史華勃,王渝紅,滕予非,陳 剛,孫昕煒,丁理杰
(1. 四川大學(xué)電氣工程學(xué)院,四川省成都市 610065;2. 四川蜀能電力有限公司高新分公司,四川省成都市 610041;3. 國網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院,四川省成都市 610041)
隨著風(fēng)電、光伏等可再生能源滲透率的逐漸提高,功率波動、頻率調(diào)節(jié)等問題日漸凸顯。變速抽水蓄能機(jī)組具有功率雙向調(diào)節(jié)能力,可為解決此類問題提供有效手段,因此得到了廣泛關(guān)注[1-2]。根據(jù)原理不同,變速抽水蓄能機(jī)組可分為雙饋式和全功率式2 種類型。雙饋式機(jī)組因其對變流器容量要求低以及具有快速功率調(diào)節(jié)性能,在大容量場合得到了廣泛研究和應(yīng)用[3-8]。受變流器成本制約,全功率變速抽水蓄能機(jī)組(variable-speed pumped storage unit with full-size converter,F(xiàn)SC-VSPSU)尚未得到深入研究和規(guī)模應(yīng)用。與雙饋式機(jī)組相比,F(xiàn)SCVSPSU 具有更為優(yōu)秀的調(diào)速和應(yīng)對故障擾動能力[9]。作為雙饋式抽水蓄能機(jī)組的補(bǔ)充,隨著全功率器件成本的降低,F(xiàn)SC-VSPSU 在中小容量場合將具有更廣闊的發(fā)展前景[10-11]。
對FSC-VSPSU 進(jìn)行精確的小信號建模,是小擾動穩(wěn)定分析的基礎(chǔ)。通常,經(jīng)典水輪機(jī)模型只能反映額定工況特性,不能反映抽水蓄能機(jī)組真實的運(yùn)行特性。文獻(xiàn)[7-8]建立了雙饋式抽水蓄能機(jī)組仿真模型,但未涉及小信號模型,也未探討水輪機(jī)模型。文獻(xiàn)[12]分析了水頭和機(jī)組負(fù)荷對超低頻振蕩的影響,但采用水輪機(jī)傳遞系數(shù)模型,存在系數(shù)多、參數(shù)非線性變化且不易獲取等問題。文獻(xiàn)[13-14]提出了各種非線性水輪機(jī)模型,但不利于小信號建模,實際系統(tǒng)也未完全按其進(jìn)行建模。文獻(xiàn)[15]建立了雙饋式抽水蓄能機(jī)組與直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)小信號模型,但其采用的水輪機(jī)模型仍是系數(shù)模型,不能滿足既能反映機(jī)組特性又能快速獲取參數(shù)的要求。文獻(xiàn)[16]研究了FSC-VSPSU 仿真模型,但未涉及水輪機(jī)詳細(xì)控制特性。文獻(xiàn)[17]提出了FSC-VSPSU 無功電流優(yōu)先控制策略,可滿足弱電網(wǎng)在故障期間對無功電壓的要求。文獻(xiàn)[18]驗證了抽水蓄能機(jī)組功率快速調(diào)節(jié)特性和電網(wǎng)頻率支撐能力。文獻(xiàn)[19]通過動模試驗驗證了抽水蓄能機(jī)組在啟動、抽水、發(fā)電等工況下的有效性。文獻(xiàn)[20]研究了抽水蓄能機(jī)組虛擬慣性控制策略。文獻(xiàn)[21]驗證了抽水蓄能機(jī)組參與并網(wǎng)光伏電站的功率波動調(diào)節(jié)的可行性。文獻(xiàn)[16-21]均未討論機(jī)組快速功率控制帶來的動態(tài)穩(wěn)定問題。在變流器建模方面,文獻(xiàn)[22-25]都進(jìn)行了相關(guān)研究,可為FSCVSPSU 變流器小信號建模提供參考。
針對FSC-VSPSU 發(fā)電狀態(tài),提出了更加適用于抽水蓄能機(jī)組特性分析的水輪機(jī)模型。對比了經(jīng)典模型、IEEE 推薦的水輪機(jī)模型以及本文提出的模型在額定工況和非額定工況下的機(jī)組頻率響應(yīng),驗證了所提出水輪機(jī)模型的正確性。結(jié)合發(fā)電機(jī)、勵磁系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)以及變流器模型,構(gòu)建了FSCVSPSU 小信號模型,并在PSCAD 仿真軟件中建立了相應(yīng)的電磁暫態(tài)仿真模型。采用MATLAB 軟件求解小信號模型在小擾動下的時域響應(yīng),與電磁暫態(tài)仿真模型的仿真結(jié)果進(jìn)行對比驗證了所提出抽水蓄能機(jī)組小信號模型的正確性。
FSC-VSPSU 結(jié)構(gòu)如附錄A 圖A1 所示,發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)通過變流器連接。其中發(fā)電機(jī)采用可變速同步發(fā)電機(jī),原動機(jī)采用可逆式水泵水輪機(jī)。在發(fā)電狀態(tài)下,機(jī)組勵磁系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)可采用與常規(guī)水電機(jī)組相同的控制系統(tǒng),只要適當(dāng)整定勵磁系統(tǒng)參數(shù),就可不配置電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(power system stabilizer,PSS)。
變流器采用電壓源型換流器(voltage source converter,VSC),以及如附錄B 圖B1 所示的典型dq解耦控制策略。在快速功率模式下,機(jī)側(cè)變流器控制有功功率,網(wǎng)側(cè)變流器控制直流電壓,調(diào)速器控制機(jī)組轉(zhuǎn)速或頻率。在調(diào)速系統(tǒng)頻率控制側(cè)可增加機(jī)組最優(yōu)轉(zhuǎn)速控制,提升機(jī)組效率。在變流器有功功率控制側(cè)可結(jié)合電網(wǎng)頻率控制指令、電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度指令等多種控制功能,提升機(jī)組對電網(wǎng)的友好性。由于發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)已經(jīng)具有良好的電壓控制能力,因此機(jī)側(cè)變流器采用零無功控制策略。為支撐電網(wǎng)電壓,網(wǎng)側(cè)變流器可采用定交流電壓或定無功功率控制。在快速功率控制模式下,能夠?qū)崿F(xiàn)有功功率階躍調(diào)節(jié),對電網(wǎng)功角、頻率支撐較好。本文對該控制模式進(jìn)行小信號建模。
在電網(wǎng)安全穩(wěn)定分析中,式(1)所示的水輪機(jī)經(jīng)典模型得到了廣泛應(yīng)用。
式中:s為拉普拉斯算子;ΔPm為水輪機(jī)輸出的機(jī)械功率偏差量;Δy為導(dǎo)葉開度偏差量;TwN為額定運(yùn)行點(diǎn)處水錘時間常數(shù);Ght0(s)為經(jīng)典水輪機(jī)傳遞函數(shù)。
當(dāng)機(jī)組在額定工況運(yùn)行時,該模型能較好地反映原動機(jī)特性。但對于抽水蓄能機(jī)組,為能輔助電網(wǎng)進(jìn)行功率或頻率調(diào)節(jié),往往運(yùn)行于非額定出力狀態(tài),留有較大備用容量。此外,抽水蓄能機(jī)組頻繁發(fā)用電切換,其運(yùn)行水頭也可能偏離額定水頭較遠(yuǎn),依然采用該模型將帶來較大誤差甚至錯誤。IEEE 推薦的水輪機(jī)模型[26](如附錄C 圖C1 所示)能反映小擾動和大擾動特性,相對更為精確,但其參數(shù)不易獲取,且不便于小信號分析。
本文采用水輪機(jī)剛性水擊模型[26]進(jìn)行研究,并忽略空載損耗和機(jī)組效率影響,以額定工況參數(shù)為基準(zhǔn)值,得到引水管流速、機(jī)械功率以及水柱加速度的方程如式(2)所示。
式中:u為水速;uN為額定水速;y為導(dǎo)葉開度;h為導(dǎo)葉處水頭;hN為額定水頭;Δu和Δh分別為水速偏差量和導(dǎo)葉處水頭偏差量;g為重力加速度;Pm為水輪機(jī)輸出的機(jī)械功率;L為水道長度。
將式(2)在運(yùn)行點(diǎn)處進(jìn)行泰勒展開,保留線性項,可得如下線性方程組:
式中:y0、h0、u0分別為導(dǎo)葉開度、水頭、水速的初始穩(wěn)態(tài)值。
由式(3)可得:
因此,計及初始出力、初始水頭的水輪機(jī)傳遞函數(shù)Ght(s)為:
式中:Pm0為水輪機(jī)輸出機(jī)械功率的初始穩(wěn)態(tài)值。
由式(5)與式(1)對比可知,當(dāng)機(jī)組初始運(yùn)行點(diǎn)處水頭h0和輸出功率Pm0均為額定值時,式(5)所示模型與式(1)所示的經(jīng)典模型相同。式(5)所示模型優(yōu)點(diǎn)在于,可以反映機(jī)組初始運(yùn)行負(fù)荷和初始水頭的影響,使得機(jī)組頻率特性分析更加準(zhǔn)確。詳細(xì)推導(dǎo)過程見附錄D。
全功率抽水蓄能機(jī)組的發(fā)電機(jī)仍可采用常規(guī)同步發(fā)電機(jī)模型。為簡化分析,勵磁系統(tǒng)采用簡化模型;調(diào)速系統(tǒng)采用詳細(xì)模型。發(fā)電機(jī)采用考慮定子電磁暫態(tài)的7 階模型[27]。勵磁系統(tǒng)采用1 階勵磁模型[22],其狀態(tài)方程為:
式中:uref為發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓參考值;usd和usq分別為機(jī)端電壓d軸和q軸分量;KA和TA分別為勵磁系統(tǒng)增益和時間常數(shù);Efd為勵磁電壓。
式中:Δuref為發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓偏差量的參考值;Δusd和Δusq分別為發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓d軸和q軸分量偏差量;usd0和usq0分別為發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓d軸和q軸分量初始穩(wěn)態(tài)值;ΔEfd為勵磁電壓偏差量。
調(diào)速系統(tǒng)采用PSASP 7 型調(diào)速器[28],附加調(diào)節(jié)方式為開度調(diào)節(jié),開度偏差接入點(diǎn)在頻率控制環(huán)節(jié)前。頻率調(diào)節(jié)微分增益、伺服機(jī)構(gòu)微分和積分增益均設(shè)置為0。單機(jī)運(yùn)行時死區(qū)較小,分析中將其忽略,并進(jìn)一步忽略頻率測量環(huán)節(jié)的慣性和延時。在快速功率模式下,調(diào)速系統(tǒng)仍然與常規(guī)機(jī)組一樣進(jìn)行頻率控制。調(diào)速系統(tǒng)方程為:
式中:a和b為中間狀態(tài)變量;ω0和ω分別為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速初值和實際值;kp和ki分別為頻率控制比例和積分增益;kb1和kb2分別為導(dǎo)葉開度偏差調(diào)節(jié)系數(shù)和伺服機(jī)構(gòu)比例增益;Ypid為頻率控制輸出量;TO為水門開啟時間常數(shù);T2為功率延時時間;Kw為頻率測量放大系數(shù);yref為導(dǎo)葉開度參考值。
調(diào)速系統(tǒng)小信號模型為:
式中:Δa和Δb為中間狀態(tài)變量偏差量;Δω為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速偏差量;Δyref為導(dǎo)葉開度偏差量的參考值。
變流器以機(jī)側(cè)變流器為例,忽略電阻損耗,以電流指向VSC 為正方向,VSC 電路狀態(tài)方程為:
式中:LR為變流器串聯(lián)電感;idR和iqR分別為變流器電流的d軸分量和q軸分量;usdR和usqR分別為變流器接入電網(wǎng)點(diǎn)電壓的d軸和q軸分量;ucdR2和ucqR2分別為變流器閥側(cè)實際電壓的d軸分量和q軸分量;ωR為機(jī)側(cè)變流器角頻率,為保證準(zhǔn)確性,ωR應(yīng)認(rèn)為是變量。
一直以來,數(shù)字城市海量數(shù)據(jù)可視化、瀏覽與交互等問題沒有得到很好的解決而制約了三維數(shù)字城市的廣泛應(yīng)用。該文提出了一種基于四叉樹場景管理、模型分塊、多細(xì)節(jié)層次(LOD)的分頁數(shù)據(jù)庫的動態(tài)調(diào)度策略很好地解決了這個問題,并通過實踐證明,這種策略確實高效和方便,并已成功應(yīng)用于天津數(shù)字化城市系統(tǒng)建設(shè)中。下一步將研究并實現(xiàn)三維數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)發(fā)布與調(diào)度,爭取而對對加快三維數(shù)字化城市的建設(shè)和發(fā)展起到良好的促進(jìn)作用。
VSC 控制系統(tǒng)微分代數(shù)方程為:
式中:x1、x2、x3、x4為機(jī)側(cè)變流器中間狀態(tài)變量;PrefR、QrefR和PR、QR分別為機(jī)側(cè)變流器有功功率、無功功率參考值和實際值;PR2和QR2分別為經(jīng)過一階慣性環(huán)節(jié)濾波后的機(jī)側(cè)變流器有功功率和無功功率測量值;idrefR和iqrefR分別為變流器d軸和q軸電流參考值;ucdR和ucqR為機(jī)側(cè)變流器閥側(cè)電壓的d軸和q軸分量;kδ和Tδ分別為脈寬調(diào)制環(huán)節(jié)增益和調(diào)制波周期;Tmd為功率濾波環(huán)節(jié)延時;kpp和kip分別為有功外環(huán)比例、積分增益;kp1和ki1分別為有功內(nèi)環(huán)比例、積分增益;kpq和kiq分別為無功外環(huán)比例、積分增益;kp2和ki2分別為無功內(nèi)環(huán)比例、積分增益;ω0R為機(jī)側(cè)變流器基準(zhǔn)角頻率。
參照機(jī)側(cè)變流器,可建立網(wǎng)側(cè)變流器數(shù)學(xué)模型。只須將有功功率相關(guān)變量PrefR和Udc換成直流電壓參考值和實際值udcref和udc,并建立直流電壓方程,就可建立變流器整體模型。接入等值電源后,還需要對電源等值電抗列寫微分方程。此外,還需列寫發(fā)電機(jī)與機(jī)側(cè)變流器接口模型、網(wǎng)側(cè)變流器與等值電源接口模型。鎖相環(huán)方程和變流器小信號建??蛇M(jìn)一步參考文獻(xiàn)[15-18]。
結(jié)合發(fā)電機(jī)、勵磁系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)、變流器系統(tǒng)模型,可形成機(jī)組總體小信號模型。以ΔX1和ΔX2分別表示發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)與變流器控制系統(tǒng)狀態(tài)變量,A1和A2為相應(yīng)系統(tǒng)的狀態(tài)矩陣;以ΔU1和ΔU2分別表示發(fā)電機(jī)和變流器輸入變量,B1和B2分別為相應(yīng)系統(tǒng)的輸入矩陣,建立FSC-VSPSU 接入等值電源的全系統(tǒng)小信號模型為:
進(jìn)一步,可構(gòu)建FSC-VSPSU 接入等值電源的全系統(tǒng)小信號模型為:
式 中:ΔX=[ΔX1,ΔX2];ΔU=[ΔU1,ΔU2];A=[A1,A2];B=[B1,B2]。具 體 表 達(dá) 形 式 見 附 錄D 式D(14)至D(16)。
以單機(jī)帶恒阻抗負(fù)荷模型(見附錄E 圖E1)為例,在某時刻切除機(jī)組額定容量1%的負(fù)荷,測試小擾動特性。其中,發(fā)電機(jī)額定有功功率為180 MW,慣性時間常數(shù)為8.37 s。調(diào)速系統(tǒng)仍然采用2.2 節(jié)中的模型,水錘時間常數(shù)為2 s,調(diào)速系統(tǒng)頻率控制比例增益為3.5,積分增益為1。設(shè)置如下3 種工況:
工況1(額定工況):擾動前,水輪機(jī)在額定工況下運(yùn)行,即水輪機(jī)輸出的機(jī)械功率Pm0=1.0 p.u.,水頭h0=1.0 p.u.。
工況2:擾動前,水輪機(jī)輸出的機(jī)械功率Pm0=0.8 p.u.,水頭h0=1.0 p.u.。
工況3:擾動前,水輪機(jī)輸出的機(jī)械功率Pm0=0.8 p.u.,水頭h0=0.8 p.u.。
在3 種不同水輪機(jī)模型下,頻率動態(tài)響應(yīng)如圖1所示。
圖1 不同水輪機(jī)模型下的頻率響應(yīng)Fig.1 Frequency response with different hydraulic turbine models
根據(jù)仿真結(jié)果,在額定工況下,3 種模型的頻率動態(tài)響應(yīng)一致。在工況2 下,改進(jìn)模型與IEEE 推薦模型響應(yīng)一致;經(jīng)典模型頻率振蕩幅值明顯較大,阻尼較弱,相較于改進(jìn)模型和IEEE 推薦模型,經(jīng)典模型計算結(jié)果更為保守。在工況3 下,改進(jìn)模型與IEEE 推薦模型振蕩模式仍保持一致,振幅略有差異,經(jīng)典模型振蕩模式與其他2 種模型有顯著差異,計算結(jié)果偏于樂觀。
因此,在非額定工況下傳統(tǒng)水輪機(jī)模型與其他2 種模型響應(yīng)差異較大。本文提出的計及初始運(yùn)行工況的改進(jìn)水輪機(jī)模型與IEEE 推薦模型在偏離額定工況不遠(yuǎn)時的響應(yīng)一致,偏離額定工況較遠(yuǎn)時仍能與IEEE 推薦模型響應(yīng)基本一致。與傳統(tǒng)經(jīng)典模型相比,改進(jìn)模型能夠反映水輪機(jī)初始負(fù)荷和水頭影響,計算結(jié)果更為準(zhǔn)確,且參數(shù)易獲取。
采用PSCAD 軟件構(gòu)建了額定有功功率為5 MW 的FSC-VSPSU 電磁暫態(tài)仿真模型,在MATLAB 中建立了相應(yīng)的小信號模型。模型結(jié)構(gòu)如附錄A 圖A1 所示,機(jī)組關(guān)鍵參數(shù)如下所示:發(fā)電機(jī)額定電壓為3.3 kV,額定容量為5.67 MV·A;水輪機(jī)慣性時間常數(shù)為3.28 s,水錘時間常數(shù)為2 s;等值電源額定電壓為3.3 kV,等值電感為1 mH;變流器連接電抗為0.6 mH,額定容量為8 MV·A,直流電容為2 000 μF,直流電壓為5.2 kV。
水輪機(jī)初始負(fù)荷4 MW,在5%額定有功功率指令階躍擾動下,電磁暫態(tài)仿真模型和小信號模型響應(yīng)對比如圖2 所示。根據(jù)對比結(jié)果,小信號模型和電磁暫態(tài)仿真模型在電壓、轉(zhuǎn)速、變流器電流方面變化趨勢相同,波動幅值略有差異,總體上2 種模型響應(yīng)吻合度較高。在發(fā)生擾動后,發(fā)電機(jī)頻率動態(tài)調(diào)整時間達(dá)到60 s 以上。有功功率控制擾動將激發(fā)發(fā)電機(jī)超低頻頻率振蕩,還會引起機(jī)端電壓超低頻振蕩,但電壓波動幅值極小。
圖2 有功階躍擾動下動態(tài)響應(yīng)Fig.2 Dynamic response under step disturbance of active power
表1 列出了FSC-VSPSU 接入等值電源系統(tǒng)特征值,可見存在6 個振蕩模態(tài),分別為超低頻模態(tài)λ1,低 頻 模 態(tài)λ2以 及4 個 超 同 步 模 態(tài)λ3、λ4、λ5和λ6。其中低頻和超同步模態(tài)阻尼比均大于10%,超低頻模態(tài)阻尼比最低,為系統(tǒng)主振蕩模態(tài)。因此,重點(diǎn)對機(jī)組超低頻模態(tài)進(jìn)行分析。
表1 振蕩模態(tài)計算結(jié)果Table1 Calculation results of oscillation modes
超低頻模態(tài)中各狀態(tài)變量參與因子如表2 所示,可見機(jī)組超低振蕩模態(tài)只與調(diào)速系統(tǒng)狀態(tài)變量相關(guān),與發(fā)電機(jī)頻率或轉(zhuǎn)速變量強(qiáng)相關(guān),與變流器和勵磁系統(tǒng)可以解耦。
表2 主振蕩模態(tài)參與因子Table 2 Participation factors of main oscillation mode
頻率控制增益、機(jī)組初始負(fù)荷以及機(jī)組初始水頭對主振模態(tài)影響如圖3 所示。
圖3 主振蕩模態(tài)關(guān)鍵影響參數(shù)Fig.3 Key influencial parameters of main oscillation mode
隨著機(jī)組初始負(fù)荷增加,超低頻模態(tài)阻尼水平逐漸降低,振蕩頻率變化不顯著;隨著機(jī)組初始工作水頭逐漸增加,超低頻模態(tài)阻尼水平逐漸增加,振蕩頻率逐漸升高;隨頻率控制比例增益增加,超低頻模態(tài)阻尼水平呈現(xiàn)先增加后減小趨勢,存在顯著拐點(diǎn);隨頻率控制積分增益增加,超低頻模態(tài)阻尼水平迅速減小。因此,為保證FSC-VSPSU 在任意工況下均能保持穩(wěn)定,宜在機(jī)組最大運(yùn)行負(fù)荷、最小運(yùn)行水頭工況下整定調(diào)速系統(tǒng)參數(shù),并在圖3 所示的阻尼特性曲線拐點(diǎn)附近選取合適的頻率控制比例增益,并適當(dāng)減小頻率控制積分增益。
針對經(jīng)典水輪機(jī)模型不能反映非額定工況運(yùn)行特性問題,提出了考慮初始運(yùn)行工況的水輪機(jī)小信號模型,能計及水輪機(jī)初始負(fù)荷和水頭影響,較為準(zhǔn)確地反映FSC-VSPSU 動態(tài)特性。結(jié)合發(fā)電機(jī)、勵磁系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)和變流器模型,構(gòu)建了FSCVSPSU 接入等值電源系統(tǒng)小信號模型和電磁暫態(tài)仿真模型,驗證了所建立的小信號模型能夠較好地反映FSC-VSPSU 的小擾動動態(tài)特性。但論文僅從理論層面對水輪機(jī)模型進(jìn)行了研究,其精確性還需經(jīng)過現(xiàn)場實測驗證。
通過特征值分析,發(fā)現(xiàn)機(jī)組可能存在超低頻振蕩模態(tài)、低頻振蕩模態(tài)、超同步振蕩模態(tài),超低頻模態(tài)為系統(tǒng)主振蕩模態(tài),超低頻模態(tài)只與調(diào)速系統(tǒng)相關(guān),與變流器和勵磁系統(tǒng)無關(guān)。超低頻模態(tài)穩(wěn)定性與機(jī)組初始運(yùn)行負(fù)荷和初始運(yùn)行水頭強(qiáng)相關(guān),頻率控制比例和積分增益顯著影響機(jī)組穩(wěn)定性,因此宜在最大運(yùn)行負(fù)荷、最小運(yùn)行水頭工況下進(jìn)行調(diào)速系統(tǒng)參數(shù)整定,并選取合適的頻率控制比例增益,適當(dāng)減小頻率控制積分增益。
本文在撰寫過程中得到了劉暢、范成圍、宋雨妍、喻悅簫、曾雪洋幫助,特此感謝!
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