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可变速抽水蓄能机组控制方法与控制特性研究

可变速抽水蓄能机组控制方法与控制特性研究

作者：任继云华北电力大学(北京)

学位级别：硕士

抽水蓄能电站具有调峰填谷等多种功能,是目前平滑可再生能源出力波动,解决当前新能源发电大规模发展引起的电网安全稳定运行问题的重要手段之一。利用发展成熟的变速恒频技术实现抽水蓄能机组的可变速化,相比于常规定速抽水蓄能机组,发... 详细信息

抽水蓄能电站具有调峰填谷等多种功能,是目前平滑可再生能源出力波动,解决当前新能源发电大规模发展引起的电网安全稳定运行问题的重要手段之一。利用发展成熟的变速恒频技术实现抽水蓄能机组的可变速化,相比于常规定速抽水蓄能机组,发电工况下能够根据运行工况的改变调节转速,提高运行效率,电动工况下能够调节功率,改善调频性能,还具有改善电能质量,提高电力系统稳定性等多种功能。本文首先介绍了双馈式可变速抽水蓄能机组的组成及各组成部分的数学模型,随后介绍了机组的两种控制策略,包括功率优先控制策略及转速优先控制策略,然后建立了发电工况及电动工况采用两种控制策略时的控制框图,分析了机组内部参数的选取对控制特性的影响,并通过分析稳定性、稳态特性、阶跃信号响应特性等对控制系统的控制参数进行了设计,对发电工况及电动工况采用两种控制策略时的控制特性进行了对比,得出了每种控制策略的适用工况。其次,分析了快速动态调节过程中存在的功率响应速度不同的现象,对发电工况及电动工况下快速动态调节过程中的各有功功率,包括双馈电机定子侧有功功率、转子侧有功功率、转轴释放动能功率、水泵水轮机输出机械功率、机组向电网输出有功功率等,及各无功功率,包括双馈电机定子侧无功功率、转子侧无功功率等分别进行了建模,分析了各功率之间的关系及不同运行阶段时的流动方向。最后,研究了可变速抽水蓄能机组在电网功率调节中的补偿作用,建立了分段线性化的水泵水轮机模型,将分段线性化水泵水轮机模型应用于机组模型中,并对采用每一段线性化模型时控制系统的控制参数进行了设计,建立了工况切换全过程中的机组输出功率模型,并将其应用于仿真算例中,对可变速抽水蓄能机组参与电网功率调节的平滑及补偿功率作用进行了研究。

关键词：可变速抽水蓄能双馈电机控制特性参数设计功率模型

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可变速抽水蓄能机组频率调节动态特性分析

可变速抽水蓄能机组频率调节动态特性分析

作者：胡匡清西北农林科技大学

学位级别：硕士

在能源系统低碳转型背景下,抽水蓄能机组兼具发电与储能能力,在促进风能、光能等可再生能源消纳过程中承担着重要角色。新型可变速抽水蓄能机组因其快速功率调节、变速恒频运行、工况转换迅速等运行优势,能够有效缓解新能源发电功率波... 详细信息

在能源系统低碳转型背景下,抽水蓄能机组兼具发电与储能能力,在促进风能、光能等可再生能源消纳过程中承担着重要角色。新型可变速抽水蓄能机组因其快速功率调节、变速恒频运行、工况转换迅速等运行优势,能够有效缓解新能源发电功率波动对于电网的负面影响,但随着机组转速与电网频率解耦,机组运行稳定性问题需要重点关注。可变速抽水蓄能机组为复杂的水-机-电耦合系统,由水泵水轮机、双馈电机、引水与尾水系统及控制系统组成,各子系统间耦合关系复杂,运行稳定性相互影响。本文以变速机组功率调节的快速性与水泵水轮机转速稳定性间的矛盾为基础,针对一次调频过程,重点研究有功功率调节性能,验证转速控制效果,评估综合运行动态特性。本文主要研究内容与结论如下:(1)复杂管道系统下可变速抽水蓄能机组并网系统建模。为了准确地反映一次调频过程中可变速抽水蓄能机组与电网稳定性演化规律,突出电网结构对机组稳定性影响,本文以一管双机抽水蓄能机组并网系统为研究对象,采用特征线法构建引水管道、调压井与水泵水轮机计算模型,建立双机带负荷及三机九节点电力系统模型,仿真模拟机组孤网运行及风电-抽蓄机组联合并网发电运行方式。综合考虑机组各子系统运行机理与耦合特性,选取导叶开度、转子转速等关键耦合变量,采用S函数建模方法,实现电网模块与各子系统间数据实时交换,可实现对定速、变速抽水蓄能机组多种常规工况仿真模拟。(2)可变速抽水蓄能机组孤网运行稳定性评估。为克服无穷大电网假设局限性,深入研究孤网模式中抽蓄机组运行性能,揭示水锤强度、控制器参数对系统频率调节质量的影响,本文基于双机带负荷及风电-抽蓄联合并网发电模型,引入功率、频率调节性能关键指标,对变速机组功率调节快速性、准确性及稳定性进行定量化评估。结果表明,变速机组有利于提升孤网系统频率稳定性,能够有效抑制电网频率超低频振荡。(3)可变速抽水蓄能机组一次调频运行风险分析与控制策略优化。针对机组一次调频过程中机组转速稳定性问题,采用一管双机定、变速机组并网模型,重点研究机组布置形式及调速器非线性环节对转速稳定性影响,引入模糊自适应PID控制器及其特征参数设计方法,尝试解决一次调频过程中机组转速不稳定问题。结果表明,在一次调频过程中,变速机组转速稳定性弱于定速机组,调整非线性环节参数设置或引入模糊自适应PID控制器可有效抑制机组转速振荡,增强变速机组调速器的鲁棒性。(4)可变速抽水蓄能机组动态特性综合评价方法。为增强综合性能评价过程客观性、全面性,引入熵权法及模糊综合评价法,采用水力、机械及电气三个子系统共13个关键指标,构建抽蓄机组动态特性综合评价模型,采用一管双机定、变速机组并网模型,验证评价方法准确性。结果表明,该评价方法可有效评估一次调频过程中变速机组各子系统稳定性与调节性能,对转速失稳等极端工况具备良好的辨识效果,可为转速回拉控制参数设计及优化提供关键评价标准。

关键词：可变速抽水蓄能转速稳定性一次调频模糊自适应PID控制动态特性评价

基于可变速抽水蓄能技术提升区域电网新能源消纳水平的研究

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智慧电力 2021年第10期49卷 52-58,112页

作者：李晓鹏李岩刘舒然苏雅亨王文国赵启新谢海莲内蒙古电力经济技术研究院内蒙古呼和浩特010090 ABB电网投资(中国)有限公司北京100015

可变速抽蓄机组相较于传统恒速运行抽蓄机组在抽水工况下的有功调节、无功补偿方面有明显优势,能够更好地匹配新能源出力波动并进行消纳。基于可变速抽水蓄能技术对比总结了交流励磁、全功率变频2种技术路线的系统配置、工作机理和技术... 详细信息

可变速抽蓄机组相较于传统恒速运行抽蓄机组在抽水工况下的有功调节、无功补偿方面有明显优势,能够更好地匹配新能源出力波动并进行消纳。基于可变速抽水蓄能技术对比总结了交流励磁、全功率变频2种技术路线的系统配置、工作机理和技术特点,以某省级电网9大地区为节点搭建简化网架模型进行8760 h时序生产模拟仿真,结果表明可变速抽水蓄能技术可提高区域电网新能源消纳水平、减少火电调峰,对未来变速抽蓄项目在电网应用的技术经济效益评估提供了参考。

关键词：可变速抽水蓄能区域电网生产模拟仿真新能源消纳

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可变速抽水蓄能机组对电力系统稳定性的作用

国外大电机 2017年第4期 1-6,19页

作者： T.ISHIZUKI 王立芳

京极水电站（总装机容量600MW）三台200MW机组中的两台机组已经分别于2014年10月1日和2015年11月1日在北海道开始投入商业运行，北海道是日本北部的一个岛。400MW的总发电量约占北海道电网最大电量需求的8％。机组采用可变速抽水蓄能技... 详细信息

京极水电站（总装机容量600MW）三台200MW机组中的两台机组已经分别于2014年10月1日和2015年11月1日在北海道开始投入商业运行，北海道是日本北部的一个岛。400MW的总发电量约占北海道电网最大电量需求的8％。机组采用可变速抽水蓄能技术，可以在泵工况下调节有功功率。在水轮机工况下，可以在较宽的范围内快速调节功率，从而为日益增长的可再生能源的电网稳定性做出贡献。通过它们巨大的蓄能和发电备用容量，这将为整个电力系统提供一种经济的管理模式。本文介绍了京极可变速抽水蓄能系统，重点介绍了电网形势，每个设备的规格及其技术特点，系统的控制原理主要控制功能及现场试验结果。此外，本文还介绍了在发电机工况和旋转备用工况零功率输出的运行模式。京极电厂是世界上首次采用可变速抽水蓄能技术的电厂。可变速系统在抽水蓄能电站中的应用提高了抽水蓄能电站对电网的贡献，尤其是它的附属机构。这是由于既可以在水轮机模式，又可以在泵模式工况下进行功率连续调节，还可以通过它的惯性能量与调速器控制达到快速功率响应。世界上第一座可变速抽水蓄能电站运行至今已有25年，但该系统仍然是具有挑战性的，它作为实现可持续能源社会的一个实用的解决方案，预计将有更大的贡献。

关键词：可变速抽水蓄能零输出运行模式输入功率调节

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可变速抽水蓄能机组控制系统研究

电气自动化 2015年第4期37卷 1-3页

作者：周金邢姜建国吴玮上海交通大学电子信息与电气工程学院电力传输与功率变换控制教育部重点实验室上海200240

对循环变流器励磁的可变速抽水蓄能机组控制系统进行了研究,阐述了总体控制方案、发电电动机的控制策略和基于循环变流器的励磁电流控制原理。仿真结果表明,交流磁链机组在电机电动和发电状态下均可以实现变速恒频运行,具有较快的功率... 详细信息

对循环变流器励磁的可变速抽水蓄能机组控制系统进行了研究,阐述了总体控制方案、发电电动机的控制策略和基于循环变流器的励磁电流控制原理。仿真结果表明,交流磁链机组在电机电动和发电状态下均可以实现变速恒频运行,具有较快的功率响应速度,有功功率、无功功率和转速均可独立调节。搭建实验平台,实现了电机的转子电流控制,结果表明循环变流器可以准确地控制转子的电流。

关键词：循环变流器可变速抽水蓄能发电电动机控制相电流控制变速恒频

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可变速抽水蓄能发电电动机电磁性能分析

大电机技术 2020年第5期 6-10页

作者：张春莉孙玉田王方张豪哈动国家水力发电设备工程技术研究中心有限公司哈尔滨150040 南方电网调峰调频发电有限公司广州510635

本文根据可变速抽水蓄能系统运行机理,对可变速发电电动机运行特点、等效电路和功率流程等进行了分析。同时在此基础上,以10MW海水可变速抽水蓄能发电电动机为依托,建立了其电磁设计方案,并对在不同状态下的电磁性能,包括转子功率和电... 详细信息

本文根据可变速抽水蓄能系统运行机理,对可变速发电电动机运行特点、等效电路和功率流程等进行了分析。同时在此基础上,以10MW海水可变速抽水蓄能发电电动机为依托,建立了其电磁设计方案,并对在不同状态下的电磁性能,包括转子功率和电压特性、不同瞬态短路工况下定转子电流及电磁转矩等进行了计算与分析,研究成果对后续大型可变速发电电动机的进一步开发具有重要的工程价值。

关键词：可变速抽水蓄能发电电动机电磁性能等效电路功率流程

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可变速抽水蓄能机组水泵工况起动方式研究

大电机技术 2019年第4期 1-4,11页

作者：乔照威孙玉田水力发电设备国家重点实验室(哈尔滨大电机研究所) 哈尔滨150040 哈尔滨电机厂有限责任公司哈尔滨150040 哈动国家水力发电设备工程技术研究中心有限公司哈尔滨150040

可变速抽水蓄能机组采用双馈电机,其主要优势在于电动工况能够自动调节水泵输入功率,使得抽水蓄能机组能够自动跟踪电网频率变化。本文介绍了双馈电机目前存在的四种起动方式,阐述了可变速抽水蓄能机组水MX况起动方式研究概况与发展现状... 详细信息

可变速抽水蓄能机组采用双馈电机,其主要优势在于电动工况能够自动调节水泵输入功率,使得抽水蓄能机组能够自动跟踪电网频率变化。本文介绍了双馈电机目前存在的四种起动方式,阐述了可变速抽水蓄能机组水MX况起动方式研究概况与发展现状,在此基础上重点分析了异淞动与定子短接起动两种起动方式,建立了数学分析模型,提出了转矩与功率表达式,为后续可变速抽水蓄能发电电动机的进一步研究奠定理论基础。

关键词：发电电动机可变速抽水蓄能起动方式双馈电机

可变速抽水蓄能发电电动机非正弦励磁时间谐波分析及其影响

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大电机技术 2018年第1期 34-37,43页

作者：乔照威孙玉田水力发电设备国家重点实验室(哈尔滨大电机研究所) 哈尔滨150040 哈尔滨电机厂有限责任公司哈尔滨150040

可变速抽水蓄能发电电动机转子采用三相绕组,通过变频器实现交流励磁。可变速抽水蓄能发电电动机关键技术研究对国内企业实现自主研发具有重要意义。本文从可变速抽水蓄能发电电动机基本数学模型出发,建立了转子绕组非正弦励磁谐波分析... 详细信息

可变速抽水蓄能发电电动机转子采用三相绕组,通过变频器实现交流励磁。可变速抽水蓄能发电电动机关键技术研究对国内企业实现自主研发具有重要意义。本文从可变速抽水蓄能发电电动机基本数学模型出发,建立了转子绕组非正弦励磁谐波分析模型,获得了该模型基本方程,在此基础上对谐波磁势进行了讨论分析,研究了时间谐波磁势对可变速抽水蓄能发电电动机运行性能的影响。分析表明,可变速抽水蓄能发电电动机设计时需要考虑非正弦励磁的影响,从而增强机组运行安全可靠性。

关键词：发电电动机可变速抽水蓄能交流励磁时间谐波

双馈式可变速抽水蓄能机组建模与电网频率控制

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双馈式可变速抽水蓄能机组建模与电网频率控制

作者：赵强华北电力大学(北京)

学位级别：硕士

抽水蓄能电站是解决电网调峰问题、保障电网运行安全、促进各类电源经济运行的重要手段。双馈式可变速抽水蓄能(Doubly fed variable-speed pumped storage,DFVSPS)机组采用双馈电机(Doubly fed induction generator,DFIG)替代传统抽水... 详细信息

抽水蓄能电站是解决电网调峰问题、保障电网运行安全、促进各类电源经济运行的重要手段。双馈式可变速抽水蓄能(Doubly fed variable-speed pumped storage,DFVSPS)机组采用双馈电机(Doubly fed induction generator,DFIG)替代传统抽水蓄能机组所采用的同步电机,双馈电机定子侧连接电网,转子上采用对称分布的三相励磁绕组,并由变流器提供励磁电流。通过变流器调节转子侧电压或电流的幅值、频率和相位,可以快速调节机组的有功功率和无功功率,提高机组的效率,增强系统稳定性。与常规水电站相比,抽水蓄能电站具有工况变换繁多、启停频繁的特点。在电力系统中,抽水蓄能电站既要作为电源发电运行,又要作为负荷电动运行,同时还需要由一种工况切换另一种工况运行。抽水蓄能电站工况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。本文首先介绍了双馈式可变速抽水蓄能机组的结构原理,建立了机组的数学模型,包括双馈电机模型、水泵水轮机模型、变流器及其控制系统模型,并针对机组模型提出了功率优先和转速优先两种不同的控制策略。利用MATLAB/Simulink仿真软件建立了一台容量为300MW的机组仿真模型,分别研究了机组发电工况和电动工况下的控制特性。其次,分析了机组的工况切换过程,包括从发电工况启动、增负荷、稳定运行、甩负荷、停机,再从电动工况启动、增负荷、稳定运行、甩负荷、停机的完整动态过程,利用MATLAB/Simulink对机组的工况切换过程进行了仿真研究。根据机组的工况切换过程特性,建立了机组工况切换过程输出功率的模型。最后,研究了双馈式可变速抽水蓄能机组对对电网功率波动的补偿和在电网频率控制中的作用,利用Bode图的方法分析了机组稳定运行工况下对电网功率的补偿作用,采用傅里叶变换的方法得到了机组出力的频谱特性,分析了机组工况切换过程对电网功率波动的补偿作用,并通过仿真算例研究了机组在电网频率控制中的作用。

关键词：可变速抽水蓄能双馈电机矢量控制工况切换功率模型