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。

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。

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。

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。

快速功率波动下大型定/变速机组的响应特性研究

本文对定速机组和变速机组应对快速功率波动时的响应情况进行了对比仿真,研究了九种不同大小、不同频率的功率波动下定速机组和变速机组的响应情况,并利用功率差的平均值、标准值、功率上升(下降)响应时间的平均值、功率延迟时间这四个量化评估指标对定速机组和变速机组的功率响应特性进行了具体分析。结果表明变速机组不仅能有效应对秒级时间内快速波动的新能源出力,对快速新能源出力波动的响应能力也远优于传统定速机组,进一步说明了变速机组应对新能源波动的有效性。

可变速抽蓄机组转子绕组新型主保护方案性能分析

丰宁可变速抽蓄机组的投运使得其转子绕组保护方案的配置备受关注。运用多回路分析法,对湘潭电机厂制造的12 kW交流励磁样机所有实际可能发生的转子绕组内部故障进行了仿真,在此基础上对基于定子分支谐波环流的转子绕组新型主保护方案的性能进行了分析,并进一步明确了新型转子绕组主保护方案不能动作故障类型及相应的改进措施,为后续国产化示范项目中可变速抽蓄机组的稳定运行奠定基础。

基于模型预测控制的全功率变速抽水蓄能与SVG功率协调控制

全功率变速抽水蓄能机组(FSC-VSPSU)通过背靠背变流器接入电网,具有功率快速可调、有功无功独立解耦的优点,在近年来得到了广泛关注。由于新能源场站具有波动性,通常配置静止无功发生器(SVG)来维持系统电压稳定。针对SVG易出现容量不足的状况,研究FSC-VSPSU与SVG功率协调控制。分析了FSC-VSPSU与SVG无功调节特性,提出了基于模型预测控制的功率协调控制策略。采用模型预测控制协调响应时间不同的FSC-VSPSU与SVG,通过电压灵敏度计算无功和电压的关系,建立以并网点电压、FSC-VSPSU电压偏差最小以及SVG无功储备最大为目标的模型预测控制(MPC)问题数学模型,求解得到FSC-VSPSU与SVG功率参考值。通过仿真验证了所提模型预测控制的可行性以及其相较于下垂控制的优越性。

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。

基于调速器-变频器协调控制的变速抽蓄机组一次调频研究

变速抽蓄机组可为保障高比例新能源电网频率安全稳定提供重要支撑,是抽水蓄能技术发展的重要方向。因此,开展了基于调速器-变频器协调控制的变速抽蓄机组一次调频研究,首先建立变速抽蓄机组仿真模型,然后分析基于协调控制的变速抽蓄机组一次调频特性,最后揭示基于协调控制的变速-定速抽蓄机组一次调频特性。结果表明,变速抽蓄机组调速器-变频器协调控制模式2下一次调频有功功率的响应速度明显快于控制模式1,调速器对一次调频导叶开度和转速振荡的抑制优于变频器、变频器对一次调频有功功率的调节速度明显快于调速器。变速抽蓄机组采用调速器-变频器协调控制模式1时的一次调频有功功率响应速度略慢于定速抽蓄机组、采用控制模式2时的一次调频有功功率响应速度明显快于定速抽蓄机组。

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技术应用前景研究

全功率变速抽水蓄能机组具有诸多技术优势,但受大功率变频装置制造难度及成本制约,目前仅在中小容量机组上具有应用经济性。中小型抽水蓄能电站与全功率变速机组完美适配,打开了其推广应用空间。为促进抽水蓄能全功率变速技术的国产化、规模化应用,满足新型电力系统更优质的调节能力需求,首先介绍了变速抽水蓄能技术原理及其发展现状,然后从技术优势、应用场景和发展面临的挑战三个方面分析全功率变速抽水蓄能技术的发展前景,结果表明缺乏科学的变速机组作用效益量化评估方法、相关工程配套设计以及全功率变速机组实际运行经验,是当前制约全功率变速技术推广的主要因素,建立变速机组应用收益指标评价体系、加快推进全功率变速机组相关配套设计、因地制宜开展中小型抽水蓄能全功率变速机组示范工程建设是破解上述问题的关键之要,可为后续全功率变速技术在中小型抽水蓄能项目落地应用、高质量服务新型电力系统提供参考。

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。

可变速抽水蓄能机组在抽水工况下的自启动方案

研究了可变速抽水蓄能机组在抽水工况下采用定子绕组短接方式的零速自启动方案及其启动特性。文中分析并建立了在定子绕组短接情况下变速机组的数学模型、相量图以及机械特性。在此基础上,以转子电流与定子磁链为状态变量构建了状态观测器,提出了基于状态观测器的闭环自启动方案,并通过仿真对该方案在启动时间、转矩特性、估计精度等方面的性能进行了定量的分析,结果表明该方案具有良好的启动性能以及鲁棒性。