一种用于双并网模式变速恒频抽水蓄能电站的控制方法与流程

1.本发明涉及抽水蓄能电站技术领域，具体而言，涉及一种用于双并网模式变速恒频抽水蓄能电站的控制方法。


背景技术：

2.抽水蓄能机组可分为定速机组和可变速机组两大类，目前国内的抽水蓄能电站以大型的定速机组为主，主要集中在大负荷区，供主网调峰使用。由于定速抽水蓄能机组在水泵工况时，无法调节输入功率，不满足电网快速精确地调节系统频率的要求。而相较于传统的定速抽水蓄能机组，可变速抽水蓄能机组具有不可替代的优势：能提供系统自动控制容量，适应更宽水头范围提高运行效率，实现有功功率的高速调节，提高机组运行的稳定性；可免掉水泵工况启动装置并配合电力系统频率自动控制，可在较大范围内调节。
3.可变速抽水蓄能机组主要通过双馈变流器调速或全功率变流器调速两种方式来实现变速控制，全功率变速抽水蓄能机组指发电电动机定子通过全功率变流器、主变与电网相连，机组功率全部通过变流器传输；双馈可变速抽水蓄能机组指发电电动机转子通过双馈变流器与电网相连，定子通过主变与电网相连，大部分功率通过定子至主变传输，少部分功率通过双馈变流器传输。除了发电电动机、水泵水轮机外，全功率可变速抽水蓄能机组主要技术难点在于软件设计、协同控制算法以及功率元件的可靠性，因此全功率变速抽水蓄能机组的各项运行指标有待实际工况和运行时间的检验。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种用于双并网模式变速恒频抽水蓄能电站的控制方法，其能够根据目标抽水蓄能电站的运行模式，针对性选择不同的控制方案对目标抽水蓄能电站进行调节控制，实现了目标抽水蓄能电站的安全稳定运行并减少了弃水损失。
5.本发明的实施例是这样实现的：
6.本技术实施例提供一种用于双并网模式变速恒频抽水蓄能电站的控制方法，其包括如下步骤：
7.获取并根据单刀双掷开关位置信号，确定目标抽水蓄能电站的运行模式；
8.当运行模式为旁路模式状态时，通过监控系统、励磁系统和调速系统完成该目标抽水蓄能电站的调节控制，其中，监控系统、励磁系统和调速系统通过脉冲调节；
9.当运行模式为变流器运行模式时，通过控制全功率变流器，调节发电电动机的转速和水泵水轮机的功率。
10.在本发明的一些实施例中，上述当运行模式为变流器运行模式时，通过控制全功率变流器，调节发电电动机的转速和水泵水轮机的功率的步骤包括：
11.当运行模式为变流器运行模式时，根据公式通过全功率变流器调整输出频率，以改变发电电动机的转速，同时通过转子旋转动能的调整和调速器对导叶开度进行调整，以协调目标抽水蓄能电站的功率，其中，j
t
为机组等效转
动惯量，ωn为角速度，ωm为发电机转子机械速度，pm为机械功率，pe为电磁功率，kf为摩擦系数。
12.在本发明的一些实施例中，上述当运行模式为变流器运行模式时，通过控制全功率变流器，调节发电电动机的转速和水泵水轮机的功率的步骤包括：
13.当目标抽水蓄能电站处于变流器模式发电工况运行过程中时，水轮机的流量、水头和效率的乘积与水轮机的出力成正比；
14.当目标抽水蓄能电站处于变流器模式水泵工况运行过程中时，水泵流量、扬程的乘积与水泵的输入功率成正比，同时水泵的输入功率与水泵效率成反比。
15.在本发明的一些实施例中，上述监控系统采用分层分布式星形双网络结构，目标抽水蓄能电站的机组现地控制单元lcu采用双cpu的热备冗余配置；
16.建立双cpu与监控系统的连接。
17.在本发明的一些实施例中，上述当运行模式为变流器运行模式时，通过协同控制器向全功率变流器下发调节指令，其中，协同控制器采用模拟量调节方式。
18.在本发明的一些实施例中，上述当运行模式为变流器运行模式时，通过协同控制器向全功率变流器下发调节指令的步骤包括：
19.监控系统下发调节指令至协同控制器后，协同控制器通过ao模出模件将调节指令分别下发至调速器和全功率变流器；
20.调速器根据调节指令，对导叶开度进行调整，以调节水泵水轮机的功率；
21.全功率变流器根据调节指令，向发电电动机发送定子电压，同时向励磁系统发送励磁电压，励磁系统根据励磁电压，发送励磁电流至发电电动机。
22.在本发明的一些实施例中，上述用于双并网模式变速恒频抽水蓄能电站的控制方法还包括：
23.当目标抽水蓄能电站处于变流器模式发电工况运行过程中时，若调速器控制导叶开度且全功率变流器控制频率，则该变流器模式发电工况为快速频率模式，若调速器控制频率且全功率变流器控制功率，则该变流器模式发电工况为快速功率模式。
24.相对于现有技术，本发明的实施例至少具有如下优点或有益效果：
25.本发明提供一种用于双并网模式变速恒频抽水蓄能电站的控制方法，其包括如下步骤：获取并根据单刀双掷开关位置信号，确定目标抽水蓄能电站的运行模式。当运行模式为旁路模式状态时，通过监控系统、励磁系统和调速系统完成该目标抽水蓄能电站的调节控制，其中，监控系统、励磁系统和调速系统通过脉冲调节。旁路模式可以当全功率变流器检修时，确保目标抽水蓄能电站正常发电运行，减少弃水损失。当运行模式为变流器运行模式时，通过控制全功率变流器，调节发电电动机的转速和水泵水轮机的功率。通过变流器运行模式可以平缓光伏或风力发电的波动，降低光伏或风力发电并网对电网的冲击，提高太阳能和风能的利用效率。该方法首先通过单刀双掷开关选择目标抽水蓄能电站的运行模式。然后根据目标抽水蓄能电站的运行模式，针对性选择不同的控制方案对目标抽水蓄能电站进行调节控制，实现了目标抽水蓄能电站的安全稳定运行并减少了弃水损失。
附图说明
26.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附
图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
27.图1为本发明实施例提供的一种用于双并网模式变速恒频抽水蓄能电站的控制方法的流程图；
28.图2为本发明实施例提供的一种双并网模式抽水蓄能机组主接线示意图；
29.图3为本发明实施例提供的一种调节原理图；
30.图4为本发明实施例提供的一种变速发电工况原理图；
31.图5为本发明实施例提供的一种电子设备的示意性结构框图。
32.图标：101-存储器；102-处理器；103-通信接口。
具体实施方式
33.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本技术实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
34.因此，以下对在附图中提供的本技术的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本技术的范围，而是仅仅表示本技术的选定实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
35.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本技术的描述中，若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
36.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，若出现术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，若出现由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
37.在本技术的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
38.在本技术的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语
在本技术中的具体含义。
39.下面结合附图，对本技术的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的各个实施例及实施例中的各个特征可以相互组合。
40.实施例
41.请参照图1，图1所示为本发明实施例提供的一种用于双并网模式变速恒频抽水蓄能电站的控制方法的流程图。本技术实施例提供一种用于双并网模式变速恒频抽水蓄能电站的控制方法，其包括如下步骤：
42.s110：获取并根据单刀双掷开关位置信号，确定目标抽水蓄能电站的运行模式；
43.具体的，目标抽水蓄能电站同时具备旁路模式和变流器模式。其中，旁路模式为准同期并网模式，变流器模式为通过全功率变流器并网模式。
44.请参照图2，图2所示为本发明实施例提供的一种双并网模式抽水蓄能机组主接线示意图。目标抽水蓄能电站主要电气设备包括发电电动机、旁路开关、全功率变流器、出口断路器、主变压器、发电机电压配电装置、35kv高压装置、厂用电设备等。其中，在发电电动机出口安装一个单刀双掷开关，单刀双掷开关的a触头通过全功率变流器、隔刀1与出口断路器电气相连；单刀双掷开关的b触头通过旁路母线与出口断路器直接电气相连。则根据单刀双掷开关的位置，可以确定目标抽水蓄能电站的运行模式。
45.s120：当运行模式为旁路模式状态时，通过监控系统、励磁系统和调速系统完成该目标抽水蓄能电站的调节控制，其中，监控系统、励磁系统和调速系统通过脉冲调节；
46.具体的，旁路模式为备用工作模式，仅具备定速发电功能，主要目的是当全功率变流器检修时，确保目标抽水蓄能电站正常发电运行，减少弃水损失。增设旁路模式可以有效保障全功率变速抽蓄机组安全、经济运行。在旁路模式下，通过监控系统、励磁系统和调速系统共同完成开停机流程及功率的调节控制，其中监控系统与励磁系统、调速系统间通过脉冲调节，调速器具备开度模式和功率模式两种控制功能，期间全功率变流器和协同控制器退出工作。
47.s130：当运行模式为变流器运行模式时，通过控制全功率变流器，调节发电电动机的转速和水泵水轮机的功率。
48.具体的，变流器运行模式为目标抽水蓄能电站的主要工作模式，在该模式下具备变速发电和变速抽水两种运行方式，该模式可以平缓光伏或风力发电的波动，降低光伏或风力发电并网对电网的冲击，提高太阳能和风能的利用效率。在变流器运行模式下，全功率变流器作为抽蓄机组启动和换相装置，实现机组的变频启动，同时使得机组发电工况和水泵工况下与电力系统的相序保持一致。
49.上述实现过程中，该方法首先通过单刀双掷开关选择目标抽水蓄能电站的运行模式。然后根据目标抽水蓄能电站的运行模式，针对性选择不同的控制方案对目标抽水蓄能电站进行调节控制，实现了目标抽水蓄能电站的安全稳定运行并减少了弃水损失。
50.需要说明的是，在旁路模式时，只允许发旁路发电工况转换控制命令。在变流器运行模式时，只允许发变速模式工况转换控制命令。
51.在本实施例的一些实施方式中，上述当运行模式为变流器运行模式时，通过控制全功率变流器，调节发电电动机的转速和水泵水轮机的功率的步骤包括：
52.当运行模式为变流器运行模式时，根据公式通过全功率变流器调整输出频率，以改变发电电动机的转速，同时通过转子旋转动能的调整和调速器对导叶开度进行调整，以协调目标抽水蓄能电站的功率，其中，j
t
为机组等效转动惯量，ωn为角速度，ωm为发电机转子机械速度，pm为机械功率，pe为电磁功率，kf为摩擦系数。
53.具体的，在变流器运行模式下，抽水蓄能机组通过控制全功率变流器实现对发电电动机转速及水泵水轮机功率的调节，其原理如公式所示。全功率变流器机侧与机组定子连接，网侧与电网系统连接，在电网功率要求发生变化时，机组变流器通过调整输出频率，改变发电电动机的转速，并通过转子旋转动能的调整和调速器对导叶开度的调整实现对变速抽水蓄能机组的协调功率控制。
54.在本实施例的一些实施方式中，上述当运行模式为变流器运行模式时，通过控制全功率变流器，调节发电电动机的转速和水泵水轮机的功率的步骤包括：
55.当目标抽水蓄能电站处于变流器模式发电工况运行过程中时，水轮机的流量、水头和效率的乘积与水轮机的出力成正比；
56.当目标抽水蓄能电站处于变流器模式水泵工况运行过程中时，水泵流量、扬程的乘积与水泵的输入功率成正比，同时水泵的输入功率与水泵效率成反比。
57.具体的，当抽水蓄能变速机组处于变流器模式发电工况运行过程中，水轮机的出力与水轮机的流量、水头和效率三者的乘积成正比。则当水轮机的效率保持不变，其流量、水头增加或者降低时，水轮机的出力也随之增加或者降低；当水轮机流量、水头保持不变，水轮机的效率增加或者降低时，水轮机的出力也随之增加或者降低。
58.当抽水蓄能变速机组处于变流器模式水泵工况运行情况下，水泵的输入功率分别与水泵流量、扬程的乘积成正比，与水泵效率成反比。当水泵的效率保持不变，其流量、扬程的乘积增加或者降低时，水泵的输入功率也随之增加或者降低；当水泵机流量、水头保持不变，水泵的效率增加或者降低时，水泵的输入功率也随之降低或者增加。
59.在本实施例的一些实施方式中，上述监控系统采用分层分布式星形双网络结构，目标抽水蓄能电站的机组现地控制单元lcu采用双cpu的热备冗余配置；
60.建立双cpu与监控系统的连接。
61.具体的，为保障监控系统与协同控制器、全功率变流器、调速系统、励磁系统、保护系统等重要设备的网络通信可靠，监控系统采用分层分布式星形双网络结构，机组现地控制单元lcu采用双cpu的热备冗余配置，每个cpu配置两个网卡，实现机组现地lcu与通信对象间有四条通道的网络链接，其中只有主用cpu的主网与设备进行数据的交互，其余三条链路处于热备状态。当主用链路出现故障后自动进行链路切换，切换后的链路立即执行数据的交互。期间，双套cpu均与计算机监控系统上位机进行通信，但仅主用cpu执行上位机下发的控制指令，该结构即保障了通讯的可靠性，又保障了下行信息的唯一性。
62.在本实施例的一些实施方式中，上述当运行模式为变流器运行模式时，通过协同控制器向全功率变流器下发调节指令，其中，协同控制器采用模拟量调节方式。
63.具体的，协同控制器采用模拟量调节方式可以实现变流器运行模式下快速功率调节或快速频率调节过程的快速性和准确性。
64.在本实施例的一些实施方式中，上述当运行模式为变流器运行模式时，通过协同控制器向全功率变流器下发调节指令的步骤包括：
65.监控系统下发调节指令至协同控制器后，协同控制器通过ao模出模件将调节指令分别下发至调速器和全功率变流器；
66.调速器根据调节指令，对导叶开度进行调整，以调节水泵水轮机的功率；
67.全功率变流器根据调节指令，向发电电动机发送定子电压，同时向励磁系统发送励磁电压，励磁系统根据励磁电压，发送励磁电流至发电电动机。
68.具体的，监控系统将指令下发给协同控制器后，协同控制器通过ao模出模件，将调节指令(功率、转速/开度、转速)以4-20ma的信号下发给调速器；通过ao模出模件，将调节指令(功率、转速/开度、转速)以4-20ma的信号下发给全功率变流器，全功率变流器与励磁系统间通过通讯方式调节。在模拟量调节方式下，监控系统与各子系统不形成控制闭环，而是由全功率变流器、调速系统或励磁系统自身的pid调节功能完成控制闭环，其调节原理图如图3所示。
69.在本实施例的一些实施方式中，上述用于双并网模式变速恒频抽水蓄能电站的控制方法还包括：
70.当目标抽水蓄能电站处于变流器模式发电工况运行过程中时，若调速器控制导叶开度且全功率变流器控制频率，则该变流器模式发电工况为快速频率模式，若调速器控制频率且全功率变流器控制功率，则该变流器模式发电工况为快速功率模式。
71.具体的，变流器模式发电工况采用变导叶开度、变转速控制的运行方式，根据全功率变流器和调速器控制目标的不同，可以分为快速频率模式和快速功率模式。当调速器主控开度、全功率变流器主控频率时，为快速频率模式，可以确保功率快速响应过程中机组的安全稳定可靠。当调速器主控频率、全功率变流器主控功率时，为快速功率模式，可以实现功率的百毫秒级响应，变速发电工况原理图如图4。
72.在本实施例的一些实施方式中，在变流器模式水泵工况下，有定开度变转速和变开度变转速两种模式。在水泵抽水调整过程中，调速器以导叶开度为主控目标、且是唯一控制目标，此时调速器不受机组入力和转速影响，通过全功率变流器控制入力和转速。抽水蓄能变速机组协同控制器将功率命令信号、水头信号、电网频率变化经频率响应调节器的输出信号，结合水泵水轮机运行曲线参数并利用协同控制数学模型计算出最优效率转速值与优化导叶开度值。协同控制器将优化导叶开度值下发给调速器来控制水泵水轮机的导叶开度，使导叶开度最佳。全功率变流器实现机组功率与当前总功率命令信号相适应，转速指令信号与机组实际转速与相比较作用于调节器，调节器控制电动机使机组转速适应于转速指令信号。
73.请参照图5，图5为本技术实施例提供的电子设备的一种示意性结构框图。电子设备包括存储器101、处理器102和通信接口103，该存储器101、处理器102和通信接口103相互之间直接或间接地电性连接，以实现数据的传输或交互。例如，这些元件相互之间可通过一条或多条通讯总线或信号线实现电性连接。存储器101可用于存储软件程序及模块，处理器102通过执行存储在存储器101内的软件程序及模块，从而执行各种功能应用以及数据处理。该通信接口103可用于与其他节点设备进行信令或数据的通信。
74.其中，存储器101可以是但不限于，随机存取存储器(random access memory，
ram)，只读存储器(read only memory，rom)，可编程只读存储器(programmable read-only memory，prom)，可擦除只读存储器(erasable programmable read-only memory，eprom)，电可擦除只读存储器(electric erasable programmable read-only memory，eeprom)等。
75.处理器102可以是一种集成电路芯片，具有信号处理能力。该处理器102可以是通用处理器，包括中央处理器(central processing unit，cpu)、网络处理器(network processor，np)等；还可以是数字信号处理器(digital signal processing，dsp)、专用集成电路(application specific integrated circuit，asic)、现场可编程门阵列(field－programmable gate array，fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。
76.可以理解，图5所示的结构仅为示意，电子设备还可包括比图5中所示更多或者更少的组件，或者具有与图5所示不同的配置。图5中所示的各组件可以采用硬件、软件或其组合实现。
77.在本技术所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本技术的多个实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
78.另外，在本技术各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。
79.所述功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本技术的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本技术各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
80.以上所述仅为本技术的优选实施例而已，并不用于限制本技术，对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。
81.对于本领域技术人员而言，显然本技术不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本技术的精神或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本技术。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本技术的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本技术内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。