变速可逆式水泵水轮机调节系统入力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入力控制方法及装置。


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入力控制方法及装置。
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入力控制方法，包括：泵工况抽水状态入力控制，所述泵工况抽水状态入力控制包括以下步骤：
7.步骤1：判断是否具备入力控制的前置条件，若是，执行步骤2；
8.步骤2：协同控制单元(coordinated control unit，ccu)向水泵水轮机调节系统
(pump-turbine governing system，ptg)下发有效目标入力p
patv
；
9.步骤3：所述ptg根据所述有效目标入力p
patv
获得目标转速cn和目标开度cy；
10.步骤4：所述ptg根据所述目标转速cn和所述目标开度cy进行机组入力调节。
11.优选的是，步骤1中，所述前置条件包括：
12.(1)机组在静止状态、导叶全关；
13.(2)变流器机侧/网侧断路器合；
14.(3)变流器从电网吸收功率，使机组从静止状态向水泵方向旋转升速，直至达到水泵造压转速；
15.(4)造压完成后，导叶开至预置启动角，等待抽水令。
16.上述任一方案优选的是，步骤2中，所述ccu对agc目标入力和一次调频目标入力幅度进行叠加，获得有效目标入力p
patv
后，向所述ptg下发所述有效目标入力p
patv
。
17.上述任一方案优选的是，步骤3包括：
18.步骤31：在所述ptg内，所述有效目标入力p
patv
经过斜坡环节进行缓冲后得到抽水状态水泵水轮机的轴功率p
pm
；
19.步骤32：抽水状态水泵水轮机的轴功率p
pm
通过入力-转速-扬程寻优函数ng＝f(p
pm
，h)插值表和一阶惯性环节得到目标转速cn；
20.步骤33：抽水状态水泵水轮机的轴功率p
pm
通过入力-开度-扬程寻优函数yg＝f(p
pm
，h)插值表和一阶惯性环节得到目标开度cy。
21.上述任一方案优选的是，步骤4包括：
22.步骤41：ptg根据机组当前转速n和所述目标转速cn判断机组处于升速状态还是降速状态，然后将所述目标开度cy作为pid调节器的输入信号和前馈信号；
23.步骤42：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
，进而改变机组实际入力p
pin
以向有效目标入力p
patv
方向变化。
24.上述任一方案优选的是，步骤41中，若判断机组处于升速状态，则所述ptg先等待变流器控制机组升速至目标转速cn，然后增加开度至目标开度cy；若判断处于降速状态，则所述ptg先减小开度至目标开度cy，然后变流器控制机组降速至目标转速cn。
25.上述任一方案优选的是，所述泵工况抽水状态入力控制还包括：
26.步骤5：所述ccu根据所述有效目标入力p
patv
和入力-转速-扬程寻优函数ng＝f(p
pm
，h)插值表，获得目标转速cn；
27.步骤6：所述ccu将所述目标转速cn下发至变流器；
28.步骤7：所述变流器根据所述目标转速cn控制机组转速n。
29.上述任一方案优选的是，步骤7中，若机组需要升速，则所述变流器先控制机组升速至目标转速cn，然后ptg增加导叶开度至目标开度cy；若机组需要降速，则所述ptg先降低导叶开度至目标开度cy，然后所述变流器控制机组降速至目标转速cn。
30.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入力控制装置，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入力控制方法。
31.本发明的变速可逆式水泵水轮机调节系统入力控制方法及装置具有以下有益效
果：
32.1、在抽水状态下，ccu向变流器下发目标转速，变流器根据目标转速进行机组转速控制；同时，ccu向ptg下发有效目标入力，ptg根据有效目标入力，获得目标开度、目标转速，并以开度为控制目标进行导叶开度控制，ptg和变流器相互配合实现机组入力控制，使其向有效目标入力变化；
33.2、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；
34.3、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；
35.4、可对机组入力实行快速、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
36.图1为按照本发明的变速可逆式水泵水轮机调节系统入力控制方法的抽水状态入力控制的一优选实施例的流程示意图。
37.图2为按照本发明的变速可逆式水泵水轮机调节系统入力控制方法的抽水状态入力控制的如图1所示实施例的详细流程示意图。
38.图3为按照本发明的变速可逆式水泵水轮机调节系统入力控制方法的抽水状态入力控制的如图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
39.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。
40.首先对本技术中可能涉及到的相关参数及其含义进行表1所示的说明。
41.表1 相关参数及表示的含义
42.43.实施例1
44.如图1、图2和图3所示，一种变速可逆式水泵水轮机调节系统入力控制方法，包括：泵工况抽水状态入力控制，所述泵工况抽水状态入力控制包括以下步骤：
45.步骤1：判断是否具备入力控制的前置条件，若是，执行步骤2；
46.步骤2：协同控制单元(coordinated control unit，ccu)向水泵水轮机调节系统(pump-turbine governing system，ptg)下发有效目标入力p
patv
；
47.步骤3：所述ptg根据所述有效目标入力p
patv
获得目标转速cn和目标开度cy；
48.步骤4：所述ptg根据所述目标转速cn和所述目标开度cy进行机组入力调节。
49.步骤1中，在进行抽水状态入力控制前，需要先判断是否满足相关的前置条件，所述前置条件可以参考现有的全功率变速可逆式水泵水轮机调节系统进入抽水状态入力控制的条件，包括：(1)机组在静止状态、导叶全关，(2)变流器机侧/网侧断路器合，(3)变流器从电网吸收功率，使机组从静止状态向水泵方向旋转升速，直至达到水泵造压转速，(4)造压完成后，导叶开至预置启动角，等待抽水令。
50.步骤2中，所述ccu对agc目标入力和一次调频目标入力幅度进行代数求和后，将和作为所述有效目标入力p
patv
。
51.在本实施例中优选的是，所述步骤3包括：
52.步骤31：在所述ptg内，所述有效目标入力p
patv
经过斜坡环节进行缓冲后得到抽水状态水泵水轮机的轴功率p
pm
；
53.步骤32：抽水状态水泵水轮机的轴功率p
pm
通过入力-转速-扬程寻优函数ng＝f(p
pm
，h)插值表和一阶惯性环节得到目标转速cn；
54.步骤33：抽水状态水泵水轮机的轴功率p
pm
通过入力-开度-扬程寻优函数yg＝f(p
pm
，h)插值表和一阶惯性环节得到目标开度cy。
55.在本实施例中优选的是，所述步骤4包括：
56.步骤41：ptg根据机组当前转速n和所述目标转速cn判断机组处于升速状态还是降速状态，然后将所述目标开度cy作为pid调节器的输入信号和前馈信号；
57.步骤42：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
，进而改变机组实际入力p
pin
以向有效目标入力p
patv
方向变化。
58.步骤41中，若判断机组处于升速状态，则所述ptg先等待变流器控制机组升速至目标转速cn，然后增加开度至目标开度cy；若判断处于降速状态，则所述ptg先减小开度至目标开度cy，然后变流器控制机组降速至目标转速cn。
59.在本实施例中优选的是，所述泵工况抽水状态入力控制还包括：
60.步骤5：所述ccu根据所述有效目标入力p
patv
和入力-转速-扬程寻优函数ng＝f(p
pm
，h)插值表，获得目标转速cn；在本实施例中优选的是，为了使控制过程更平稳，经过cuu根据有效目标入力p
patv
和入力-转速-扬程寻优函数ng＝f(p
pm
，h)插值表插值后经过一阶惯性环节进行平滑，然后获得目标转速cn；
61.步骤6：所述ccu将所述目标转速cn下发至变流器；
62.步骤7：所述变流器根据所述目标转速cn控制机组转速。
63.步骤7中，若机组需要升速，则所述变流器先控制机组升速至目标转速cn，然后ptg增加导叶开度至目标开度cy；若机组需要降速，则所述ptg先降低导叶开度至目标开度cy，然
后所述变流器控制机组降速至目标转速cn。
64.在本实施例中优选的是，步骤32、步骤33和步骤5中，所述入力-转速-扬程寻优函数ng＝f(p
pm
，h)插值表预存于所述ptg和所述ccu中，所述ptg和所述ccu根据有效目标入力p
patv
和当前扬程，通过所述入力-转速-扬程寻优函数ng＝f(p
pm
，h)插值表可以获得目标转速cn。所述入力-开度-扬程寻优函数yg＝f(p
pm
，h)插值表预存于ptg中，所述ptg根据有效目标入力p
patv
和当前扬程，通过所述入力-开度-扬程寻优函数yg＝f(p
pm
，h)插值表，可以获得目标开度cy。步骤32和步骤33可以同时执行，还可以交换执行顺序。所述入力-转速-扬程寻优函数ng＝f(p
pm
，h)插值表和所述入力-开度-扬程寻优函数yg＝f(p
pm
，h)插值表分别如表2和表3所示。
65.表2 入力-转速-扬程寻优函数ng＝f(p
pm
，h)插值表
[0066][0067]
表3 入力-开度-扬程寻优函数yg＝f(p
pm
，h)插值表
[0068][0069]
在本实施例中优选的是，步骤41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，进而可以兼顾入力控制的快速性与稳定性。
[0070]
在本实施例中优选的是，步骤6中，ccu还将所述有效目标入力p
patv
下发至所述变流器，以对所述变流器调节转速提供参考，因为升速的同时必然伴随升入力，降速的同时必然伴随降入力。
[0071]
可以发现，进行抽水状态入力控制时，ptg将开度作为唯一的控制目标，仅对开度进行调节；变流器接收ccu下发的有效目标入力p
patv
、目标转速cn后，以转速作为控制目标，对机组转速进行调节；在ptg和变流器的共同作用下，机组入力p
pin
跟随有效目标入力p
patv
变化。
[0072]
实施例2
[0073]
一种变速可逆式水泵水轮机调节系统入力控制装置，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入力控制方法。
[0074]
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。