一种抽水蓄能电站发电机的建模仿真方法及系统与流程

本发明属于抽水蓄能电站技术领域，更具体地，涉及一种抽水蓄能电站发电机的建模仿真方法及系统。

背景技术：

抽水蓄能电站利用电力负荷低谷时的电能抽水至上水库，在电力负荷高峰期再放水至下水库发电的水电站。又称蓄能式水电站。它可将电网负荷低时的多余电能，转变为电网高峰时期的高价值电能，还适于调频、调相，稳定电力系统的周波和电压，且宜为事故备用，还可提高系统中火电站和核电站的效率。

在将可再生能源集成到电力系统中以提供可靠和经济的电能的方式中，与抽水蓄能(ps)电厂等电力系统中的大型存储系统的最佳控制有关的问题已变成重大挑战。现有技术中，缺少使用直接功率控制策略对包括双馈感应发电机(dfig)的变速ps工厂进行建模和仿真。

与其他方法相比，通过定子的有功功率和无功功率分别控制。此方法具有更好的动态性能，但实现起来非常简单。但是这种方法存在一些不足，例如与有功功率，无功功率以及电流谐波有关的高纹波。在这方面，应用空间矢量调制(svm)来消除这些不足。

现有技术中的控制技术(包括svm)中，所研究的dfig单元的动态性能是使用比例积分(pi)控制器进行控制的。因此，本发明致力于提供一种抽水蓄能电站发电机的建模仿真方法及系统，仿真pi控制器，减少定子的有功功率和无功功率以及谐波功率的纹波。

技术实现要素：

为解决现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种抽水蓄能电站发电机的建模仿真方法。

本发明采用如下的技术方案。一种抽水蓄能电站发电机的建模仿真方法，包括以下步骤：

步骤1，建立发电机数学模型，包括电压方程和磁链方程；进行派克变换，获得dq坐标系下发电机数学模型；

步骤2，建立发电机直接功率控制模型；

步骤3，建立水力系统模型，包括水道模型、调压井模型和水轮机模型；

步骤4，建立优化目标函数和约束条件，以教与学优化算法，对定子有功功率进行仿真。

优选地，步骤1中，以如下公式表示电压方程，

式中：

us表示定子电压，ur表示转子电压，rs表示定子电阻，rr表示转子电阻，is表示定子电流，ir表示转子电流，ψs表示定子磁链，ψr表示转子磁链；

以如下公式表示磁链方程，

式中：

us表示定子电压，ur表示转子电压，is表示定子电流，ir表示转子电流，lm表示互感，ls表示定子电感，lr表示转子电感。

优选地，步骤1中，以如下公式表示dq坐标下的电压方程和磁链方程，

式中：

uds表示定子电压的d轴分量，uqs表示定子电压的q轴分量，udr表示转子电压的d轴分量，uqr表示转子电压的q轴分量，ids表示定子电流的d轴分量，iqs表示定子电流的q轴分量，idr表示转子电流的d轴分量，iqr表示转子电流的q轴分量，ψds表示定子磁链的d轴分量，ψqs表示定子磁链的q轴分量，ψdr表示转子磁链的d轴分量，ψqr表示转子磁链的q轴分量，rs表示定子电阻，rr表示转子电阻，ωr表示转子转速；

式中：

ids表示定子电流的d轴分量，iqs表示定子电流的q轴分量，idr表示转子电流的d轴分量，iqr表示转子电流的q轴分量，ls表示定子电感，lr表示转子电感，lm表示定子与转子的互感，

优选地，步骤2中，以如下公式表示定子的功率控制模型，

式中：

ps表示定子的有功功率，qs表示定子的无功功率，ωr表示转子磁链转速，ψs表示定子磁链，ψr表示转子磁链，ls表示定子电感，lr表示转子电感，lm表示定子与转子的互感，δ表示转子旋转的角度，σ表示漏抗因子，

式中：

l0表示励磁电感。

优选地，以如下公式表示水道的动态模型，

式中：

h0表示水柱静压头，h表示水轮机入口处的静压头，即有效的水头，hf表示管道头的摩擦损失，ρ表示水密度，g表示重力常数，h表示水落差高度，fw表示水道摩擦系数，fp表示管道头的摩擦损失系数，u表示进入引水管道的水流速，l表示引水管道的长度，d表示引水管道的直径，a表示引水管道的截面积。

优选地，以如下公式表示调压池模型，

式中：

l表示水库与调压井之间的管道长度，as表示调压井面积，a表示管道的截面积，g表示重力常数；tst表示调压井振荡冲击周期。

优选地，以如下公式表示水轮机模型，

式中：

pm表示水轮机功率输出，at表示增益系数，h表示水轮机入口处的静压头，即有效的水头，q表示水轮机的水流量，qnl表示水轮机空载水流量，dn表示水轮机阻尼因数，g表示水轮机导叶开度，δω表示水轮机转速，f表示水轮机组旋转的摩擦系数，tw表示水流惯性时间常数，也是反映水流中水锤效应的时间常数，取值范围一般为0.6-4.4。

优选地，步骤4中，以如下公式表示优化目标函数，

式中：

ps表示定子有功功率，ps_ref表示定子有功功率参考值，t表示时间；以如下公式表示，式中：kp表示比例增益，kpmax表示比例增益最大值，kpmin表示比例增益最小值，ki表示积分增益，kimax表示积分增益最大值，kimin表示积分增益最小值。

优选地，步骤4中，教与学优化算法对pi控制器系数进行优化的步骤包括：

步骤4.1，对pi控制器系数求解空间初始化种群；

步骤4.2，求取种群内所有个体即pi系数组合的适应值，选择适应值最好的个体作为作为教师，并且求解种群的平均值；

步骤4.3，教师的“教”行为，通过向当前最优pi组合的学习，产生临时pi系数组合，以优胜略汰的方式替代自身状态；

步骤4.4，学生之间相互学习阶段，任意两个pi系数组合，选取优秀的一个，另一个向其学习；

步骤4.5，满足迭代条件后，输出最佳pi控制器系数组合。

本发明还提供了一种基于所述优化方法的抽水蓄能电站发电机的建模仿真系统，包括数据输入模块、建模模块、优化仿真模块和输出模块，其中，输入模块，用于输入抽水蓄能电站的参数；建模模块，用于对水力系统、发电机进行建模；优化仿真模块，用于对发电机pi控制器的系数组合进行优化仿真；输出模块，用于将优化仿真模块的结果输出以可视化形式输出。

本发明的有益效果在于，与现有技术相比，提供了一种抽水蓄能电站发电机的建模仿真方法，可以对发电机控制系统的设计进行仿真，模型结构简单，精度较高，收敛速度较快。

附图说明

图1为本发明提出的抽水蓄能电站发电机的建模仿真方法的总体框图；

图2为本发明提出的抽水蓄能电站发电机的建模仿真方法的功率控制框图；

图3为本发明提出的抽水蓄能电站发电机的建模仿真方法的仿真框图；

图4为教与学算法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本申请作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本申请的保护范围。

如图1、2所示，本发明提供了一种抽水蓄能电站发电机的建模仿真方法，包括以下步骤：

步骤1，建立发电机数学模型，包括电压方程和磁链方程；进行派克变换，获得dq坐标系下发电机数学模型。可以理解的是，双馈感应发电机结构包括绕线转子感应电机和ac-dc-ac转换器等不同组成部分。定子的绕组仅连接到主电网，并且使用转换器将可变频率馈送到转子。电力电子类型的转换器能够产生或消耗无功功率。因此，不需要额外的无功补偿器。

此外，位于电机转子侧的控制器可以控制电磁转矩。这可以通过控制注入的转子电压来实现。为此，双馈感应发电机提供的参考速度必须通过电磁转矩来跟踪。通过这种控制策略，可以在双馈感应发电机的变速操作中提取最高功率。

步骤1具体包括：以如下公式表示发电机电压方程，

式中：

us表示定子电压，ur表示转子电压，rs表示定子电阻，rr表示转子电阻，is表示定子电流，ir表示转子电流，ψs表示定子磁链，ψr表示转子磁链。

以如下公式表示磁链方程，

式中：

us表示定子电压，ur表示转子电压，is表示定子电流，ir表示转子电流，lm表示互感，ls表示定子电感，lr表示转子电感。

步骤1中，以如下公式表示dq坐标下的电压方程，

式中：

uds表示定子电压的d轴分量，uqs表示定子电压的q轴分量，udr表示转子电压的d轴分量，uqr表示转子电压的q轴分量，ids表示定子电流的d轴分量，iqs表示定子电流的q轴分量，idr表示转子电流的d轴分量，iqr表示转子电流的q轴分量，ψds表示定子磁链的d轴分量，ψqs表示定子磁链的q轴分量，ψdr表示转子磁链的d轴分量，ψqr表示转子磁链的q轴分量，rs表示定子电阻，rr表示转子电阻，ωr表示转子转速；

以如下公式表示dq坐标下的磁链方程，

式中：

ids表示定子电流的d轴分量，iqs表示定子电流的q轴分量，idr表示转子电流的d轴分量，iqr表示转子电流的q轴分量，ls表示定子电感，lr表示转子电感，lm表示定子与转子的互感。

步骤2，建立发电机直接功率控制模型；具体包括：以如下公式表示定子的功率控制模型，

式中：

ps表示定子的有功功率，qs表示定子的无功功率，ωr表示转子转速，ψs表示定子磁链，ψr表示转子磁链，ls表示定子电感，lr表示转子电感，lm表示定子与转子的互感，δ表示转子旋转的角度，

σ表示漏抗因子，

式中：

l0表示励磁电感。

可以理解的是，定子的有功功率和无功功率通过磁通矢量之间的相对角度以及定子和转子的磁通幅度的变化而变化。由于定子的磁通幅度恒定，因此定子的有功功率和无功功率取决于定子和转子的磁通矢量之间的角度以及转子的磁通幅度。

可以对不同的扇区进行相同的研究，以观察逆变器产生的其他矢量对定子有功功率和无功功率的影响。从图2、3可以看出，在与有功功率和无功功率有关的参考值与估算值之间进行了比较，并最终对其进行了分配，用于迟滞控制器。

磁滞控制器的输出和存在转子磁通的扇区号一起分配为切换表中的输入。该表用于指定适当的电压矢量，然后，将脉冲sa、sb和sc送到电压源转换器(vsc)。使用dpc方法对机器进行控制，并且svm用于位于电网侧的变频器控制系统中，pi控制器用于执行svm技术。与gsc控制系统有关的框图如图3所示。如该图所示，有三个pi控制器：电压控制器，功率控制器和电流控制器。为了增强建议的控制系统的性能，需要精确调整pi控制器的系数。在后面的步骤4中可以使用任意一种智能优化方法，例如但不限于粒子群算法，独立成分分析算法和教与学优化算法，用于调整三个pi控制器系数。在本发明中，主要以教与学优化算法。

步骤3，建立水力系统模型，包括水道模型、调压井模型和水轮机模型；具体包括：

基本方程式中的影响项可以表示为压力管道中的水速，水加速度和涡轮机的发电，并考虑到流动水量和压力管道的非弹性，以如下公式表示水道的动态模型，

式中：

h0表示水柱静压头，h表示水轮机入口处的静压头，即有效的水头，hf表示管道头的摩擦损失，ρ表示水密度，g表示重力常数，h表示水落差高度，fw表示水道摩擦系数，fp表示管道头的摩擦损失系数，u表示进入引水管道的水流速，l表示引水管道的长度，d表示引水管道的直径，a表示引水管道的截面积。

水道壁的弹性特征在水中产生动态波。这种现象称为水锤或撞锤撞击。当水压的变化(高于或低于常压)实际上是由于水流量的突然变化而导致时，就会发生水锤现象。调压井用于水力发电厂，以消除水锤造成的破坏性影响。不管刚性系统隧道中的压头损失如何，均使用以下关系式来计算振荡周期和调压罐中存储常数的影响以如下公式表示调压池模型，

式中：

l表示水库与调压井之间的管道长度，as表示调压井面积，a表示管道的截面积，g表示重力常数；tst表示调压井振荡冲击周期。

以如下公式表示水轮机模型，

式中：

pm表示水轮机功率输出，at表示增益系数，h表示水轮机入口处的静压头，即有效的水头，q表示水轮机的水流量，qnl表示水轮机空载水流量，dn表示水轮机阻尼因数，g表示水轮机导叶开度，δω表示水轮机转速，f表示水轮机组旋转的摩擦系数，tw表示水流惯性时间常数，也是反映水流中水锤效应的时间常数，取值范围一般为0.6-4.4。

步骤4，建立优化目标函数和约束条件，以教学优化算法，对定子有功功率进行仿真；具体包括：

步骤4中，以如下公式表示优化目标函数，

式中：

ps表示定子有功功率，ps_ref表示定子有功功率参考值，t表示时间。

以如下公式表示，

式中：

kp表示比例增益，kpmax表示比例增益最大值，kpmin表示比例增益最小值，ki表示积分增益，kimax表示积分增益最大值，kimin表示积分增益最小值。

教与学优化算法的原理基于rao等人所述的与课堂教学有关的程序。本发明的重点在于应用教与学优化算法对三个控制器的pi系数进行优化，而不是教与学优化算法本身，以下给出教与学优化算法的描述。之所以选择课堂教学方法，是因为它是教育系统中进行学生预期的改革的最有效工具。同样，教师对学生(学习者)输出的影响会增强教与学优化算法。在这种优化算法中，输出是学习者获得的分数或等级。

应当指出的是，教师已经考虑到受过良好教育的个别教学学生，以提高他们的学习效果。因此，如果学生(学习者)获得理想的结果，他们的学习将得到改善。另外，学习者通过与他人互动来学习，这可能会导致更理想的结果。教与学优化算法被认为是基于总体的优化算法，而学习者的集合被视为总体，提供给学习者的课程被视为设计变量。此外，应注意的是，学生获得的结果表明所研究的优化问题的适应度函数。但是，教与学优化算法有两个主要部分：“教师阶段”和“学习者阶段”。

如图4所示，教与学优化算法对pi控制器系数进行优化的步骤包括：

步骤4.1，对pi控制器系数求解空间初始化种群；

步骤4.2，求取种群内所有个体即pi系数组合的适应值，选择适应值最好的个体作为作为教师，并且求解种群的平均值；

步骤4.3，教师的“教”行为，通过向当前最优pi组合的学习，产生临时pi系数组合，以优胜略汰的方式替代自身状态；

步骤4.4，学生之间相互学习阶段，任意两个pi系数组合，选取优秀的一个，另一个向其学习；

步骤4.5，满足迭代条件后，输出最佳pi控制器系数组合。

本发明还提供了一种基于所述优化方法的抽水蓄能电站发电机的建模仿真系统，包括数据输入模块、建模模块、优化仿真模块和输出模块，其中，

输入模块，用于输入抽水蓄能电站的参数；

建模模块，用于对水力系统、发电机进行建模；

优化仿真模块，用于对发电机pi控制器的系数组合进行优化仿真；

输出模块，用于将优化仿真模块的结果输出以可视化形式输出。

本发明的有益效果在于，与现有技术相比，提供了一种抽水蓄能电站发电机的建模仿真方法，可以对发电机控制系统的设计进行仿真，模型结构简单，精度较高，收敛速度较快。

本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。