行控制，使机端电压与电网电压保持一致；然后闭合并网断路器，机组与电网以零冲击电流的方式连接；
柔性模式切换步骤：机组在并入电网后，对变流器励磁控制系统的控制模式进行切换，由原来的电压控制模式切换成功率控制模式；
负载率提升步骤：用于将机组的出力增加到机组稳态允许的最低出力线以上，避免机组运行失稳；
稳态运行步骤：机组长时间的稳态运行；为了提高机组的长时间运行效率和经济性，对机组进行转速和导叶开度优化，使水泵水轮机始终运行在最佳水力效率区；
柔性切出控制步骤：首先将机组的出力逐渐调至最低，将机组的负荷卸下；然后机组以零电流的方式与电网断开，避免了断开瞬间对机组和电网的电流冲击；最后，通过将定子绕组进行短路，而变流器继续产生励磁电流，使机组产生电制动转矩，机组转速快速降低，最后停机。


2.根据权利要求1所述的一种可变速抽蓄机组在工况转换过程中调速器和变流器的协调控制方法，其特征在于，柔性自启动步骤，控制器收到启动指令后，首先闭合电机定、转子三相绕组短路断路器，同时闭锁转子侧变流器PWM信号；可变速机组空载，电机的电磁转矩Te＝0；设定调速器的转速参考ωref＝ωr+Δωset，Δωset为常数，ωref随转速ωr动态地增大；调速器将导叶开度逐渐调大至空载开度，水泵水轮机输出机械转矩Tm相应增大，拖动机组转子正向加速；当转子到达同步转速附近时，自启动阶段结束；忽略执行机构和水泵水轮机动态，空载加速阶段转子转速方程(kd＝0，无微分项的作用为：



通常ki＜＜kp，可忽略二次项的作用；在调速器参数确定的条件下，机组转速(或导叶开度和水泵水轮机转矩)以近似恒定的速率增大；调整Δωset的值即可直接改变转子加速的斜率，改变加速的速度；若以转速终值ωr0作为调速器转速参考，受积分器的影响，转子加速猛烈、加速转矩大，机组轴系、导叶及转轮承受的冲击力较大，影响机组寿命；并且，转速超调以及稳定时间长，不利于机组快速启动。


3.根据权利要求2所述的一种可变速抽蓄机组在工况转换过程中调速器和变流器的协调控制方法，其特征在于，柔性切入控制步骤包含空载建压控制子步骤和柔性准同期并网控制子步骤；
空载建压控制子步骤：根据电网侧的电压信息，对转子的三相交流励磁系统进行控制，使机端电压与电网电压保持一致；然后闭合并网断路器，机组与电网以零冲击电流的方式连接；
柔性准同期并网控制子步骤：机组在并入电网后，对变流器励磁控制系统的控制模式进行切换，由原来的电压控制模式切换成功率控制模式。


4.根据权利要求3所述的一种可变速抽蓄机组在工况转换过程中调速器和变流器的协调控制方法，其特征在于，空载建压控制子步骤具体包括：
首先，机组转速被拖至同步速附近后，协调控制器发出定子和转子绕组短路断路器跳闸信号，然后发出转子励磁断路器合闸信号；断路器动作后，励磁控制系统投入；
然后，转子侧变流器控制系统利用采集的电网电压信息，先计算电机定子参考磁链幅值|ψs|和磁链相角，然后对转子注入相应的三相励磁电流，由此机端电压在转子磁场的感应作用下逐渐建立起来；
给Simulink中电机模型的定、转子绕组分别并联三相短路绕组，等效于给电机的状态方程产生了两个零输入，由此电机能够进行空载仿真。


5.根据权利要求3所述的一种可变速抽蓄机组在工况转换过程中调速器和变流器的协调控制方法，其特征在于，柔性准同期并网控制子步骤中，控制系统需要根据电网电压、电机转速和转子角度信息，通过调节变流器励磁电流，使转子产生合适的磁链，对机端电压进行补偿控制；待机端电压的幅值、频率和相位满足准同期并网条件后，控制器发出定子侧并网断路器合闸脉冲；由于并网前机端电压经过了严格的准同步，当断路器动作后，并网瞬间暂态冲击电流极小，...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓长虹，陈亚红，陈满，李定林，徐正华，彭鹏，张豪，
申请(专利权)人：武汉大学，南方电网调峰调频发电有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北;42