一种水电高占比电力系统水锤效应的控制方法技术方案

本发明专利技术属于电网功率控制技术领域，尤其涉及一种水电高占比电力系统水锤效应的控制方法；步骤如下：S1、建立水轮机

【技术实现步骤摘要】
一种水电高占比电力系统水锤效应的控制方法


[0001]本专利技术属于电网功率控制
，尤其涉及一种水电高占比电力系统水锤效应的控制方法。

技术介绍

[0002]中国的水能蕴含量非常丰富，在全球范围内居首位，但由于区域分布不均衡，受自然条件的影响大，以及水电站建造问题导致了我国目前水能开发程度与世界水电发达国家相比较低，因此我国水电技术仍拥有巨大的潜力。由于水自身存在一定惯性，当突然打开水轮机中的导水叶后，引水管里水的流速变化会有延迟，导致流量增大但水压反而减小的情况出现，受到水压减小的影响，水轮机的瞬时功率也出现短暂下降，这种现象即是水锤效应。水锤效应将导致水轮机频率的动态特性的恶化，也即是会对水电系统运行时的稳定造成非常大的干扰。系统频率动态特性的恶化会导致水电系统输出的电能质量受到影响，电的频率波动很有可能会造成用电设备在工作中出现异常甚至损坏。为了解决这个问题，我们需要引入一个额外功率来补偿负荷突变瞬间产生的功率暂降。
[0003]作为另一种非常有前景的新能源，我国风能储备量大、分布广泛，且我国风力发电行业的发展趋势持续走高，连续多年风电装机规模都居于世界首位。研究风电并网的时候多采用变速风电机组作为对象，由于转速运行范围较为宽广，变速风力发电机拥有能够在短时间内完成功率控制的能力，通过释放旋转动能来完成电力系统的频率调节。同时，由于风力机本身有功、无功功率的解耦，风电引入水电系统时可以使用风机转子中的动能来完成调频，且这种调频方案对水电系统惯性的影响是能够补偿的，因此能够将引入风电作为补偿水轮机水锤效应引起频率暂降的有效方案。

技术实现思路

[0004]为了解决上述现有技术中存在的技术问题，本专利技术提供了一种水电高占比电力系统水锤效应的控制方法，拟引入风电作为补偿水轮机水锤效应，实现频率暂降。
[0005]为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案如下：
[0006]一种水电高占比电力系统水锤效应的控制方法，包括以下步骤：
[0007]S1：建立水轮机
‑
调速器系统的等效延时模型，当电力系统受到负荷扰动引起频率下跌时，基于所述建立的等效延时模型计算出电力系统的暂态最小频率；
[0008]S2：根据惯性控制原理，在水电高占比电力系统中引入风电机组的虚拟惯量控制，通过附加控制环节使得风电机组能快速释放转子动能补偿功率暂降。
[0009]由于风力机本身有功、无功功率解耦，风电引入水电系统时可以释放转子动能进行调频，且这种调频方案对水电系统惯性的影响是能够补偿的，因此能够将引入风电作为补偿水轮机水锤效应引起频率暂降的有效方案。
[0010]在风电机组
‑
水轮机组中引入虚拟惯量控制，通过附加控制环节可使风电机组对系统频率改变快速响应，释放转子动能补偿功率暂降。
[0011]进一步的，为了减缓虚拟惯量对水轮机
‑
调速系统的影响，防止频率二次下跌，还包括S3：将风电机组的虚拟惯量控制中的辅助功率和风电机转子转速下降时减少的功率作为参考负荷补偿引入风机控制环节，协调虚拟惯量控制和水轮机调速控制。
[0012]虚拟惯量的引入会影响水轮机
‑
调速系统的调速控制，为了减缓这种影响，本专利技术引入了发电机参考负荷补偿，将虚拟惯量控制中的辅助功率和风电机转子转速下降时减少的功率作为参考负荷的补偿，有效完成虚拟惯量控制和水轮机调速控制之间的协调。
[0013]进一步的，建立所述等效延时模型的步骤如下所述：
[0014]将阀门不规则运动的上升曲线等效为直线，计算阀门位置变化的导数，即等效函数的斜率为：
[0015][0016]式中：ΔG是阀门位置的变化量，ΔP
L
是负载需求功率变化量，H
eq
是系统惯性常数，R
T
是暂态下降率，dΔG/dt是阀门位置随时间的变化率；
[0017]计算阶跃延迟模型与阀运动相关的总延迟：
[0018][0019]式中：T
G
是调速器时间常数，H
eq
是电力系统惯性常数，R
T
是暂态下降率，R
p
是永久下降率，D是负载阻尼常数；
[0020]基于阶跃延迟模型与阀运动相关的总延迟计算水轮机延时模型的总时间延迟：
[0021]T
d
＝T
dv
+T
x
＝T
dv
+1.41s；
[0022]式中：T
dv
是与阀门运动相关的总延迟，T
x
是与水轮机响应有关的第三阶段延迟；
[0023]根据水轮机机械功率变化的稳态值和纯时间延迟，构建电力系统暂态最小频率计算模型，并基于电力系统暂态最小频率计算模型得到电力系统的暂态最小频率：
[0024][0025]式中：ΔP
L
是负载需求功率变化量，D是负载阻尼常数，T
d
是水轮机延迟模型的总延迟，H
eq
是系统惯性常数。
[0026]本专利技术用水轮机调速器系统的延迟模型可以非常方便的计算出系统中暂态最小频率的变化，特别适合用在研究具有网络频率控制支持功能的大规模功率系统上。该延迟模型还可以用于量化风电场接入电网后，为了补偿频率暂降所需要输出的短期有功功率支持，从而在电网出现功率缺额、发电量生成不足的情况发生后进行补偿。
[0027]进一步的，所述S2包括以下步骤：
[0028]S2.1：建立水电系统转子部分的运动方程：
[0029][0030]式中:H
eq
是电力系统惯性常数，s是拉普拉斯算子，P
m
是水电机组输出功率标幺值，
P
L
是负载功率标幺值，P
Te
是风电机组输出电磁功率实际值，S
B
是系统基准容量，D是负载阻尼常数，ω、ω
r
分别表示角频率的实际值和参考值的标幺值；
[0031]S2.2：构建电力系统的动态方程：
[0032][0033]式中：H
eq
是电力系统惯性常数，k
p
、k
d
分别表示虚拟惯量控制里的比例系数和积分系数，S
B
是系统基准容量，s是拉普拉斯算子，D是负载阻尼常数，P
m
是水电机组输出功率标幺值，P
L
是负载功率标幺值，P
wmax
是风力机吸收风能最大值，ω、ω
r
分别表示角频率的实际值和参考值的标幺值；
[0034]S2.3：构建风水系统中的状态方程：
[0035][0036]式中：H
eq
是电力系统惯性常数，k
p
、k
d
分别表示虚拟惯量控制里的比例系数和积分系数，S
B
是系统基准容量本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种水电高占比电力系统水锤效应的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：建立水轮机
‑
调速器系统的等效延时模型，当电力系统受到负荷扰动引起频率下跌时，基于所述建立的等效延时模型计算出电力系统的暂态最小频率；S2：根据惯性控制原理，在水电高占比电力系统中引入风电机组的虚拟惯量控制，通过附加控制环节使得风电机组能快速释放转子动能补偿功率暂降。2.根据权利要求1所述的一种水电高占比电力系统水锤效应的控制方法，其特征在于，还包括：S3：将风电机组的虚拟惯量控制中的辅助功率和风电机转子转速下降时减少的功率作为参考负荷补偿引入风机控制环节，协调虚拟惯量控制和水轮机调速控制。3.根据权利要求1所述的一种水电高占比电力系统水锤效应的控制方法，其特征在于，建立所述等效延时模型的步骤如下所述：将阀门不规则运动的上升曲线等效为直线，计算阀门位置变化的导数，即等效函数的斜率为：式中：ΔG是阀门位置的变化，ΔP
L
是负载需求功率变化量，H
eq
是系统惯性常数，R
T
是暂态下降率，dΔG/dt是阀门位置随时间的变化率；计算阶跃延迟模型与阀运动相关的总延迟：式中：T
G
是调速器时间常数，H
eq
是电力系统惯性常数，R
T
是暂态下降率，R
p
是永久下降率，D是负载阻尼常数；基于阶跃延迟模型与阀运动相关的总延迟计算水轮机延时模型的总时间延迟：T
d
＝T
dv
+T
x
＝T
dv
+1.41s；式中：T
dv
是与阀门运动相关的总延迟，T
x
是与水轮机响应有关的第三阶段延迟；根据水轮机机械功率变化的稳态值和纯时间延迟，构建电力系统暂态最小频率计算模型，并基于电力系统暂态最小频率计算模型得到电力系统的暂态最小频率：式中：ΔP
L
是负载需求功率变化量，D是负载阻尼常数，T
d
是水轮机延迟模型的总延迟，H
eq
是系统惯性常数。4.根据权利要求1所述的一种水电高占比电力系统水锤效应的控制方法，其特征在于，所述S2包括以下步骤：S2.1：建立水电系统转子部分的运动方程：式中:H
eq
是电力系统惯性常数，s是拉普拉斯算子，P
m
是水电机组输出功率标幺值，P
L
是
负载功率标幺值，P
Te
是风电机组输出电磁功率实际值，S
B
是系统基准容量，D是负载阻尼常数，ω、ω
r
分别表示角频率的实际值和参考值的标幺值；S2.2：构建电力系统的动态方程：式中：H
eq
是电力系统惯性常数，k
p
、k
d
分别表示虚拟惯量控制里的比例系数和积分系数，S
B
是系统基准容量，s是拉普拉斯算子，D是负载阻尼常数，P
m
是水电机组输出功率标幺值，P
L
是负载功率标幺值，P
wmax
是风力机吸收风能最大值，ω、ω
...

【专利技术属性】
技术研发人员：张宇栋，汤凡，梁晓斌，龚正宇，李鑫，刘佳钰，
申请(专利权)人：国家电网公司西南分部，
类型：发明
国别省市：