交流励磁可变速抽蓄机组控制策略研究

本文以交流励磁可变速机组安全稳定运行、对电网的有功调节快速响应、自动频率控制为目标,在给出机组整体控制模型的基础上,针对发电、抽水工况分别提出了几种机组控制策略,对其优缺点进行了分析研究,采用交流励磁控制装置+RTDS的实时数字仿真,对各种机组控制策略进行了对比研究。提出了既满足电网要求又考虑机组安全稳定运行的机组整体控制策略:发电工况采用交流励磁功率控制+转速限制控制、调速器最优转速控制的机组控制策略;抽水工况交流励磁采用转速优先的转速控制+功率控制、调速器最优导叶控制的机组控制策略。同时本文对交流励磁变速电机采用电压或无功控制方式进行了研究。

大型交流励磁变速抽水蓄能机组技术特征与研制框架

交流励磁变速抽水蓄能是国际上应用最广泛成熟的变速机组技术路线,是中国抽水蓄能发展需要重点攻克的关键技术。当前,国内大型交流励磁变速抽水蓄能技术自主化工程研制和应用仍处于起步阶段,从电机设计、变频系统设计到机网协调控制策略等方面关键技术都亟待突破。为进一步攻克交流励磁变速抽水蓄能关键技术、理清研发重点,该文首先从抽水蓄能技术基本原理出发,概括不同抽水蓄能技术路线的特点和适用条件。然后,重点分析了交流励磁变速抽水蓄能机组的技术特征,提出了交流励磁变速发电电动机、水泵水轮机、变频器等核心装备的研制框架和重点。最后,给出交流励磁变速机组研制的思考和总体方法。

变速抽蓄机组失磁故障分析及保护研究

变速抽蓄机组(VSPSU)的励磁及控制方式复杂且易发生失磁故障,配置针对性的失磁保护对保障其安全运行至关重要。该文基于直流励磁系统和交流励磁系统的差异分析,将VSPSU的失磁故障划分为对称失磁和不对称失磁两种故障形式,并主要针对对称失磁故障开展研究。首先,分别从故障位于机侧和网侧角度出发分析VSPSU发生对称失磁故障后的电气量变化特性及其故障危害;然后,推导证明了传统失磁阻抗圆保护判据在VSPSU中应用时不具有可靠性,VSPSU缺乏具有针对性的保护方案;最后,基于VSPSU的失磁故障特性,提出了针对机侧对称失磁故障的下抛阻抗圆判据和针对网侧对称失磁故障的直流电压判据,两者结合形成了对VSPSU对称失磁故障的保护方案。仿真结果表明,该文所提方案可有效地检测VSPSU在各种运行工况下的对称失磁故障,以满足VSPSU对失磁保护可靠性的要求。

基于时域动态过程的变速抽蓄机组外部故障短路电流计算方法

变速抽蓄机组(VSPSU)采用特殊的交流励磁结构及控制方式,导致其外部故障短路特性与常规定速机组相比差异巨大。为此,提出了一种基于时域动态过程的外部故障短路电流计算方法。根据VSPSU外部故障下的励磁及控制特点,将外部故障下的VSPSU分为持续励磁和跨接器动作这2种情况,并基于空间矢量分析分别建立2种情况下的时域动态电路模型。在此基础上,结合2种情况的过渡边界条件和定子磁链动态特性推导得到VSPSU外部故障短路电流的解析表达式。与PSCAD/EMTDC仿真结果的对比表明,所提出的VSPSU外部故障短路电流计算方法具有较高的准确性及实用价值,能满足变速抽水蓄能电站一次设备选型以及继电保护等工作的需要。

变转速抽蓄交流励磁控制研究

不同于传统的静态励磁系统,交流励磁系统的励磁电流是三相正弦,因此可以通过调节励磁电流的相位和频率来适应机组负载和转速的变化。这种拥有良好调节特性的励磁系统应用于变转速抽蓄机组,用于平抑电网波动,取得了良好的经济效益。本文分析了交流励磁的原理,并进行了仿真研究。

变速抽水蓄能机组交流励磁系统功率拓扑结构浅析

交流励磁可变速抽水蓄能机组是一种高效先进的调峰调频电源,可为电网安全稳定运行提供更有力的保障。针对交流励磁的原理及需求特点,对两电平、多电平、H桥级联、MMC以及交-交型变速器拓扑结构分别进行分析和适用性评价。结果表明,对于小容量交流励磁系统,可采用较为成熟的两电平变流器;而对于大容量交流励磁系统,则建议采用多电平变流器。

可变速抽水蓄能机组交流励磁系统自抗扰控制

研究了基于自抗扰技术的可变速抽水蓄能机组交流励磁控制系统。文中考虑逆变器对输出电压的影响,建立了变速机组的数学模型,以此为基础设计了二阶自抗扰控制器,并提出了基于自抗扰技术的交流励磁控制系统。文中通过仿真对所提励磁系统的可行性以及控制性能进行了定量的分析,结果表明,该励磁系统能够很好地控制可变速机组的发电以及抽水两种工况,且较传统比例—积分(PI)控制器具有更好的动态性能以及鲁棒性。

可变速抽蓄机组黑启动交流励磁设备及其控制研究

针对抽水蓄能电站交流励磁可变速机组的黑启动,提出了一种黑启动交流励磁装置,对其结构、各部分功能及主要设备参数计算方法进行了分析讨论,提出了与之适应的黑启动交流励磁控制方法。针对实际控制中励磁电源切换过程可能出现的冲击问题,提出了参数设定判据。构建了包括交流励磁控制装置实物及RTDS的实时仿真系统,对黑启动过程进行了仿真研究。仿真结果表明,本文提出的黑启动交流励磁装置及其控制方法可实现变速机组母线电压的平稳、快速建立,同时各中间电气量变化平稳。

基于FFT-LSTM的变速抽蓄机组转子绕组短路故障和偏心故障诊断方法

变速抽水蓄能机组是适应系统功率波动的重要调节手段。转子绕组短路故障和转子偏心故障是其常见的故障类型,两种故障均会在定子侧感应生成特征频带相近的谐波环流,导致两种故障难以被区分。提出了一种基于快速傅里叶变换-长短期记忆(fast Fourier transform-long short-term memory,FFT-LSTM)网络的故障诊断方法,以细化分辨故障特征相近的转子绕组短路故障和转子偏心故障。所提方法以定子分支环流的谐波分量为特征量进行故障诊断,分别推导了两种故障发生时定子侧环流谐波特征,并总结二者间的相似性和差异性。鉴于该差异较为微弱,引入长短期记忆(long short-term memory,LSTM)神经网络算法对其进行辨识。利用内部故障仿真模型对可能发生的转子绕组短路故障和偏心故障进行批量仿真,以得到用于LSTM网络训练和测试的数据集。仿真结果表明FFT-LSTM能够准确诊断不同转速下变速抽蓄机组的转子绕组短路故障和转子偏心故障。

交流励磁变速抽水蓄能机组的应用探讨

分析了交流励磁变速电机的运行原理及控制方式 ,探讨了交流励磁变速机组在抽水蓄能电站中应用的技术优势、存在的问题及研究方向 .

变速抽蓄机组转子绕组接地故障保护及定位方法

变速抽蓄机组转子绕组采用三相交流励磁的特殊结构,导致现有的转子接地保护方法不再适用。为此,提出一种变速抽蓄机组转子绕组接地故障的保护及定位方法。通过在转子滑环外经限流电阻接注入式装置构成转子接地保护的方案。基于注入式原理,提出对地电容参数和故障电阻的在线计算方法,根据接地故障电阻大小判断是否发生接地故障并确定保护出口方式。根据转子转向和转速大小考虑转子绕组电势的相位分布,将故障相绕组各槽导体连接处视为虚拟故障点并计算其对应的参考电势比值。比较实际电势比值与各虚拟故障点的参考电势比值,将差异最小的虚拟故障点视为故障位置,实现接地故障定位。PSCAD/EMTDC仿真结果验证了所提方法的有效性。

黑启动中双馈变速抽蓄机组自激振荡判据研究

双馈变速抽蓄机组承担黑启动任务时,机端与长距离空载输电线路连接可能引发机组自激振荡,导致出现过电压问题。本文结合双馈变速抽蓄机组及输电线路回路拓扑结构,推导出变速机组-输电线路回路的等效阻抗及自由振荡频率的表达式,基于此给出实用的变速抽蓄机组黑启动时自激振荡产生判据;分析了黑启动过程中发生自激振荡的本质原因,认为自激振荡属于自由分量,其振荡特性由机组参数和线路参数决定,因此无法通过调整控制系统参数抑制振荡的发生;通过建立算例进一步阐述了判据计算方法,并通过仿真模型验证了判据的正确性。

大型抽水蓄能变速机组交流励磁系统功率回路研究

针对大型抽水蓄能变速机组交流励磁系统,对主回路拓扑结构进行了详细的对比分析,最终选用NPC三电平交直交结构。针对该拓扑结构,详细研究了其矢量控制策略。搭建一台5 MW的功率柜样机,采用NPC三电平拓扑,进行了功率回路测试,充分验证了拓扑结构和矢量控制策略的正确性。对200 MW大型变速抽蓄机组的交流励磁系统的功率单元设计具有重要的借鉴意义。

变速抽水蓄能机组交流励磁系统模型预测控制

研究基于模型预测控制的可变速抽水蓄能机组(VSPSU)交流励磁控制系统。针对现有PI控制器性能不佳的问题,研究基于模型预测控制(MPC)的机侧控制系统。建立变速机组的预测模型,根据被控制量的预测误差和输出控制量的加权平方和建立目标函数,并以此为基础设计定子磁场定向的矢量控制系统。通过仿真对所提MPC控制系统的可行性以及控制性能进行定量分析。结果表明,该控制系统具有良好的静、动态性能,能够为变速机组交流励磁设备的开发提供理论依据。

基于重复脉冲法的变速抽蓄机组转子绕组短路故障诊断方法

变速抽蓄机组的转子侧采用特殊的三相交流绕组结构,导致其转子绕组短路故障诊断困难。为此,提出了一种基于重复脉冲法(repetitive surge oscillograph,RSO)的离线故障诊断方法。首先设计了重复脉冲法在变速抽蓄机组中的应用方案,通过在转子三相同时注入低压脉冲并检测响应曲线来判断机组故障情况。基于不同短路故障的响应特性分析,提出了转子绕组短路故障类型和故障相别的识别方法。然后,结合变分模态分解与Teager能量算子(variational mode decomposition-teager energy operator,VMD-TEO)估计注入脉冲和特征曲线的起始突变位置,并通过时间差值和实测波速确定故障位置。最后,利用指数还原故障因子衡量匝间短路故障的严重程度,以解决克服行波衰减引起的特征波形幅值重叠问题。仿真结果表明,所提方案能准确诊断变速抽蓄机组的各种转子绕组短路故障。

变速抽蓄机组频率响应机理模型与性能研究

变速抽蓄机组是潜在的大容量、灵活可靠、清洁一次调频资源。缺乏频率响应机理模型和性能研究导致定量表达、挖掘、充分发挥该机组一次调频优势遇到瓶颈。提出了一种变速抽蓄机组频率响应机理模型,并基于该模型量化分析了变速抽蓄机组较常规机组、定速抽蓄机组在调频稳定性与动态性能两方面的优势。首先基于调频物理本质,建立了变速机组发电和抽水2种工况下的频率响应模型;其次利用根轨迹法分析了频率下垂系数对3种机组调频稳定性的影响;然后推导了3种机组对应的调频性能指标,并比较了一次调频动态性能;最后通过PSCAD/EMTDC时域仿真验证了机理模型和性能分析的正确性。该研究结果为充分利用变速机组来保障新型电力系统频率稳定提供了有益的理论参考。

交流励磁可变速抽水蓄能机组技术及其应用分析

交流励磁可变速蓄能机组是一种先进的调峰调频电源新技术,介绍了其发展概况、基本原理及结构,阐明了其技术优势,分析了其运行应用情况及发展趋势,并就其技术经济进行了比较,给出了合适的装机容量比例。

交流励磁抽水蓄能机组快速功率响应控制策略

基于交流励磁抽水蓄能机组运行特点,分别建立可逆水泵水轮机和交流励磁电机数学模型;针对可逆水泵水轮机在不同运行模式下的输出特性,分别建立水轮机工况和水泵工况下的负荷特性优化流程;结合电动和发电运行工况,提出功率由交流励磁调节,转速或导叶由可逆水泵水轮机控制的抽水蓄能机组快速功率响应控制策略。通过与传统转速励磁控制策略进行仿真比较,结果表明所提控制策略能够同时提高机组的功率响应速率和可逆水泵水轮机运行效率。

交流励磁抽水蓄能机组变下垂系数调频控制策略

针对固定下垂系数控制存在抑制频率波动的阻尼不足的问题,提出一种基于惯性环节的交流励磁抽水蓄能机组变下垂系数调频控制策略。首先,基于交流励磁抽水蓄能机组运行特点,分别建立了可逆水泵水轮机和交流励磁电机的数学模型以及交流励磁抽水蓄能机组控制模型;然后,考虑频率变化率和频率偏差值对系统频率动态调节影响,引入下垂系数-系统频率变化率(R-df/dt)函数,并通过检测电网频率变化和机组转速,获得幅值随频率变化率动态变化的下垂系数,基于此,提出一种基于惯性环节的变下垂系数调频控制策略,并给出了参数整定方法。基于MATLAB/Simulink平台,搭建含交流励磁抽水蓄能机组的电力系统3机仿真模型,并进行系统频率特性的仿真分析。仿真结果表明,所提控制策略可有效提升机组在发电、电动工况下的频率响应能力,提高了电力系统的频率稳定性。

基于变速抽蓄机组的新型电力系统调频控制策略

为解决新能源机组大规模并网引发的频率安全问题,将变速抽蓄机组纳入新型电力系统调频控制。首先通过根轨迹方法分析了变速抽蓄机组的AGC调频稳定性;然后设计机组功率指令响应性能评价方案,衡量了变速抽蓄机组调频出力的快速性与准确性;在此基础上,提出基于频率变化率的有功动态优化分配策略,并通过Simulink中搭建的两区域互联电力系统LFC模型模拟新能源出力波动,仿真验证所提策略的有效性。结果表明,基于频率变化率的有功动态优化分配策略可充分发挥变速抽蓄机组的调频优势,有效防止频率发生越限、维持系统频率稳定。