论文总字数：25064字

摘 要

含变速机组的抽水蓄能电站具有宽范围调节能力，且系统运行效率高、启动特性好、维护成本低、经济效益优越，引起了电网建设领域的重视。本文对含变速机组的抽水蓄能电站及其相关控制策略进行了深入的研究，主要研究内容和成果如下：

首先介绍了变速抽蓄电站的主要结构。对于交流励磁电机，说明了电机与常规异步电机和同步电机的联系和区别，以及在抽蓄系统中该电机性能的优越性；对于可逆水泵水轮机，通过与常规抽蓄电站中的原动机对比，介绍了其在两种工作模式下与系统配合运行的特点；对于变流器，介绍了目前主流的两种拓扑结构以及两种结构的优点和缺点。

其次，文章建立了上述各组成部分的数学模型和适当的控制系统，并引入了坐标变换用于化简。本文在两相旋转坐标系中建立了交流励磁机组的等值电路模型，分析了交流励磁机组中电压、磁链、转矩等物理量之间的相互关系。基于交流励磁机组的数学模型，重点研究了机组的机侧变流器和网侧变流器的数学模型和控制策略。研究表明，采用矢量控制可实现并网运行时，系统定子端口有功和无功功率的解耦控制。

最后，为了说明上述成果的正确性，文章从单台机组特性分析开始，通过让机组发出定量的有功功率和无功功率验证了其功率调节能力。之后，设计了变速抽蓄电站的功率控制模型基于电力系统的有功功率平衡设计了频率闭环控制；基于电力系统无功功率平衡设计了电压闭环控制。设计了含变速抽蓄电站的小型电力网络模型，同时，为了保证系统准确性，引入了常规阻性负荷、旋转负荷和模拟新能源并网的不确定负荷，并在此系统中验证了变速抽蓄电站的功率调节能力。

关键词：变速抽蓄机组；新能源并网技术；功率控制策略；水力发电技术

Abstract

Variable speed pumped storage station(VSPSS) has wide-range adjustment capability, high system operation efficiency, ideal starting characteristics, low maintenance cost and superior economic benefits. In recent years, it has attracted great attention. In this paper, the pumped-storage power station with variable speed unit and its related control strategies are deeply studied. The main research contents and results are as follows:

Firstly, this paper introduces its main components. For AC excitation motors, the connection and difference between the motor and conventional asynchronous motors and synchronous motors are described, as well as the superiority of the performance of the motor in the pumping system. For the reversible pump turbine, compared with the conventional pumping station, it introduces the characteristics of in two working modes. For the converter, it lists the two mainstream topologies and show their difference.

Secondly, the paper designs the mathematical model and the appropriate control system of the above components. To simplify them, It brings in strategy of coordinate transformation, under which the equivalent circuit model of the AC excitation motors is built. Based on the model of the AC excitation motors, the control strategies of the converters are established. Research shows that the vector control can realize the decoupling control of the active and reactive power of the stator port of the system when running in the grid.

Finally, to verify and test the above results, the paper analyzes the characteristics of a single pumped unit and verifies its power regulation capability by letting the unit generate quantitative active and reactive power. Besides, the power control model of the VSPSS is designed and a small power network model with variable speed pumping power station is also established. In order to ensure the accuracy of the system, this network also contains the conventional resistive load, the rotating load and the uncertain load which simulates the integration of new energy.

KEY WORDS: Variable speed pumping unit; The integration of renewable energy into the grid; power control strategy; hydropower technology

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1课题背景及研究意义 1

1.2抽水蓄能技术的发展概况 2

1.3变速抽水蓄能技术的优势 3

1.4本文的主要研究内容 4

第二章 含变速机组的抽蓄电站结构及运行原理 5

2.1交流励磁机组的结构及运行原理 5

2.2可逆水泵水轮机的结构及运行原理 5

2.3变流器的结构及运行原理 6

2.3.1交-交变流器 6

2.3.2交-直-交变流器 6

2.4本章小结 7

第三章 变速抽蓄机组的运行控制及其建模仿真 8

3.1基于坐标变换的数学模型建立方法 8

3.1.1三相-两相变换 8

3.1.2两相-两相旋转变换 9

3.2交流励磁电机的数学模型 10

3.3可逆水泵水轮机的控制策略 11

3.4机组变流器的控制策略 12

3.4.1机侧变流器控制策略 12

3.4.2网侧变流器控制策略 15

3.5本章小结 17

第四章 含变速机组的抽蓄电站仿真建模及其特性分析 18

4.1变速抽蓄电站的仿真建模 18

4.2变速抽蓄电站功率响应能力仿真分析 19

4.2.1发电机模式运行工况 19

4.2.2电动机模式运行工况 20

4.3变速抽蓄电站在小型电网系统中的调节能力仿真分析 21

4.3.1变速抽蓄电站功率控制模型 21

4.3.2小型电力网络的模型 23

4.3.3调节能力仿真分析 25

4.4本章小结 27

第五章 结论与展望 28

参考文献 30

致 谢 32

第一章 绪论

1.1课题背景及研究意义

在当今社会中，电能是最能被人类直接利用的可靠的二次能源，人类开采出的煤、石油等自然资源大部分都被转化为电能再加以利用。近年来，随着科技发展和社会环保意识的提高，越来越多清洁能源正在逐步取代化石燃料发出电能。以风能、水能、光能为代表的无污染绿色能源正在成为未来电力网络能量源头的主体部分，但新能源并入电网也带来了相当严重的问题，例如风电的不稳定性、光伏发电的时间局限性，引起了电网频率波动、电网电压降落等损害电能质量的问题^[1][2]。所以，在很多新能源发电站中，为了符合电能并网质量要求，出现了大范围的弃光、弃风现象，让新能源的发电成本进一步增高，最终让清洁能源发电的发展寸步难行。

随着全球变暖危机和电力系统结构改革等因素的影响，电力系统的负荷调整问题亟待解决。电网应确保输出频率的稳定性，降低电力成本和环境负担，同时最大限度地满足用户侧的实时电力需求。从各国电网发展的历史和电力系统的特征出发，电力系统出力调整，调频、调相和应急储备能力对于电力系统的稳定运行是必不可少的。抽水蓄能机组作为电力网络中的能量缓冲环节，在很大程度上可以缓解此类现象。抽水蓄能机组的原理是可以根据电网的电压、频率变化来调节自己的有功、无功出力；同时，电机可以四象限运行，既能工作在发电机模式提供电能，也能工作在电动机模式消纳电能。如此，如果在电力网络中加入此环节，就可以调节电能质量。抽水蓄能机组为电网削峰填谷、消纳或发出适当的电能，是解决新能源并网等电压、频频波动问题一个有效的方法^[3][4]。

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