雙饋?zhàn)兯俪樗钅苋r轉(zhuǎn)換過程建模與仿真

井浩然,李佳,趙紅生,徐秋實(shí),姚偉,王博

(1. 強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院),武漢市 430074;2. 國網(wǎng)湖北省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院,武漢市 430077)

0 引 言

隨著我國能源戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型的持續(xù)推進(jìn),新能源裝機(jī)占比持續(xù)增加,但其波動(dòng)性和間歇性特點(diǎn)給電網(wǎng)帶來如調(diào)峰和消納等諸多問題[1-9]。抽水蓄能是緩解這些問題的重要手段,尤其是雙饋?zhàn)兯俪樗钅芗夹g(shù),其更寬功率調(diào)節(jié)范圍和更快功率響應(yīng)速度能夠更好地發(fā)揮抽水蓄能的調(diào)峰、調(diào)頻和調(diào)相作用[10-12]。因此,利用雙饋?zhàn)兯俪樗钅芗夹g(shù)促進(jìn)新能源消納已成為國內(nèi)外學(xué)者及工程界關(guān)注的熱點(diǎn)[13-16]。而建立雙饋?zhàn)兯俪樗钅芟到y(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型是研究其動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的重要基礎(chǔ)。

當(dāng)前,國內(nèi)外雙饋?zhàn)兯俪樗钅芙Ｏ嚓P(guān)的研究主要集中在發(fā)電工況和抽水工況穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的建模上。文獻(xiàn)[17]建立了抽水工況雙饋?zhàn)兯俪樗钅艿暮?jiǎn)化機(jī)電暫態(tài)模型,研究了機(jī)組的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性;文獻(xiàn)[18]研究了發(fā)電工況和抽水工況雙饋?zhàn)兯俪樗钅艿臋C(jī)電暫態(tài)模型在剛性與彈性水動(dòng)態(tài)模型下的動(dòng)態(tài)響應(yīng);文獻(xiàn)[19]分別建立了雙饋?zhàn)兯俪樗钅軝C(jī)組的數(shù)學(xué)模型和控制模型;文獻(xiàn)[20]詳述了抽水蓄能系統(tǒng)各部分的動(dòng)態(tài)建模;文獻(xiàn)[21]推導(dǎo)了雙饋?zhàn)兯俪樗钅軝C(jī)組的數(shù)學(xué)動(dòng)態(tài)模型;文獻(xiàn)[22]建立了雙饋?zhàn)兯俪樗钅軝C(jī)組的詳細(xì)模型,基于模型研究發(fā)電工況和抽水工況下控制策略的動(dòng)態(tài)性能?，F(xiàn)有文獻(xiàn)只對(duì)雙饋?zhàn)兯俪樾畹哪撤N工況進(jìn)行了建模,但針對(duì)雙饋?zhàn)兯俪樗钅芄r轉(zhuǎn)換繁多、啟停頻繁的特點(diǎn),罕有文獻(xiàn)對(duì)其工況轉(zhuǎn)換過程進(jìn)行建模研究。

在電網(wǎng)日常調(diào)度中,常常需要抽水蓄能機(jī)組從發(fā)電工況過渡到抽水工況或從抽水工況過渡到發(fā)電工況,所以有必要針對(duì)雙饋?zhàn)兯俪樗钅苷麄€(gè)工況轉(zhuǎn)換過渡過程進(jìn)行建模研究。因此,本文開展雙饋?zhàn)兯俪樗钅苋r轉(zhuǎn)換過渡過程建模相關(guān)研究工作。首先建立雙饋?zhàn)兯俪樗钅芟到y(tǒng)的機(jī)電暫態(tài)模型,包括交流勵(lì)磁電機(jī)模型、換流器模型、水泵水輪機(jī)和控制系統(tǒng)模型;然后,針對(duì)發(fā)電工況和抽水工況下的啟動(dòng)-穩(wěn)態(tài)運(yùn)行-停機(jī)完整的工況轉(zhuǎn)換過渡過程進(jìn)行建模;最后,通過Matlab/Simulink仿真驗(yàn)證所建雙饋?zhàn)兯俪樗钅苋r模型的運(yùn)行特性。

1 雙饋?zhàn)兯俪樗钅芟到y(tǒng)建模

雙饋?zhàn)兯俪樗钅芟到y(tǒng)由三部分組成,其一是電氣部分,包括交流勵(lì)磁電機(jī)、網(wǎng)側(cè)換流器和轉(zhuǎn)子換流器;其二是水力、機(jī)械部分,包括可逆水泵水輪機(jī)、壓力管道水動(dòng)態(tài)、調(diào)速器與導(dǎo)葉伺服機(jī)構(gòu);其三是控制部分,包括工況選擇器、轉(zhuǎn)速與導(dǎo)葉開度優(yōu)化器、轉(zhuǎn)子側(cè)換流器控制與網(wǎng)側(cè)換流器控制。雙饋?zhàn)兯俪樗钅芟到y(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 雙饋?zhàn)兯俪樗钅芟到y(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of doubly-fed induction machine based variable-speed pumped storage

1.1 交流勵(lì)磁電機(jī)建模

文獻(xiàn)[23]在dq坐標(biāo)系下建立交流勵(lì)磁電機(jī)模型,不考慮磁鏈飽和、磁滯和渦流等現(xiàn)象,將轉(zhuǎn)子參數(shù)折算至定子側(cè),定、轉(zhuǎn)子電壓方程為(定、轉(zhuǎn)子繞組均采用電動(dòng)機(jī)慣例):

(1)

式中:usd、usq和urd、urq分別為定子和轉(zhuǎn)子電壓的d軸、q軸分量;isd、isq和ird、irq分別為定子和轉(zhuǎn)子電流的d軸、q軸分量;Rs、Rr分別為定子和轉(zhuǎn)子電阻;p、ω分別為微分算子和系統(tǒng)同步轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速;ψsd、ψsq和ψrd、ψrq分別為定、轉(zhuǎn)子磁鏈d軸、q軸分量。

(2)

式中:Ls、Lr、Lm分別為定子等效自感、轉(zhuǎn)子等效自感和定轉(zhuǎn)子等效互感。

運(yùn)動(dòng)方程和電磁轉(zhuǎn)矩方程簡(jiǎn)化式為:

(3)

式中:Te為電磁轉(zhuǎn)矩;J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;np為電機(jī)極對(duì)數(shù);D為阻尼系數(shù)。

1.2 換流器建模

換流器的主要功能是驅(qū)動(dòng)交流勵(lì)磁電機(jī)。網(wǎng)側(cè)換流器的主要功能是保持直流母線電壓穩(wěn)定、保證輸入電流正弦和控制輸入功率因數(shù),采用電網(wǎng)電壓定向矢量控制可以有效實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)換流器dq軸電流的解耦控制,其控制框圖如圖2所示[24]。

圖2 網(wǎng)側(cè)換流器控制框圖Fig.2 Control block diagram of grid-side converter

轉(zhuǎn)子換流器的主要功能是控制交流勵(lì)磁電機(jī)定子輸出的有功、無功功率,而定子輸出的有功、無功功率和轉(zhuǎn)子電流的dq軸分量密切相關(guān),所以同樣需要有效控制轉(zhuǎn)子電流的dq軸分量?？紤]到轉(zhuǎn)子電壓幅值會(huì)動(dòng)態(tài)變化,而定子電壓幅值基本恒定,采用定子磁鏈定向矢量控制可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子dq軸電流的解耦控制,其控制框圖如圖3所示。在發(fā)電工況下,轉(zhuǎn)子換流器優(yōu)先控制有功功率,當(dāng)機(jī)組的有功功率參考值發(fā)生變化時(shí),換流器迅速響應(yīng),控制機(jī)組的有功功率快速跟蹤參考值;在抽水工況下,機(jī)組吸收的有功功率由轉(zhuǎn)速?zèng)Q定,轉(zhuǎn)子換流器優(yōu)先控制轉(zhuǎn)速,當(dāng)機(jī)組有功功率參考值發(fā)生變化,首先根據(jù)水泵水輪機(jī)綜合特性曲線得到最優(yōu)轉(zhuǎn)速,換流器迅速響應(yīng),控制機(jī)組轉(zhuǎn)速達(dá)到最優(yōu)轉(zhuǎn)速,從而調(diào)節(jié)機(jī)組有功功率。

圖3 轉(zhuǎn)子換流器的控制框圖Fig.3 Control block diagram of rotor-side converter

1.3 水泵水輪機(jī)與水動(dòng)態(tài)建模

在發(fā)電和抽水工況下,水泵水輪機(jī)分別作為水輪機(jī)和水泵,通過對(duì)水在上下水庫之間進(jìn)行轉(zhuǎn)移實(shí)現(xiàn)水動(dòng)能和機(jī)械能的轉(zhuǎn)換。在發(fā)電模式和抽水模式下,水泵水輪機(jī)與水的互動(dòng)方式不同,導(dǎo)致動(dòng)態(tài)特性不同,因此需要建立不同的動(dòng)態(tài)模型。采用剛性水擊模型描述輸水管道動(dòng)態(tài)特性。

1.3.1 發(fā)電模式下動(dòng)態(tài)模型

在發(fā)電模式下,水泵水輪機(jī)的動(dòng)態(tài)模型可以表示為[20]:

(4)

式中:Hdg為動(dòng)態(tài)水頭;Qd為動(dòng)態(tài)流量;Tw為水流慣性時(shí)間常數(shù);Hsg為靜態(tài)水頭;Hlg為水頭損失;ηg為發(fā)電模式下的效率;Qnl為空載流量;Pmg為發(fā)電模式下的機(jī)械功率;Tmg為發(fā)電模式下的機(jī)械轉(zhuǎn)矩。

水流通過輸水管道由于摩擦效應(yīng)產(chǎn)生的水頭損失與動(dòng)態(tài)流量的平方成正比,有:

(5)

式中:fp為壓力管道摩擦系數(shù);ft為水洞摩擦系數(shù)。

發(fā)電工況下的效率ηg與水頭、流量和轉(zhuǎn)速有關(guān),可以用以下多項(xiàng)式表示[25-26]:

(6)

1.3.2 抽水模式下動(dòng)態(tài)模型

在抽水模式下,水泵水輪機(jī)的動(dòng)態(tài)模型可以表示為:

(7)

式中:Hsp為靜態(tài)揚(yáng)程;Hlp為揚(yáng)程損失;Pmp為抽水模式下的機(jī)械功率;ηp為抽水模式下的效率;Tmp為抽水模式下的機(jī)械轉(zhuǎn)矩。

動(dòng)態(tài)揚(yáng)程由動(dòng)態(tài)流量和轉(zhuǎn)速?zèng)Q定,可近似為以下二次多項(xiàng)式[27]:

(8)

式中:bi(i∈{0, 1, 2})為二次多項(xiàng)式系數(shù),根據(jù)抽水模式下特性曲線擬合得到。

由于導(dǎo)葉摩擦效應(yīng)和管道阻力所造成的揚(yáng)程損失可以表示為:

(9)

式中:fg為導(dǎo)葉摩擦系數(shù);Gmax為最大導(dǎo)葉開度。

抽水工況下的效率ηp取決于動(dòng)態(tài)流量和轉(zhuǎn)速,可以用以下多項(xiàng)式表示[17]:

(10)

式中:ci(i∈{0, 1, 2, 3})為多項(xiàng)式系數(shù),根據(jù)抽水模式下特性曲線擬合得到。

1.4 調(diào)速器與導(dǎo)葉伺服系統(tǒng)

通過控制導(dǎo)葉開度可以控制機(jī)組機(jī)械功率。導(dǎo)葉開度控制環(huán)節(jié)包括導(dǎo)葉開度調(diào)節(jié)器和導(dǎo)葉開度伺服,其控制框圖如圖4所示。

圖4 導(dǎo)葉開度控制框圖Fig.4 Control block diagram of gate opening

圖4中:Gref為導(dǎo)葉開度參考值;Ka為導(dǎo)葉開度調(diào)節(jié)器的比例系數(shù);Ta為導(dǎo)葉開度調(diào)節(jié)器的時(shí)間常數(shù);Rmax為導(dǎo)葉開度變化速率最大限值;Rmin為導(dǎo)葉開度變化速率最小限值;Gmax、Gmin分別為導(dǎo)葉開度最大和最小限值;TG為導(dǎo)葉開度伺服的時(shí)間常數(shù)。

在發(fā)電模式下,機(jī)組功率由轉(zhuǎn)子換流器控制,轉(zhuǎn)速由調(diào)速器通過調(diào)節(jié)導(dǎo)葉開度來控制。調(diào)速器通常采用并聯(lián)式PID控制器,其動(dòng)態(tài)模型如圖5所示。

圖5 調(diào)速器控制框圖Fig.5 Control block diagram of speed governor

圖5中:Kp、Ki、Kd分別為調(diào)速器的比例、積分和微分系數(shù);Td為微分環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù);ΔGref為導(dǎo)葉開度參考值變化量。

1.5 轉(zhuǎn)速與導(dǎo)葉開度優(yōu)化器

通常變速抽蓄在處于正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí),功率和水頭變化范圍較大。當(dāng)偏離額定水頭或功率時(shí),機(jī)組運(yùn)行效率下降。變速抽蓄在不同的水頭和功率調(diào)度值下,根據(jù)水泵水輪機(jī)的綜合特性曲線,通過優(yōu)化轉(zhuǎn)速和導(dǎo)葉開度來追蹤最大效率。文獻(xiàn)[18]對(duì)轉(zhuǎn)速與導(dǎo)葉優(yōu)化器采用線性方程進(jìn)行近似,其表達(dá)式為:

(11)

式中:Hsg(p)為靜態(tài)水頭;系數(shù)di、ei(i∈{0, 1, …, 4})基于機(jī)組最優(yōu)運(yùn)行曲線擬合得到,在部分運(yùn)行范圍與實(shí)際運(yùn)行特性差異較大。本文對(duì)水泵水輪機(jī)模型進(jìn)行300余次實(shí)驗(yàn),確定其實(shí)際運(yùn)行特性,據(jù)此采用三次方程進(jìn)行近似,其近似式為:

(12)

式中:ωref、gref分別為轉(zhuǎn)速和導(dǎo)葉開度參考值;ai、bj(i,j∈{0, 1,…,10})為多項(xiàng)式系數(shù);m,n∈{0,1,2,3}為H0和Pref階數(shù)。

2 機(jī)組工況轉(zhuǎn)換控制

雙饋?zhàn)兯俪樗钅軝C(jī)組通常有5種穩(wěn)定運(yùn)行工況,分別是停機(jī)、發(fā)電、抽水、發(fā)電調(diào)相和抽水調(diào)相,具有工況轉(zhuǎn)換繁多、啟停頻繁的特點(diǎn)。抽水蓄能機(jī)組極少情況處于長時(shí)間調(diào)相運(yùn)行工況,所以本文僅針對(duì)停機(jī)、發(fā)電和抽水3種典型運(yùn)行工況轉(zhuǎn)換過程進(jìn)行研究。機(jī)組工況轉(zhuǎn)換過程可分為以下階段:發(fā)電/抽水工況啟動(dòng)、發(fā)電/抽水工況增減負(fù)荷、發(fā)電/抽水工況穩(wěn)態(tài)運(yùn)行、發(fā)電/抽水工況停機(jī)、發(fā)電/抽水工況切換。

2.1 工況選擇

變速抽蓄正常運(yùn)行范圍一般為0.6～1.0 pu,當(dāng)需要機(jī)組發(fā)出或吸收的功率小于正常運(yùn)行范圍的最小值時(shí),機(jī)組一般會(huì)根據(jù)經(jīng)濟(jì)性選擇不啟動(dòng)或與其他抽蓄協(xié)調(diào)運(yùn)行,本文只考慮不啟動(dòng)情況。

在電網(wǎng)日常調(diào)度中,若有功功率參考值Pref=0,不需要變速抽蓄出力,或有功參考值處于Pmin-

圖6 工況選擇示意圖Fig.6 Diagram of working condition selection

2.2 發(fā)電/抽水工況啟動(dòng)

實(shí)際工程中,抽水蓄能機(jī)組發(fā)電工況啟動(dòng)時(shí),首先短接定、轉(zhuǎn)子三相繞組,然后通過調(diào)速器將導(dǎo)葉開度增大,利用水泵水輪機(jī)拖動(dòng)機(jī)組轉(zhuǎn)子正向加速,當(dāng)轉(zhuǎn)速到達(dá)額定轉(zhuǎn)速附近加速過程完成,接著打開定、轉(zhuǎn)子三相短接開關(guān),通過轉(zhuǎn)子換流器調(diào)節(jié)定子電壓完成并網(wǎng)操作。

圖7 發(fā)電工況啟動(dòng)控制框圖Fig.7 Starting control block diagram of generation mode

抽水蓄能機(jī)組抽水工況的啟動(dòng)方式有2種:一種方式是直接并網(wǎng)啟動(dòng),通過轉(zhuǎn)子換流器控制電機(jī)進(jìn)行啟動(dòng),此方式需要從電網(wǎng)吸收功率;另一種方式是脫網(wǎng)啟動(dòng),首先短接定子三相繞組,轉(zhuǎn)子換流器加三相對(duì)稱反相序電流,電機(jī)反向旋轉(zhuǎn),當(dāng)反向轉(zhuǎn)速到達(dá)額定轉(zhuǎn)速附近加速過程完成,接著打開定子三相短接開關(guān),通過轉(zhuǎn)子換流器調(diào)節(jié)定子電壓完成并網(wǎng)操作,此方式功率波動(dòng)較小。

2.3 發(fā)電/抽水工況增減負(fù)荷

在發(fā)電工況下,機(jī)組功率由轉(zhuǎn)子換流器控制,轉(zhuǎn)速由調(diào)速器通過調(diào)節(jié)導(dǎo)葉開度來控制,而導(dǎo)葉開度的響應(yīng)速度較慢,所以功率的變化會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)速的波動(dòng),而且功率變化量和變化速率越大,轉(zhuǎn)速波動(dòng)越劇烈。為了避免轉(zhuǎn)速波動(dòng)過大,在發(fā)電工況增減負(fù)荷階段,轉(zhuǎn)子換流器的功率參考值以斜坡形式增大或減小。

在抽水工況下,機(jī)組啟動(dòng)后轉(zhuǎn)速由轉(zhuǎn)子換流器控制保持穩(wěn)定,需要調(diào)節(jié)導(dǎo)葉開度增大機(jī)組輸入功率。在抽水工況增減負(fù)荷階段,導(dǎo)葉開度參考值同樣以斜坡形式增大或減小。

2.4 發(fā)電/抽水工況穩(wěn)態(tài)運(yùn)行

在發(fā)電/抽水穩(wěn)態(tài)運(yùn)行階段,機(jī)組能夠直接、解耦地控制有功功率和無功功率,在此階段需要考慮機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行條件限制和有功無功調(diào)節(jié)能力。

當(dāng)機(jī)組調(diào)速范圍過大時(shí),機(jī)組效率會(huì)降低,為保證機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行,避免水頭/揚(yáng)程過高或過低導(dǎo)致機(jī)械應(yīng)力過大損害轉(zhuǎn)動(dòng)部件,需要考慮調(diào)速和水頭/揚(yáng)程的限制。同時(shí)也要考慮到水泵水輪機(jī)與交流勵(lì)磁電機(jī)的容量限制而產(chǎn)生的有功無功限制。

2.5 發(fā)電/抽水工況停機(jī)

在發(fā)電/抽水工況減負(fù)荷后,待定子電流為0,并網(wǎng)斷路器斷開,機(jī)組脫網(wǎng),然后短接定子繞組,在轉(zhuǎn)子換流器勵(lì)磁電壓作用下電機(jī)產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩,機(jī)組轉(zhuǎn)速降至0。在發(fā)電/抽水工況停機(jī)階段,機(jī)組與電網(wǎng)交換的功率為0。

在仿真分析中,機(jī)組減負(fù)荷后功率為0,機(jī)組進(jìn)入空載階段,忽略空載摩擦,因此認(rèn)為電磁轉(zhuǎn)矩Te=0,同時(shí)機(jī)械轉(zhuǎn)矩Tm=0,但此時(shí)轉(zhuǎn)速不為0。在停機(jī)過程開始電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)模型添加制動(dòng)轉(zhuǎn)矩Db,根據(jù)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程,有(J/np)dωr/dt=-(D/np+Db)ωr,通過制動(dòng)轉(zhuǎn)矩實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速速降,待轉(zhuǎn)速為0后切除制動(dòng)轉(zhuǎn)矩從而完成停機(jī)過程。

2.6 發(fā)電/抽水工況切換

當(dāng)電網(wǎng)有功調(diào)度發(fā)生工況轉(zhuǎn)換時(shí),需要抽水蓄能機(jī)組從發(fā)電工況過渡到抽水工況或從抽水工況過渡到發(fā)電工況。在仿真分析中,為實(shí)現(xiàn)發(fā)電/抽水工況切換控制,通過工況選擇模塊,通過有功調(diào)度值的大小選擇不同水泵水輪機(jī)動(dòng)態(tài)模型和控制方式,如圖1所示。

SF=1時(shí),機(jī)組處于抽水工況,當(dāng)需要過渡到發(fā)電工況時(shí),首先在抽水工況減負(fù)荷、停機(jī),然后SF=2,接著在發(fā)電工況啟動(dòng)、增負(fù)荷,最后處于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)從抽水工況過渡到發(fā)電工況;同理,SF=2時(shí),機(jī)組處于發(fā)電工況,當(dāng)需要過渡到抽水工況時(shí),首先在發(fā)電工況減負(fù)荷、停機(jī),然后SF=1,接著在抽水工況啟動(dòng)、增負(fù)荷,最后處于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)從發(fā)電工況過渡到抽水工況。

3 仿真分析

本文的研究重點(diǎn)在于單臺(tái)雙饋?zhàn)兯俪樗钅軝C(jī)組工況切換控制,因此,仿真算例設(shè)置為單臺(tái)100 MW變速抽蓄機(jī)組連接無窮大系統(tǒng)。根據(jù)第1節(jié)和第2節(jié)的分析,在Matlab/Simulink上搭建如圖1所示的單機(jī)雙饋?zhàn)兯俪樗钅芟到y(tǒng)模型,電氣系統(tǒng)和水力系統(tǒng)參數(shù)如表1和表2所示[28]。其中,無窮大系統(tǒng)電壓d軸分量Usd為1 pu,電壓q軸分量Usq為0,R、X分別為無窮大系統(tǒng)等效電阻和等效電感。

表1 雙饋?zhàn)兯俪樗钅軝C(jī)組電氣系統(tǒng)參數(shù)Table 1 Parameters for electrical system of DFIM-VSPS

表2 雙饋?zhàn)兯俪樗钅軝C(jī)組水力系統(tǒng)參數(shù)Table 2 Parameters for hydraulic system of DFIM-VSPS

3.1 雙饋?zhàn)兯俪樾钸\(yùn)行特性

將表1和表2的參數(shù)賦予雙饋?zhàn)兯俪樾顧C(jī)組并進(jìn)行實(shí)驗(yàn),可得其部分運(yùn)行特性。

基于本模型獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)轉(zhuǎn)速與導(dǎo)葉開度優(yōu)化式進(jìn)行三次擬合得到式(12),轉(zhuǎn)速與導(dǎo)葉開度多項(xiàng)式系數(shù)矩陣如表3、表4所示,m為H0階數(shù),n為Pref階數(shù),m+n≤3,擬合曲面如圖8所示。低揚(yáng)程時(shí)采用較低轉(zhuǎn)速及較大的導(dǎo)葉開度,高揚(yáng)程時(shí)采用較高轉(zhuǎn)速及較小的導(dǎo)葉開度運(yùn)行,機(jī)組可獲得較高效率。水輪機(jī)與水泵工況下效率曲面如圖9所示。

表3 轉(zhuǎn)速優(yōu)化式系數(shù)Table 3 Coefficient of roter speed optimization

表4 導(dǎo)葉開度優(yōu)化式系數(shù)Table 4 Coefficient of guide vane opening optimization formula

圖8 轉(zhuǎn)速與導(dǎo)葉開度優(yōu)化擬合曲面Fig.8 Speed and vane opening optimization fitting surface

圖9 效率與轉(zhuǎn)速和流量的關(guān)系Fig.9 Dependence of efficiency on speed and flow rate

3.2 發(fā)電/抽水工況切換

圖10展示了機(jī)組“停機(jī)—發(fā)電—停機(jī)—抽水—停機(jī)”的完整工況轉(zhuǎn)換過程。機(jī)組需經(jīng)過發(fā)電啟動(dòng)階段、發(fā)電增負(fù)荷階段、發(fā)電減負(fù)荷階段、發(fā)電停機(jī)階段、抽水啟動(dòng)階段、抽水增負(fù)荷階段、抽水減負(fù)荷階段、抽水停機(jī)階段。仿真中,取發(fā)電工況的轉(zhuǎn)速和功率為正,則抽水工況的轉(zhuǎn)速和功率為負(fù)。

設(shè)置50 s時(shí)機(jī)組啟動(dòng)進(jìn)入發(fā)電工況,100 s時(shí)開始增負(fù)荷至0.8 pu,400 s時(shí)開始減負(fù)荷,550 s時(shí)停機(jī)。750 s時(shí)機(jī)組啟動(dòng)進(jìn)入抽水工況,800 s時(shí)開始增負(fù)荷至0.8 pu,1 100 s時(shí)開始減負(fù)荷,1 250 s時(shí)停機(jī)。

在發(fā)電工況啟動(dòng)階段,導(dǎo)葉開度G>0,此時(shí)電機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)矩Tmg>0,電磁轉(zhuǎn)矩Te=0,轉(zhuǎn)速迅速增大至1.0 pu附近,不考慮并網(wǎng)有功功率波動(dòng),在此階段機(jī)組輸入到電網(wǎng)的有功功率為0;在增負(fù)荷階段,導(dǎo)葉開度逐漸增大,在轉(zhuǎn)子換流器的控制下,機(jī)組的有功功率能平滑地達(dá)到設(shè)置值,在此階段由于電磁轉(zhuǎn)矩和機(jī)械轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速率不一致,轉(zhuǎn)速有一個(gè)下降過程;在減負(fù)荷階段,導(dǎo)葉開度逐漸減小至空載開度,機(jī)組的有功功率能平滑地減小為0,在此階段轉(zhuǎn)速有一個(gè)上升過程;在停機(jī)階段,在制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的作用下,轉(zhuǎn)速迅速減小至0,在此階段機(jī)組輸入到電網(wǎng)的有功功率為0。

在抽水工況啟動(dòng)階段,在轉(zhuǎn)子換流器的控制下,機(jī)組從電網(wǎng)吸收有功功率,此時(shí)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩Te<0,機(jī)械轉(zhuǎn)矩Tmp=0,轉(zhuǎn)速迅速增大至1.0 pu附近;在增負(fù)荷和減負(fù)荷階段,機(jī)組的有功功率能平滑地增大和減小;在停機(jī)階段,在制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的作用下,轉(zhuǎn)速迅速減小至0,在此階段機(jī)組吸收的有功功率為0。

初始階段水頭為1 pu,當(dāng)管道中有水流過時(shí),水頭開始變化。當(dāng)機(jī)組處于發(fā)電工況,水從上水庫流至下水庫,水頭減小;當(dāng)機(jī)組處于抽水工況,水從下水庫抽至上水庫,揚(yáng)程增大。水流量的大小會(huì)影響水頭變化的快慢。

從仿真結(jié)果可以看出,雙饋?zhàn)兯俪樗钅芟到y(tǒng)模型能平滑地實(shí)現(xiàn)從停機(jī)至發(fā)電或抽水再到靜止的完整工況轉(zhuǎn)換過程。

3.3 發(fā)電/抽水模式下穩(wěn)態(tài)運(yùn)行

圖11為發(fā)電模式下有功功率和無功功率參考值變化時(shí)機(jī)組的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。仿真中,機(jī)組初始有功輸出為0.8 pu,無功輸出為0 pu,設(shè)置50 s時(shí)有功輸出減小0.2 pu,150 s時(shí)有功輸出增加0.1 pu,250 s時(shí)無功輸出增加0.1 pu,350 s時(shí)無功輸出減小0.1 pu。

圖11 發(fā)電模式下動(dòng)態(tài)響應(yīng)Fig.11 Dynamic responses of generation mode

如圖11所示,當(dāng)有功參考值階躍減小時(shí),在轉(zhuǎn)子換流器的控制下,機(jī)組發(fā)出的有功功率迅速減小至給定值,由于導(dǎo)葉開度響應(yīng)較慢,機(jī)組電磁功率轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子動(dòng)能,轉(zhuǎn)子加速;當(dāng)有功參考值階躍增大時(shí),在轉(zhuǎn)子換流器的控制下,機(jī)組發(fā)出的有功功率迅速增大至給定值,由于導(dǎo)葉開度響應(yīng)較慢,機(jī)組轉(zhuǎn)子動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電磁功率,轉(zhuǎn)子減速;在有功參考值變化階段,在導(dǎo)葉開度和轉(zhuǎn)速優(yōu)化控制下,導(dǎo)葉開度和轉(zhuǎn)速參考值也相應(yīng)改變,通過調(diào)速器和導(dǎo)葉伺服的控制,機(jī)組轉(zhuǎn)速和導(dǎo)葉開度能準(zhǔn)確地跟蹤參考值;當(dāng)給定的無功參考值改變時(shí),機(jī)組發(fā)出的無功功率能快速響應(yīng),迅速到達(dá)給定值;當(dāng)機(jī)組有功功率改變時(shí),無功功率沒有變化,同樣在機(jī)組無功功率改變時(shí),有功功率沒有變化,說明機(jī)組實(shí)現(xiàn)了有功無功的解耦控制。

圖12為抽水模式下有功功率和無功功率參考值變化時(shí)機(jī)組的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。從仿真結(jié)果可以看出,在抽水工況,當(dāng)有功無功參考值改變時(shí),機(jī)組吸收有功無功能快速響應(yīng),迅速到達(dá)給定值,實(shí)現(xiàn)了有功無功解耦控制;同時(shí)在導(dǎo)葉開度和轉(zhuǎn)速優(yōu)化控制下,當(dāng)有功參考值改變時(shí),機(jī)組能跟蹤最佳導(dǎo)葉開度和最優(yōu)轉(zhuǎn)速,機(jī)組效率能維持在較高水平,當(dāng)有功功率偏離額定工況越遠(yuǎn),效率越低。

圖12 抽水模式下動(dòng)態(tài)響應(yīng)Fig.12 Dynamic responses of pumping mode

4 結(jié) 論

本文針對(duì)雙饋?zhàn)兯俪樗钅軝C(jī)組工況轉(zhuǎn)換繁多、啟停頻繁的特點(diǎn),在Matlab/Simulink仿真軟件上搭建了可進(jìn)行工況轉(zhuǎn)換的雙饋?zhàn)兯俪樗钅軝C(jī)組暫態(tài)模型。仿真結(jié)果表明所建變速抽蓄機(jī)組模型具有以下特點(diǎn):

1)雙饋?zhàn)兯俪樗钅芟到y(tǒng)模型在發(fā)電工況和抽水工況能平滑地實(shí)現(xiàn)從靜止至穩(wěn)態(tài)運(yùn)行至靜止完整的工況轉(zhuǎn)換過程。

2)雙饋?zhàn)兯俪樗钅芟到y(tǒng)模型在發(fā)電工況和抽水工況穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí),能快速響應(yīng)有功無功參考值改變,實(shí)現(xiàn)有功無功解耦控制,同時(shí)能追蹤最佳導(dǎo)葉開度和最優(yōu)轉(zhuǎn)速。

3)雙饋?zhàn)兯俪樗钅芟到y(tǒng)模型能平滑從發(fā)電工況過渡到抽水工況和從抽水工況過渡到發(fā)電工況,實(shí)現(xiàn)不同運(yùn)行工況切換過程。

后續(xù)研究將基于所搭建的模型致力于研究雙饋?zhàn)兯俪樗钅茉淳W(wǎng)協(xié)調(diào)策略。