本文是一篇电气自动化论文，本文研究中在双馈电机控制中使用了矢量控制的方法，来实现有功与无功的解耦控制。机组控制策略采用了功率主控法，即将转速通过水轮机调节系统控制，功率由双馈发电机励磁系统控制。
1绪论
1.1研究背景及意义
随着世界能源日益短缺，新能源的研究与发展必将成为未来一段时间的趋势与热点，尤其是在国家提出“双碳”的大背景下，即2030年前实现“碳达峰”，2060年前实现“碳中和”[1,2]。伴随着大规模的可再生能源接入电力系统之中，我国的传统能源结构将发生重大改变。新能源显著的特点就是“高随机性与波动性”，这将严重威胁到电力系统的安全运行，尤其是电网的调峰与调频。如何合理高效的消纳这些可再生能源，将成为影响新能源发展的重要因素。抽水蓄能电站作为一种绿色、低碳、调节迅速的储能方式，将在消纳风，光等新能源方面起到更加关键的作用。
我国现在已经投产使用的抽水蓄能机组均为基于同步电机的定速抽水蓄能机组，为定速恒频运行。在水头变化幅度较大的情况下，水轮机往往会偏离最高效率点运行，导致机组效率大幅降低。从而加剧机组振荡、空蚀，严重影响到机组运行的安全与稳定。同时普通的定速抽水蓄能机组对功率响应较慢，无法满足新能源接入电网时快速功率响应要求。为了改善这些问题，变速抽水蓄能机组应运而生。变速抽水蓄能机组采用交流励磁发电机与变流器，可以实现机组变速异步运行，大幅提高了机组运行能力[3]。
...........................
1.2国内外变速抽水蓄能机组研究现状
1.2.1变速抽水蓄能机组发展现状
最早在上世纪80年代，因为自然资源极度短缺等问题，日本需要大力发展核电技术。由于核电缺乏调峰调频等能力，抽水蓄能技术的发展也加快了速度。而变速抽水蓄能技术由于其快速响应能力与优异的性能，更加成为了研究的重点，日本也因此成为了世界上最早一批研究变速抽水蓄能技术的国家[9]。日本于1987年改造出第一台变速抽水蓄能机组，在之后的几十年里，又陆陆续续修建了十多座变速抽水蓄能电站。其中包括了世界上转速最高的小川丸变速抽水蓄能机组，转速高达564-576r/min，使得变速抽水蓄能技术进一步成熟[10]。
在欧洲、美国等地同样因为能源短缺，风电光伏等新能源大量接入电网，迫切需要储能设备来对电网进行快速功率调节等原因，变速抽水蓄能技术也在飞速发展。美国的阿贡国家实验室已经对变速抽水蓄能技术做出了一系列研究，在加利福尼亚州开展了多项变速抽水蓄能项目的研究[11]。德国近年来更是研究出了变流器容量最大的变速抽水蓄能电站—Goldisthal电站[12]。法国于2016年在le cheyles电站投运了一台容量为267MW的变速机组，瑞士也于2018年修建了四台变速抽水蓄能机组等等。
......................
2 双馈变速抽水蓄能机组数学模型及控制策略
2.1 水泵水轮机数学模型
双馈变速抽水蓄能机组与传统定速抽水蓄能机组主要的不同之处在于，前者采用双馈异步电机作为发电机，后者采用同步电机作为发电机。双馈变速抽水蓄能机组可以通过调节转子侧励磁电流的大小来进一步调节转子电压的频率、幅值与相位，来达到转速可调的目的。双馈变速抽水蓄能机组是一个水、机、电高度耦合的强非线性系统，主要包括水泵水轮机及其控制系统、调速系统及随动系统、引水系统、双馈电机及其控制系统与双向变流器等[41]。机组结构示意图如下所示，水泵水轮机与双馈电机转子通过转轴直接相连来交换能量。双馈电机转子是对称分布的三相绕组结构，通过变流器与电网相连，可以实现交流励磁。定子结构与传统凸极同步电机结构相同，直接连接到电网之中。
电气自动化论文怎么写
水泵水轮机是变速抽水蓄能机组中重要的组成部分，目前水泵水轮机的建模可以分为以下几种方法，(1)：通过根据水轮机外特性数值法推导，又经过数值拟合、插值等手段构建出的水轮机全特性曲线模型[42]。(2)：根据水轮机的综合特性曲线的数学模型为基础，在水轮机稳态工况点处，对流量与力矩特性方程进行泰勒展开，得到六参数线性模型。(3)：美国IEEE PES Working Group on Prime Mover提出的非线性模型，此模型依靠刚性水锤方程为依据，在一定程度上可以表示水电系统的非线性特性。由于线性模型仅仅是在一个工况点的线性展开，不能很好地反应水泵水轮机特性，文章选取基于水泵水轮机的全特性曲线非线性模型进行研究。本文研究数据基于我国某抽水蓄能电站水泵水轮机原始数据，进行后续全特性曲线模型的建立与研究。
....................
2.2 调速器及随动系统数学模型
水轮机调速器主要有PI调速器、PID型调速器和智能型调速器。其中，PID型调速器具有结构简单，参数易调节、鲁棒性强等特点被广泛应用[44]。
当水轮机工况发生改变时，因为水流与引水管道管壁存在的弹性，阀门处的压力会导致压力波向上游水库传递。这对管道形成了一定的冲击，形成水击现象[45]。由于水击现象的存在，对引水系统进行完整的建模对水轮机调节系统的研究具有重要影响。
因为双馈电机的定子与转子都可馈电，并且电机运行时转子转速可以与同步转速不相等，所以双馈电机被定义为异步电机[47]。双馈电机的功率因数可以调节，具有独立的励磁绕组，调节负荷时转速可以不变，是一种具有同步电机特性的交流励磁异步电机。双馈电机定子绕组直接与电网连接，转子绕组通过两电平电压型双脉冲宽度调制（PWM）变流器与电网相连。
...........................
3 增量型非线性广义预测控制器设计 .............................. 25
3.1 广义预测控制基本原理........................... 27
3.1.1 预测模型 ............................................ 27
3.1.2 多步最优预测 .......................................... 28
4 基于非线性广义预测控制的双馈电机励磁控制 .............................. 37
4.1 非线性广义预测控制器设计 .......................... 37
4.1.1 预测模型建立 ................................ 39
4.1.2 反馈校正设定 .......................................... 39
5 基于非线性广义预测控制的水力机组转速控制 .............................. 49
5.1 定速水力机组转速控制系统中的应用 ........................................ 49
5.1.1 定速水力机组转速控制系统模型 ...................... 49
5.1.2 控制器设计 ............................... 52
5基于非线性广义预测控制的水力机组转速控制
5.1定速水力机组转速控制系统中的应用
5.1.1定速水力机组转速控制系统模型
定速水力机组转速控制系统主要由调速器、引水系统、水轮机与发电机及负载构成，是一个集合机械与电气的高度复杂系统。示意图如5-1所示：
电气自动化论文参考
从图5-1可以看出给定转速参考值ωref与实际转速ωr反馈值的得到转速偏差值e，将此信号输入调速器生成调节信号。该信号通过控制随动系统与水轮机与引水系统，调节水轮机导叶开度从而调节水轮机输出力矩。
.............................
6 总结与展望
6.1 研究总结
双馈变速抽水蓄能机组作为高渗透率下新型电力系统的一种重要储能手段，在维护电网稳定运行方面起着重要作用。本文针对其控制策略进行了研究，提出将广义预测控制分别应用于双馈电机转子侧励磁控制以及水力机组转速控制系统之中，从而提升机组运行性能以及保证机组适用于新型电力系统快速响应的要求。具体研究内容如下：
(1) 针对机组的各个部分进行了数学模型的搭建，包括水泵水轮机的全特性曲线模型、调速器及随动系统的非线性模型、引水系统的近似弹性水击模型、双馈电机在dq两相旋转坐标下的数学模型以及变流器的数学模型。用对数投影法对水泵水轮机全特性曲线进行了相应处理，解决了水泵水轮机运行在“S”区时可能出现的多值问题。详细介绍了机组的控制策略，包括功率主控法、转速与开度寻优模块以及矢量控制，为下文研究做好了铺垫。
(2) 对广义预测控制的原理进行了推导，针对广义预测控制对强非线性系统可能出现的模型失配、控制效果较差等问题，引入可调控的β增量来提升控制器性能。面向本文研究对象，选择了瞬时线性化研究方案，附加了带遗忘因子的递推最小二乘法进行了实时参数辨识。在简单非线性系统中，对所设计控制器进行了验证。
(3) 本文研究中在双馈电机控制中使用了矢量控制的方法，来实现有功与无功的解耦控制。机组控制策略采用了功率主控法，即将转速通过水轮机调节系统控制，功率由双馈发电机励磁系统控制。将所设计控制器应用在双馈电机转子侧电流内环中，与传统的PI控制器进行仿真对比。结果表明，在水轮机工况与水泵工况时，面对不同大小功率阶跃扰动时，所设计控制器控制性能良好。
参考文献（略）