可变速抽水蓄能电站的建模与控制

发布时间：2020-05-08 22:16

【摘要】：随着电力负荷波动性的不断增加,电力市场交易的放开,以及可再生能源在世界范围内日益广泛。电力系统对控制的灵活性提出越来越高的要求。可变速抽水蓄能系统的推广与应用可在解决上述问题中发挥作用。抽水蓄能机组并网具有诸多优势,可协调峰谷负荷、减少负荷不均,改善稳定性控制,提高新能源的渗透率,提高—次频率和交流调压能力。本文将对可变速抽水蓄能机组的建模、仿真、控制和应用进行研究。抽水蓄能系统将电网互联电能在非高峰时段转换为水力势能(价格较低的电能),然后在高峰时段转换回水力势能(价格较高的电能)。在异步电机、双馈感应电机和永磁同步电机的应用中,可以实现Variable Speed Pumped Storage(VSPS)控制,从而实现对电机的变频调速控制。然而,由于其方便的特点,Doubly-Fed Induction Machine(DFIM)得到了广泛的应用。对于变换器,即使在VSPS实现中已经应用了交交变频器,直流链变换器由于其优越的特性,特别是本文所用的三电平电压源变换器Voltage Sourced Converter(VSC)类型,也具有广泛的应用前景。VSC使DFIM的操作更加灵活多样。系统中电力电子器件的建模与仿真大多采用离散化方法,该方法对变流器进行详细表示,需要在—个小的时间尺度内进行离散化,然而,由于计算时间和数据存储的局限性,该方法在大型电力系统仿真中及其复杂,此外,它不适合研究大型电力系统的暂态稳定性。在含有可变速抽水蓄能系统的大型电力系统仿真中需要准确、有效和快速的技术,相量模型仿真的提出是解决该问题的一种途径,该方法可应用于电网暂态稳定性以及任意线性系统分析研究,在仿真和控制方面具有明显优势。基于相量模型技术,在MATLAB/Simulink平台上搭建含有水轮机以及三电平变流器的仿真系统。经验证,可变速抽水蓄能系统的相量模型仿真结果与详细模型一样,具有良好的精度,可对系统的暂态变化过程进行准确描述。矢量控制在交流电机控制中得到了广泛的应用,该方法将三相交流电机的定子电流转化为为两个正交分量,并用矢量进行可视化,本文控制策略在dq-变换技术的基础上进行设计。换流器分别用于控制有功功率和无功功率,从而将频率和交流电压保持为额定值。然而,本文面临的主要挑战是由相量模型技术所引起的电网频率精度较低得问题,这是由于频率与功率控制类似,然而电网频率是开环的,且忽略了锁相环的影响。基于此,本文提出了一种下垂矢量控制方法,并将其应用于可变速抽水蓄能机组的有功功率控制回路。此外,交流电压下垂控制还可实现无功控制,以在紧急情况下支持交流电压调节。对可变速抽水蓄能机组进行频谱分析以验证所提出的控制策略的响应速度。仿真结果表明,该控制策略对动态干扰和稳态性能有较好的控制效果,在应急情况下,有下垂控制和无下垂控制的矢量控制有显著差异。当电网发生功率波动时,频谱带宽可满足快速响应的要求。本文对可变速抽水蓄能机组在稳定控制、风电功率平滑控制、电网频率和交流电压控制等方面的应用进行了验证和研究。建立含有300MW/18kV可变速抽水蓄能机组、两个水电站和一个柴油发电厂组成的电网(且含有同步发电机、一个风电场和负荷),进行实例研究。算例分析结果表明,在电压、频率和有功功率的稳定控制方面,可变速抽水蓄能机组具有良好性能,即使当水电站失去一台发电机时,可变速抽水蓄能机组仍能避免电网频率崩溃;通过对风电场的实例研究,可变速抽水蓄能机组可实现精确稳定的功率控制,可变速抽水蓄能机组能够有效地补偿风电场的功率波动,平滑电网功率变化;此外,还验证了通过可变速抽水蓄能机组可以实现频率和交流电压的精确控制。总而言之,相量模型仿真对于含有可变速抽水蓄能机组的大型电网的分析和控制设计是非常有效的。在基于双馈式可变速抽水蓄能机组中实施频谱分析和下垂矢量控制策略是实现稳定控制、平滑风电波动和其他间歇性可再生能源的一个很好的解决方案,且可实现异常扰动时的电网频率和交流电压控制。
【学位授予单位】：华北电力大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TV743

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