CN108964097A - 抽水蓄能与可再生能源发电协同运行系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种抽水蓄能与可再生能源发电协同运行系统及方法，利用交流电网、海上风电场、光伏发电站和抽水蓄能电站形成的四端环网结构，所述交流电网、海上风电场和抽水蓄能电站各通过一基于电压源型换流器的换流站彼此连接，光伏发电站通过DC‑DC变换器连入环网结构，使得海上风电场和光伏电站所发出的电能汇集并传输到交流电网中，实现大规模可再生能源的汇集、输送和消纳，在大规模可再生能源发电系统利用直流输电系统并网之前，起到减少其实际出力与预测出力偏差，抑制出力波动的目的，从而降低可再生能源出力波动对系统稳定性带来的影响。

Description

抽水蓄能与可再生能源发电协同运行系统及方法
技术领域
本发明属于柔性直流输电控制运行领域，具体涉及一种基于柔性直流输电的抽水蓄能与可再生能源发电协同运行系统及方法。
背景技术
随着对环境保护及温室气体排放的日益重视，全球能源消耗正在从化石能源转移到可再生清洁能源。近年来，以风电、光伏为代表的可再生能源装机呈现稳步增长。相比于传统的发电方式，以风电、光伏为代表可再生能源具有间歇性和波动性等特点。大规模的可再生能源并网，容易给系统带来电压波动、电压闪变以及谐波等问题，降低电能质量以及系统安全稳定性。为了提高可再生能源的电网接入，减少“弃风、弃光”现象的发生，急需提高可再生能源发电出力的精确性和可控性。
提高可再生能源出力预测的精度是最直接的措施。以风电为例，目前已经有众多风电功率预测技术获得广泛的应用，预测精度不断提高，国际上短期功率预测误差可低至2.5％。然而，从预测技术的发展趋势来看，以数据积累为基础带来的精度提升效果日渐式微，预测精度短期内再出现较大提高较为困难。
鉴于短期内提高预测精度的局限性，储能作为一种可调度的资源，在解决可再生能源出力波动性和不确定性方面得到广泛关注。相比于其它的储能技术，抽水蓄能具有容量大，单位容量价格低等特点。在目前已经建设的大规模储能工程中，抽水储能占绝对的主导地位。并且，随着电力电子技术的发展，具有变频调速功能的抽水储能机组逐渐普及，抽水蓄能电站逐步具备了短时间快速变化运行状态的能力，令抽水储能电站参与到快速功率调节成为可能。
直流输电(HVDC)尤其是柔性直流输电(VSC-HVDC)发展迅速。柔性直流技术在接入和控制大规模可再生能源方面具有独特的优势，适用于解决我国可再生能源大规模、远距离消纳问题，水蓄能电站的规划运行调控提供了新的思路，对未来抽水蓄能的运行模式与控制方法的研究具有十分重要的指导意义。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种抽水蓄能与可再生能源发电协同运行系统及方法，本发明能够满足大规模可再生能源发电系统利用直流输电系统并网之前，减少出力误差，有效的抑制出力波动的需求.
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种抽水蓄能与可再生能源发电协同运行系统，至少包括交流电网、海上风电场、光伏发电站和抽水蓄能电站形成的四端环网结构，所述交流电网、海上风电场和抽水蓄能电站各通过一基于电压源型换流器的换流站彼此连接，所述光伏发电站通过DC-DC变换器连入环网结构，使得海上风电场和光伏电站所发出的电能汇集并传输到交流电网中，实现大规模可再生能源的汇集、输送和消纳。
进一步的，所述海上风电场连接的换流站VSC1运行在定交流电压模式，以控制风电场交流电压；
进一步的，所述抽水蓄能电站连接的换流站VSC2运行在定交流电压模式，为抽水蓄能电站的运行提供交流电压参考。
进一步的，所述交流电网连接的换流站VSC3运行在裕度下垂模式；当换流站运行功率在裕度范围内，换流站VSC3运行在直流电压模式，为多端柔性直流输电系统提供直流电压参考；当换流站功率超过裕度范围，换流站VSC3将运行于下垂控制模式，通过预先设定的直流电压-功率特性曲线调节直流电压和功率。
进一步的，所述DC-DC变换器为基于模块化多电平换流器的两端口DC-DC变换器，包括依次连接的DC-AC变换器、交流变压器和AC-DC变换器，所述DC-AC变换器运行在定交流电压模式，以控制DC-DC变换器内部的交流电压稳定，所述AC-DC变换器运行在定直流电压模式，以控制光伏电站内部直流电压稳定。
一种抽水蓄能与可再生能源发电协同运行方法，出现不平衡功率时，判断是否超过设定的功率裕度，如果不是，则保持交流电网连接的换流站处于直流电压模式；如果是，则使交流电网连接的换流站处于功率-电压下垂模式，判断此时抽水蓄能电站的直流电压是否有变化；
如果有变化，则判断此时的直流电压波动值是否超过设定值，如果不是，则抽水蓄能电站调整抽水蓄能机组的运行速率，并且改变该时间段计划的发电总量，以抑制可再生能源并网波动；如果是，根据抽水蓄能电站的运行状态与抑制并网波动的状态，调整抽水蓄能机组的运行速率与模式；
如果没有变化，抽水蓄能机组按照设定计划继续运行。
进一步的，当直流电压出现波动但波动率小于δ％时，抽水蓄能电站将运行在控制模式I：如果此时抽水蓄能电站运行在抽水状态或者发电状态，则抽水蓄能电站将调整抽水蓄能机组的运行速率，并且改变该时间段计划的发电总量，以抑制可再生能源并网波动。
进一步的，当直流电压出现波动且大于δ％时，抽水蓄能电站将运行在控制模式II：如果此时抽水蓄能电站的运行状态与抑制并网波动的状态相同，则抽水蓄能电站将调整抽水蓄能机组的运行速率到最大运行速率，并且调整该时间段计划的发电总量；如果此时抽水蓄能电站的运行状态与抑制并网波动的状态相反，则抽水蓄能电站将首先紧急翻转当前运行模式，调整为负荷抑制并网波动的运行模式，调整抽水蓄能机组的运行速率到最大运行速率，并且改变该时间段计划的发电总量，实现抑制可再生能源并网波动的目的。
进一步的，对于交流电网换流站的控制与对于抽水蓄能电站控制需要相配合，当功率波动出现时，不平衡功率能按照控制目标的比例分配到抽水蓄能电站和交流电网。
更进一步的，当可再生能源出力与预测出力不同时，若出力波动小于连接交流电网的换流站的功率裕度，则该换流站仍然运行在定直流电压模式，不平衡功率输出到交流电网；若出力波动大于连接交流电网的换流站的功率裕度，不平衡功率将根据抽水蓄能电站的调速系数和连接交流电网换流站的下垂系数的比例进行分配，以实现抑制输出到电网的可再生能源波动的目的。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1.本发明提出的基于柔性直流输电的抽水蓄能与可再生能源发电协同运行方法，在大规模可再生能源发电系统利用直流输电系统并网之前，起到减少其实际出力与预测出力偏差，抑制出力波动的目的，从而降低可再生能源出力波动对系统稳定性带来的影响，顺应未来大规模可再生能源采用直流发展趋势，具有技术前瞻性。
2.本发明提出的基于直流电压控制的抽水蓄能电站控制策略，能够满足快速响应短时可再生能源的并网波动的需求。
3.本发明提出的基于多端柔性直流输电系统的抽水蓄能电站和大规模可再生能源发电系统的协同运行策略，控制结构简单，控制目标全面，能够在可再生能源并网前抑制其波动，降低了系统的调频需求，提高系统经济性和稳定性。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为包含抽水蓄能和可再生能源发电的典型四端柔性直流输电系统示意图；
图2为抽水蓄能电站典型运行状态及运行模式；
图3为基于直流电压控制的抽水蓄能电站控制策略的功率-直流电压特性曲线与控制框图；
图4为基于直流电压控制的抽水蓄能电站控制策略示意图；
图5为基于直流电压控制的抽水蓄能电站控制框图；
图6为直抽水蓄能电站和大规模可再生能源发电系统的协同运行流程示意图。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本实施例使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。
本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。
本实施例从以下几个方面进行详细描述：
(1)给出一种包含抽水蓄能和可再生能源发电的典型四端柔性直流输电系统。
(2)为了满足快速响应短时可再生能源的并网波动的需求，提出一种基于直流电压控制的抽水蓄能电站控制策略，该策略可以不依靠通讯迅速调整抽水蓄能机组的运行速率以及计划库容量。
(3)为了当功率出现波动时，不平衡功率能按照控制目标即时的分配到抽水蓄能电站和输出到交流系统，提出抽水蓄能电站和大规模可再生能源发电系统的协同运行策略，使抽水蓄能电站能参与到抑制可再生能源出力波动的过程中。
如图1所示，为本实施例给出的四端柔性直流输电系统。该系统为四端环网结构，其中基于电压源型换流器(Voltage Sourced Converter,VSC)的换流站VSC1，VSC2和VSC3分别连接大型海上风电场，内装变频调速机组的抽水蓄能电站以及交流电网。DC-DC连接大型光伏发电站。该多端柔性直流输电系统的设计目的，是将大型海上风电场和光伏电站所发出的电能汇集并传输到交流电网中，实现大规模可再生能源的汇集、输送和消纳。
连接风电场的换流站VSC1一般运行在定交流电压模式，以控制风电场交流电压。连接抽水蓄能电站的换流站VSC2一般运行在定交流电压模式，为抽水蓄能电站的运行提供交流电压参考。连接交流电网的换流站VSC3运行在裕度下垂模式。当换流站运行功率在裕度范围内，换流站VSC3运行在直流电压模式，为多端柔性直流输电系统提供直流电压参考；当换流站功率超过裕度范围，换流站VSC3将运行于下垂控制模式，通过预先设定的直流电压-功率特性曲线调节直流电压和功率。连接大型光伏电站的DC-DC变换器，采用基于模块化多电平换流器(Modular multilevel converter,MMC)的两端口DC-DC变换器。该变换器由两个MMC-VSC(DC-AC,AC-DC)和联接交流变压器构成。其中,DC-AC运行在定交流电压模式，以控制DC-DC变换器内部的交流电压稳定，AC-DC运行在定直流电压模式，以控制光伏电站内部直流电压稳定。
如图2所示，典型的抽水蓄能电站运行方式可以描述为：当系统内发电机发出的有功功率大于系统内负荷需求，抽水蓄能机组根据调度指令或系统频率变化情况，将下方蓄水池内的水抽取到上方蓄水池；当系统内发电机发出的有功功率小于系统内负荷需求，抽水蓄能机组释放上方蓄水池内储存的水利用势能差进行发电。其可以归结为3个运行状态和6种运行模式，抽水蓄能电站运行状态为：(1)静止状态；(2)抽水状态和(3)发电状态。运行模式为：①静止至发电模式；②静止至抽水模式；③发电至静止模式；④抽水至静止模式；⑤发电至抽水模式，以及⑥抽水至发电模式。其中，运行模式①～④属于正常运行模式，⑤和⑥属于紧急运行模式，只有当抽水蓄能电站需要快速参与到系统严重故障处置时才启用。抽水蓄能电站的上、下蓄水池均设有最大最小蓄水容量限制，任何运行模式都必须在容量限制范围内运行。
传统的抽水蓄能电站一般连接交流电网，其运行状态和运行模式的调整主要依据交流电网的削峰填谷需求。部分抽水蓄能电站为了响应系统负荷功率波动，在抽水蓄能机组传统控制中附加了功率-频率下垂控制，使得抽水蓄能机组可以参与到电网频率的调节过程，为电网提供功率支撑。
随着电力系统中可再生能源的不断并网接入，系统负荷功率波动呈现功率变化率和功率最大偏差都增大的现象。通过附加在抽水蓄能电站功率频率控制虽然可以抑制系统频率的波动，但这种调节方式是在可再生能源并入交流电网后，通过频率波动响应介入调节，无法从根本上降低可再生能源的出力波动，对提高系统运行稳定性的帮助有限。
传统的附加功率-频率下垂控制的抽水蓄能电站通过检测频率变化调整其运行模式。本实施例提出一种可用于调整抽水蓄能电站运行模式的直流电压下垂控制，其功率-直流电压特性曲线与控制框图如图3所示。图中，U为直流电压运行值；U0为直流电压参考值，P0为计划发电(抽水)功率；P为该时段实际发电(抽水)功率。
当可再生能源实际出力大于预测出力时，由于直流输电系统内部功率不平衡，直流电压将上升。此时抽水蓄能电站将根据直流电压下垂控制特性曲线，提高其抽水速率及计划容量或者降低发电速率及计划容量。相反，当可再生能源实际出力小于预测出力时，直流电压将下降。此时抽水蓄能电站将根据特性曲线，降低其抽水速率及计划容量或者提高发电速率及计划容量。
由于可再生能源并网波动强弱不同，为了更好的抑制并网功率波动，根据抽水蓄能机组的运行特点，本实施例提出基于直流电压控制的抽水蓄能电站控制策略。该策略包含两种不同的抽水蓄能电站控制模式，其控制模式示意图如图4所示。两种控制模式根据提前设置的直流电压阈值进行切换。直流电压阈值Ud-b可表示为：
Ud-b＝U0*(1±δ％)(1)
式中δ％为直流电压波动率。
当直流电压出现波动但波动率小于δ％时，抽水蓄能电站将运行在控制模式I。如果此时抽水蓄能电站运行在抽水状态或者发电状态，则抽水蓄能电站将调整抽水蓄能机组的运行速率，并且改变该时间段计划的发电(抽水)总量，以抑制可再生能源并网波动。
当直流电压出现波动且大于δ％时，抽水蓄能电站将运行在控制模式II。如果此时抽水蓄能电站的运行状态与抑制并网波动的状态相同，则抽水蓄能电站将调整抽水蓄能机组的运行速率到最大运行速率，并且调整该时间段计划的发电(抽水)总量；如果此时抽水蓄能电站的运行状态与抑制并网波动的状态相反，则抽水蓄能电站将首先紧急翻转当前运行模式，调整为负荷抑制并网波动的运行模式，随后，调整抽水蓄能机组的运行速率到最大运行速率，并且改变该时间段计划的发电(抽水)总量，实现抑制可再生能源并网波动的目的。
如图5所示，为本实施例所提出的基于直流电压控制的抽水蓄能电站控制策略的控制框图。其中，ksp，kspmax和kcp分别为抽水蓄能电站初始调速下垂系数,抽水蓄能电站最大调速下垂系数以及初始调容下垂系数。
为了使抽水蓄能电站能参与到抑制可再生能源出力波动的过程中，基于直流电压控制的抽水蓄能电站控制策略需要与连接交流电网换流站的控制策略相配合，具体的抽水蓄能电站和大规模可再生能源发电系统的协同运行策略如图6所示，使得当功率波动出现时，不平衡功率能按照控制目标即时的分配到抽水蓄能电站和输出到交流系统。不平衡功率的即时分配可以表示为：
式中ΔP,PPSH,PAC和kac分别为不平衡功率；分配到抽水蓄能电站的不平衡功率；分配到交流系统的不平衡功率和运行在裕度下垂模式的连接交流电网换流站的下垂系数。
当可再生能源出力与预测出力不同时，若出力波动小于连接交流电网的换流站的功率裕度，则该换流站仍然运行在定直流电压模式，不平衡功率输出到交流电网；若出力波动大于连接交流电网的换流站的功率裕度，不平衡功率将根据抽水蓄能电站的调速系数ksp和连接交流电网换流站的下垂系数kac的比例进行分配，以实现抑制输出到电网的可再生能源波动的目的。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种抽水蓄能与可再生能源发电协同运行系统，其特征是：至少包括交流电网、海上风电场、光伏发电站和抽水蓄能电站形成的四端环网结构，所述交流电网、海上风电场和抽水蓄能电站各通过一基于电压源型换流器的换流站彼此连接，所述光伏发电站通过DC-DC变换器连入环网结构，使得海上风电场和光伏电站所发出的电能汇集并传输到交流电网中，实现大规模可再生能源的汇集、输送和消纳。
2.如权利要求1所述的一种抽水蓄能与可再生能源发电协同运行系统，其特征是：所述海上风电场连接的换流站VSC1运行在定交流电压模式，以控制风电场交流电压。
3.如权利要求1所述的一种抽水蓄能与可再生能源发电协同运行系统，其特征是：所述抽水蓄能电站连接的换流站VSC2运行在定交流电压模式，为抽水蓄能电站的运行提供交流电压参考。
4.如权利要求1所述的一种抽水蓄能与可再生能源发电协同运行系统，其特征是：所述交流电网连接的换流站VSC3运行在裕度下垂模式；当换流站运行功率在裕度范围内，换流站VSC3运行在直流电压模式，为多端柔性直流输电系统提供直流电压参考；当换流站功率超过裕度范围，换流站VSC3将运行于下垂控制模式，通过预先设定的直流电压-功率特性曲线调节直流电压和功率。
5.如权利要求1所述的一种抽水蓄能与可再生能源发电协同运行系统，其特征是：所述DC-DC变换器为基于模块化多电平换流器的两端口DC-DC变换器，包括依次连接的DC-AC变换器、交流变压器和AC-DC变换器，所述DC-AC变换器运行在定交流电压模式，以控制DC-DC变换器内部的交流电压稳定，所述AC-DC变换器运行在定直流电压模式，以控制光伏电站内部直流电压稳定。
6.一种抽水蓄能与可再生能源发电协同运行方法，其特征是：出现不平衡功率时，判断是否超过设定的功率裕度，如果不是，则保持交流电网连接的换流站处于直流电压模式；如果是，则使交流电网连接的换流站处于功率-电压下垂模式，判断此时抽水蓄能电站的直流电压是否有变化；
如果有变化，则判断此时的直流电压波动值是否超过设定值，如果不是，则抽水蓄能电站调整抽水蓄能机组的运行速率，并且改变该时间段计划的发电总量，以抑制可再生能源并网波动；如果是，根据抽水蓄能电站的运行状态与抑制并网波动的状态，调整抽水蓄能机组的运行速率与模式；
如果没有变化，抽水蓄能机组按照设定计划继续运行。
7.如权利要求6所述的一种抽水蓄能与可再生能源发电协同运行方法，其特征是：当直流电压出现波动但波动率小于δ％时，抽水蓄能电站将运行在控制模式I：如果此时抽水蓄能电站运行在抽水状态或者发电状态，则抽水蓄能电站将调整抽水蓄能机组的运行速率，并且改变该时间段计划的发电总量，以抑制可再生能源并网波动。
8.如权利要求6所述的一种抽水蓄能与可再生能源发电协同运行方法，其特征是：当直流电压出现波动且大于δ％时，抽水蓄能电站将运行在控制模式II：如果此时抽水蓄能电站的运行状态与抑制并网波动的状态相同，则抽水蓄能电站将调整抽水蓄能机组的运行速率到最大运行速率，并且调整该时间段计划的发电总量；如果此时抽水蓄能电站的运行状态与抑制并网波动的状态相反，则抽水蓄能电站将首先紧急翻转当前运行模式，调整为负荷抑制并网波动的运行模式，调整抽水蓄能机组的运行速率到最大运行速率，并且改变该时间段计划的发电总量，实现抑制可再生能源并网波动的目的。
9.如权利要求6所述的一种抽水蓄能与可再生能源发电协同运行方法，其特征是：对于交流电网换流站的控制与对于抽水蓄能电站控制需要相配合，当功率波动出现时，不平衡功率能按照控制目标的比例分配到抽水蓄能电站和交流电网。
10.如权利要求6所述的一种抽水蓄能与可再生能源发电协同运行方法，其特征是：当可再生能源出力与预测出力不同时，若出力波动小于连接交流电网的换流站的功率裕度，则该换流站仍然运行在定直流电压模式，不平衡功率输出到交流电网；若出力波动大于连接交流电网的换流站的功率裕度，不平衡功率将根据抽水蓄能电站的调速系数和连接交流电网换流站的下垂系数的比例进行分配，以实现抑制输出到电网的可再生能源波动的目的。
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