双馈变速抽水蓄能机组转速超限抑制与保护方法.pdf

1、(19)国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202310685342.0(22)申请日 2023.06.09(71)申请人 西安理工大学地址 710048 陕西省西安市碑林区金花南路5号(72)发明人 南海鹏高春阳范国梁余向阳吴罗长郭鹏程罗兴锜(74)专利代理机构 西安弘理专利事务所 61214专利代理师 王丹(51)Int.Cl.H02P 9/00(2006.01)H02H 7/06(2006.01)H02P 101/10(2015.01)(54)发明名称双馈变速抽水蓄能机组转速超限抑制与保护方法(57)摘要本发明公开了双馈变速抽水蓄能机

2、组转速超限抑制与保护方法，将转速超限抑制与转速超限保护方法有机结合，利用限制功率参考值变化速率的方法，使其小于导叶开度变化速率，减小水泵水轮机出力与发电机有功功率的差值，以抑制机组转速的变化速率，实现转速超限抑制；利用包含人工死区的转速限制环节，当机组转速越限时，采用比例控制将机组转速限制在转速的上、下限以内，实现转速超限保护。转速上、下限是根据转子侧有功功率与变流器容量的关系得到，可以跟随工况点而实时变化。本发明在保证转子侧变流器安全运行的同时，克服了调节过程中机组有功功率较大波动，减小其对电网稳定性的不利影响，增强电力系统的稳定性。权利要求书2页 说明书5页 附图3页CN 11661402

3、6 A2023.08.18CN 116614026 A1.变速抽水蓄能机组转速超限抑制与保护方法，其特征在于，在常规的双馈变速抽水蓄能机组有功功率调节部分，引入功率参考值变化速率限制和转速限制环节；利用功率参考值变化速率限制环节减小水泵水轮机出力与发电机有功功率的差值，限制转速变化速率，抑制机组转子侧功率超限；利用包含人工死区的转速限制环节将机组转速限制在转速的上、下限以内，实现转子侧功率超限保护；将限制变化速率后的功率参考值与转速限制环节输出信号叠加，再与有功功率反馈比较得到功率偏差，作为功率调节器的总输入。2.根据权利要求1所述的双馈变速抽水蓄能机组转速超限抑制与保护方法，其特征在于，具体

4、操作步骤如下：步骤1，获取双馈变速抽水蓄能机组导叶开度最大变化速率，基于导叶开度变化速率设置功率参考值变化速率；步骤2，根据水泵水轮机运行特性，得到转子侧有功功率Pr与总有功功率P和转速r的关系，使得转子侧有功小于变流器容量Pc，得到不同工况点对应的转速上、下限；步骤3，在动态调节过程中，实时测量总有功信号，得到跟随有功功率实时变化的转速上、下限作为人工死区环节上、下限，将转速反馈与上、下限进行比较，得到转速偏差；步骤4，将步骤3中得到的转速偏差值经过比例控制，得到转速限制环节的输出信号PPB，叠加限制变化速率后的功率参考值Pref，与功率反馈P比较得到功率偏差，作为功率调节器的输入。3.根据

5、权利要求2所述的双馈变速抽水蓄能机组转速超限抑制与保护方法，其特征在于，步骤1中需要设置功率参考值变化速率略小于导叶开度变化速率，设置功率参考值变化速率为导叶开度变化速率的0.30.5倍。4.根据权利要求2所述的双馈变速抽水蓄能机组转速超限抑制与保护方法，其特征在于，步骤3中，转速上、下限的设置原则是根据水泵水轮机运行特性，首先得到转子侧有功功率Pr与总有功功率P和转速r的关系，其次使得转子侧有功功率小于变流器容量Pc，最终根据PrPc的关系式，可以得到不同工况点分别对应的的转速上、下限，作为人工死区环节的上、下限。5.根据权利要求4所述的双馈变速抽水蓄能机组转速超限抑制与保护方法，其特征在于

6、，转速限制环节中，转速上、下限将跟随实时有功功率而变化，转速上、下限与有功功率的关系式为：式(2)中，s代表同步转速。6.根据权利要求2所述的双馈变速抽水蓄能机组转速超限抑制与保护方法，其特征在于，步骤4中转速限制环节输出信号表达式为：权利要求书1/2 页2CN 116614026 A2式(3)中，KPB代表比例系数。权利要求书2/2 页3CN 116614026 A3双馈变速抽水蓄能机组转速超限抑制与保护方法技术领域0001本发明属于抽水蓄能机组控制方法技术领域，具体涉及双馈变速抽水蓄能机组转速超限抑制与保护方法。背景技术0002抽水蓄能是目前电力系统中最成熟、最经济和最具规模化发展条件的灵

7、活性电源，抽水蓄能机组变速运行时稳定性好、效率高、调节速度快，拥有较大的调节容量和良好的调节品质与经济效益，可以有效解决新能源消纳问题，有助于能源转型，提高电网稳定性。0003由于变流器成本较高，目前首选的变速型式是采用双馈电机的双馈变速抽水蓄能，变流器容量一般依据转速变化范围而选取，转速变化范围越大，变流器成本越高。在采用功率主控法的双馈变速抽水蓄能机组中，功率调节为电磁暂态过程速度较快，转速通过导叶调节速度较慢，需要调节转速利用转子动能弥补水泵水轮机出力与发电机有功功率的差值，因此可能在功率快速调节过程中出现因为转速的快速、大范围变化导致转子侧功率超出变流器容量，进而损坏变流器并扰乱机组正

8、常运行。0004为解决上述问题，传统的转速回拉方法通过限制转速在动态调节过程中的变化范围以避免转子侧有功超限，虽然该方法可保证转子侧功率不超出变流器容量限制，但是总有功会出现较大的波动，降低了功率调节性能。本发明提出将限制功率参考值变化速率与转速限制方法结合，采用限制功率参考值变化速率的方法减小水泵水轮机出力与发电机有功功率的差值，限制转速变化速率，抑制机组转子侧功率超限；采用转速限制环节将机组转速限制在转速的上、下限以内，进一步确保变流器安全运行。两方法协同控制，不仅可以保障转子侧变流器安全稳定运行，还可以克服仅限制转速变化范围时在调节过程中机组有功功率波动较大的问题，提高功率调节稳定性，减

9、小对电网稳定性的不利影响。发明内容0005本发明目的在于提供双馈变速抽水蓄能机组转速超限抑制与保护方法，该方法可保证转子侧变流器安全稳定运行，克服在调节过程中机组有功功率波动较大的问题，减小对电网稳定性的不利影响。0006本发明所采用的技术方案是：双馈变速抽水蓄能机组转速超限抑制与保护方法，在常规的双馈变速抽水蓄能机组有功功率调节部分，引入功率参考值变化速率限制和转速限制环节；利用功率参考值变化速率限制环节减小水泵水轮机出力与发电机有功功率的差值，限制转速变化速率，抑制机组转子侧功率超限；利用转速限制环节将机组转速限制在转速的上、下限以内，实现转子侧功率超限保护；将限制变化速率后的功率参考值与

10、转速限制环节输出信号叠加，再与有功功率反馈比较得到功率偏差，作为功率调节器的总输入。此时，在水泵水轮机侧采用传统的控制，即最优转速发生器根据功率参考值Pref和实时水头H得到最优转速，转速控制系统根据最优转速opt和实时转速r的差值控制导叶开度Y，从说明书1/5 页4CN 116614026 A4而调节水泵水轮机的出力。0007本发明的特点还在于，0008双馈变速抽水蓄能机组转速超限抑制与保护方法，具体操作步骤如下：0009步骤1，获取双馈变速抽水蓄能机组导叶开度最大变化速率，基于导叶开度变化速率设置功率参考值变化速率；0010步骤2，根据水泵水轮机运行特性，得到转子侧有功功率Pr与总有功功率

11、P和转速r的关系，使得转子侧有功小于变流器容量Pc，得到不同工况点对应的转速上、下限；0011步骤3，在动态调节过程中，实时测量总有功信号，得到跟随有功功率实时变化的转速上、下限作为人工死区环节上、下限，将转速反馈与上、下限进行比较，得到转速偏差；0012步骤4，将步骤3中得到的转速偏差值经过比例控制，得到转速限制环节的输出信号PPB，叠加限制变化速率后的功率参考值Pref，与功率反馈P比较得到功率偏差，作为功率调节器的输入。0013本发明的特点还在于，0014步骤1中需要设置功率参考值变化速率略小于导叶开度变化速率，功率参考值变化速率可设置为导叶开度变化速率的0.30.5倍。0015步骤2中

12、转子侧有功表达式为：00160017式(1)中，s代表同步转速。0018步骤3中，转速上、下限的设置原则是根据水泵水轮机运行特性，首先得到转子侧有功功率Pr与总有功功率P和转速r的关系，其次使得转子侧有功功率小于变流器容量Pc，最终根据PrPc的关系式，可以得到不同工况点分别对应的的转速上、下限，作为人工死区环节的上、下限。0019转速限制环节中，转速上、下限将跟随实时有功功率而变化，转速上、下限与有功功率的关系式为：00200021式(2)中，s代表同步转速。0022步骤4中转速限制环节输出信号表达式为：00230024式(3)中，KPB代表比例系数。0025本发明的有益效果是：本发明双馈变

13、速抽水蓄能机组转速超限抑制与保护方法，说明书2/5 页5CN 116614026 A5通过限制功率参考值的变化速率，减小水泵水轮机出力与发电机有功功率的差值，限制转速的变化速率，抑制机组转子侧功率超限；利用转速限制环节，将机组转速限制在转速的上、下限以内，进一步确保变流器安全运行。在保证转子侧变流器安全运行的同时，克服了调节过程中机组有功功率较大波动，减小其对电网稳定性的不利影响，增强电力系统的稳定性。附图说明0026图1是本发明双馈变速抽水蓄能机组转速超限抑制与保护方法的控制框图；0027图2是本发明双馈变速抽水蓄能机组转速超限抑制与保护方法的转速限制控制框图；0028图3是本发明双馈变速抽

14、水蓄能机组转速超限抑制与保护方法与传统的转速回拉方法转子侧有功对比图；0029图4是本发明双馈变速抽水蓄能机组转速超限抑制与保护方法与传统的转速回拉方法转速对比图；0030图5是本发明双馈变速抽水蓄能机组转速超限抑制与保护方法与传统的转速回拉方法总有功对比图。具体实施方式0031下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明，以使本发明的优点和特征更易于被本领域技术人员理解。0032实施例10033本发明提出的双馈变速抽水蓄能机组转速超限抑制与保护方法，如图1所示，其中转速限制环节框图如图2所示。在常规的双馈变速抽水蓄能机组有功功率调节部分，引入功率参考值变化速率限制和转速限制环节。利用功率参考

15、值变化速率限制环节减小水泵水轮机出力与发电机有功功率的差值，限制转速变化速率，抑制机组转子侧功率超限；利用转速限制环节将机组转速限制在转速的上、下限以内，进一步确保变流器安全运行。将限制变化速率后的功率参考值与转速限制环节输出信号叠加，再与有功功率反馈比较得到功率偏差，作为功率调节器的总输入。此时，在水泵水轮机侧采用传统的控制，即最优转速发生器根据功率参考值Pref和实时水头H得到最优转速，转速控制系统根据最优转速opt和实时转速r的差值控制导叶开度Y，从而调节水泵水轮机的出力。0034实施例20035本发明双馈变速抽水蓄能机组转速超限抑制与保护方法，具体操作步骤如下：0036步骤1，获取双馈

16、变速抽水蓄能机组导叶开度最大变化速率，基于导叶开度变化速率设置功率参考值变化速率；0037步骤1中需要设置功率参考值变化速率略小于导叶开度变化速率，一般可以设置为导叶开度变化速率的0.30.5倍。0038步骤2，根据水泵水轮机运行特性，得到转子侧有功Pr与总有功P和转速r的关系，使得转子侧有功小于变流器容量Pc，得到不同工况点对应的的转速上、下限；0039步骤2中转子侧有功表达式为：说明书3/5 页6CN 116614026 A600400041式(1)中，s代表同步转速。0042通过计算不等式可以得到转速上、下限的表达式。0043步骤3，如图2所示，在动态调节过程中，实时测量总有功信号，得到

17、跟随有功功率实时变化的转速上、下限作为人工死区环节上、下限，将转速反馈与上、下限进行比较，得到转速偏差；0044转速上、下限将跟随工况点而实时变化，转速上、下限与有功功率的关系式为：00450046式(2)中，s代表同步转速。0047步骤4，将步骤3中得到的转速偏差值经过比例控制，得到转速限制环节的输出信号PPB，叠加限制变化速率后的功率参考值Pref，与功率反馈P比较得到功率偏差，作为功率调节器的输入。0048步骤4中转速限制环节输出信号表达式为：00490050式(3)中，KPB代表比例系数。0051实施例30052以某实际抽水蓄能电站为例，根据电站基本参数和选型数据，令Pr变流器容量Pc

18、，得到转速上、下限与总有功的关系。在功率调节过程中，令功率参考值由0.7pu变化至0.8pu，将转速与上、下限进行比较，得到的转速偏差经过比例环节得到转速限制环节输出信号。0053另一方面，基于机组导叶开度变化速率，限制功率参考值变化速率小于导叶开度变化速率，对转速变化速率进行限制。将限制变化速率后的功率参考值、转速限制环节输出和有功功率反馈共同作为功率调节器的输入。0054传统的转速回拉方法主要通过在动态过程中设置转速回拉环节实现，对比本发明方法以及传统的转速回拉方法，转子侧有功功率对比图如图3所示，转速对比图如图4所示，总有功对比图如图5所示。0055图3中黑色点划线代表变流器容量限制，根

19、据图3可以看出，本发明方法与传统的转速回拉方法均可以避免转子侧有功超出变流器容量限制，根据图4可以看出，相比传统的转速回拉方法，本发明方法中转速变化速率和变化范围均有所减小。0056图5中AB段，功率参考值变化速率限制环节起作用，减小水泵水轮机出力与发电机说明书4/5 页7CN 116614026 A7有功功率的差值，抑制转速变化速率和变化范围，而在转速超出转速限制环节中的设置下限后，转速限制环节在BC段起作用，进一步限制转速变化范围。根据图5可以看出，相比传统的转速回拉方法，本发明方法中总有功在调节过程中的波动明显减小，降低了对功率调节性能的不利影响，减小对电网稳定性的不利影响。说明书5/5 页8CN 116614026 A8图1图2说明书附图1/3 页9CN 116614026 A9图3图4说明书附图2/3 页10CN 116614026 A10图5说明书附图3/3 页11CN 116614026 A11