一种用于无级变速抽水蓄能电站的调速器与变流器的联合调控系统和方法

1.本发明涉及水力发电控制领域，具体涉及一种用于无级变速抽水蓄能电站的调速器与变流器的联合调控系统和方法。


背景技术：

2.抽水蓄能是支撑新能源发展的重要手段。然而传统定速抽水蓄能机组存在运行范围窄、功率响应慢、加权效率低等缺点，已较难满足未来电力系统的需求，抽水蓄能自身亟需技术升级。连续可变速抽水蓄能技术以其运行调节的速动性、高效性、灵活性、可靠性等优势，是全球抽水蓄能行业新的发展方向。
3.可变速抽水蓄能机组通过变速调节实现了运行轨迹线的灵活可控，但同时也带了常规机组不存在的调速器和变流器协联控制的“新问题”。如何实现导叶开度和机械转速的最优联合，是保证可变速抽水蓄能机组高效稳定运行的关键。
4.相关技术中可变速抽水蓄能机组联合运行的研究手段主要采用理论建模和数值仿真方法，所提出的诸如基于机组运行特性曲线的自适应协调控制方法、等单位功率线寻求最小单位流量的改进最优转速寻优策略、最优效率插值求解策略等，对可变速抽水蓄能机组联合控制及高效运行具有重要意义和参考价值。
5.然而，现有技术中尚无成熟的可变速抽水蓄能机组联合调控系统，基于数值仿真的联合控制研究缺乏真机模型实验和现场实测验证，这直接限制了上述研究成果在实际可变速抽水蓄能电站中的应用。


技术实现要素：

6.根据现有技术的不足，本发明的目的是提供一种用于无级变速抽水蓄能电站的调速器与变流器的联合调控系统和方法，得到最优导叶开度信号和最优机械转速信号，实现调速器装置和变流器装置的自动联合；也可在人工输入模块上自主设置机械转速和导叶开度实现手动联合，既能在自动联合故障时承担备用功能，又能满足操作人员用户偏好和灵活性需求。
7.为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
8.一种用于无级变速抽水蓄能电站的调速器与变流器的联合调控系统，所述无级变速抽水蓄能电站包括可变速抽水蓄能机组、调速器装置、变流器装置、联合调控系统和监控装置，所述联合调控系统包括硬件部分和软件部分，所述硬件部分包括控制器、通讯模块、模拟量输入模块、开关量输入模块、人工输入模块和显示模块，所述软件部分包括自动联合模块和手动联合模块；
9.所述控制器用于对无级变速抽水蓄能电站进行控制，并求解获得最优导叶开度信号和最优机械转速信号；
10.所述模拟量输入模块包括功率变送器、压力传感器和信号调理电路，所述信号调
理电路是对所述压力传感器采集的信号进行处理，使其满足所述模拟量输入模块的信号要求；
11.所述开关量输入模块用于判断所述可变速抽水蓄能机组的运行工况，所述可变速抽水蓄能机组的运行工况包括抽水工况和发电工况；
12.所述人工输入模块用于操作人员手动输入参数；
13.所述显示模块用于显示所述无级变速抽水蓄能电站的信息；
14.所述通讯模块用于所述控制模块与所述调速器装置、所述变流器装置、所述监控装置、所述人工输入模块和所述显示模块进行通讯；
15.所述自动联合模块和所述手动联合模块均设在所述控制器内，通过所述自动联合模块自动对所述无级变速抽水蓄能电站进行控制，通过所述手动联合模块使操作人员手动对无级变速抽水蓄能电站进行控制。
16.进一步地，所述联合调控系统包括远程模式和本地模式，所述远程模式用于接收所述监控装置远程发送的操控指令作为联合调控系统的输入指令，所述显示模块显示所述监控装置远程发送的操控指令，所述本地模式通过人工输入模块输入操控指令，所述显示模块显示所述人工输入模块输入的操控指令，所述操控指令包括抽水模式、发电模式和可变速抽水蓄能机组有功设定信号。
17.进一步地，所述控制器为plc。
18.进一步地，当所述监控装置通讯获得的工况状态与所述联合调控系统通过所述开关量输入模块采集到的工况状态不一致时，显示模块显示工况状态不对应故障，并停止运行。
19.一种用于无级变速抽水蓄能电站的调速器与变流器的联合调控方法，包括：
20.步骤一、预先形成第一联合运行表和第二联合运行表，第一联合运行表包括可变速抽水蓄能机组功率、工作水头和最优机械转速，第二联合运行表包括可变速抽水蓄能机组功率、工作水头和最优导叶开度；
21.步骤二、控制器从监控装置中获得可变速抽水蓄能机组功率设定信号和工况指令信号；
22.步骤三、控制器通过实时求解获得最优导叶开度信号和最优机械转速信号，并将最优导叶开度信号传给调速器装置，将最优机械转速信号传给变流器装置。
23.进一步地，所述控制器求解最优机械转速的方法包括：
24.步骤s101、划分插值网格，将可变速抽水蓄能机组功率p-工作水头h平面划分为多个等距的方格；
25.步骤s102、根据第一联合运行表，获取每个方格四个顶点分别对应的输入值s1(p1,h1)、s2(p2,h2)、s3(p3,h3)和s4(p4,h4)及机械转速n1、n2、n3和n4；
26.步骤s103、根据每个方格四个顶点的输入值s1(p1,h1)、s2(p2,h2)、s3(p3,h3)和s4(p4,h4)及输出值n1、n2、n3和n4得到每个方格的插值系数a、b、c和d：
27.28.获取所有方格根据机械转速的插值系数；
29.步骤s104、采集当前工作水头信号、与监控装置通讯得到的可变速抽水蓄能机组有功设定信号或人工输入模块输入的可变速抽水蓄能机组有功设定信号，得到输入值s(p,h)，定位到对应的方格，并取出该方格的四个插值系数，根据下式得到最优机械转速n：
30.n＝a+bp1+ch1+dp1h131.若输入值正好落在方格的顶点，则选择该输入值左下角的方格作为对应的方格。
32.进一步地，所述控制模块求解最优导叶开度的方法包括：
33.步骤s201、划分插值网格，将可变速抽水蓄能机组功率p-工作水头h平面划分为多个等距的方格；
34.步骤s202、根据第二联合运行表，获取每个方格四个顶点分别对应的输入值s1(p1,h1)、s2(p2,h2)、s3(p3,h3)和s4(p4,h4)及导叶开度y1、y2、y3和y4；
35.步骤s203、根据每个方格四个顶点的输入值s1(p1,h1)、s2(p2,h2)、s3(p3,h3)和s4(p4,h4)及输出值y1、y2、y3和y4得到每个方格的插值系数e、f、l和m：
[0036][0037]
获取所有方格根据导叶开度的插值系数；
[0038]
步骤s204、采集当前工作水头信号、与监控装置通讯得到的可变速抽水蓄能机组有功设定信号或人工输入模块输入的可变速抽水蓄能机组有功设定信号，得到输入值s(p,h)，定位到对应的方格，并取出该方格的四个插值系数，根据下式得到最优导叶开度y：
[0039]
y＝e+fp+lh+mph
[0040]
若输入值正好落在方格的顶点，则选择该输入值左下角的网格作为对应的网格。
[0041]
进一步地，工作水头h的范围为23m～33m，可变速抽水蓄能机组功率p的范围为30kw～80kw。
[0042]
进一步地，所述可变速抽水蓄能机组实际的导叶开度和实际的机械转速跟踪得到的最优导叶开度值和最优机械转速值，实现自动联合。
[0043]
进一步地，可变速抽水蓄能机组动态特性实验台采用基于bp神经网络和变速演化规律的方法得到第一联合运行表和第二联合运行表。
[0044]
与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
[0045]
1.本发明所述的一种用于无级变速抽水蓄能电站的调速器与变流器的联合调控系统和方法，本发明是实现变流器装置和调速器装置联合控制的关键装置，能够得到最优导叶开度信号和最优机械转速信号，实现调速器装置和变流器装置的自动联合；也可在人工输入模块上自主设置机械转速和导叶开度实现手动联合，既能在自动联合故障时承担备用功能，又能满足操作人员用户偏好和灵活性需求，能够很好的应用于双馈异步电机可变速抽水蓄能电站和同步电机全功率可变速抽水蓄能电站中。
[0046]
2.本发明所述的一种用于无级变速抽水蓄能电站的调速器与变流器的联合调控系统和方法，可变速抽水蓄能机组实际的导叶开度和机械转速动态响应能快速准确跟踪最优导叶开度值和最优机械转速值，使可变速抽水蓄能机组的机械转速和导叶开度的灵活精
准调节，使可变速抽水蓄能机组始终运行在最优效率工况点，保证了可变速抽水蓄能机组的高效运行，且可变速抽水蓄能机组的蜗壳压力和尾水压力的过渡过程主要受导叶开度调节影响，其次受转速调节影响，通过灵活精准调节可变速抽水蓄能机组的机械转速和导叶开度，能够使水击压力幅值满足机组调节保证计算要求。
附图说明
[0047]
图1为本发明总体结构及信号流图。
[0048]
图2为本发明显示模块现场图。
[0049]
图3为本发明联合插值网格划分图；
[0050]
图4为本发明最优联合运行表。
[0051]
图5为本发明应用于可变速抽水蓄能动态特性物理模型实验台的效果图。
具体实施方式
[0052]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0053]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
[0054]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
[0055]
一种用于无级变速抽水蓄能电站的调速器与变流器的联合调控系统，参照图1所示，无级变速抽水蓄能电站包括可变速抽水蓄能机组、调速器装置、变流器装置、联合调控系统和监控装置，联合调控系统包括硬件部分和软件部分，硬件部分包括控制器、通讯模块、模拟量输入模块、开关量输入模块、人工输入模块和显示模块，软件部分包括自动联合模块和手动联合模块；
[0056]
控制器用于对无级变速抽水蓄能电站进行控制，并求解获得最优导叶开度信号和最优机械转速信号；
[0057]
模拟量输入模块包括功率变送器、压力传感器和信号调理电路，信号调理电路是对压力传感器采集的信号进行处理，使其满足模拟量输入模块的信号要求；
[0058]
开关量输入模块用于判断可变速抽水蓄能机组的运行工况，可变速抽水蓄能机组的运行工况包括抽水工况和发电工况；
[0059]
人工输入模块用于操作人员手动输入参数；
[0060]
显示模块用于显示无级变速抽水蓄能电站的信息；
[0061]
通讯模块用于控制模块与调速器装置、变流器装置、监控装置、人工输入模块和显示模块进行通讯；
[0062]
自动联合模块和手动联合模块均设在控制器内，通过自动联合模块自动对无级变速抽水蓄能电站进行控制，通过手动联合模块使操作人员手动对无级变速抽水蓄能电站进行控制。
[0063]
可变速抽水蓄能机组能够进行抽水和发电。
[0064]
调速器装置与可变速抽水蓄能机组的水泵水轮机导叶连接，用于调节可变速抽水蓄能机组流量。
[0065]
变流器装置与可变速抽水蓄能机组的双馈异步电机连接，用于发电电动机的交流励磁和并网调节。
[0066]
监控装置用于对整个物理模型实验装置实施运行管理、数据处理、实时监视和控制功能。
[0067]
具体地，联合调控系统包括远程模式和本地模式，远程模式用于接收监控装置远程发送的操控指令作为联合调控系统的输入指令，显示模块显示监控装置远程发送的操控指令，本地模式通过人工输入模块输入操控指令，显示模块显示人工输入模块输入的操控指令，操控指令包括抽水模式、发电模式和可变速抽水蓄能机组有功设定信号。
[0068]
远程模式和本地模式通过联合调控系统上的切换旋钮进行切换。
[0069]
控制器从监控装置中获得可变速抽水蓄能机组有功设定信号和工况指令信号；控制器通过实时求解获得最优导叶开度信号和最优机械转速信号，并将最优导叶开度信号通过光纤通讯传给调速器装置，将最优机械转速信号通过光纤通讯传给变流器装置。
[0070]
本发明中，控制器为plc。plc选择西门子plc s7-1500。
[0071]
控制器采用rs485通讯，将运行参数等信息传递给显示模块实时显示，同时显示模块在本地模式时下发指令信号给plc。
[0072]
本发明中，模拟量输入模块包括高精度交流采样功率变送器、麦克压力传感器及信号调理电路，信号调理电路包括iso124隔离、电压跟随、电阻分压和uaf42低通滤波，将上述传感器采集的信号进行隔离、滤波处理，使其满足模拟量输入模块的信号要求。
[0073]
开关量输入模块用于采集可变速抽水蓄能机组的发电接触器和抽水接触器的闭合状态，用于判断可变速抽水蓄能机组处于何种运行工况，并通过残压测频(正弦波)或齿盘测频(方波)将机械转速信号经信号调理电路直接送入开关量输入模块。
[0074]
参见图2，显示模块用于实时显示联合调控系统从通讯模块、模拟量输入模块、开关量输入模块获取的运行信息，包括但不限于可变速抽水蓄能机组功率反馈值、可变速抽水蓄能机组功率设定值、当前工作水头、最优导叶开度、实际导叶开度、最优机械转速、实际机械转速、工况状态等；在本地模式下，人工输入模块和显示模块还具有可变速抽水蓄能机组功率设定值窗口人工输入模块和显示模块还具备手动联合的最优导叶开度信号和最优机械转速信号设定窗口，用于操作人员在已知最优导叶开度和最优机械转速的情况下或调试实验运行情况下根据自身需求灵活设置。
[0075]
本发明中，显示模块和人工输入模块共同通过触摸屏实现。
[0076]
本发明还提供一种用于无级变速抽水蓄能电站的调速器与变流器的联合调控方
法，采用本发明提供的联合调控系统，包括：
[0077]
步骤一、预先形成第一联合运行表和第二联合运行表，第一联合运行表包括可变速抽水蓄能机组功率、工作水头和最优机械转速，第二联合运行表包括可变速抽水蓄能机组功率、工作水头和最优导叶开度；
[0078]
步骤二、控制器从监控装置中获得可变速抽水蓄能机组功率设定信号和工况指令信号；
[0079]
步骤三、控制器通过实时求解获得最优导叶开度信号和最优机械转速信号，并将最优导叶开度信号传给调速器装置，将最优机械转速信号传给变流器装置。
[0080]
如图4所示，本发明实施例中，第一联合运行表和第二联合运行表合并在一个表内。
[0081]
本发明中，通讯模块采用光纤通讯，控制器通过光纤通讯从监控装置中获得可变速抽水蓄能机组功率设定信号和工况指令信号，控制器将最优导叶开度信号通过光纤通讯传给调速器装置，将最优机械转速信号通过光纤通讯传给变流器装置。
[0082]
其中，控制模块求解最优机械转速的方法包括：
[0083]
步骤s101、划分控制模块插值网格，如图3所示，将可变速抽水蓄能机组功率p-工作水头h平面划分为多个等距的方格，其中工作水头h的范围为23m～33m，可变速抽水蓄能机组功率p的范围为30kw～80kw；
[0084]
步骤s102、根据第一联合运行表，获取每个方格四个顶点分别对应的输入值s1(p1,h1)、s2(p2,h2)、s3(p3,h3)和s4(p4,h4)及机械转速n1、n2、n3和n4；
[0085]
步骤s103、根据每个方格四个顶点的输入值s1(p1,h1)、s2(p2,h2)、s3(p3,h3)和s4(p4,h4)及输出值n1、n2、n3和n4得到每个方格的插值系数a、b、c和d：
[0086][0087]
获取所有方格根据机械转速的插值系数；
[0088]
步骤s104、采集当前工作水头信号、与监控装置通讯得到的可变速抽水蓄能机组有功设定信号或人工输入模块输入的可变速抽水蓄能机组有功设定信号，得到输入值s(p,h)，定位到对应的方格，并取出该方格的四个插值系数，根据下式得到最优机械转速n：
[0089]
n＝a+bp1+ch1+dp1h1[0090]
若输入值正好落在方格的顶点，则选择该输入值左下角的方格作为对应的方格。
[0091]
本发明的一个实施例中，联合调控系统监测当前工作水头为30m，上位机设置可变速抽水蓄能机组功率为68kw，则联合调控系统定位该工况点对应的方格为图4中的横坐标p7～p8、纵坐标h7～h8的区域，联合调控系统调取该方格内存储的最优转速插值系数a、b、c和d，根据n＝a+bp1+ch1+dp1h1求解得到最优机械转速，控制器通过光纤通讯传给变流器装置进行转速调节。
[0092]
控制模块求解最优导叶开度的方法包括：
[0093]
步骤s201、划分控制模块插值网格，如图3所示，将可变速抽水蓄能机组功率p-工作水头h平面划分为多个等距的方格，其中工作水头h的范围为23m～33m，可变速抽水蓄能
机组功率p的范围为30kw～80kw；
[0094]
步骤s202、根据第二联合运行表，获取每个网格四个顶点分别对应的输入值s1(p1,h1)、s2(p2,h2)、s3(p3,h3)和s4(p4,h4)及导叶开度y1、y2、y3和y4；
[0095]
步骤s203、根据每个网格四个顶点的输入值s1(p1,h1)、s2(p2,h2)、s3(p3,h3)和s4(p4,h4)及输出值y1、y2、y3和y4得到每个网格的插值系数e、f、l和m：
[0096][0097]
获取所有网格根据导叶开度的插值系数；
[0098]
步骤s204、采集当前工作水头信号、与监控装置通讯得到的可变速抽水蓄能机组有功设定信号或人工输入模块输入的可变速抽水蓄能机组有功设定信号，得到输入值s(p,h)，定位到对应的网格，并取出该网格的四个插值系数，根据下式得到最优导叶开度y：
[0099]
y＝e+fp+lh+mph
[0100]
若输入值正好落在网格的顶点，则选择该输入值左下角的方格作为对应的网方。
[0101]
本发明的一个实施例中，联合调控系统监测当前工作水头为24.5m，上位机设置可变速抽水蓄能机组功率为38kw，则联合调控系统定位该工况点对应的方格为图4中的横坐标p1～p2、纵坐标h1～h2的区域，联合调控系统调取该方格内存储的最优转速插值系数e、f、l和m，根据y＝e+fp+lh+mph求解得到最优导叶开度，控制器通过光纤通讯传给调速器装置进行开度调节。
[0102]
本发明中，在联合调控系统的实际运行中，需预先形成第一联合运行表和第二联合运行表，第一联合运行表包括可变速抽水蓄能机组功率、工作水头和最优机械转速，第二联合运行表包括可变速抽水蓄能机组功率、工作水头和最优导叶开度，根据不同的第一联合运行表和第二联合运行表求解对应的最优机械转速和最优导叶开度。
[0103]
控制器自动联合下可变速抽水蓄能机组的过渡过程动态响应如图5所示，根据当前工作水头和可变速抽水蓄能机组功率设定值，联合调控系统实时求解最优导叶开度值和最优机械转速值，可变速抽水蓄能机组实际的导叶开度和机械转速动态响应能快速准确跟踪最优导叶开度值和最优机械转速值，转速和开度的灵活精准调节，使可变速抽水蓄能机组始终运行在最优效率工况点，保证了可变速抽水蓄能机组的高效运行；蜗壳压力和尾水压力的过渡过程主要受导叶开度调节影响，其次受转速调节影响，水击压力幅值满足机组调节保证计算要求；由图5可知，调节机械转速可以有效降低可变速抽水蓄能机组无叶区压力脉动幅值，有利于可变速抽水蓄能机组安全可靠性运行。相比定速抽水蓄能机组仅能运行在同步转速，可变速抽水蓄能机组实现了机械转速的主动调节，不仅提高了运行效率，降低了机组压力脉动，还提高了过渡过程动态品质。
[0104]
联合控制器软件部分的手动联合是操作者可以根据可变速抽水蓄能机组实际的运行环境，通过人工输入模块在运行范围内直接设定机械转速和导叶开度，不需经过在线实时求解过程，既能在自动联合故障时承担备用功能，又能满足操作者用户偏好和灵活性需求；
[0105]
联合调控系统软件部分的手动联合和自动联合切换由用户在人工输入模块上操
作实现；
[0106]
若从监控装置通讯获得的工况状态与联合调控系统通过开关量输入模块采集到的工况状态不一致时，显示模块显示“工况状态不对应”故障，并停止运行。
[0107]
控制器中自动联合所需的可变速抽水蓄能机组最优运行曲面或联合运行表描述了工作水头、可变速抽水蓄能机组功率、最优导叶开度和最优机械转速之间的对应关系，动态特性物理模型实验台采用基于bp神经网络和变速演化规律的方法得到机组最优联合运行表，此外还可采用最优效率追踪策略、不同运行工况点模型实验方法获得，也可由其他新方法或改进型方法获得。
[0108]
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。