CN112003297A - 电网系统的频率调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电网技术领域，具体公开了一种电网系统的频率调节方法，频率调节方法包括以下步骤：监测单元实时监测电网频率，能量管理系统实时监测飞轮储能系统的信息；总控系统判断电网频率是否在调频死区范围；在判断出电网频率超出调频死区范围后，总控系统判断飞轮储能系统是否满足调频条件，并计算飞轮储能系统和/或风力发电系统的出力值；在飞轮储能系统的储能量大于总控系统计算的出力值，飞轮储能系统独立参与电网调频；在飞轮储能系统的储能量小于总控系统计算的出力值，飞轮储能系统参与电网调频后，风力发电机调速，参与电网调频。由此，飞轮储能系统可以参与电网调频工作，可以提高风电场调节频率的能力。

Description

电网系统的频率调节方法

技术领域

本发明涉及电网技术领域，尤其是涉及一种电网系统的频率调节方法。

背景技术

随着科技的发展，可再生能源以其干净环保的特性逐渐得到人们认可，而风能作为可再生能源中的代表性产业，在全球许多国家和地区都得到大力发展，由于我国政策扶持(《可再生能源法》等)以及自身优势，国内风电发展势头迅猛。

相关技术中，风力发电站仅仅是通过单独依靠风力发电机本身的能力来进行频率的调节，如此不仅会增加风力发电机的磨损，而且还会降低运营商的经济效益，影响了风力发电的推广与应用。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种电网系统的频率调节方法，该电网系统的频率调节方法可以更加有效进行频率的调节。

根据本发明的电网系统的频率调节方法，所述电网系统包括：电网；风电场，所述风电场包括：总控系统、风力发电系统和开关站，所述风力发电系统包括：风力发电机、电力电子变换器和风力升压变压器，所述风力发电机、所述电力电子变换器和所述风力升压变压器串联连接，所述风力升压变压器与所述开关站相连接，所述开关站与所述电网相连接，所述总控系统设置有监测单元，所述监测单元用于监测电网频率；飞轮储能系统，所述飞轮储能系统包括：飞轮储能设备、能量管理系统、储能变流器和飞轮升压变压器，所述飞轮储能设备、所述储能变流器和所述飞轮升压变压器串联连接，所述飞轮升压变压器与所述开关站相连接，所述能量管理系统与所述总控系统通讯连接；装载箱，所述飞轮储能设备、所述能量管理系统、所述储能变流器和所述飞轮升压变压器均设置于所述装载箱内；其中，所述电网的频率具有调频死区范围；频率调节方法包括以下步骤：所述监测单元实时监测电网频率，所述能量管理系统实时监测所述飞轮储能系统的信息；根据电网频率，所述总控系统判断电网频率是否在调频死区范围；在判断出电网频率超出所述调频死区范围后，所述总控系统接收所述飞轮储能系统的信息，判断所述飞轮储能系统是否满足调频条件，并计算所述飞轮储能系统和/或所述风力发电系统的出力值；在所述飞轮储能系统满足调频条件时，所述总控系统控制所述飞轮储能系统工作，参与电网调频：在所述飞轮储能系统的储能量大于所述总控系统计算的出力值，所述飞轮储能系统独立参与电网调频；在所述飞轮储能系统的储能量小于所述总控系统计算的出力值，所述飞轮储能系统参与电网调频后，所述风力发电机调速，参与电网调频。

由此，首先通过总控系统中的监测单元来监测电网的频率是否超出调频死区的范围，电网的频率是否需要调整，然后根据监测单元的监测结果以及能量管理系统的信息来判断飞轮储能系统是否满足调频条件，若飞轮储能系统满足调频条件，则飞轮储能系统可以参与调频工作，可以提高风电场调节频率的能力。

在本发明的一些示例中，在所述飞轮储能系统不满足调频条件时，所述总控系统再次判断电网频率是否在调频死区范围。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明实施例的电网系统的示意图；

图2是根据本发明实施例的电网系统的频率调节方法流程图。

附图标记：

100-电网系统；

10-电网；

20-风电场，21-总控系统，211-监测单元，22-风力发电系统，221-风力发电机，222-电力电子变换器，223-风力升压变压器，224-风机叶片，225-齿轮箱，23-开关站，231-风力开关柜，232-飞轮开关柜；

30-飞轮储能系统，31-飞轮储能设备，32-能量管理系统，33-储能变流器，34-飞轮升压变压器。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，参考附图描述的实施例是示例性的，下面详细描述本发明的实施例。

下面参考图1-图2描述根据本发明实施例的电网系统100，该电网系统100可以提高风电场20调节频率的能力。

如图1所示，根据本发明实施例的电网系统100可以包括：电网10、风电场20和飞轮储能系统30，电网10可以分别与风电场20和飞轮储能系统30电连接，并且风电场20和飞轮储能系统30可以实现向电网10输送电能。

如图1所示，风电场20可以主要包括：总控系统21、风力发电系统22和开关站23，风力发电系统22可以主要包括：风力发电机221、电力电子变换器222和风力升压变压器223，风力发电机221、电力电子变换器222和风力升压变压器223串联连接，如此设置，风力发电机221可以通过将风能转化成电能，电能再从风力发电机221输送进入电力电子变换器222，电能通过电力电子变换器222的处理后再被输送进风力升压变压器223进行升压，整个过程电能流过的路径简单，可以减少电流的损耗，可以提高经济效益。

此外，如图1所示，风力发电系统22还可以主要包括风机叶片224和齿轮箱225，在风力发电系统22工作时，风的动能可以转化成风机叶片224的动能，并使风机叶轮转动，风机叶轮转动可以带动齿轮箱225中的齿轮转动，从而将风机叶片224的动能转化成齿轮箱225中的齿轮的动能，接着风力发电机221可以将动能转化成电能，从而使电网系统100产生电能，如此设置，可以减少能量的损耗，可以使风力发电机221产电的效率最大化。

进一步地，如图1所示，风力升压变压器223与开关站23相连接，开关站23与电网10相连接，也就是说，风力升压变压器223可以将升压处理后的电能先输送进入开关站23，开关站23可以控制电流能否输入进电网10，如果此时开关站23处于开启状态，电能可以通过开关站23输送进入电网10，进行电能的储存与利用，如此设置，可以灵活地控制电流输入电网10的开启和关闭，当风力发电系统22需要维修，运行需要停止时，便可以关闭开关站23，使电能及时停止向电网10的输送，可以增加风电场20的结构可靠性。

另外，如图1所示，总控系统21设置有监测单元211，监测单元211用于监测电网10频率并得出电网10频率实时的数据，监测单元211测出的电网10频率实时的数据误差与延迟较低，可以增加电网系统100结构的可靠性与运行时的准确性。

结合图1所示，飞轮储能系统30包括：飞轮储能设备31、能量管理系统32、储能变流器33和飞轮升压变压器34，飞轮储能设备31、储能变流器33和飞轮升压变压器34串联连接，飞轮升压变压器34与开关站23相连接，能量管理系统32与总控系统21通讯连接，其中，飞轮储能设备31是一种机电能量转换和储存装置，飞轮储能设备31主要是由转动惯量大、转速高的惯性轮组成，飞轮储能设备31可以根据电网10实际需求对电能进行吸收与放出。其中，飞轮储能技术原理是：当飞轮储能设备31存储能量时，飞轮高速电机作电动机运行，从系统吸收能量，通过飞轮转子加速，将电能转化为动能；当飞轮储能设备31释放能量时，电机作发电机运行，向系统释放能量，通过飞轮转子减速，将动能转化为电能。

进一步地，储能变流器33可以作为储能装置和电网10的柔性接口，储能变流器33采用高可靠性智能化功率模块开发，通过充、放电一体化的设计，可以实现交流系统和直流系统的能量双向流动。能量管理系统32负责采集、分析、对比整个风电场20的出力情况，与风电场20的总控系统21进行信息交互，接受风电场20总控系统21指令，根据储能调频及储能系统算法逻辑控制飞轮储能设备31运转，使飞轮储能系统30配合风力发电系统22进行调频。

具体地，如图1所示，飞轮储能系统30通过飞轮储能设备31进行电能的存储和释放，飞轮储能设备31中储存和释放的电能为直流电，然后在飞轮储能设备31中存储和释放的直流电经由储能变流器33转换为低压交流电，接着储能变流器33中的低压交流电可以输入飞轮升压变压器34，飞轮升压变压器34可以实现电能在35kV和400V之间的转换，最后经过飞轮升压变压器34处理过的电能再输入开关站23，如果此时开关站23处于开启状态，电能便可以通过开关站23进入电网10，进行电流的储存和利用。其中，开关站23为35kV开关站23，35kV开关站23可以对电流线路进行保护与控制，用以连接电网10和飞轮储能系统30，可以增加电流线路的使用寿命，提高电网系统100的结构可靠性，可以增加经济效益。

进一步地，结合图1和图2所示，电网10的频率具有调频死区范围，总控系统21中监测单元211将实时监测电网10的频率，若监测单元211监测出的电网10频率超出电网10频率的调频死区范围时，总控系统21将根据监测单元211的频率监测结果和能量管理系统32中处理得出的信息综合判定飞轮储能系统30是否满足调频条件，若飞轮储能系统30满足调频条件，飞轮储能系统30将参与调频处理，如此设置，不仅可以更加智能地限定出飞轮储能系统30可以参加调频的条件，可以更有效地保护飞轮储能系统30以及电网系统100，而且飞轮储能系统30进行调频处理不仅可以提高电网系统100调节频率的能力，而且还可以响应国标强制标准《电力系统安全稳定导则》(GB38755-2019)，可以免去国网考核惩罚。

进一步地，结合图1和图2所示，在监测单元211监测出的电网10的频率超出调频死区范围后，由总控系统21根据监测单元211的频率监测结果和能量管理系统32的信息综合判定飞轮储能系统30是否满足调频条件，若满足调频条件时，总控系统21将先控制飞轮储能系统30工作进行调频，如果飞轮储能系统30不能独立完成本次调频动作，总控系统21将再开启风力发电系统22自身的调速系统，使飞轮储能系统30与风力发电系统22共同完成调节频率的工作。如此设置，不仅可以减少当风力发电系统22单独依靠自身的能力调频时产生的磨损，可以提高风力发电系统22的使用寿命，而且可以提高风力发电系统22的经济效益。

进一步地，飞轮储能设备31为多个，多个飞轮储能设备31并联连接于同一个储能变流器33中，多个飞轮储能设备31可以向同一个储能变流器33输送或接收电能，不仅充分利用了储能变流器33的作用，降低了制造成本，简化生产，而且最大化地增加了产能，可以提高电网系统100的经济效益，另外，多个飞轮储能设备31也可以使飞轮储能设备31的可用能量既不易达到100％也不易为0，可以增加飞轮储能系统30调频的可靠性。

结合图1所示，开关站23包括风力开关柜231和飞轮开关柜232，风力开关柜231与风力升压变压器223相连接，飞轮开关柜232与飞轮升压变压器34相连接，风力开关柜231和飞轮开关柜232并联连接。也就是说，开关站23可以主要包括风力开关柜231和飞轮开关柜232，风力开关柜231和飞轮开关柜232均为35V开关柜，如此设置，从风力发电系统22中进入风力开关柜231的电流与从飞轮储能系统30中进入飞轮开关柜232的电流将不会互相干涉，风力开关柜231和飞轮开关柜232将根据具体的电网系统100不同的需求，对风力开关柜231和飞轮开关柜232中的电流作出相应的处理，可以保证各系统之间工作的独立性，防止互相干涉，造成电网系统100发生故障。

进一步地，飞轮储能系统30包括：装载箱(图未示出)，飞轮储能设备31、能量管理系统32、储能变流器33和飞轮升压变压器34均设置于装载箱内，装载箱的内部为相对密闭的空间。可以保护飞轮储能设备31、能量管理系统32、储能变流器33和飞轮升压变压器34，防止外界异物进入装载箱并且损坏飞轮储能设备31、能量管理系统32、储能变流器33和飞轮升压变压器34，可以增加飞轮储能系统30的使用寿命，另外，将飞轮储能设备31、能量管理系统32、储能变流器33和飞轮升压变压器34统一安装在装载箱内可以方便搬运吊装以及运输。

另外，由于飞轮升压变压器34体积较大，所以一种可选地，当装载箱的体积足够大时，可以将飞轮储能设备31、能量管理系统32、储能变流器33和飞轮升压变压器34设置于同一装载箱内，需要说明的是，在将飞轮储能设备31、能量管理系统32、储能变流器33和飞轮升压变压器34设置于同一装载箱内，还需要保证装载箱内的各部件之间不能较为拥挤，防止各部件之间距离过近导致散热效果不好，引发安全事故。

另一种可选地，当装载箱的体积无法同时装载飞轮储能设备31、能量管理系统32、储能变流器33和飞轮升压变压器34时，可以将飞轮升压变压器34单独设置于一个装载箱内，再通过电连接将飞轮储能设备31、能量管理系统32、储能变流器33与飞轮升压变压器34连接起来，如此设置，既不会影响飞轮储能系统30的正常工作，而且还可以减少搬运吊装以及运输的难度。

飞轮储能系统30还包括：空调系统、消防系统和照明系统，空调系统设置于装载箱内，以用于降温，消防系统设置于装载箱内，以用于消防，照明系统设置于装载箱内，以用于照明，具体地，空调系统可以降低飞轮储能系统30工作时的的温度，避免高温引发结构的损坏或者其他安全事故，消防装置可以进一步地保证飞轮储能系统30工作时的安全性，照明系统可以方便更加清晰地对飞轮储能系统30进行维修或安装，如此设置，可以提升飞轮储能系统30的可靠性与安全性。另外，将空调系统、消防系统和照明系统也安装设置在装载箱中可以方便搬运吊装以及运输。需要说明的是，空调系统、消防系统和照明系统在装载箱内的具体位置设置，可以根据实际情况进行调节。

进一步地，消防系统包括：气体消防控制屏、声音报警器、光报警器、温度检测器、感烟检测器和气体灭火装置中的至少一种。气体消防控制屏、声音报警器、光报警器、温度检测器、感烟检测器和气体灭火装置可以从不同方面监控飞轮储能系统30是否处在正常工作状态，如此设置的消防系统，可以在装载箱中飞轮储能系统30发生故障，引起安全事故时对险情进行警报与消灭，将经济损失降低到最低，可以进一步地增加飞轮储能系统30的安全性与可靠性。

根据本发明实施例的一种电网系统100的频率调节方法，可以包括以下步骤：

S1、监测单元211实时监测电网10频率，能量管理系统32实时监测飞轮储能系统30的信息。

具体地，结合图2所示，通过总控系统21的监测单元211，实时监测电网10频率，并以电网10额定频率作为基准，设定调频死区为±0.05Hz；当电网10频率在调频死区范围内波动并且没有超过调频死区时，电网系统100此时不需要调频；当电网10频率波动超过调频死区时，将频率波动指标发送给总控系统21，由总控系统21计算并判断当前电网系统100频率与额定频率之间的差值：例如，如果当前电网10频率高于额定频率，此时需要风力发电系统22降功率；如果当前电网10频率低于额定频率，此时需要风力发电系统22升功率，其中，电网10额定频率为50Hz，所以调频死区为50±0.05Hz。

S2、根据电网10频率，所述总控系统21判断电网10频率是否在调频死区范围。具体地，结合图2所示，当电网10频率超过调频死区范围时，监测单元211向总控系统21发出动作信号。

S3、在判断出电网10频率超出调频死区范围后，总控系统21接收飞轮储能系统30的信息，判断飞轮储能系统30是否满足调频条件，并计算飞轮储能系统30和/或风力发电系统22能够产生的出力值。

具体地，总控系统21将接收到的信号进行分析处理，得出需要整个风电场20升/降功率的具体数值，即出力值，同时总控系统21开始判断此时飞轮储能系统30是否满足参与调频的条件。结合图2所示，根据总控系统21在S2阶段得出的需要整个风电场20站升/降功率的具体数值，结合飞轮储能系统30当前的储能量，计算得出飞轮储能系统30能够产生的出力值(升/降功率的具体数值)，需要说明的是，飞轮储能系统30能够产生的出力值与上述整个风电场20升/降功率的出力值不同，飞轮储能系统30能够产生的出力值为飞轮储能系统30储存能量能够升/降功率的值，上述整个风电场20升/降功率的出力值为完成调频所需的升/降功率的值。

进一步地，飞轮储能系统30满足参与调频的条件可以是：风电场20需要升功率时，飞轮储能系统30储存有能量，可以进行放电操作，给风电场20提供功率支撑；风电场20需要降功率时，飞轮储能系统30未存储满能量，可以进行充电操作，飞轮储能系统30吸纳多余功率。相对应的，飞轮储能系统30无法满足参与调频的条件可以是：风电场20需要升功率时，飞轮储能系统30可用能量为0，不能进行放电操作，无法给风电场20提供功率支撑；需要降功率时，飞轮储能系统30存可用能量为100％，无法进行充电操作，不能吸纳多余功率。

S4、在飞轮储能系统30满足调频条件时，总控系统21控制飞轮储能系统30工作，参与电网10调频。

具体地，结合图2所示，按照预设控制策略确定飞轮储能系统30出力值及风力发电系统22后续动作，总控系统21控制飞轮储能系统30工作，参与电网10调频。

进一步地，飞轮储能系统30的储能量大于总控系统21计算的出力值，飞轮储能系统30独立参与电网10调频，也就是说，当飞轮储能系统30能够产生的出力值大于总控系统21计算出的风电场20完成电网10调频所需的出力值时，启动飞轮储能系统30，飞轮储能系统30可以单独完成此次电网10调频，风力发电系统22不参与电网10的调频。

相对应地，在飞轮储能系统30的储能量小于总控系统21计算的出力值，飞轮储能系统30参与电网10调频后，风力发电系统22调速，参与电网10调频。也就是说，当飞轮储能系统30能够产生的出力值小于总控系统21计算出的风电场20完成电网10调频所需的出力值时，启动飞轮储能系统30，飞轮储能系统30的出力值不足以完成此次调频，此时就需要启动风力发电系统22自身调速系统来与飞轮储能系统30共同参与调频，具体地，首先启动飞轮储能系统30，完成尖峰出力，随后启动风力发电系统22自身调速系统，完成后续出力值，从而完成此次调速。

如此设置，飞轮储能系统30可以及时弥补风力发电系统22自身调频的盲区和由于风速变化而导致的备用容量缺失等问题，可以避免转子转速控制提供能量有限、储能成本高和变桨控制响应时间慢、频繁动作降低其寿命的缺点，可以在满足系统调频需求的同时，降低储能成本和机组折旧，可以提高风储运行的整体经济效益。

此外，飞轮储能系统30综合了风力发电系统22本身的调频能力，例如：转子动能控制、转子超速控制、变桨控制等调频功能，再通过合理的控制策略，提升整个电网系统100的调频能力。依靠飞轮储能系统30，不仅可以实现降功率，更可以实现升功率，同时不需要风力发电系统22预留调频备用功率，保证风力发电系统22可以满功率运行。

另外，如果在步骤S2中，总控系统21判定飞轮储能系统30无法满足参与调频的条件，则将进行步骤S5:飞轮储能系统30通过设备自检，可以得出当前飞轮储能系统30工作模式(充电/放电)及储能量，然后将以上信号传送至总控系统21，即总控系统21再次判断电网频率是否在调频死区范围，等待下一次调频指令，如此设置，可以在保证电网10调频不出现错误的前提下，尽可能地减少飞轮储能系统30能量的浪费，可以提高电网系统100的可用性与经济性。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (2)

1.一种电网系统的频率调节方法，其特征在于，所述电网系统包括：

电网；

风电场，所述风电场包括：总控系统、风力发电系统和开关站，所述风力发电系统包括：风力发电机、电力电子变换器和风力升压变压器，所述风力发电机、所述电力电子变换器和所述风力升压变压器串联连接，所述风力升压变压器与所述开关站相连接，所述开关站与所述电网相连接，所述总控系统设置有监测单元，所述监测单元用于监测电网频率；

飞轮储能系统，所述飞轮储能系统包括：飞轮储能设备、能量管理系统、储能变流器和飞轮升压变压器，所述飞轮储能设备、所述储能变流器和所述飞轮升压变压器串联连接，所述飞轮升压变压器与所述开关站相连接，所述能量管理系统与所述总控系统通讯连接；

装载箱，所述飞轮储能设备、所述能量管理系统、所述储能变流器和所述飞轮升压变压器均设置于所述装载箱内；

其中，所述电网的频率具有调频死区范围；

频率调节方法包括以下步骤：

所述监测单元实时监测电网频率，所述能量管理系统实时监测所述飞轮储能系统的信息；

根据电网频率，所述总控系统判断电网频率是否在调频死区范围；

在判断出电网频率超出所述调频死区范围后，所述总控系统接收所述飞轮储能系统的信息，判断所述飞轮储能系统是否满足调频条件，并计算所述飞轮储能系统和/或所述风力发电系统的出力值；

在所述飞轮储能系统满足调频条件时，所述总控系统控制所述飞轮储能系统工作，所述飞轮储能系统参与电网调频：

在所述飞轮储能系统的储能量大于所述总控系统计算的出力值，所述飞轮储能系统独立参与电网调频；

在所述飞轮储能系统的储能量小于所述总控系统计算的出力值，所述飞轮储能系统参与电网调频后，所述风力发电机调速，所述风力发电机参与电网调频。

2.根据权利要求1所述的电网系统的频率调节方法，其特征在于，在所述飞轮储能系统不满足调频条件时，所述总控系统再次判断电网频率是否在调频死区范围。

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