A novel technology for control of variable speed pumped storage power plant

Variable speed pumped storage machines are used extensively in wind power plant and pumped storage power plant. This paper presents direct torque and flux control(DTFC) of a variable speed pumped storage power plant(VSPSP). By this method both torque and flux have been applied to control the VSPSP. The comparison between VSPSP's control strategies is studied. At the first, a wind turbine with the capacity 2.2 k W and DTFC control strategies simulated then a 250 MW VSPSP is simulated with all of its parts(including electrical, mechanical, hydraulic and its control system) by MATLAB software. In all of simulations, both converters including two-level voltage source converter(2LVSC) and three-level voltage source converter(3LVSC) are applied. The results of applying 2LVSC and 3LVSC are the rapid dynamic responses with better efficiency, reducing the total harmonic distortion(THD) and ripple of rotor torque and flux.

Small and Mid-Size Pump-Turbines with Variable Speed

The stability of the grid is jeopardized with the large percentage of non-dispatchable renewables like wind power and also with increasing solar power. This creates various problems because these forms of energy are very volatile and difficult to predict. In most countries the in-feed of these sources must not be curtailed. In addition most of the renewables do not provide short circuit capacity and inertia in the same way as classical units and so further worsen the stability of the grid. The growing exploitation of wind and solar might be limited due to grid stability problems. In order to compensate those problems a large amount of reserve capacity is needed and therefore new technologies for electricity storage are required. Hydraulic pumped storage—the classical storage technology—has some disadvantages. These plants are in mountain regions often far away from wind farms. The distance to the wind farms mean additional loading for the already stressed grid and additional transmission losses. To compensate the very volatile wind energy, the pump input power should be varied continuously. This is so far only possible with variable speed units. Up to now double-fed asynchronous motor-generators are used which are rather expensive. In order to provide a solution for the described situation, ANDRITZ HYDRO has developed a new innovative concept of decentralized pump storage plants. Small standardized pump turbines are combined with a synchronous motor-generator and a full size converter which allows speed variation in pump and turbine mode over a wide range. These plants can be built locally close to wind farms and other sources to be balanced, allowing the increase of renewable energy without increasing the transmission line capacity. For the future smart grids this will be a key storage technology. This concept is reliable, innovative and more economic than other storage technologies.

Prospect of new pumped-storage power station

In this paper, a new type of pumped-storage power station with faster response speed, wider regulation range, and better stability is proposed. The operational flexible of the traditional pumped-storage power station can be improved with variable-speed pumped-storage tech no logy. Combined with chemical en ergy storage, the failure to achieve sec on d-order response speed and the insufficient safety and reliability of pumped-storage power units could be solved. With the better solar en ergy and site resources, the in teg rated performance can be improved by an optical storage system in stalled in future pumped-storage stations. Through the characteristics analysis of the new type of pumped-storage power station, three types of optimal station locations are proposed, namely, the load concentration area, new energy concentration area, and ultrahigh- voltage direct current receiver area. Taking the new pumped-storage power station as an example, the advantages of multi-energy cooperation and joint operation are analyzed. It can be predicted that the frequency and load regulation of the power grid will be more flexible, and the service capacity to the main power grid will be much stronger in the future.

大型变速抽水蓄能发电电动机不同转速下三维端部电磁场和损耗研究

大型变速抽水蓄能发电电动机端部区域漏磁和构件损耗较高,为了研究不同转速时大型变速抽水蓄能发电电动机三维端部电磁场和端部构件损耗的变化规律,本文建立326 MW变速抽水蓄能发电电动机三维端部瞬态电磁场的数学模型,研究变速抽水蓄能电机在发电机工况下不同转速时定转子端部构件磁密的变化规律,确定变速抽水蓄能电机端部构件涡流密度的分布情况,探究变速抽水蓄能电机在发电机工况下不同转速时定子压圈、定子环板、转子护环以及转子齿压板等端部构件损耗的变化规律。采用相同的计算方法对小容量10 MW变速抽水蓄能发电电动机进行研究,通过试验测试和计算结果的对比验证了本文计算方法的可行性。

交流励磁脉冲电压占空比对双馈型变速抽蓄电机转子绕组放电特性影响研究

双馈型变速抽水蓄能电机是新型电力系统中极为重要的组成部分,其采用交流励磁低频PWM脉冲电压供电,其中占空比作为PWM技术的重要参数,对电机绝缘产生一定的影响,研究方波占空比对变速抽水蓄能电机转子绕组放电特性的影响规律,有利于变速抽水蓄能机组的绝缘性能评估。以某变速抽水蓄能机组为研究对象,建立转子绕组有限元模型,基于有限元仿真平台仿真并分析了不同方波占空比下转子绕组绝缘薄弱区域的电场电势特性,并搭建3 kV转子绕组局部放电试验平台,分析了不同占空比方波电压作用下绕组局部放电特性。

高比例新能源并网含抽蓄的联合系统变时段日前调度

为提高高比例新能源并网电力系统中火电机组的平稳运行,提出含抽蓄联合系统变时段日前调度策略。首先,根据抽蓄机组的最优调节区间进行净负荷频谱分析,得到其频域下的波动性质;其次,将波动量与高频分量的模糊熵共同作为评价指标,划分为不同调度模式;再次,以系统总成本最小为目标,建立考虑抽蓄最优调节的变时段日前调度模型,确定调度计划;最后,通过算例分析验证所提策略的有效性。

抽水蓄能电站单机容量与机组转速选择

通过分析国内外已建抽水蓄能电站机组主要技术参数,研究抽蓄电站定转速混流式水泵水轮机水头与单机容量、参数水平的关系,提出了不同水头段抽水蓄能电站单机容量和比速系数选择原则,推荐了合适的机组额定转速范围,可提高抽水蓄能电站水泵水轮机选型设计的工作效率和成果质量。

变速抽水蓄能电机在发电工况不同转速下磁场和损耗研究

本文对变速抽水蓄能发电电动机的电压方程、磁链方程、电磁转矩方程和运动方程进行了推导,并建立了10MW变速抽水蓄能发电电动机二维电磁场的数学方程和物理模型,对变速抽水蓄能发电电动机的电磁场数学方程进行了计算,得到了变速抽水蓄能电机在发电机工况下超同步速时定子电压和定子电流的波形,分析了变速抽水蓄能电机在发电机工况下不同转速时磁密的分布规律,研究了不同转速下定子铁芯损耗和转子铁芯损耗占总铁芯损耗比例的变化规律。搭建了10MW变速抽水蓄能发电电动机样机试验测试平台,通过试验测试得到的结果与计算结果较为接近。

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。

初始转速与导叶控制策略对变速抽水蓄能机组泵断电过程影响规律研究

在可变速抽水蓄能机组泵断电暂态过程中,因导叶关闭引起的压力波动、回流、转速双峰等不利现象,极大影响了机组及压力管道系统的安全运行;初始转速作为影响机组动态特性的重要参数,其对泵断电过程中转速、流量的影响规律尚不明晰。针对以上问题,基于一维瞬变流理论特征线法和改进Suter变换法,构建可变速抽水蓄能机组调节系统模型。通过对可变速抽水蓄能机组泵断电过程进行模拟,分析了导叶关闭时间对特征参数的影响规律,阐明了初始运行转速与倒流流量、反转转速极值之间的内在联系。结果表明,正转正流阶段和正转逆流阶段的初期各特征参数时域响应趋势极为相近;与此同时,对比不同导叶关闭时间的结果,得出由反转逆流阶段进入停机能够增强机组及压力管道系统安全性的结论;此外,在同一扬程和入力条件下,采用不同初始运行转速对泵断电过程进行模拟,得出流量、转速极值特性与初始运行转速呈负相关的结论。

考虑不对称转速边界约束的变速抽蓄机组综合惯量调频控制

当系统出现频率跌落时,变速抽蓄机组可大幅降低转速、迅速释放转子动能,从而为系统提供惯量支撑,但目前已有的调频方案未能有效发挥变速抽蓄机组的这一优势。为充分利用转子动能,提出一种考虑不对称转速边界约束的变速抽蓄机组综合惯量调频控制策略。首先,从变速抽蓄机组的有功支撑特性和不对称转速约束条件出发,得出适用于变速抽蓄机组的最优频率控制结构,该结构中包含两个时间常数不同的虚拟惯量控制环节。然后,分析各惯量控制环节的作用并整定相关参数。在此基础上,计及变速抽蓄机组运行特性与电力系统调频需求,设计了变速抽蓄机组不对称综合惯量控制策略,使得机组转速降低时可以为系统提供更大的惯量支撑。仿真结果表明,所提调频策略能够充分发挥变速抽蓄机组的优势,维持系统频率稳定。

变速抽水蓄能机组功率优先控制模式的运行稳定域分析

变速机组相较于传统定速机组在运行和调节中具有快速、高效、灵活和可靠等优点。然而变速抽水蓄能电站刚刚起步,其在有功功率调节过程中的运行稳定性需要进一步研究。本文中基于MATLAB和Simulink作为主要工具研究变速抽水蓄能电站在有功功率调节中的动态稳定性。首先,建立了一个变速抽水蓄能电站的水-机-电耦合的数学模型。然后,建立13阶状态矩阵用于理论研究系统的动态稳定性,并进行时域模拟进一步验证和分析,验证了理论矩阵和数学模型的有效性和合理性。结果表明,变速抽水蓄能机组在并网条件下的有功功率调节的过程中,可能面临失去稳定性的风险,这是定速机组不会出现的新问题。因此,在变速抽水蓄能电站的设计和运行过程中,需要重点关注系统特性参数与控制参数的匹配问题。研究结果可为提高变速抽水蓄能电站调节稳定性提供技术参考。

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。

大型变速抽水蓄能发电电动机不同进相工况下磁密与损耗研究

大型电机进相运行是维持电网电压及无功平衡的重要方式。为了研究不同进相运行时大型变速抽水蓄能电机内电磁场的分布及损耗变化,本文建立了326MW变速抽水蓄能发电电动机二维电磁场模型,对比分析了变速抽水蓄能电机在不同进相运行工况下的气隙磁密、定子电流波形以及定转子铁芯采样点处的磁密值,探究了定子铁芯损耗和转子铁芯损耗的变化情况。同时采用相同的计算方法对小容量10MW变速抽水蓄能发电电动机进行研究,计算结果和试验测试值较为接近,验证了本文计算方法的可行性。

变速抽蓄用双馈发电电动机速度传感器故障容错控制

变速抽蓄机组作为重要调节电源,在系统功率平衡、频率调节方面发挥重要作用,同时变速抽蓄机组双馈发电电动机运行可靠性越来越受到人们的重视。因此,本文提出了应对双馈发电电动机速度传感器故障的容错控制策略,以增强变速抽蓄机组的运行可靠性。该策略利用定子磁链模型参考自适应估算转速,并与光码盘实测转速相比较,而后通过滞环、SR触发器构成速度传感器故障检测与隔离,完成速度传感器故障情形下双馈发电电动机转速信号的主动切换,保障双馈发电电动机不间断运行。最后,通过MATLAB仿真,验证所提容错控制策略的有效性。

基于变速抽蓄的新能源送端电网能量平衡优化控制方法研究

针对高比例新能源与抽水蓄能联合发电的送端电网协调关系复杂可能导致新能源消纳能力不足的问题,文章提出基于变速抽蓄的新能源送端电网能量平衡优化控制方法。首先,研究变速抽水蓄能机组的运行特性,分析基于变频器控制的变速抽水蓄能机组有功无功输出特性;其次,对变速抽蓄提升新能源发电能力进行分析,建立新能源送端电网能量平衡优化模型;再次,对量子粒子群算法进行改进,提出新能源送端电网能量平衡优化控制算法;最后,参考西北某地区的新能源基地外送模式,构建变速抽水蓄能电站以及常规抽水蓄能电站与新能源配合的典型场景,对比分析变速抽水蓄能电站与常规抽水蓄能电站提升新能源消纳的能力。仿真结果表明,基于变速抽水蓄能的送端电网能量平衡优化控制方法能够提高新能源利用率,可显著提升新能源的消纳水平。

大型可变速抽水蓄能机组SFC起动性能分析

大型可变速抽水蓄能机组在抽水工况下作为电动机运行,在起动过程中需要克服发电电动机和水泵水轮机的阻力矩,并且需要在一定的时间内将机组拖动到并网转速,所以采用有效的起动方式至关重要。大型可变速抽蓄机组电动工况起动方式包括静止变频器(SFC)起动、背靠背起动和自起动三种,其中SFC起动为抽蓄电站普遍采用的起动方式之一。变速机组也可采用定速机组配置的SFC进行起动,但变速发电电动机为绕线式异步电机,采用三相交流励磁技术,与定速机组在机型和励磁技术等方面完全不同,且目前国内外针对变速发电电动机SFC起动的相关研究成果较少,故亟需开展变速发电电动机、SFC装置和交流励磁配合的研究分析。自起动方式受到电机参数和变流器输出等限制,输出力矩的能力较小,而背靠背起动方式常作为备用起动方式,两者均不适用于400MW级及以上大型可变速抽蓄机组的起动。本文从分析可变速发电电动机SFC起动的原理入手,搭建了可变速发电电动机SFC起动的数值仿真模型,利用该仿真模型对一台440MW的抽蓄机组起动全过程进行了仿真分析,获得了主要物理量的变化规律,验证了数值模型的可靠性。

风电场与多分布式变速抽水蓄能协同调频控制

针对单个变速抽蓄调频容量不足和风电场调频后转子转速恢复容易引发频率二次跌落的问题,提出一种风电场与多分布式变速抽水蓄能协同调频控制策略。首先,当电网发生频率事件时,该策略根据风电场风速和区域内多分布式变速抽水蓄能可调节容量对电网频率提供支撑。然后,针对风电调频后转子转速恢复过程容易引发系统频率二次跌落的问题,在风电转子转速恢复时通过多分布式变速抽蓄提供功率支撑来缓解系统频率二次跌落。最后,以含风电场与分布式变速抽蓄的四机两区域系统为例,通过Matlab/Simulink仿真验证了所提控制策略相比风电场和多分布式变速抽水蓄能独立调频对于系统具有更好的调频效果。

双馈抽水蓄能机组最优功率控制策略及提升风电并网能力仿真

提出一种考虑损耗及转速影响的抽水蓄能机组最优功率控制策略。首先,对抽水蓄能机组在发电和抽水工况下的功率损耗来源进行辨析,推导计及损耗与转速影响的电磁功率与机械功率表达式。然后,计及转子动能对阶跃变化与斜坡变化的不同功率控制策略进行调节能力分析,提出最优功率协调控制策略。最后,构建半实物仿真平台对发电与抽水工况下抽水蓄能机组的不同有功功率阶跃模式进行仿真对比验证。结果表明,该文所提控制策略可优化调速器与励磁控制的协调配合,与传统方法相比,该文方法的功率调节速率更快,对电网功率指令的响应也更为准确,且有效缓解了风电等新能源所带来的消纳及一次调频问题。