一種兆瓦級水力發(fā)電模擬系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種兆瓦級水力發(fā)電模擬系統(tǒng)，包括：10kV母線I、輸入開關柜、高壓變頻器、輸出開關柜、變頻調(diào)速異步電機、轉矩轉速傳感器TN、同步電機、勵磁柜、勵磁變壓器柜、并網(wǎng)開關柜和操作臺；所述10kV母線I與所述輸入開關柜、所述高壓變頻器、所述輸出開關柜、所述變頻調(diào)速異步電動機、所述轉矩轉速傳感器TN、所述同步電機、所述并網(wǎng)開關柜依次相連；所述高壓變頻器還與所述并網(wǎng)開關柜、所述勵磁變壓器柜、所述勵磁柜、所述轉矩轉速傳感器TN、所述操作臺相連；所述操作臺還與所述并網(wǎng)開關柜相連。本發(fā)明自動化程度高，可擴展性強。通過軟件控制模擬水電機組的運行特性，亦可經(jīng)軟件擴展，用于模擬燃汽輪機、柴油發(fā)電機等其它發(fā)電形式的運行特性。
【專利說明】
一種兆瓦級水力發(fā)電模擬系統(tǒng)
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及可再生能源發(fā)電研究領域，具體涉及一種兆瓦級水力發(fā)電模擬系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002]進入21世紀，全球能源生產(chǎn)消費持續(xù)增長，能源短缺和環(huán)境惡化已經(jīng)成為威脅人類生存的全球化問題，世界各國都在積極探索未來能源轉型發(fā)展路線，并將發(fā)展新能源和可再生能源作為推動未來能源轉型的重點，美歐日等發(fā)達國家陸續(xù)出臺了以支撐新能源發(fā)展為重點的能源發(fā)展戰(zhàn)略。
[0003]在國家的大力支持下，近年來新能源發(fā)電發(fā)展取得了令人矚目的成就:截至2015年底，我國風電裝機規(guī)模全球第一，風電并網(wǎng)裝機容量達到1.29億千瓦;光伏裝機容量超越德國，成為全球光伏裝機累積最高的國家，總裝機容量43GW左右。
[0004]風電本身具有不穩(wěn)定性，不易準確預計，風況不穩(wěn)定，產(chǎn)生的電能就不穩(wěn)定，風電的電能質量也較差，其功率因數(shù)和諧波往往得不到有效控制。光伏發(fā)電是利用半導體界面的光生伏特效應而將光能直接轉變?yōu)殡娔艿囊环N技術。主要由太陽電池板(組件)、控制器和逆變器三大部分組成，主要部件由電子元器件構成。太陽能電池經(jīng)過串聯(lián)后進行封裝保護可形成大面積的太陽電池組件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏發(fā)電裝置。
[0005]由于風力發(fā)電和光伏發(fā)電的間歇性和隨機性特點，大規(guī)模風電、光伏并網(wǎng)消納及輸送對電網(wǎng)建設、電源結構配置以及電站運行方式、管理體制等方面提出了新的要求。水力發(fā)電具有運行靈活、啟動迅速、較快適應負荷變動等特點，利用水力發(fā)電的調(diào)節(jié)能力，對不穩(wěn)定的風電、光電發(fā)電出力進行補償，可促進穩(wěn)定性較差的風電、光伏被電網(wǎng)消納。
[0006]目前的水力發(fā)電模擬系統(tǒng)無法快速控制發(fā)電機對水電機組外特性的精確模擬，并且成本較高、建設慢、精度不高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]為克服上述現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明提供一種兆瓦級水力發(fā)電模擬系統(tǒng)，提出了大容量水力發(fā)電模擬系統(tǒng)設計方案，模擬運行靈活、啟動迅速、較快適應負荷變動等特點的水力發(fā)電機組，用于風水、光水等可再生能源聯(lián)合運行技術研究和實驗驗證。利用模擬水電承擔電力系統(tǒng)的調(diào)峰、調(diào)頻、負荷備用和事故備用等任務，提高整個風水、光水等可再生能源聯(lián)合運行的經(jīng)濟效益，從而促進破解大規(guī)模可再生能源并網(wǎng)運行的技術瓶頸，提高電網(wǎng)對大規(guī)模間歇性能源的接納能力，實現(xiàn)電網(wǎng)對間歇性可再生能源集約化發(fā)展的有力支撐。
[0008]實現(xiàn)上述目的所采用的解決方案為:
[0009]—種兆瓦級水力發(fā)電模擬系統(tǒng)，所述模擬系統(tǒng)包括:1OkV母線1、輸入開關柜、高壓變頻器、輸出開關柜、變頻調(diào)速異步電機、轉矩轉速傳感器TN、同步電機、勵磁柜、勵磁變壓器柜、并網(wǎng)開關柜和操作臺；所述1kV母線I與所述輸入開關柜、所述高壓變頻器、所述輸出開關柜、所述變頻調(diào)速異步電動機、所述轉矩轉速傳感器TN、所述同步電機、所述并網(wǎng)開關柜依次相連;所述高壓變頻器還與所述并網(wǎng)開關柜、所述勵磁變壓器柜、所述勵磁柜、所述轉矩轉速傳感器TN、所述操作臺相連;所述操作臺還與所述并網(wǎng)開關柜相連。
[0010]優(yōu)選的，所述1kV母線I用于提供一次輸入電源，容量不小于1400KVA。
[0011]優(yōu)選的，所述輸入開關柜配置有1kV真空斷路器，用于電源與供電電路的切斷及連接。
[0012]優(yōu)選的，所述高壓變頻器將電網(wǎng)電源通過AC-DC-AC轉換成電壓、頻率可調(diào)的三相交流電壓；
[0013]所述高壓變頻器采用6個獨立的低壓串聯(lián)實現(xiàn)高壓輸出，輸出采用13電平移相正弦PffM控制，包括移相變壓器和功率單元；
[0014]所述移相變壓器二次側繞組在繞制時采用延邊三角形接法，相互之間形成10°固定相位差，將網(wǎng)側的I OkV高壓變換成二次側的18組580V低電壓。
[0015]優(yōu)選的，所述輸出開關柜配置1kV真空斷路器，對高壓變頻器輸出到電機的電源進行分/合閘控制。
[0016]優(yōu)選的，所述變頻調(diào)速異步電機選用鼠籠式變頻調(diào)速感應電動機，作為變頻電源的負載和同步發(fā)電機的動力源，與同步發(fā)電機同軸聯(lián)結。
[0017]優(yōu)選的，所述轉矩轉速傳感器TN用于測量電機同軸的轉矩轉速信號，并將信號送入所述高壓變頻器。
[0018]優(yōu)選的，所述勵磁柜采用可控硅自動勵磁調(diào)節(jié)器，通過晶閘管整流方式為所述同步電機提供勵磁電流。
[0019]優(yōu)選的，所述并網(wǎng)開關柜配置1kV真空斷路器，分別采集母線II電壓和本系統(tǒng)輸出電壓及電流，采集信號經(jīng)過光纖通訊送入所述高壓變頻器，由高壓變頻器控制并網(wǎng)開關同期合閘。
[0020]優(yōu)選的，所述操作臺包括監(jiān)控工控機和PLC控制器，用于對本系統(tǒng)所有電氣設備的監(jiān)視、控制和通信；
[0021 ]所述PLC控制器用于模擬水力發(fā)電的邏輯控制與連鎖保護。
[0022]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0023]1、本系統(tǒng)通過高壓變頻器靈活快速控制發(fā)電機，實現(xiàn)對水電機組外特性的精確模擬，具有成本低、建設快、精度高的特點。
[0024]2、本系統(tǒng)采用大功率變頻電源，模擬水力發(fā)電容量可達1MW，系統(tǒng)具有高過載能力，最高可達1.5倍運行。
[0025]3、本系統(tǒng)調(diào)節(jié)范圍很寬，頻率在OHz?60Hz連續(xù)可調(diào)，電壓在O?6kV連續(xù)可調(diào)，調(diào)速范圍為0-100%連續(xù)可調(diào)，在20%?100%的調(diào)速范圍內(nèi)，變頻系統(tǒng)的不加任何功率因數(shù)補償?shù)那闆r下輸入端功率因數(shù)必須達到或超過0.95。
[0026]4、本系統(tǒng)對電網(wǎng)電壓的波動有較強的適應能力，在-10%?10%電網(wǎng)電壓波動時必須滿載輸出；瞬時失電可滿載運行5個周期不跳閘，輕載時間更長。
[0027]5、本系統(tǒng)模擬能力強，可接受上級調(diào)度指令，控制發(fā)電機組的電壓輸出、有功和無功出力，模擬不同容量水電機組發(fā)電的典型特性。
[0028]6、本系統(tǒng)具有完善的保護功能，變頻裝置、同步電機、異步電機、勵磁裝置、開關柜、變壓器等均具有安全可靠的保護功能。
[0029]7、本系統(tǒng)自動化程度高，可擴展性強。系統(tǒng)通過軟件控制模擬水電機組的運行特性，亦可經(jīng)軟件擴展，用于模擬燃汽輪機、柴油發(fā)電機、直驅式風機等其它發(fā)電形式的運行特性。
【附圖說明】
[0030]圖1是本發(fā)明提供的系統(tǒng)結構拓撲圖。
[0031]圖2是本發(fā)明提供的100kW水電發(fā)電模擬系統(tǒng)通信拓撲圖。
[0032]圖3是本發(fā)明提供的功率調(diào)節(jié)控制圖。
【具體實施方式】
[0033]下面結合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】做進一步的詳細說明。
[0034]1、總體方案:本系統(tǒng)原理拓撲如圖1所示，1kV電網(wǎng)經(jīng)輸入開關柜連接至高壓變頻器，再經(jīng)過輸出開關柜連接至6kV變頻調(diào)速異步電動機。高壓變頻器起動變頻調(diào)速異步電動機，拖動同軸連接的同步發(fā)電機至同步轉速，經(jīng)并網(wǎng)開關柜和升壓變壓器后與1kV電網(wǎng)并網(wǎng)發(fā)電。在同步發(fā)電機未并網(wǎng)時，由外部提供380V電源至勵磁柜進行勵磁，并由高壓變頻器控制并網(wǎng)開關同期合閘并網(wǎng);并網(wǎng)后由并網(wǎng)開關柜經(jīng)勵磁變壓器柜為勵磁柜提供電源對同步發(fā)電機進行勵磁;這兩路勵磁電源供電由勵磁變壓器柜中的KMl和KM2進行切換，KMl和KM2具有電氣互鎖功能。
[0035]操作臺包括監(jiān)控工控機和PLC控制器，對本系統(tǒng)所有電氣設備的監(jiān)視和控制，監(jiān)控系統(tǒng)接收上級調(diào)度指令，根據(jù)調(diào)度指令自動生成對應容量的水電機組典型運行特性模型，通過PLC控制器下發(fā)給高壓變頻器，高壓變頻器調(diào)節(jié)異步電機的轉速和轉矩，從而調(diào)節(jié)同步發(fā)電機的輸出，實現(xiàn)對水電機組運行特性的模擬。系統(tǒng)拓撲如附圖1所示。
[0036]2、系統(tǒng)組成及技術參數(shù):
[0037]I)母線I 1kV電源
[0038]本系統(tǒng)由母線I提供一次輸入電源，容量不小于1400KVA。
[0039]2)輸入開關柜
[0040]輸入開關柜配置1kV真空斷路器，通過其為變頻電源裝置供電，負責電源與供電電路的切斷及連接，在系統(tǒng)故障、緊急情況下可跳閘。
[0041]3)高壓變頻器
[0042]為本系統(tǒng)核心部件，將電網(wǎng)電源通過AC-DC-AC轉換成電壓、頻率可調(diào)的三相交流電壓。
[0043]變頻器輸出側采用13電平移相正弦PWM控制，輸入降壓變壓器采用移相方式，可有效消除裝置對電網(wǎng)的諧波污染。串聯(lián)型13電平高壓變頻器采用6個獨立的低壓串聯(lián)實現(xiàn)高壓輸出，包含移相變壓器和功率單元兩大部分。
[0044]移相變壓器采用多重化設計，將網(wǎng)側的1kV高壓變換成二次側的18組580V低電壓。二次側繞組在繞制時采用延邊三角形接法，相互之間形成10°固定相位差，產(chǎn)生多脈沖整流方式，使得變壓器二次側各繞組(功率單元的輸入)的諧波電流相互抵消，不反映到高壓側，從而有效改善電網(wǎng)的電流波形，基本上消除了變頻器對電網(wǎng)的諧波污染。變壓器各二次繞組相互獨立，并單獨為一個功率單元供電，所以每個功率單元的主回路相對對立，并且工作在低電壓狀態(tài)。各功率單元之間的相對電壓，由變壓器二次繞組的絕緣承擔，功率單元之間不存在串聯(lián)均壓問題。
[0045]4)輸出開關柜
[0046]輸出開關柜配置1kV真空斷路器，對高壓變頻器輸出到電機的電源進行分/合閘控制。
[0047]5)變頻調(diào)速異步電機
[0048]異步電動機既作為變頻電源的負載，又作為同步發(fā)電機的動力源，與同步發(fā)電機同軸聯(lián)結，適合于變頻器軟啟動和力矩控制要求，電動機選用鼠籠式變頻調(diào)速感應電動機，電動機的額定功率為1120kW，額定電壓為6kV，額定轉速為750r/min，定子電流為135A，起動方式為變頻起動，可實現(xiàn)O?50Hz時的恒轉矩調(diào)速和恒功率調(diào)速。
[0049]6)轉矩轉速傳感器TN
[0050]轉矩轉速傳感器TN測量電機同軸的轉矩轉速信號，并將信號送入高壓變頻器，以便進行速度閉環(huán)控制。
[0051 ] 7)同步電機
[0052]同步電機在本系統(tǒng)中作為發(fā)電設備使用，與異步電機同軸聯(lián)結，配備有勵磁設備、同期設備和測量保護設備，電機為三相交流凸極式同步發(fā)電機，額定功率為lOOOkW，定子電流為107A，且能承受1.2倍過載，額定機端電壓為6kV，額定轉速為750r/min，勵磁方式為它勵。發(fā)電機具有定子繞組相間短路保護、定子繞組接地保護、定子繞組過流保護、定子繞組過負荷保護、定子繞組過電壓保護等保護功能。
[0053]8)勵磁系統(tǒng)
[0054]勵磁設備包括勵磁柜和勵磁變壓器。勵磁變壓器采用干式變壓器，Υ/Λ組別，一次額定電壓為6kV，二次額定電壓為380V，為勵磁柜提供AC380V電源。當同步電機發(fā)電低于6KV時，使用配電箱的AC380V電源通過KM2給勵磁柜供電，當同步電機發(fā)出6KV電壓時，6KV變換至380V電壓，經(jīng)過KMl給勵磁柜供電，KMl與KM2具有互鎖功能。
[0055]勵磁柜采用可控硅自動勵磁調(diào)節(jié)器，通過晶閘管整流方式為同步電機提供勵磁電流，具有阻容吸收、滅磁電阻、滅磁開關、電壓電流互感器等基本元件，調(diào)節(jié)方式具有恒功率、恒功率因數(shù)、恒勵磁電流、調(diào)差率等多種，保護功能具有過流、低勵、強勵、空載過電壓、PT熔絲熔斷等，并具有軟件自檢和容錯處理功能。
[0056]9)并網(wǎng)開關柜
[0057]并網(wǎng)開關柜配置1kV真空斷路器，采集6路電壓和3路電流，分別采集II母線電壓和本系統(tǒng)輸出電壓及電流，采集信號經(jīng)過光纖通訊送入高壓變頻器，由高壓變頻器控制并網(wǎng)開關同期合閘，實現(xiàn)本系統(tǒng)的同期并網(wǎng)功能。開關柜具有電流速斷、過流、過/欠電壓、高/低頻率等保護功能。
[0058]10)操作臺
[0059]操作臺包括監(jiān)控工控機和PLC控制器，對本系統(tǒng)所有電氣設備的監(jiān)視和控制等各種功能，與本地變頻電器、勵磁設備、試驗發(fā)電機、開關設備進行實時通訊，亦可與上級調(diào)度系統(tǒng)實時通訊。監(jiān)控功能包括數(shù)據(jù)采集與處理、人機接口、監(jiān)視、控制、故障報警、統(tǒng)計計算、制表打印、實時數(shù)據(jù)庫、歷史數(shù)據(jù)庫等。
[0060]PLC控制器完成模擬水力發(fā)電的邏輯控制與連鎖保護，實現(xiàn)對水電機組運行特性的模擬。PLC控制器和監(jiān)控系統(tǒng)采用串口通訊方式通信，監(jiān)控系統(tǒng)與上級調(diào)度系統(tǒng)采用以太網(wǎng)通訊方式通信。
[0061 ]通信結構拓撲圖如附圖2所示。
[0062]3、功率調(diào)節(jié)設計
[0063]I)有功功率調(diào)節(jié)
[0064]并網(wǎng)有功功率的調(diào)節(jié)是通過對6kV異步電機調(diào)速實現(xiàn)的。電網(wǎng)可視為固定頻率50Hz，當同步電機并網(wǎng)后，可視為同步電機轉速一定;此時通過變頻器對異步電機進行轉矩閉環(huán)控制，調(diào)節(jié)異步電機轉矩電流，就可以調(diào)節(jié)異步電機的輸出有功功率，對應的就是同步電機的負載有功功率(不考慮空載損耗)。當同步電機的負載功率為負時，系統(tǒng)狀態(tài)為異步電機拖動同步電機運行，異步電機處于電動狀態(tài)，同步電機處于發(fā)電態(tài)，異步電機提供的有功功率通過同步電機又回饋到電網(wǎng)，在不考慮相關損耗的情況下，異步電機轉矩閉環(huán)控制提供的有功功率的大小就是同步電機的負載有功功率大小，也就是同步電機并網(wǎng)有功功率的大小，功率調(diào)節(jié)控制原理如附圖3所示。
[0065]圖中Iq—re3f為異步電機轉矩電流給定分量，用于調(diào)節(jié)異步電機有功功率(也就是并網(wǎng)有功功率)；Ir—re3f為同步電機轉子勵磁電流給定，用于調(diào)節(jié)同步電機功率因數(shù)(也就是同步電機無功功率);Qrrf為同步電機無功功率給定值;Prrf為同步電機有功功率給定值。
[0066]同步電機功率調(diào)節(jié)過程中，異步電機采用轉矩閉環(huán)控制，只需要給定同步電機有功功率Pre3f與無功功率Qre3f,控制系統(tǒng)會自行調(diào)節(jié)同步電機并網(wǎng)功率到達所給定的功率值。
[0067]2)無功功率調(diào)節(jié)
[0068]與電網(wǎng)并聯(lián)的同步發(fā)電機，不僅要向電網(wǎng)輸出有功功率，還要輸出無功功率。并網(wǎng)無功功率的調(diào)節(jié)是通過對同步電機轉子勵磁電流的控制實現(xiàn)的。
[0069]同步電機并網(wǎng)后，由于電網(wǎng)電壓、頻率一定，所以此時同步電機的無功功率的調(diào)節(jié)是通過轉子勵磁電流的大小來調(diào)節(jié)的，無功的調(diào)節(jié)也可認為是功率因數(shù)的調(diào)節(jié)。
[0070]同步電機三種勵磁狀態(tài)如下:
[0071 ]正常勵磁狀態(tài):I與U同相，吸收有功P，無功Q = O;
[0072]過勵磁狀態(tài):1超前U，吸收有功P，吸收容性無功Q(發(fā)感性無功Q);
[0073]欠勵磁狀態(tài):1滯后U，吸收有功P，吸收感性無功Q(發(fā)容性無功Q);
[0074]通過控制轉子勵磁電流處于三種不同的狀態(tài)，即可以實現(xiàn)同步電機無功功率的調(diào)節(jié)。
[0075]最后應當說明的是:以上實施例僅用于說明本申請的技術方案而非對其保護范圍的限制，盡管參照上述實施例對本申請進行了詳細的說明，所屬領域的普通技術人員應當理解:本領域技術人員閱讀本申請后依然可對申請的【具體實施方式】進行種種變更、修改或者等同替換，但這些變更、修改或者等同替換，均在申請待批的權利要求保護范圍之內(nèi)。
【主權項】
1.一種兆瓦級水力發(fā)電模擬系統(tǒng)，其特征在于，所述模擬系統(tǒng)包括:1kV母線1、輸入開關柜、高壓變頻器、輸出開關柜、變頻調(diào)速異步電機、轉矩轉速傳感器TN、同步電機、勵磁柜、勵磁變壓器柜、并網(wǎng)開關柜和操作臺;所述1kV母線I與所述輸入開關柜、所述高壓變頻器、所述輸出開關柜、所述變頻調(diào)速異步電動機、所述轉矩轉速傳感器TN、所述同步電機、所述并網(wǎng)開關柜依次相連;所述高壓變頻器還與所述并網(wǎng)開關柜、所述勵磁變壓器柜、所述勵磁柜、所述轉矩轉速傳感器TN、所述操作臺相連;所述操作臺還與所述并網(wǎng)開關柜相連。2.如權利要求1所述的模擬系統(tǒng)，其特征在于，所述1kV母線I用于提供一次輸入電源，容量不小于1400KVA。3.如權利要求1所述的模擬系統(tǒng)，其特征在于，所述輸入開關柜配置有1kV真空斷路器，用于電源與供電電路的切斷及連接。4.如權利要求1所述的模擬系統(tǒng)，其特征在于，所述高壓變頻器將電網(wǎng)電源通過AC-DC-AC轉換成電壓、頻率可調(diào)的三相交流電壓； 所述高壓變頻器采用6個獨立的低壓串聯(lián)實現(xiàn)高壓輸出，輸出采用13電平移相正弦PWM控制，包括移相變壓器和功率單元； 所述移相變壓器二次側繞組在繞制時采用延邊三角形接法，相互之間形成10°固定相位差，將網(wǎng)側的1kV高壓變換成二次側的18組580V低電壓。5.如權利要求1所述的模擬系統(tǒng)，其特征在于，所述輸出開關柜配置1kV真空斷路器，對高壓變頻器輸出到電機的電源進行分/合閘控制。6.如權利要求1所述的模擬系統(tǒng)，其特征在于，所述變頻調(diào)速異步電機選用鼠籠式變頻調(diào)速感應電動機，作為變頻電源的負載和同步發(fā)電機的動力源，與同步發(fā)電機同軸聯(lián)結。7.如權利要求1所述的模擬系統(tǒng)，其特征在于，所述轉矩轉速傳感器TN用于測量電機同軸的轉矩轉速信號，并將信號送入所述高壓變頻器。8.如權利要求1所述的模擬系統(tǒng)，其特征在于，所述勵磁柜采用可控硅自動勵磁調(diào)節(jié)器，通過晶閘管整流方式為所述同步電機提供勵磁電流。9.如權利要求1所述的模擬系統(tǒng)，其特征在于，所述并網(wǎng)開關柜配置1kV真空斷路器，分別采集母線II電壓和本系統(tǒng)輸出電壓及電流，采集信號經(jīng)過光纖通訊送入所述高壓變頻器，由高壓變頻器控制并網(wǎng)開關同期合閘。10.如權利要求1所述的模擬系統(tǒng)，其特征在于，所述操作臺包括監(jiān)控工控機和PLC控制器，用于對本系統(tǒng)所有電氣設備的監(jiān)視、控制和通信； 所述PLC控制器用于模擬水力發(fā)電的邏輯控制與連鎖保護。
【文檔編號】G09B25/02GK105869507SQ201610369475
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年5月30日
【發(fā)明人】孔愛良, 華光輝, 汪春, 姬聯(lián)濤, 梁碩, 夏俊榮, 葉榮波, 許曉慧, 赫衛(wèi)國, 李春來, 丁杰, 吳福保, 楊波, 周鄴飛, 朱凌志, 李正曦
【申請人】中國電力科學研究院, 國家電網(wǎng)公司, 國網(wǎng)青海省電力公司電力科學研究院