本文是一篇电气自动化论文，本文对水泵水轮机全特性曲线数据进行了补充，得到了水泵水轮机在零开度和低开度下的全特性曲线，解决了全特性曲线水泵工况数据不足的问题。利用新的水泵水轮机非线性数学模型对补充后的全特性曲线进行了处理，有效解决了由于多值现象导致的难以插值问题。
1 绪论
1.1研究背景及意义
为实现“双碳”目标，新能源将大规模并入电网，成为电源侧的中坚力量[1]。据2023年底的数据显示，非化石能源发电装机的总规模已经跃升至15.3亿千瓦，首次超过火电装机规模，并且非化石能源在总装机容量中的比重首次超过50%，成为主导力量，与此同时，传统的煤电装机比例则呈现下滑趋势，首次降至40%以下，这一变化标志着能源结构向更加清洁、低碳的方向转型[2]。其中，风电、太阳能发电装机规模10.5亿千瓦，占总装机的36%，如图1-1（a）所示。2023年，非化石能源发电量达2.68万亿千瓦时，占总发电量的30%，其中风电和太阳能发电量达到1.1万亿千瓦时，占总发电量的12.62%，如图1-1（b）。相较于2010年和2015年，分别提升了13.62个百分点和8.38个百分点，可以看出我国新能源发展迅速。然而由于风能、太阳能等新能源不稳定的特点，电网亟需大量的快速响应灵活调节电源[3]。
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储能是提高电网灵活性的有效手段，可以在电网中发挥促进新能源消纳和容量支撑的作用，在新型电力系统中将担当重任[4]。抽水蓄能机组是当前经济性能最优、技术最成熟、最具大规模开发条件的储能系统[5]。国家能源局强调大力发展抽水蓄能机组是新型电力系统亟需的，计划到2030年投产的抽水蓄能机组总规模达到约1.2亿千瓦左右[6]。
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1.2国内外研究现状
1.2.1抽水蓄能电站发展现状
1968年，岗南水电站安装了一台11MW的抽水蓄能机组，拉开了我国抽水蓄能电站的序幕[12][13]。1972年，得益于我国水电技术的迅猛进步，密云水库电站率先引入了两台国产抽水蓄能机组，每台拥有11MW的单机容量[14]。进入二十世纪七八十年代，为有效应对电网调峰挑战，我国华北电网启动了潘家口混合式抽水蓄能电站的建设项目[15]，标志着我国抽水蓄能电站领域迎来了首个建设热潮与重要里程碑[16]。自八十年代末起，我国抽水蓄能电站的建设如火如荼，开始逐渐聚焦于高水头、大容量的纯抽水蓄能电站，标志着我国抽水蓄能技术步入成熟且稳定的发展阶段[17]。随着“碳达峰”与“碳中和”目标的明确提出，我国抽水蓄能电站的建设步伐得到了进一步的加快[18]。截止2023年底，我国水电累计装机容量达42154MW，占全国发电装机总容量的14.43%，可以看出我国水电建设和发展迅猛，未来前景广阔我国部分已投运和在建抽水蓄能电站情况。
国外很多国家对变速抽水蓄能机组进行了研究，美国阿贡国家实验室在变速抽水蓄能机组领域进行了详尽的研究，并据此撰写了一系列报告[19][20]，其研究成果不仅停留在理论层面，更在加利福尼亚州付诸实践，成功开展了多个变速机组项目；与此同时，德国在变速抽水蓄能电站建设方面亦取得了显著成就，特别是Goldisthal电站，它拥有世界上最大的变流器容量[21]；此外，印度建造了世界上水头变化最大的变速抽水蓄能电站 [22] ，展现了其在抽水蓄能技术领域的实力。
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2 双馈变速抽水蓄能机组数学模型
2.1基本构造和原理
双馈抽水蓄能机组结构如图2-1所示，主要由双馈电机、上游水库、下游水库、机侧变流器、网侧变流器、水泵水轮机、调速器和引水系统等组成。
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2.2双馈电机模型及其控制系统
在机侧变流器的设计中，本文采用了基于定子磁链定向的双闭环控制策略。这一策略通过精确调控d轴来实现对无功功率的精准控制，同时，通过对q轴的调控，实现对有功功率的有效管理，其结构如图2-10所示。在d轴控制过程中，Qsref与Qs的偏差经过PI控制器可以得到idrref，idrref再与测量到的idr作差，偏差值经过PI控制器可以得到转子d轴电压的解耦项，转子d轴电压的解耦项再加上转子d轴电压补偿项便可得到转子d轴电压参考值。在q轴控制过程中，Pref与P的偏差经过PI控制器可以得到iqrref，iqrref再与测量得到的iqr作差，偏差经过PI控制器可以得到转子q轴电压的解耦项，转子q轴电压的解耦项再加上转子q轴电压补偿项便可得到转子q轴电压参考值。转子d轴电压参考值和转子q轴电压参考值经过坐标变化和SVPWM得到开关信号Srabc。
网侧变流器在设计中采用了电网电压定向的双闭环控制方案，其中，d轴的控制目标是稳定直流母线电压，而q轴则负责调控无功功率，以确保电网与变流器之间的高效能量交换和稳定运行，其结构如图2-11所示。在d轴控制过程中，vD Cref与vD C作差，差值经过PI控制器可以得到idgref，idgref再与测量到的idg作差，偏差经过PI控制器得到电压解耦项，电压解耦项再加上电压补偿项，便可得到转子侧d轴电压参考值。在q轴控制过程中，Qgref与Qg作差，差值经过PI控制器可以得到iqgref，iqgref再与测量到的iqg作差，偏差经过PI控制器得到电压解耦项，电压解耦项再加上电压补偿项，便可得到转子侧q轴电压参考值。转子侧d轴电压参考值和转子侧q轴电压参考值经过坐标变化和SVPWM可以得到开关信号Sgabc。
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3 双馈抽水蓄能机组静止到抽水调相工况启动过程分析 .................. 23
3.1 双馈变速抽水蓄能机组自启动原理 ............................ 23
3.2 定子磁链定向矢量控制................... 23
4 双馈抽水蓄能机组抽水调相工况到抽水工况转换过程分析 .......... 47
4.1 水泵工况数据补充 .......................... 47
4.2 模型简化与改进 ............................ 48
5 总结与展望................................. 73
5.1 总结 ......................................... 73
5.2 展望 ........................... 74
4 双馈抽水蓄能机组抽水调相工况到抽水工况转换过程分析
4.1水泵工况数据补充
在研究双馈变速抽水蓄能机组由抽水调相工况到抽水工况转换过程中，水泵水轮机缺少零开度和低开度时的全特性曲线，水泵工况数据不足，因此需要对水泵水轮机零开度和低开度全特性曲线进行补充。为了保证机组处于最优开度和最优转速状态下，建立了最优开度发生器和最优转速发生器。同时，发现机组在启动过程出现进入驼峰区的现象，为了避免机组在启动过程中进入驼峰区，对现有的控制策略进行改进和完善，在最优开度发生器后增加了速率限制模块，用速率限制模块对水泵水轮机导叶开启速率进行限制，使机组在运行过程中可以有效避免进入驼峰区。同时分析了不同初始转速对机组进入驼峰区的情况，发现初始转速较低时机组会出现逆流现象导致机组抽不上水，转速较高时机组进入驼峰区时间较少，因此可以作为初始转速对机组进行启动。国内某水电站全特性曲线数据如图4-1所示，从图中可以看出机组缺少零开度和低开度时的水泵工况数据，且机组在n11为-85.93r/min左右时的数据缺失较为明显（即图中红色虚线附近），导致无法对水泵水轮机启动过程进行研究。因此，需要对全特性曲线中零开度和低开度时的数据进行补充。
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5 总结与展望
5.1总结
随着新型电力系统对电网稳定性和机组启动性能要求的不断提高，研究双馈抽水蓄能机组水泵工况启动过程具有十分重要的意义。因此，本文针对双馈抽水蓄能机组自启动控制策略进行研究和分析。首先，建立并分析了双馈抽水蓄能机组的精细化模型；其次，对双馈变速抽水蓄能机组由静止工况到抽水调相工况自启动过程进行研究和分析；最后，对双馈变速抽水蓄能机组由抽水调相工况到抽水工况启动过程进行研究和分析。综合前文内容，具体研究成果如下：
（1）本文对机组的数学模型进行了搭建，主要包括双馈电机模型及其控制系统、水泵水轮机模型及其控制系统、变流器模型及其控制系统。其中，双馈电机模型及其控制系统主要包括：机组在三相静止坐标系下和dq坐标系下的数学模型。水泵水轮机模型及其控制系统主要包括：水泵水轮机模型、调速器模型和伺服系统模型、引水系统模型。水泵水轮机模型及其控制系统主要应用在机组由抽水调相工况到抽水工况启动过程中，双馈电机模型及其控制系统和变流器模型及其控制系统在机组整个启动过程中均应用到。机组精细化模型的建立为后文机组启动过程中模型的简化和改进提供了研究基础。
（2）本文对机组由静止工况到抽水调相工况启动过程进行了研究。分析了机组自启动原理和启动过程中各个模型所起到的作用。对机组自启动时的数学模型进行推导和分析，从而得到机组自启动过程中的控制策略。同时，为了更准确快速地求出定子磁链幅值和相位，建立了定子磁链观测器，并对机组自启动过程中转子电流极限值的选取方法进行说明，对启动过程中转子电流设置限幅环节，避免机组变流器输出功率超过最大值。根据上述分析搭建了机组自启动仿真模型，并对机组启动过程进行了分析，发现了机组相关参数会对启动快慢产生影响，对此仿真分析了机组不同参数对启动速率的影响，并对上述仿真结果进行总结。
参考文献（略）