全功率变速恒频抽蓄机组控制模式切换方法、系统及设备与流程

1.本发明属于变速恒频抽蓄机组，具体涉及一种全功率变速恒频抽蓄机组控制模式切换方法、系统及设备。


背景技术：

2.基于全功率电力电子变换器的新一代变速恒频抽蓄机组，在设备上其基本构成有两部分：在发电机侧采用可变速水泵水轮机和同步发电电动机，在电网侧采用基于全控器件的变流器。机组处于发电运行状态时，功率和频率调节存在多种方式，一种是快速功率控制模式，即是变频器调节功率，机组调速系统调节频率；二是快速频率控制模式，即是变频器调节机组频率，机组调速系统调节功率。
3.对于快速功率模式，机组可能存在超低频振荡问题，且扰动后机组频率恢复较为缓慢，在快速加负荷过程中，机组频率将持续下跌，可能越过机组允许运行的最低频率或转速，甚至导致机组失去稳定，不利于机组进行最优转速控制。而快速频率控制模式可有效抑制机组频率波动，利于机组进行最优转速控制，从而提升机组运行效率。但快速频率模式存在机组电磁功率调节速度较为缓慢问题。现有技术文献对全功率抽蓄机组运行控制策略却鲜有报道，全功率变速恒频抽水蓄能机组处于技术空白，相关研究较少，给机组的运行和控制带来了极大挑战。


技术实现要素：

4.针对全功率变速恒频抽水蓄能机组运行控制需求，本发明提供了一种全功率变速恒频抽蓄机组控制模式切换方法。本发明能够最大限度保证全功率抽蓄机稳定性，又为发挥机组快速功率支援能力提供了技术支持。
5.本发明通过下述技术方案实现：
6.一种全功率变速恒频抽蓄机组控制模式切换方法，包括：
7.机组由静止启动至最低稳定运行转速状态过程中，控制机组工作在调速系统调频模式；
8.机组变速优化加负荷至预设状态过程中，控制机组工作在快速频率模式；
9.机组正常带负荷稳定运行过程中，控制机组工作在快速功率模式；
10.机组变速优化减负荷至空载状态过程中，控制机组工作在快速频率模式；
11.机组由空载减速至停机状态过程中，控制机组工作在调速系统调频模式。
12.优选的，本发明的调速系统调频模式下：
13.机侧变流器处于闭锁状态，变流器直流电压由网侧变流器控制，机组转速由调速系统控制。
14.优选的，本发明的快速频率模式下：
15.机侧变流器处于解锁状态，机组有功功率由调速系统控制，机组转速由机侧变流器控制。
16.优选的，本发明的快速功率模式下：
17.机侧变流器处于解锁状态，机组有功功率由机侧变流器控制，机组转速由调速系统控制。
18.优选的，本发明的机组由静止启动至最低稳定运行转速状态过程中：
19.按照预设斜率k1，在t1时间内，机组转速从0线性增加到机组允许的最低稳定运行转速n1。
20.优选的，本发明的机组变速优化加负荷至预设状态过程具体包括：
21.机组的转速增加到最低稳定运行转速后，机侧变流器解锁；
22.待机组运行平稳，在t1+δt1时刻开始，按照预设斜率k2，在t
2-(t1+δt1) 时间内，机组有功功率从0线性在增加到机组躲过振动区后允许的最低稳定运行功率p2；同时在在t
2-(t1+δt1)时间内，按照机组最优效率对应的转速曲线线性增加机组转速；
23.其中，t1为机侧变流器解锁时刻，δt1为考虑机组过渡到稳定状态的延时时间，t2为机组到达躲过振动区后允许的最低稳定运行功率的时刻。
24.优选的，本发明的机组变速优化减负荷至空载状态过程具体为：
25.从t3时刻开始，在t
4-t3时间内，按照预设的斜率k3，机组有功功率从p3线性减小到0；同时在t
4-t3时间内，机组按最优效率对应的转速曲线线性减小机组转速；
26.其中，p3为机组处于变速优化运行状态时的机组负荷。
27.优选的，本发明的机组由空载减速至停机状态过程具体为：
28.机组从空载最优转速线性减速到0。
29.第二方面，本发明提出了一种全功率变速恒频抽蓄机组控制模式切换系统，包括控制器；
30.所述控制器在监测到机组启动或机组停机时，控制机组工作在调速系统调频模式；
31.所述控制器在监测到机组加减负荷时，控制机组工作在快速频率模式；
32.所述控制器在监测到机组正常带负荷稳定运行时，控制机组工作在快速功率模式。
33.第三方面，本发明提出了一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现本发明所述方法的步骤。
34.本发明具有如下的优点和有益效果：
35.本发明在机组发电启停过程中采用调速系统调频模式，机组加减负荷过程中采用快速频率模式，机组正常带负荷稳定运行过程采用快速功率模式，既能保证机组稳定，又能快速进行功率控制。
附图说明
36.此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本技术的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
37.图1为本发明的调频模式控制策略示意图。
38.图2为本发明的机组启动过程转速控制曲线图。
39.图3为本发明的快速频率模式控制策略示意图。
40.图4为本发明的机组加负荷过程有功功率控制曲线图。
41.图5为本发明的机组加负荷过程转速控制曲线图。
42.图6为本发明的快速功率模式控制策略示意图。
43.图7为本发明的机组减负荷过程有功功率控制曲线图。
44.图8为本发明的机组减负荷过程转速控制曲线图。
45.图9为本发明的机组停机过程转速控制曲线图。
46.图10为本发明的计算机设备原理框图。
47.图11为本发明的机组启动过程转速实测曲线和控制曲线对比图。
48.图12为本发明的机组转速实测曲线和控制曲线对比图。
49.图13为本发明的机组有功功率实测曲线和控制曲线对比图。
具体实施方式
50.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
51.实施例1
52.针对全功率变速恒频抽水蓄能机组运行控制需求，本实施例提出了一种全功率变速恒频抽蓄机组控制模式切换方法，本实施例通过采用以下控制策略最大限度保证全功率抽水蓄能机组稳定性，又能发挥机组快速功率支援能力：本实施例以机组工作状态作为切换条件，机组启动、停机过程均采用调速系统调频模式，机组加减负荷过程中采用快速频率模式，机组正常带负荷稳定运行过程采用快速功率模式，当满足切换条件时，将机组转速、有功功率控制及其控制参数进行整体切换。
53.本实施例的切换方法具体包括：
54.一、机组由静态启动至最低稳定运行转速状态，控制机组工作在调速系统调频模式。
55.机组由静止启动到最低稳定运行转速状态过程中，采用调速系统调频模式，此模式下，网侧变流器控制变流器直流电压，机侧变流器闭锁，调速系统控制机组转速。该模式下机组调速系统和变流器控制策略如图1所示。图1中， n
ref
、ng分别为机组转速参考值与实际值；v
gref
、vg分别为机组电压参考值与实际值；v
dcref
、v
dc
分别为变流器直流电压参考值与实际值；q
refi
、qi分别为网侧变流器无功参考值与实际值；v
refi
、vi分别网侧变流器电压参考值与实际值。在机组开机启动过程中n
ref
按照给定的斜率k1，在t1时间内，转速从0增加到机组允许的最低稳定运行转速n1。其中，机组启动转速控制曲线如图2所示。
56.二、机组变速优化加负荷至指定状态，控制机组工作在快速频率模式。
57.(1)机侧变流器解锁与控制功能投入
58.机组由静止启动到最低稳定运行转速状态过程后，机侧变流器解锁。机组由图1所示的调频模式切换至快速频率模式，该模式下机组调速系统和变流器控制策略如图3所示。在快速频率模式下，机组有功功率由调速系统控制，机组转速由机侧变流器控制。图3中，p
ref
、pg分别为机组有功功率参考值与实际值；q
refr
、qr分别为机侧变流器无功参考值与实际
值。
59.(2)机组变速优化加负荷
60.机侧变流器解锁后，待机组运行平稳，在t1+δt1时刻开始逐渐增加负荷，机组按最优效率对应的转速曲线逐渐增加机组转速。t1为机侧变流器解锁时刻，δt1为考虑机组过渡到稳定状态的延时时间。
61.机组加负荷控制曲线如图4所示，在该过程中p
ref
按照给定的斜率k2，在 t
2-(t1+δt1)时间内，有功功率从0增加到机组躲过振动区后允许的最低稳定运行功率p2。其中，机组转速控制曲线如图5所示，在该过程中机组按照最优效率对应的转速曲线逐渐增加机组转速。
62.三、机组变速优化运行发电状态，控制机组工作在快速功率模式
63.机组加负荷到躲过振动区后允许的最低稳定运行功率p2后，待机组运行平稳，在t2+δt2时刻，机组控制系统由快速频率模式切换至快速功率模式。快速功率模式策略如图6所示，该模式下机组有功功率由机侧变流器控制，机组转速由调速系统控制。
64.四、机组变速优化减负荷至空载状态，控制机组工作在快速频率模式
65.在机组变速优化运行发电状态，假定机组负荷为p3，机组转速为n3，若需停机或从发电状态切换到电动状态，机组须将负荷降低至0，此时为空载状态。在该过程中，机组由快速功率模式切换至快速频率模式。
66.在t3时刻开始逐渐减负荷，机组按最优效率对应的转速曲线逐渐减小机组转速。在该过程中采用图3所示的快速频率模式。机组减负荷控制曲线如图7所示，在该过程中p
ref
按照给定的斜率k3，在t
4-t3时间内，有功功率从p3减小到 0。其中，机组转速控制曲线如图8所示，在该过程中按照机组最优转速曲线确定转速参考值n
ref
。
67.五、机组减速至停机状态，控制机组工作在调速系统调频模式
68.机组由空载减速至停机状态，需要机组从空载最优转速n4数逐渐减速到0，在该过程中机组从快速频率模式切换至图1所示的调频模式，并闭锁机侧变流器。在该过程中n
ref
按照给定的斜率k4，在t
5-t4时间内，转速从空载最优转速 n4减小到0。其中，机组减速至停机转速控制曲线如图9所示。
69.本实施例还提出了一种计算机设备，用于执行本实施例的上述方法。
70.具体如图10所示，计算机设备包括处理器、内存储器和系统总线；内存储器和处理器在内的各种设备组件连接到系统总线上。处理器是一个用来通过计算机系统中基本的数学和逻辑运算来执行计算机程序指令的硬件。内存储器是一个用于临时或永久性存储计算程序或数据(例如，程序状态信息)的物理设备。系统总线可以为以下几种类型的总线结构中的任意一种，包括存储器总线或存储控制器、外设总线和局部总线。处理器和内存储器可以通过系统总线进行数据通信。其中内存储器包括只读存储器(rom)或闪存(图中未示出)，以及随机存取存储器(ram)，ram通常是指加载了操作系统和计算机程序的主存储器。
71.计算机设备一般包括一个外存储设备。外存储设备可以从多种计算机可读介质中
选择，计算机可读介质是指可以通过计算机设备访问的任何可利用的介质，包括移动的和固定的两种介质。例如，计算机可读介质包括但不限于，闪速存储器(微型sd卡)，cd-rom，数字通用光盘(dvd)或其它光盘存储、磁带盒、磁带、磁盘存储或其它磁存储设备，或者可用于存储所需信息并可由计算机设备访问的任何其它介质。
72.计算机设备可在网络环境中与一个或者多个网络终端进行逻辑连接。网络终端可以是个人电脑、服务器、路由器、智能电话、平板电脑或者其它公共网络节点。计算机设备通过网络接口(局域网lan接口)与网络终端相连接。局域网(lan)是指在有限区域内，例如家庭、学校、计算机实验室、或者使用网络媒体的办公楼，互联组成的计算机网络。wifi和双绞线布线以太网是最常用的构建局域网的两种技术。
73.应当指出的是，其它包括比计算机设备更多或更少的子系统的计算机系统也能适用于发明。
74.如上面详细描述的，适用于本实施例的计算机设备能执行全功率变速恒频抽蓄机组控制模式切换方法的指定操作。计算机设备通过处理器运行在计算机可读介质中的软件指令的形式来执行这些操作。这些软件指令可以从存储设备或者通过局域网接口从另一设备读入到存储器中。存储在存储器中的软件指令使得处理器执行上述的群成员信息的处理方法。此外，通过硬件电路或者硬件电路结合软件指令也能同样实现本发明。因此，实现本实施例并不限于任何特定硬件电路和软件的组合。
75.实施例2
76.本实施例还提出了一种全功率变速恒频抽蓄机组控制模式切换系统，该系统包括控制器。
77.该控制器以机组工作状态作为切换条件，当监测到机组在启动、停机时，控制机组工作在调速系统调频模式；机组加减负荷时，控制机组工作在快速频率模式；机组带负荷稳定运行时，控制机组工作在快速功率模式。
78.当满足切换条件时，将机组转速、有功功率控制及其控制参数进行整体切换。
79.为保证快速功率模式和快速频率模式切换过程，机组扰动尽量小，调速系统和机侧变流器闭环控制系统采用如下方法进行控制模式切换：
80.调速系统及机侧变流器有功功率闭环及频率闭环控制采用状态切换、参数切换、输入信号切换。随调速系统及机侧变流器系统工作在不同模式下而切换其内部工作参数及输入参数。依据系统的状态变化、并配合状态切换装置而驱动中央处理器进行切换程序，以控制调速器及机侧变流器装置的内部工作参数，使用切换功能，保证调速器及机侧变流器在不同模式。
81.假定调速系统及机侧变流器在进行快速功率及快速频率模式切换时间为时刻t，应将t-δt时刻的机组转速、开度、有功功率稳态值进行存储，并在时刻 t将其赋值给处于开环控制状态有功功率以及频率控制器，作为相关积分器的初值。在时刻t进行积分器赋值以及控制模式、控制参数切换，将原处于闭环控制状态的控制器切换为新模式下的控制器，并将其置为开环运行状态。
82.实施例3
83.本实施例对上述实施例1提出的一种全功率变速恒频抽蓄机组控制模式切换方法进行仿真测试，得到如图11所示的额定容量为5mw的全功率抽水蓄能机组，从静态启动到最
低稳定运行转速及机侧变流器解锁仿真曲线。由图可见，机组在启动过程转速平稳增加到目标转速，机侧变流器解锁后机组保持稳定。
84.图12-图13给出额定容量5mw的全功率抽蓄机组，机组空载加负荷、模式切换、功率阶跃调节仿真曲线。由图可见，机组在加负荷过程均能保证转速最优、模式切换过程机组有功功率几乎零扰动，机组加负荷阶段均能保持最优转速。在机组带负荷4mw情况下，功率阶跃调节0.2mw的调节时间小于1s，机组转速恢复时间小于30s。
85.以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。