井浩然,李佳,趙紅生,徐秋實,姚偉,王博

(1. 強電磁工程與新技術(shù)國家重點實驗室(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),新能源裝機占比持續(xù)增加,但其波動性和間歇性特點給電網(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,尤其是雙饋變速抽水蓄能技術(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,利用雙饋變速抽水蓄能技術(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[13-16]。而建立雙饋變速抽水蓄能系統(tǒng)的動態(tài)模型是研究其動態(tài)響應(yīng)特性的重要基礎(chǔ)。

當(dāng)前,國內(nèi)外雙饋變速抽水蓄能建模相關(guān)的研究主要集中在發(fā)電工況和抽水工況穩(wěn)態(tài)運行的建模上。文獻(xiàn)[17]建立了抽水工況雙饋變速抽水蓄能的簡化機電暫態(tài)模型,研究了機組的動態(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變速抽水蓄能的機電暫態(tài)模型在剛性與彈性水動態(tài)模型下的動態(tài)響應(yīng);文獻(xiàn)[19]分別建立了雙饋變速抽水蓄能機組的數(shù)學(xué)模型和控制模型;文獻(xiàn)[20]詳述了抽水蓄能系統(tǒng)各部分的動態(tài)建模;文獻(xiàn)[21]推導(dǎo)了雙饋變速抽水蓄能機組的數(shù)學(xué)動態(tài)模型;文獻(xiàn)[22]建立了雙饋變速抽水蓄能機組的詳細(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態(tài)性能?，F(xiàn)有文獻(xiàn)只對雙饋變速抽蓄的某種工況進(jìn)行了建模,但針對雙饋變速抽水蓄能工況轉(zhuǎn)換繁多、啟停頻繁的特點,罕有文獻(xiàn)對其工況轉(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,所以有必要針對雙饋變速抽水蓄能整個工況轉(zhuǎn)換過渡過程進(jìn)行建模研究。因此,本文開展雙饋變速抽水蓄能全工況轉(zhuǎn)換過渡過程建模相關(guān)研究工作。首先建立雙饋變速抽水蓄能系統(tǒng)的機電暫態(tài)模型,包括交流勵磁電機模型、換流器模型、水泵水輪機和控制系統(tǒng)模型;然后,針對發(fā)電工況和抽水工況下的啟動-穩(wěn)態(tài)運行-停機完整的工況轉(zhuǎn)換過渡過程進(jìn)行建模;最后,通過Matlab/Simulink仿真驗證所建雙饋變速抽水蓄能全工況模型的運行特性。

1 雙饋變速抽水蓄能系統(tǒng)建模

雙饋變速抽水蓄能系統(tǒng)由三部分組成,其一是電氣部分,包括交流勵磁電機、網(wǎng)側(cè)換流器和轉(zhuǎn)子換流器;其二是水力、機械部分,包括可逆水泵水輪機、壓力管道水動態(tài)、調(diào)速器與導(dǎo)葉伺服機構(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。雙饋變速抽水蓄能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 雙饋變速抽水蓄能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of doubly-fed induction machine based variable-speed pumped storage

1.1 交流勵磁電機建模

文獻(xiàn)[23]在dq坐標(biāo)系下建立交流勵磁電機模型,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)子繞組均采用電動機慣例):

(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。

運動方程和電磁轉(zhuǎn)矩方程簡化式為:

(3)

式中:Te為電磁轉(zhuǎn)矩;J為轉(zhuǎn)動慣量;np為電機極對數(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)動交流勵磁電機。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磁電機定子輸出的有功、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)子電壓幅值會動態(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)機組的有功功率參考值發(fā)生變化時,換流器迅速響應(yīng),控制機組的有功功率快速跟蹤參考值;在抽水工況下,機組吸收的有功功率由轉(zhuǎn)速決定,轉(zhuǎn)子換流器優(yōu)先控制轉(zhuǎn)速,當(dāng)機組有功功率參考值發(fā)生變化,首先根據(jù)水泵水輪機綜合特性曲線得到最優(yōu)轉(zhuǎn)速,換流器迅速響應(yīng),控制機組轉(zhuǎn)速達(dá)到最優(yōu)轉(zhuǎn)速,從而調(diào)節(jié)機組有功功率。

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

1.3 水泵水輪機與水動態(tài)建模

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

1.3.1 發(fā)電模式下動態(tài)模型

在發(fā)電模式下,水泵水輪機的動態(tài)模型可以表示為[20]:

(4)

式中:Hdg為動態(tài)水頭;Qd為動態(tài)流量;Tw為水流慣性時間常數(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)電模式下的機械功率;Tmg為發(fā)電模式下的機械轉(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),可以用以下多項式表示[25-26]:

(6)

1.3.2 抽水模式下動態(tài)模型

在抽水模式下,水泵水輪機的動態(tài)模型可以表示為:

(7)

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

動態(tài)揚程由動態(tài)流量和轉(zhuǎn)速決定,可近似為以下二次多項式[27]:

(8)

式中:bi(i∈{0, 1, 2})為二次多項式系數(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取決于動態(tài)流量和轉(zhuǎn)速,可以用以下多項式表示[17]:

(10)

式中:ci(i∈{0, 1, 2, 3})為多項式系數(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)葉開度可以控制機組機械功率。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)葉開度伺服的時間常數(shù)。

在發(fā)電模式下,機組功率由轉(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行狀態(tài)時,功率和水頭變化范圍較大。當(dāng)偏離額定水頭或功率時,機組運行效率下降。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})基于機組最優(yōu)運行曲線擬合得到,在部分運行范圍與實際運行特性差異較大。本文對水泵水輪機模型進(jìn)行300余次實驗,確定其實際運行特性,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})為多項式系數(shù);m,n∈{0,1,2,3}為H0和Pref階數(shù)。

2 機組工況轉(zhuǎn)換控制

雙饋變速抽水蓄能機組通常有5種穩(wěn)定運行工況,分別是停機、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。抽水蓄能機組極少情況處于長時間調(diào)相運行工況,所以本文僅針對停機、發(fā)電和抽水3種典型運行工況轉(zhuǎn)換過程進(jìn)行研究。機組工況轉(zhuǎn)換過程可分為以下階段:發(fā)電/抽水工況啟動、發(fā)電/抽水工況增減負(fù)荷、發(fā)電/抽水工況穩(wěn)態(tài)運行、發(fā)電/抽水工況停機、發(fā)電/抽水工況切換。

2.1 工況選擇

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

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

實際工程中,抽水蓄能機組發(fā)電工況啟動時,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,利用水泵水輪機拖動機組轉(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)電工況啟動控制框圖Fig.7 Starting control block diagram of generation mode

抽水蓄能機組抽水工況的啟動方式有2種:一種方式是直接并網(wǎng)啟動,通過轉(zhuǎn)子換流器控制電機進(jìn)行啟動,此方式需要從電網(wǎng)吸收功率;另一種方式是脫網(wǎng)啟動,首先短接定子三相繞組,轉(zhuǎn)子換流器加三相對稱反相序電流,電機反向旋轉(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,此方式功率波動較小。

2.3 發(fā)電/抽水工況增減負(fù)荷

在發(fā)電工況下,機組功率由轉(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,所以功率的變化會導(dǎo)致轉(zhuǎn)速的波動,而且功率變化量和變化速率越大,轉(zhuǎn)速波動越劇烈。為了避免轉(zhuǎn)速波動過大,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,機組啟動后轉(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)運行

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

當(dāng)機組調(diào)速范圍過大時,機組效率會降低,為保證機組安全穩(wěn)定運行,避免水頭/揚程過高或過低導(dǎo)致機械應(yīng)力過大損害轉(zhuǎn)動部件,需要考慮調(diào)速和水頭/揚程的限制。同時也要考慮到水泵水輪機與交流勵磁電機的容量限制而產(chǎn)生的有功無功限制。

2.5 發(fā)電/抽水工況停機

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,機組脫網(wǎng),然后短接定子繞組,在轉(zhuǎn)子換流器勵磁電壓作用下電機產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩,機組轉(zhuǎn)速降至0。在發(fā)電/抽水工況停機階段,機組與電網(wǎng)交換的功率為0。

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

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,需要抽水蓄能機組從發(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動態(tài)模型和控制方式,如圖1所示。

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

3 仿真分析

本文的研究重點在于單臺雙饋變速抽水蓄能機組工況切換控制,因此,仿真算例設(shè)置為單臺100 MW變速抽蓄機組連接無窮大系統(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所示的單機雙饋變速抽水蓄能系統(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 雙饋變速抽水蓄能機組電氣系統(tǒng)參數(shù)Table 1 Parameters for electrical system of DFIM-VSPS

表2 雙饋變速抽水蓄能機組水力系統(tǒng)參數(shù)Table 2 Parameters for hydraulic system of DFIM-VSPS

3.1 雙饋變速抽蓄運行特性

將表1和表2的參數(shù)賦予雙饋變速抽蓄機組并進(jìn)行實驗,可得其部分運行特性。

基于本模型獲得的實驗數(shù)據(jù)對轉(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。低揚程時采用較低轉(zhuǎn)速及較大的導(dǎo)葉開度,高揚程時采用較高轉(zhuǎn)速及較小的導(dǎo)葉開度運行,機組可獲得較高效率。水輪機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展示了機組“停機—發(fā)電—停機—抽水—停機”的完整工況轉(zhuǎn)換過程。機組需經(jīng)過發(fā)電啟動階段、發(fā)電增負(fù)荷階段、發(fā)電減負(fù)荷階段、發(fā)電停機階段、抽水啟動階段、抽水增負(fù)荷階段、抽水減負(fù)荷階段、抽水停機階段。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時機組啟動進(jìn)入發(fā)電工況,100 s時開始增負(fù)荷至0.8 pu,400 s時開始減負(fù)荷,550 s時停機。750 s時機組啟動進(jìn)入抽水工況,800 s時開始增負(fù)荷至0.8 pu,1 100 s時開始減負(fù)荷,1 250 s時停機。

在發(fā)電工況啟動階段,導(dǎo)葉開度G>0,此時電機的機械轉(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,在此階段機組輸入到電網(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)矩和機械轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速率不一致,轉(zhuǎn)速有一個下降過程;在減負(fù)荷階段,導(dǎo)葉開度逐漸減小至空載開度,機組的有功功率能平滑地減小為0,在此階段轉(zhuǎn)速有一個上升過程;在停機階段,在制動轉(zhuǎn)矩的作用下,轉(zhuǎn)速迅速減小至0,在此階段機組輸入到電網(wǎng)的有功功率為0。

在抽水工況啟動階段,在轉(zhuǎn)子換流器的控制下,機組從電網(wǎng)吸收有功功率,此時電機的電磁轉(zhuǎn)矩Te<0,機械轉(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,機組的有功功率能平滑地增大和減小;在停機階段,在制動轉(zhuǎn)矩的作用下,轉(zhuǎn)速迅速減小至0,在此階段機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,水頭開始變化。當(dāng)機組處于發(fā)電工況,水從上水庫流至下水庫,水頭減小;當(dāng)機組處于抽水工況,水從下水庫抽至上水庫,揚程增大。水流量的大小會影響水頭變化的快慢。

從仿真結(jié)果可以看出,雙饋變速抽水蓄能系統(tǒng)模型能平滑地實現(xiàn)從停機至發(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機組的動態(tài)響應(yīng)特性。仿真中,機組初始有功輸出為0.8 pu,無功輸出為0 pu,設(shè)置50 s時有功輸出減小0.2 pu,150 s時有功輸出增加0.1 pu,250 s時無功輸出增加0.1 pu,350 s時無功輸出減小0.1 pu。

圖11 發(fā)電模式下動態(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,在轉(zhuǎn)子換流器的控制下,機組發(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,機組電磁功率轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子動能,轉(zhuǎn)子加速;當(dāng)有功參考值階躍增大時,在轉(zhuǎn)子換流器的控制下,機組發(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,機組轉(zhuǎn)子動能轉(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,機組發(fā)出的無功功率能快速響應(yīng),迅速到達(dá)給定值;當(dāng)機組有功功率改變時,無功功率沒有變化,同樣在機組無功功率改變時,有功功率沒有變化,說明機組實現(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機組的動態(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,機組吸收有功無功能快速響應(yīng),迅速到達(dá)給定值,實現(xiàn)了有功無功解耦控制;同時在導(dǎo)葉開度和轉(zhuǎn)速優(yōu)化控制下,當(dāng)有功參考值改變時,機組能跟蹤最佳導(dǎo)葉開度和最優(yōu)轉(zhuǎn)速,機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 抽水模式下動態(tài)響應(yīng)Fig.12 Dynamic responses of pumping mode

4 結(jié) 論

本文針對雙饋變速抽水蓄能機組工況轉(zhuǎn)換繁多、啟停頻繁的特點,在Matlab/Simulink仿真軟件上搭建了可進(jìn)行工況轉(zhuǎn)換的雙饋變速抽水蓄能機組暫態(tài)模型。仿真結(jié)果表明所建變速抽蓄機組模型具有以下特點:

1)雙饋變速抽水蓄能系統(tǒng)模型在發(fā)電工況和抽水工況能平滑地實現(xiàn)從靜止至穩(wěn)態(tài)運行至靜止完整的工況轉(zhuǎn)換過程。

2)雙饋變速抽水蓄能系統(tǒng)模型在發(fā)電工況和抽水工況穩(wěn)態(tài)運行時,能快速響應(yīng)有功無功參考值改變,實現(xiàn)有功無功解耦控制,同時能追蹤最佳導(dǎo)葉開度和最優(yōu)轉(zhuǎn)速。

3)雙饋變速抽水蓄能系統(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,實現(xiàn)不同運行工況切換過程。

后續(xù)研究將基于所搭建的模型致力于研究雙饋變速抽水蓄能源網(wǎng)協(xié)調(diào)策略。