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CN111969909B - 一种变速水轮发电机组励磁电流频率控制方法 - Google Patents

一种变速水轮发电机组励磁电流频率控制方法 Download PDF

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CN111969909B
CN111969909B CN202010847548.5A CN202010847548A CN111969909B CN 111969909 B CN111969909 B CN 111969909B CN 202010847548 A CN202010847548 A CN 202010847548A CN 111969909 B CN111969909 B CN 111969909B
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张灵锋
彭潜
杨依东
何萍花
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Huaihua Hydro Electric Design Institute
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Abstract

本发明公开一种变速水轮发电机组励磁电流频率控制方法，涉及水力发电技术领域，包括以下步骤：收集信息，所述信息内容包括：水轮机的水力矩和水流量；导叶调节器的导叶开度；引水系统的水压力；转速调节器的水轮机转子频率；变速恒频发电机的定子输出有功功率，定子输出无功功率和转差率；将所述收集信息传输至系统中进行处理，处理后的数据发送至励磁调节器控制变速恒频发电机，实现了励磁电流的频率不影响发电机有功功率和无功功率的输出，励磁电流频率、有功功率和无功功率的解耦控制。

Description

一种变速水轮发电机组励磁电流频率控制方法
技术领域
本发明属于水力发电技术领域，具体的说是一种变速水轮发电机组励磁电流频率控制方法。
背景技术
水力发电是我国主要的发电形式之一，具有清洁发电、调节快速等特点。随着可再生能源的发展，高渗透率波动性新能源发电接入给电网运行和电能输送带来严重问题，抽水蓄能电站作为一种特殊的水力发电能够有效平抑新能源发电的波动性，提高新能发电能力和电网输送能力，因此抽水蓄能电站相关技术的研究和突破得到了广泛的关注。在水头变化大、泥沙含量高的水电站或抽水蓄能电站为了实现运行效率最大化需要水轮机转速可调。然而，水轮机的转速受同步发电机恒定转速限制，在电站设计阶段便给定了，该水轮机转速是考虑多种极端条件的平均转速。在水头或泥沙含量超出参考值时，电站运行效率降低。
发明内容
为了弥补现有技术的不足，以解决背景技术所描述的问题，本发明提出了一种变速水轮发电机组励磁电流频率控制方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种变速水轮发电机组励磁电流频率控制方法，包括以下步骤：
收集信息，所述信息内容包括：
水轮机的水力矩mt和水流量q；导叶调节器的导叶开度μ；引水系统的水压力h；转速调节器的水轮机转子频率f；变速恒频发电机的定子输出有功功率Ps，定子输出无功功率Qs和转差率s；
将所述收集信息传输至系统中进行处理，处理后的数据发送至励磁调节器控制变速恒频发电机。
优选的，所述系统中的处理方法包括以下步骤：
S1、构建水轮机的数学描述，构建引水系统数学描述，构建导叶调节器的数学描述；
S2、通过所述S1,构建得到变速恒频发电机在d-q坐标下的数学描述；
S3、再将整个含变速恒频发电机的水轮发电机组在同步坐标系下利用小信号增量法表示状态方程；
S4、将上述状态方程引入两个变量，构建建立变速恒频发电机的水轮发电机组的处理方法模型。
优选的，所述水轮机的数学描述为：
Figure GDA0003959329980000021
式中mt为水力矩；eμ、eqμ、eh、eqh、ef、eqf为水轮机的传递系数；μ为导叶开度；h为水压力；f为水轮机转子频率；q为流量。
优选的，所述引水系统的数学描述为：
Figure GDA0003959329980000022
式中Tω为水流惯性时间常数；S为拉氏变换因子。
优选的，导叶调节器的数学描述为：
Figure GDA0003959329980000023
式中μ为导叶开度；Uω为导叶控制量；Ty为接力器缓冲时间常数。
优选的，所述变速恒频发电机在d-q坐标下的数学描述为：
Figure GDA0003959329980000031
式中：
Figure GDA0003959329980000032
式中：
Rs为变速恒频发电机定子电阻；
Xs为变速恒频发电机转子全电抗；
Xω为变速恒频发电机外接等效电抗；
ω1是变速恒频发电机同步角速度；
p是微分算子；
Xm为变速恒频发电机定子和转子间互抗；
s是变速恒频发电机当前运行状态的转差率；
Xr为变速恒频发电机转子全电抗；
Rr为变速恒频发电机转子电阻。
优选的，所述变速恒频发电机的水轮发电机组在同步坐标系下利用小信号增量法表示的状态方程:
Figure GDA0003959329980000041
式中：
ΔP是变速恒频发电机当前运行状态的输出有功功率增量；
ΔQ是变速恒频发电机当前运行状态的输出无功功率增量；
Δfm是变速恒频发电机当前运行状态的励磁电流频率增量；
ΔPm是变速恒频发电机当前运行状态的输入机械功率增量；
Δμ是变速恒频发电机当前运行状态的导叶开度增量；
Δurd是变速恒频发电机当前运行状态的励磁电压在同步轴系d轴分量增量；
Δurq是变速恒频发电机当前运行状态的励磁电压在同步轴系q轴分量增量；
ΔUω是变速恒频发电机当前运行状态的导叶控制量增量；
A是变速恒频发电机当前运行状态的系数矩阵，可由下式确定；
Figure GDA0003959329980000042
式中，参数Tf'由公式Tf'＝(Xr-Xm 2/(Xs+Xω))/Rr确定，
式中：
Rr为变速恒频发电机转子电阻；
Xr为变速恒频发电机转子全电抗；
Xm为变速恒频发电机定子和转子间互抗；
Xs为变速恒频发电机转子全电抗；
Xω为变速恒频发电机外接等效电抗；
参数s0是变速恒频发电机当前运行状态的转差率；
参数Xs'由公式Xs'＝Xs+Xω-(Xm 2/Xr)确定，式中：
Xs为变速恒频发电机转子全电抗；
Xω为变速恒频发电机外接等效电抗；
Xm为变速恒频发电机定子和转子间互抗；
Xr为变速恒频发电机转子全电抗；
参数Q0是变速恒频发电机当前运行状态的输出无功功率；
参数P0是变速恒频发电机当前运行状态的输出有功功率；
参数JH由公式JH＝Np 2Pb/(Jω1 2)确定，式中：
Np是变速恒频发电机极对数；
Pb是变速恒频发电机额定有功功率；
J是变速恒频发电机转子转动惯量；
ω1是变速恒频发电机同步角速度；
参数Tω是水流惯性时间常数；
参数Ty为接力器缓冲时间常数；
B是变速恒频发电机当前运行状态的系数矩阵，可由下式确定；
Figure GDA0003959329980000061
式中：
参数Xa'由公式Xa'＝Xr(Xs+Xω)/Xm-Xm确定，式中：
Xr为变速恒频发电机转子全电抗；
Xs为变速恒频发电机转子全电抗；
Xω为变速恒频发电机外接等效电抗；
Xm为变速恒频发电机定子和转子间互抗；
参数Ty为接力器缓冲时间常数。
优选的，所述控制方法：
Figure GDA0003959329980000062
式中：
urd是变速恒频发电机励磁电压在同步轴系d轴分量控制量；
urq是变速恒频发电机励磁电压在同步轴系q轴分量控制量；
Uω是变速恒频发电机导叶控制量；
urd0是变速恒频发电机当前运行状态的励磁电压在同步轴系d轴分量；
urq0是变速恒频发电机当前运行状态的励磁电压在同步轴系q轴分量；
Uω0是变速恒频发电机当前运行状态的导叶控制量；
kp转子电压直轴分量urd对有功功率偏差影响参数；
ks转子电压直轴分量对励磁电流频率影响参数；
kip转子电压直轴分量对IDP影响参数；
kis转子电压直轴分量对IDfm影响参数；
kq转子电压交轴分量urq对有功功率偏差影响参数；
kpu导叶控制量对有功功率偏差影响参数；
ksu导叶控制量对励磁电流频率影响参数；
kipu导叶控制量对IDP影响参数；
kisu导叶控制量对IDfm影响参数
ΔP是变速恒频发电机当前运行状态的输出有功功率增量；
ΔQ是变速恒频发电机当前运行状态的输出无功功率增量；
Δfm是变速恒频发电机当前运行状态的励磁电流频率增量；
参数IDP和参数IDfm可由下式确定；
Figure GDA0003959329980000071
本发明的技术效果和优点：
1、通过变速恒频发电机是解决上述问题的有效方式，该发电机不同于同步发电机，能够在机端电压保持工频的条件下实现转速可调，在此基础上，根据不同工况条件转速最优值实时调节水轮机，发电机转速根据水轮机转速随动，不再制约水轮机转速，实现机组实时处于最高工作效率状态；提高了水能利用效率尤其是在水头波动大的水电厂；
2、由于本方法解除了水轮机转速限制，降低了机组机械振动损耗，尤其是泥沙含量高的水电厂。
附图说明
下面结合附图和实施方式对本发明进一步说明。
图1是本发明的流程图；
图2是本发明的建模步骤图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合实施方式，进一步阐述本发明。
如图1-2所示，本发明所述的一种变速水轮发电机组励磁电流频率控制方法，包括以下步骤：
收集信息，信息内容包括水轮机水力矩和水流量；导叶调节器的导叶控制量和导叶开度；引水系统的水压力；转速调节器的水轮机转子频率；
将所述收集信息传输至系统中进行处理，处理后的数据发送至励磁调节器控制变速恒频发电机；
所述系统中的控制方法模型构建包括以下步骤：
S1、构建所述水轮机的数学描述为：
Figure GDA0003959329980000081
其中mt为水力矩；eμ、eqμ、eh、eqh、ef、eqf为水轮机的传递系数；μ为导叶开度；h为水压力；f为水轮机转子频率；q为流量。
S2、构建引水系统数学描述；
Figure GDA0003959329980000091
其中Tω为水流惯性时间常数；s为拉氏变换因子。
S3、构建导叶调节器的数学描述；
Figure GDA0003959329980000092
其中μ为导叶开度；Uω为导叶控制量；Ty为接力器缓冲时间常数。
S4、构建变速恒频发电机在d-q坐标下的数学描述；
Figure GDA0003959329980000093
其中：
Figure GDA0003959329980000094
其中XΣ＝Xs+Xω：Rs、Rr为定、转子电阻；Xm为定、转子互抗；Xω为外电抗；Xs、Xr为定、转子全电抗，ω1、ωr为同步角速度和转子角速度；s为转差率；p为微分算子；J为转子惯量；TL为原动机输出转矩、Te为电磁转矩；Np为电机极对数。P0、Q0、s0为当前运行状态时的有功、无功和转差率；JH＝Np2Pb/(Jω12)，Pb为电机有功功率基值；Tf'＝Xf'/Rr；Xf'＝Xr-Xm2/XΣ；Xs'＝XΣ-Xm2/Xr；Xd'＝XrXΣ/Xm-Xm；Δurd、Δurq分别是当前运行状态时励磁电压在同步轴系d、q轴分量的增量；ΔPm则是当前运行状态的输入机械功率的增量；fm为励磁电流频率。
S5、整个含变速恒频发电机的水轮发电机组在同步坐标系下利用小信号增量法表示的状态方程；
Figure GDA0003959329980000101
其中，
Figure GDA0003959329980000102
Figure GDA0003959329980000103
其中Tω为水流惯性时间常数；Ty为接力器缓冲时间常数；
S6、得到变速恒频发电机的水轮发电机组的控制方法模型：
Figure GDA0003959329980000111
其中：
Figure GDA0003959329980000112
其中kp转子电压直轴分量urd对有功功率偏差影响参数；
ks转子电压直轴分量对励磁电流频率影响参数；
kip转子电压直轴分量对IDP影响参数；
kis转子电压直轴分量对IDs影响参数；
kq转子电压交轴分量urq对有功功率偏差影响参数；
kpu导叶控制量对有功功率偏差影响参数；
ksu导叶控制量对励磁电流频率影响参数；
kipu导叶控制量对IDP影响参数；
kisu导叶控制量对IDfm影响参数。
本发明提出了一种变速水轮发电机组励磁电流频率控制方法。首先通过公式1-5中的数学模型建立了公式6的状态方程，在该状态方程中状态变量：ΔP、ΔQ、Δfm根据当前变速恒频发电机运行状态是实时更新的，将上述3个状态变量和人为设定的IDP和IDfm两个变量共计5个状态变量作为本控制方法的反馈量，经过参数系数调整，并与当前控制量：urd0、urq0、Uω0求和后作为新的控制量urd、urq、Uω控制变速水轮发电机组励磁电流(见公式9)，从而实现对变速水轮发电机组励磁电流频率有效控制。
由于本控制方法不但将Δfm及其构造的IDfm作为反馈量而且将ΔP及其构造的IDP和ΔQ也作为反馈量，因此在控制变速水轮发电机组的励磁电流频率同时变速水轮发电机组的有功功率和无功功率输出也得到了控制，解决了以下技术问题：
调节励磁电流的频率不影响发电机有功功率和无功功率的输出，实现了励磁电流频率、有功功率和无功功率的解耦控制。
由于本方法实现了励磁电流频率可调，因此实现了发电机转子转速可受水轮机调速控制，因此本发明的应用价值在于：
1)由于本方法通过调节励磁电流频率解除了水轮机转速限制，提高了水能利用效率尤其是在水头变化大的水电厂；
2)由于本方法通过调节励磁电流频率解除了水轮机转速限制，降低了机组机械振动损耗，尤其是泥沙含量高的水电厂。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种变速水轮发电机组励磁电流频率控制方法，包括以下步骤：
收集信息，所述信息内容包括：
水轮机的水力矩mt和水流量q；导叶调节器的导叶开度μ；引水系统的水压力h；转速调节器的水轮机转子频率f；变速恒频发电机的定子输出有功功率Ps，定子输出无功功率Qs和转差率s；
将所述收集信息传输至系统中进行处理，处理后的数据发送至励磁调节器控制变速恒频发电机；
所述系统中的处理方法包括以下步骤：
S1、构建水轮机的数学描述，构建引水系统数学描述，构建导叶调节器的数学描述；
S2、通过所述S1,构建得到变速恒频发电机在d-q坐标下的数学描述；
S3、再将整个含变速恒频发电机的水轮发电机组在同步坐标系下利用小信号增量法表示状态方程；
S4、将上述状态方程引入两个变量，构建建立变速恒频发电机的水轮发电机组的处理方法模型；
步骤S4具体为：
所述控制方法：
Figure QLYQS_1
式中：
urd是变速恒频发电机励磁电压在同步轴系d轴分量控制量；
urq是变速恒频发电机励磁电压在同步轴系q轴分量控制量；
Uω是变速恒频发电机导叶控制量；
urd0是变速恒频发电机当前运行状态的励磁电压在同步轴系d轴分量；
urq0是变速恒频发电机当前运行状态的励磁电压在同步轴系q轴分量；
Uω0是变速恒频发电机当前运行状态的导叶控制量；
kp转子电压直轴分量urd对有功功率偏差影响参数；
ks转子电压直轴分量对励磁电流频率影响参数；
kip转子电压直轴分量对IDP影响参数；
kis转子电压直轴分量对IDfm影响参数；
kq转子电压交轴分量urq对有功功率偏差影响参数；
kpu导叶控制量对有功功率偏差影响参数；
ksu导叶控制量对励磁电流频率影响参数；
kipu导叶控制量对IDP影响参数；
kisu导叶控制量对IDfm影响参数
ΔP是变速恒频发电机当前运行状态的输出有功功率增量；
ΔQ是变速恒频发电机当前运行状态的输出无功功率增量；
Δfm是变速恒频发电机当前运行状态的励磁电流频率增量；
参数IDP和参数IDfm可由下式确定；
Figure QLYQS_2
2.根据权利要求1所述的变速水轮发电机组励磁电流频率控制方法，其特征在于：所述水轮机的数学描述为：
Figure QLYQS_3
式中mt为水力矩；eμ、eqμ、eh、eqh、ef、eqf为水轮机的传递系数；μ为导叶开度；h为水压力；f为水轮机转子频率；q为流量。
3.根据权利要求2所述的变速水轮发电机组励磁电流频率控制方法，其特征在于：所述引水系统的数学描述为：
Figure QLYQS_4
式中Tω为水流惯性时间常数；S为拉氏变换因子。
4.根据权利要求3所述的变速水轮发电机组励磁电流频率控制方法，其特征在于：导叶调节器的数学描述为：
Figure QLYQS_5
式中μ为导叶开度；Uω为导叶控制量；Ty为接力器缓冲时间常数。
5.根据权利要求4所述的变速水轮发电机组励磁电流频率控制方法，其特征在于：所述变速恒频发电机在d-q坐标下的数学描述为：
Figure QLYQS_6
式中：
Figure QLYQS_7
式中：
Rs为变速恒频发电机定子电阻；
Xs为变速恒频发电机转子全电抗；
Xω为变速恒频发电机外接等效电抗；
ω1是变速恒频发电机同步角速度；
p是微分算子；
Xm为变速恒频发电机定子和转子间互抗；
s是变速恒频发电机当前运行状态的转差率；
Xr为变速恒频发电机转子全电抗；
Rr为变速恒频发电机转子电阻。
6.根据权利要求5所述的变速水轮发电机组励磁电流频率控制方法，其特征在于：所述变速恒频发电机的水轮发电机组在同步坐标系下利用小信号增量法表示的状态方程:
Figure QLYQS_8
式中：
ΔP是变速恒频发电机当前运行状态的输出有功功率增量；
ΔQ是变速恒频发电机当前运行状态的输出无功功率增量；
Δfm是变速恒频发电机当前运行状态的励磁电流频率增量；
ΔPm是变速恒频发电机当前运行状态的输入机械功率增量；
Δμ是变速恒频发电机当前运行状态的导叶开度增量；
Δurd是变速恒频发电机当前运行状态的励磁电压在同步轴系d轴分量增量；
Δurq是变速恒频发电机当前运行状态的励磁电压在同步轴系q轴分量增量；
ΔUω是变速恒频发电机当前运行状态的导叶控制量增量；
A是变速恒频发电机当前运行状态的系数矩阵，可由下式确定；
Figure QLYQS_9
式中，参数Tf'由公式Tf'＝(Xr-Xm 2/(Xs+Xω))/Rr确定，
式中：
Rr为变速恒频发电机转子电阻；
Xr为变速恒频发电机转子全电抗；
Xm为变速恒频发电机定子和转子间互抗；
Xs为变速恒频发电机转子全电抗；
Xω为变速恒频发电机外接等效电抗；
参数s0是变速恒频发电机当前运行状态的转差率；
参数Xs'由公式Xs'＝Xs+Xω-(Xm 2/Xr)确定，式中：
Xs为变速恒频发电机转子全电抗；
Xω为变速恒频发电机外接等效电抗；
Xm为变速恒频发电机定子和转子间互抗；
Xr为变速恒频发电机转子全电抗；
参数Q0是变速恒频发电机当前运行状态的输出无功功率；
参数P0是变速恒频发电机当前运行状态的输出有功功率；
参数JH由公式JH＝Np 2Pb/(Jω1 2)确定，式中：
Np是变速恒频发电机极对数；
Pb是变速恒频发电机额定有功功率；
J是变速恒频发电机转子转动惯量；
ω1是变速恒频发电机同步角速度；
参数Tω是水流惯性时间常数；
参数Ty为接力器缓冲时间常数；
B是变速恒频发电机当前运行状态的系数矩阵，可由下式确定；
Figure QLYQS_10
式中：
参数Xa'由公式Xa'＝Xr(Xs+Xω)/Xm-Xm确定，式中：
Xr为变速恒频发电机转子全电抗；
Xs为变速恒频发电机转子全电抗；
Xω为变速恒频发电机外接等效电抗；
Xm为变速恒频发电机定子和转子间互抗；
参数Ty为接力器缓冲时间常数。
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