变速可逆式水泵水轮机调节系统功率控制方法及装置与流程

1.本发明涉及全功率变速可逆式水泵水轮机调节技术领域，具体涉及一种变速可逆式水泵水轮机调节系统功率控制方法及装置。


背景技术：

2.目前变速可逆式水泵水轮机组(以下简称为变速机组)分为双馈型和全功率型两种，采用变速机组既可提高水泵水轮机组运行效率和运行范围，还可在水泵抽水工况下实现入力可调，这对平抑电网功率波动、提高电网安全稳定运行水平具有十分重要的意义。双馈型变速机组的转子通过交-直-交变流器连接到电网，双馈型变速机组的转速变化范围很窄，可调运行区域有限。全功率型变速机组的定子通过背靠背交-直-交双向变流器接入电网，其变流器容量与机组最大容量相同，在发电状态，发电电动机定子输出的电能经由全功率变流器交-直-交变换后，变成与电网电压、频率相同的电能，送入电网；在抽水状态，发电电动机作为电动机运行，功率流向相反，发电电动机从电网吸收电能。这种全功率型变速机组可实现转速、开度宽范围变化，功率/入力的可调运行区域大，几乎可在变速机组全范围内高效稳定、无空化运行，可有效平抑新能源高占比电网的功率波动、提高对间歇性新能源资源消纳能力和电网安全稳定运行水平。同时，全功率变速抽蓄作为储能产业的重要方向，还可实现设备小型化、选点布置灵活化，满足今后分布式电源、配电网对储能装置的需求。
3.由于全功率型变速机组是定子通过背靠背交-直-交双向变流器接入电网，机组功率/入力、转速、开度三者高度耦合，对其功率/入力的控制，若仅是单纯移植双馈型变速机组现有的功率优先或转速优先的控制策略，将出现控制过程中被控参量之间的拉锯、不稳定现象。
4.申请号为201811052775.8的发明专利公开了一种基于工况寻优的变转速抽水蓄能机组协调控制方法，根据水轮机综合特性曲线确定不同转速时的功率、水头关系曲线，寻找最优效率曲线，η
imax
＝f(p,h,ni)，利用最大效率曲线和采集的当前水头和当前功率给定，确定当前工况时的最优转速no＝f(p,h)|η
max
，最优转速no即为变速机组在当前水头h和功率给定p下的最优转速，调速系统依此进行闭环调节，保证变速机组处于最优转速。该发明减少机组过渡过程调节时间，提高机组运行稳定性。但是，其依然无法解决控制过程中各被控参量之间的拉锯、不稳定现象。


技术实现要素：

5.为解决以上技术问题中的至少一个，本发明提供了一种变速可逆式水泵水轮机调节系统功率控制方法及装置。
6.本发明的第一方面提供一种变速可逆式水泵水轮机调节系统功率控制方法，包括：变速发电状态功率控制，变速发电状态功率控制包括以下步骤：
7.步骤11：水泵水轮机调节系统(pump-turbine governing system，ptg)判断是否具备功率调节条件；若是，执行步骤12；
8.步骤12：ptg接收协同控制单元(coordinated control unit，ccu)下发的变速发电状态令并向所述ccu上传变速发电模式确认信号；
9.步骤13：所述ccu对所述变速发电模式确认信号进行确认后，向所述ptg下发有效目标功率p
atv
和调功动作令；
10.步骤14：所述ptg接收所述有效目标功率p
atv
和所述调功动作令后，以转速为主控目标、开度为第二控制目标，执行变开度-变转速调节。
11.优选的是，步骤11中，当下述条件均满足时，所述ptg判定为具备功率调节条件：
12.(1)机组发电方向断路器闭合；
13.(2)变流器机侧断路器闭合；
14.(3)变流器网侧断路器闭合；
15.(4)导叶开度在空载以上；
16.(5)机组转速≥发电允许转速；
17.(6)机组功率信号测量通道正常；
18.(7)目标功率信号通道正常；
19.(8)水头信号通道正常。
20.上述任一方案优选的是，步骤12中，所述ccu向所述ptg下发的变速发电状态令为保持型信号。
21.上述任一方案优选的是，步骤12中，所述ptg向所述ccu上传的所述变速发电模式确认信号为保持型信号。
22.上述任一方案优选的是，所述步骤13包括以下子步骤：
23.步骤131：所述ccu对agc目标功率c
p
和一次调频目标功率幅度δp
pfc
进行叠加，得出有效目标功率p
atv
；
24.步骤132：所述ccu对所述变速发电模式确认信号进行确认后，向所述ptg下发有效目标功率p
atv
；
25.步骤133：所述ptg接收所述有效目标功率p
atv
信号后，向所述ccu上传其接收的所述有效目标功率p
atv
；
26.步骤134：所述ccu确认其向所述ptg下发的有效目标功率p
atv
与其接收的所述ptg上传的有效目标功率p
atv
一致后，向所述ptg下发调功动作令。
27.上述任一方案优选的是，步骤131中，根据公式p
atv
＝c
p
+δp
pfc
得出所述有效目标功率p
atv
。
28.上述任一方案优选的是，步骤131中，所述一次调频目标功率幅度δp
pfc
根据公式
[0029][0030]
计算，其中，pr表示机组额定功率，δf表示电网侧有效频率偏差，cf表示电网额定频率，e
p
表示功率调差率。
[0031]
上述任一方案优选的是，步骤131中，δf根据公式
[0032][0033]
计算，其中fw表示电网侧当前频率，ef表示电网规定的人工频率死区。
[0034]
上述任一方案优选的是，所述步骤14包括以下子步骤：
[0035]
步骤141：ptg对接收的有效目标功率p
atv
经过斜坡环节进行缓冲后得到发电状态水泵水轮机的轴功率pm；
[0036]
步骤142：发电状态水泵水轮机的轴功率pm通过功率-开度-水头寻优函数yg＝f(pm，h)插值表和一阶惯性环节平滑后得到目标开度cy，作为pid调节器的输入信号及前馈信号；
[0037]
步骤143：发电状态水泵水轮机的轴功率pm通过功率-转速-水头寻优函数ng＝f(pm，h)插值表和一阶惯性环节平滑后得到目标转速cn，作为pid调节器的输入信号；
[0038]
步骤144：pid调节器输出导叶随动系统的控制信号y
gc
，通过随动系统使开度跟踪控制信号y
gc
，进而改变机组实际输出功率p
in
以向有效目标功率p
atv
方向变化。
[0039]
上述任一方案优选的是，所述变速发电状态功率控制还包括：所述ccu向所述ptg下发调功动作令的同时，向变流器发送有效目标功率p
atv
、目标转速cn及调节指令，变流器以机侧向网侧的送出功率达到有效目标功率p
atv
为主控目标、以转速为第二控制目标，以使网侧的送出功率与机侧功率快速平衡。
[0040]
本发明的第二方面提供一种变速可逆式水泵水轮机调节系统功率控制装置，包括协同控制单元(coordinated control unit，ccu)、水泵水轮机调节系统(pump-turbine governing system，ptg)和变流器，所述ccu、所述ptg和所述变流器相互配合，用于执行所述变速可逆式水泵水轮机调节系统功率控制方法。
[0041]
本发明的变速可逆式水泵水轮机调节系统功率控制方法及装置具有以下有益效果：
[0042]
1、在变速发电状态下，通过开度-转速双目标调节进行功率控制，ptg以转速为主控目标、开度为第二控制目标控制机侧功率响应目标功率，同时ccu控制变流器以机侧向网侧的送出功率达到有效目标功率p
atv
为主控目标、转速为第二控制目标进行控制，使网侧的送出功率与机侧功率快速平衡；
[0043]
2、目标开度用作pid调节器的前馈信号，仅在目标开度发生变化时才会起作用，兼顾了控制过程的快速性和稳定性；
[0044]
3、以两个参量作为控制目标，避免了控制过程中被控参量之间的拉锯和不稳定现象；
[0045]
5、可对机组功率实行快速、平稳、精确调节与控制，进而有力保障电力系统稳定运行与功率品质、供电质量，对维持电网稳定、安全、高效运行起到重要的支撑作用。
附图说明
[0046]
图1为按照本发明的变速可逆式水泵水轮机调节系统功率控制方法的变速发电状态功率控制的一优选实施例的流程示意图。
[0047]
图2为按照本发明的变速可逆式水泵水轮机调节系统功率控制方法的变速发电状态功率控制的如图1所示实施例的变开度-变转速调节流程示意图。
[0048]
图3为按照本发明的变速可逆式水泵水轮机调节系统功率控制方法的变速发电状态功率控制的如图1所示实施例的pid调节器的模型结构示意图。
具体实施方式
[0049]
为了更好地理解本发明，下面结合具体实施例对本发明作详细说明。
[0050]
首先对本技术中涉及到的相关参数及其含义进行表1所示的说明。
[0051]
表1 相关参数及表示的含义
[0052][0053]
实施例1
[0054]
如图1所示，一种变速可逆式水泵水轮机调节系统功率控制方法，包括：变速发电状态功率控制，所述变速发电状态功率控制包括以下步骤：
[0055]
步骤11：水泵水轮机调节系统(pump-turbine governing system，ptg)判断是否具备功率调节条件；若是，执行步骤2；
[0056]
步骤12：ptg接收协同控制单元(coordinated control unit，ccu)下发的变速发电状态令并向所述ccu上传变速发电模式确认信号；
[0057]
步骤13：所述ccu对所述变速发电模式确认信号进行确认后，向所述ptg下发有效目标功率p
atv
和调功动作令；
[0058]
步骤14：所述ptg接收所述有效目标功率p
atv
和所述调功动作令后，以转速为主控目标、开度为第二控制目标，执行变开度-变转速调节。
[0059]
具体地说，步骤11中，当满足条件(1)机组发电方向断路器闭合、(2)变流器机侧断路器闭合、(3)变流器网侧断路器闭合、(4)导叶开度在空载以上、(5)机组转速≥发电允许转速的时候，说明ptg已经处于变速发电控制状态。进一步若同时满足条件(6)机组功率信号测量通道正常、(7)目标功率信号通道正常、(8)水头信号通道正常，ptg判定为具备功率调节条件。上述条件(1)～(8)是ptg进入变速发电状态功率控制的必要条件，只要有一个条
件不满足，ptg都不会进入变速发电状态功率控制流程。需要说明的是，条件(5)中所述发电允许转速指零功率发电的最低转速。
[0060]
ptg判断具备功率调节条件后，执行步骤12：ccu向ptg下发变速发电状态令，即ccu将向ptg下发的变速发电状态令置位；ptg接收到ccu下发的变速发电状态后，向ccu上传变速发电模式确认信号。需要说明的是，所述变速发电状态令为保持型信号，所述变速发电模式确认信号为保持型信号。在本实施例中优选的是，所述变速发电状态令和所述变速发电模式确认信号可以为开关量信号，还可以为其他类型的(如通信量)、所述ccu和所述ptg之间相互约定的、可以正确传递数据的信号类型。
[0061]
步骤13包括：
[0062]
步骤131：所述ccu对agc目标功率c
p
和一次调频目标功率幅度δp
pfc
进行叠加，得出有效目标功率p
atv
；
[0063]
步骤132：ccu首先对ptg上传的变速发电模式确认信号进行确认，即确认ptg上传的变速发电模式确认信号为有效信号，然后向ptg下发有效目标功率p
atv
信号；
[0064]
步骤133：ptg接收到ccu下发的有效目标功率p
atv
之后，向ccu上传其接收到的有效目标功率p
atv
；
[0065]
步骤134：ccu对其向ptg下发的有效目标功率p
atv
信号和ptg向其上传的有效目标功率p
atv
值进行一致性检查，当ccu确认一致后，向ptg下发调功动作令。
[0066]
在本实施例中优选的是，步骤133中，为提高信号传输的实时性，ccu以模拟量向ptg下发有效目标功率p
atv
，ptg以模拟量向ccu上传其接收到的有效目标功率p
atv
。对于实时性要求不高的场景，也可以ccu以数字量(通信量)向ptg下发有效目标功率p
atv
，ptg以数字量向ccu上传其接收到的有效目标功率p
atv
。
[0067]
在本实施例中优选的是，步骤131中，根据公式p
atv
＝c
p
+δp
pfc
得出所述有效目标功率；所述一次调频目标功率幅度δp
pfc
根据公式
[0068][0069]
计算，其中，pr表示机组额定功率，δf表示电网侧有效频率偏差，cf表示电网额定功率，e
p
表示功率调差率；δf根据公式
[0070][0071]
计算，其中fw表示电网侧当前频率，ef表示电网规定的人工频率死区。
[0072]
步骤14中，所述ptg接收所述有效目标功率p
atv
和所述调功动作令后，以转速为主控目标、开度为第二控制目标，执行变开度-变转速调节，进而改变机组实际输出功率p
in
以向有效目标功率p
atv
方向变化。
[0073]
具体地说，如图2和图3所示，步骤14包括：
[0074]
步骤141：ptg对接收的有效目标功率p
atv
经过斜坡环节进行缓冲后得到发电状态水泵水轮机轴功率pm；需要说明的是，某个变量经过斜坡环节后，会以一定的比例被放大或者缩小；
[0075]
步骤142：发电状态水泵水轮机轴功率pm通过功率-开度-水头寻优函数yg＝f(pm，h)插值表和一阶惯性环节平滑后得到目标开度cy，作为pid调节器的输入信号及前馈信号；
[0076]
步骤143：发电状态水泵水轮机轴功率pm通过功率-转速-水头寻优函数ng＝f(pm，h)插值表和一阶惯性环节平滑后得到目标转速cn，作为pid调节器的输入信号；
[0077]
步骤144：pid调节器输出导叶随动系统的控制信号y
gc
，通过随动系统使开度跟踪控制信号y
gc
，进而改变机组实际输出功率p
in
以向有效目标功率p
atv
方向变化。
[0078]
在本实施例中优选的是，步骤142和步骤143中，所述功率-开度-水头寻优函数yg＝f(pm，h)插值表和所述功率-转速-水头寻优函数ng＝f(pm，h)插值表为预先根据水泵水轮机综合特性曲线换算后得出的，其预存于所述ptg中，所述ptg根据有效目标功率p
atv
和机组当前的水头，依据所述功率-开度-水头寻优函数yg＝f(pm，h)插值表和所述功率-转速-水头寻优函数ng＝f(pm，h)插值表，分别插值获取目标开度cy和目标转速cn。步骤142和步骤143可以同时执行，也可以交换顺序执行。所述功率-开度-水头寻优函数yg＝f(pm，h)插值表和所述功率-转速-水头寻优函数ng＝f(pm，h)插值表分别参见表2和表3所示。
[0079]
表2 功率-开度-水头寻优函数yg＝f(pm，h)插值表
[0080][0081]
表3 功率-转速-水头寻优函数ng＝f(pm，h)插值表
[0082][0083]
步骤143中，所述目标开度cy作为pid调节器的输入的同时，还通过前馈环节gf(s)起到pid调节器前馈信号的作用，gf(s)＝
±
δcy，只有在目标开度cy发生变化时才起作用，
可以兼顾功率控制的快速性与稳定性。
[0084]
步骤13中，在ccu向ptg下发调功动作令的同时，ccu还向变流器发送有效目标功率p
atv
、目标转速cn及调节指令，变流器以机侧向网侧外送功率达到目标值p
atv
为主控目标、以转速为第二控制目标，使网侧的送出功率与机侧功率快速平衡，以达到转速、功率等被控参量的动态平衡。
[0085]
在本实施例中优选的是，步骤13中，所述ccu向变流器发送的目标转速cn可以为所述ptg向其发送的，还可以为所述ccu自行计算得到的，所述ccu计算得到所述目标转速cn的方法与所述ptg得到所述目标转速cn的方法相同。
[0086]
实施例2
[0087]
一种变速可逆式水泵水轮机调节系统功率控制装置，包括协同控制单元(coordinated control unit，ccu)、水泵水轮机调节系统(pump-turbine governing system，ptg)和变流器，所述ccu、所述ptg和所述变流器相互配合，用于执行实施例1所述的变速可逆式水泵水轮机调节系统功率控制方法。
[0088]
需要说明的是，以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的技术人员应该理解：其可以对前述实施例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，而这些替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明技术方案的范围。