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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

定速与变速抽水蓄能机组联合运行一、二次调频仿真及特性研究

变速抽水蓄能机组在电网频率—功率快速调节及主动支撑等方面相较于定速机组具有独特优势,为此开展定速与变速抽水蓄能机组联合运行一、二次调频仿真及特性研究。即首先建立定速与变速机组联合运行一、二次调频数值仿真模型,然后实现一、二次调频协调仿真,最后揭示定速与变速机组联合运行一、二次调频动态特性。结果表明,频率阶跃的幅值越大,定速与变速机组出力和有功功率一次调频90%目标值响应时间、二次调频目标值响应时间越长。机组的调功指令配比越高,其出力和有功功率的二次调频目标值响应时间越短,变速机组出力和有功功率二次调频目标值响应时间对调功指令配比的变化更为敏感。定速与变速机组的调功指令配比相同时,联合运行的二次调频目标值总体响应时间更短。

含定速与变速机组的抽水蓄能电站一次调频动态特性研究

鉴于含定速与变速机组的抽水蓄能电站安全、稳定、高效联合运行是充分发挥变速机组技术优势的关键,基于数值仿真方法,开展含定速与变速机组的抽水蓄能电站一次调频动态特性研究。首先建立含定速与变速机组的抽水蓄能电站一次调频仿真模型,然后分析定速与变速机组单独运行一次调频动态特性,最后分析定速与变速机组联合运行一次调频动态特性。结果表明,相同的调速器和变频器参数下,变速机组频率阶跃减的幅值越大,动态响应时间越长、速度越快;频率阶跃增幅值越大,动态响应时间越短、速度越快;定速与变速机组联合运行可提高定速机组的出力和有功功率动态响应速度及变速机组的出力动态响应速度,但对变速机组的有功功率动态响应速度的影响较小。

全功率变速抽水蓄能机组控制策略与调节特性

全功率变速抽水蓄能机组协调控制中通常采用变流器控制机组功率、调速器控制机组频率(转速)的快速功率控制,其忽视了对机组频率安全与效率的影响,且控制模式单一。分析了机组多控制模式振荡特性和功频响应特性,提出了机组发电工况快速频率控制与快速功率控制相结合的协调控制策略,以及水泵工况定导叶开度变转速控制策略。设计了常规试验与性能优化试验结合的变速工况调试方法并应用于我国第一台全功率变速抽水蓄能机组启动调试中,验证了控制策略和调试方法的有效性。现场测试结果表明,调速器和变流器控制不协调易引发机组振荡,采取所提协调策略后机组安全高效运行,且具备百毫秒级的有功、无功快速调节能力。

双馈变速抽水蓄能机组发电工况阻抗建模

变速抽水蓄能机组具有优良的调峰调频性能,可有效提高新能源的消纳水平。由于新能源机组和双馈变速抽蓄机组存在多种电力电子装置,且运行工况复杂,在进行电力系统小干扰稳定性分析时,使用基于频域建模的阻抗分析法更容易扩展和建模。然而现有的双馈变速抽蓄机组阻抗模型并未考虑复杂输水系统和水泵水轮机转速的影响,不能反映长输水管道的弹性水击和水泵水轮机变速运行特性,这将影响小干扰稳定性的分析结果。为此,提出发电工况下一管一机带调压室的输水系统降阶弹性水击模型和考虑初始运行工况和转速的水泵水轮机模型。首先基于分布参数弹性水击理论,推导包括引水隧洞、调压室和压力钢管的输水系统降阶弹性水击模型。然后将考虑水头、导叶开度和转速的非线性水泵水轮机模型在初始运行工况点处进行线性化。最后结合发电电动机、调速器、变流器及其控制器模型,构建了双馈变速抽蓄机组发电工况阻抗模型。对比扫频法的测量结果,可验证所提出模型的准确性。

全功率变速抽水蓄能机组水泵模式建模及运行特性研究

全功率变速抽水蓄能机组(FSC-VSPSU)能够为电网提供快速、灵活的调节容量,助力新能源为主体的新型电力系统快速发展,其应用逐渐广泛。为掌握实际FSC-VSPSU在水泵工作模式(抽水)时的运行特性,以及分析工程现场所出现的实际问题,建立了FSC-VSPSU水泵模式下的仿真模型。此外,FSC-VSPSU在水泵模式时通常采用直接开度控制方法,对抽水功率无法精确控制,通过外加功率控制环,就能够很好地控制抽水功率,可补充作为机组的另一种控制方法。通过仿真FSC-VSPSU在直接开度控制以及外加功率控制环两种方式下的运行,总结了其运行特性,为实际FSC-VSPSU现场运行提供仿真工具以及运行调试指导。

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。

定-变速抽水蓄能机组调相-发电过渡过程动态特性研究

可变速抽水蓄能作为一种较新的机组形式,在参与电网调相调频、功率调节等方面相对传统定速机组具有独特优势。调相-发电过程作为抽水蓄能机组应对风光等间歇性可再生能源波动的典型过渡过程,对过流部件压力波动及机组运行稳定性有显著影响。目前抽水蓄能电站中广泛采用的一管多机布置形式存在水力干扰现象,一台机组的工况变化会影响其他机组的运行。同时,变速机组的引入会使机组展现出与传统机组不同的水力动态特性。为深入探究调相-发电过渡过程中不同机组布置形式下复杂管道系统的水力动态特性及相关稳定性问题,结合工程数据,基于特征线法和S函数等方法构建三种不同机组组合形式下一管双机抽水蓄能机组模型。针对不同机组布置形式,分别探究不同动作间隔下机组的蜗壳压力、尾水管压力及调压井流量等水力因素的动态特性及其对蓄能机组稳定性的影响。定量分析结果表明:在调相-发电工况下,工作水头及蜗壳压力先下降后上升,尾水压力、下游调压井水位及流量呈现正弦式衰减振荡;3种组合形式中定速-变速机组组合稳定性效果最佳,变速-变速组合的水力波动最大。本研究为定、变速组合的抽水蓄能电站安全稳定运行提供一定的理论依据。

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。

远端电网故障下双馈式变速抽水蓄能机组平衡点存在性研究

双馈式变速抽水蓄能机组(DF-VSPSU)作为电力系统柔性可控电源,在系统功率平衡、无功支撑方面发挥重要作用。然而,在远端电网故障时采用典型低电压穿越控制的DF-VSPSU可能会因平衡点不存在,而出现运行失稳现象。因此,以单DF-VSPSU无穷大系统为对象,建立了准稳态下DF-VSPSU机侧特性和网侧特性方程,刻画了不同电网条件下DF-VSPSU稳定运行边界及其可行域,并分别从远端电压跌落深度、电网短路比、电网阻抗角、机组无功支撑系数4个因素分析对其运行平衡点存在性的影响。基于MATLAB/Simulink仿真验证了理论分析的合理性。

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。

大规模风电并网下抽水蓄能参与电网调频的模型预测控制策略

变速抽水蓄能机组在高比例风电并网的电力系统中具有深度参与频率调节的能力。针对短时风电功率波动引起电力系统频率扰动的问题,根据抽水蓄能机组不同的运行工况,提出抽水蓄能参与频率调节的模型预测控制策略。在发电运行时,利用风机的减载备用改善抽蓄机组因水锤效应引起的调频效果不佳的问题;在电动运行时,利用抽蓄机组快速响应的特点,有效平抑风电功率波动,提高风电机组的风能利用率。该策略在考虑抽蓄机组和风电机组各自约束条件的前提下,通过求解滚动时域内最优控制问题,协调各机组之间的有功出力分配,提高电网的调频性能。最后在Matlab/Simulink仿真平台对所提策略进行仿真验证,结果表明该策略能够有效改善抽水蓄能机组平抑风电功率波动时的调频效果。

变-定速抽水蓄能机组混合式布置对甩负荷过渡过程的影响

目前尚缺少较复杂的多洞多机输水系统下变-定速机组混合式布置对甩负荷过渡过程影响的研究。基于一维管道瞬变流理论,采用特征线法建立了“引水两洞四机、尾水四机一洞”的变-定速抽水蓄能机组水力过渡过程数学模型,并结合实际工程算例探讨了甩负荷工况下变-定速机组混合式布置对调节保证参数的影响。结果表明,相比于变速机组分布于不同引水主洞的布置方案,两台变速机组布置于同一引水主洞方案下甩负荷过渡过程中的调节保证参数在发电效率较高区内更为安全。