CN113503220B - 一种虚拟抽水蓄能电站运行时的功率调节方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种虚拟抽水蓄能电站运行时的功率调节方法及系统，所述功率调节方法，包括：获取功率调节指令N，设置补偿时间T；当功率调节指令N需要储能电站发电或者储能时，计算补偿时间T内最优的活塞液压缸工作数量m、活塞液压缸内活塞液压杆的运行速度vT，以及补偿时间T后活塞液压缸内活塞液压杆的运行速度v；依据活塞液压缸工作数量m、运行速度vT和v控制活塞液压缸的工作状态。本发明根据功率调节指令进行发电和储能工况下的功率调节策略优化计算，确定运行活塞液压缸数，同时控制驱动设备调节活塞液压缸中活塞液压杆的平均运行速度，从而调节活塞液压缸流入高压水池中水流量，实现了对高压水池水头的稳定调节。

Description

一种虚拟抽水蓄能电站运行时的功率调节方法及系统
技术领域
本发明属于电力控制技术领域，具体涉及一种虚拟抽水蓄能电站运行时的功率调节方法及系统。
背景技术
虚拟抽水蓄能电站利用高压水池给水泵水轮发电机组提供虚拟水头，进行虚拟抽水蓄能电站的发电与储能。在电站运行过程中，当电网负荷需求发生变化时，要根据负荷需求调节电站输出功率，不同功率下电站的高压水池水头分别对应一个最优值使电站运行效率最高，但是功率的变化会使高压水池水头与功率不匹配，降低电站运行效率，还会造成水泵水轮机不稳定运行，减少使用寿命，甚至威胁电站的安全运行。因此需要一种方法在电站功率变化时调节高压水池水头与功率调节指令匹配，从而使电站安全高效运行。
发明内容
本发明的目的在于提供一种虚拟抽水蓄能电站运行时的功率调节方法及系统，当电网负荷需求发生变化时，通过功率调节策略优化计算控制驱动设备调速系统使电站高压水池水头与功率调节指令匹配，从而使水泵水轮机稳定高效运行。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种虚拟抽水蓄能电站运行时的功率调节方法，包括如下步骤：
获取功率调节指令N，设置补偿时间T；
当功率调节指令N需要储能电站发电或者储能时，计算补偿时间T内最优的活塞液压缸工作数量m、活塞液压缸内活塞液压杆的运行速度vT，以及补偿时间T后活塞液压缸内活塞液压杆的运行速度v；
依据活塞液压缸工作数量m、运行速度vT和v控制活塞液压缸的工作状态。
进一步的，所述活塞液压缸工作数量m具体计算方法如下：
Figure BDA0003154873470000021
式中，k为活塞液压缸总数；N0为电站额定功率。
进一步的，补偿时间T内活塞液压缸内活塞液压杆的运行速度vT计算方式如下：
Figure BDA0003154873470000022
式中，D为活塞液压缸直径；m为活塞液压缸工作数量。
进一步的，在补偿时间T内活塞液压缸流入高压水池的流量QT计算方式如下：
Figure BDA0003154873470000023
式中，Q2在发电状态下为高压水池流入水轮机的流量、在储能状态下为水泵流入高压水池的流量；S为高压水池底面积；Δh为补偿时间T内需补偿的高压水池液面高度变化量。
进一步的，发电状态下，高压水池流入水轮机的流量Q2计算方式如下：
Figure BDA0003154873470000024
储能状态下，水泵流入高压水池的流量Q2计算方式如下：
Figure BDA0003154873470000025
式中，η1为水轮机效率；N为功率调节指令；H为在给定功率N下使电站效率最大时的高压水池水头；η2为水泵效率。
进一步的，在给定功率N下使电站效率最大时的高压水池水头H计算方式如下：
Figure BDA0003154873470000026
式中，H0为额定水头；N为功率调节指令；N0为电站额定功率。
进一步的，补偿时间T内需补偿的高压水池液面高度变化量Δh计算方式如下：
Δh＝h-h0
高压水池水头H与h的关系式如下：
Figure BDA0003154873470000031
式中，h为补偿后的高压水池液面高度；h0为补偿前液面高度；V为高压水池体积；S为高压水池底面积。
进一步的，补偿时间T后活塞液压缸内活塞液压杆的运行速度v计算方式为：
Figure BDA0003154873470000032
式中，Q2为高压水池流入水轮机的流量；m为活塞液压缸工作数量；D为活塞液压缸直径。
进一步的，计算补偿时间T内最优的活塞液压缸工作数量m之后；
当活塞液压缸的数量大于m时，m个活塞液压缸工作，剩余活塞液压缸不工作；当活塞液压缸的数量小于或者等于m时，所有的活塞液压缸工作；
当功率调节指令N变化时，重新依据新的功率调节指令进行补偿时间T内最优的活塞液压缸工作数量m、活塞液压缸内活塞液压杆的运行速度vT的计算，以及补偿时间T后活塞液压缸内活塞液压杆的运行速度v的计算。
本发明的另一个方面，还提供了一种用于所述虚拟抽水蓄能电站运行时的功率调节方法的系统，包括：
功率调节服务器，用于依据电网的负荷需求，向优化计算单元发出功率调节指令N，并设置补偿时间T；
优化计算单元，用于当功率调节指令N需要储能电站发电或者储能时，计算补偿时间T内最优的活塞液压缸工作数量m、活塞液压缸内活塞液压杆的运行速度vT，以及补偿时间T后活塞液压缸内活塞液压杆的运行速度v；
控制单元，用于依据活塞液压缸工作数量m、运行速度vT和v控制活塞液压缸的工作状态。
本发明的有益效果如下：
(1)本发明根据功率调节指令进行发电和储能工况下的功率调节策略优化计算，确定运行活塞液压缸数，同时控制驱动设备调节活塞液压缸中活塞液压杆的平均运行速度，从而调节活塞液压缸流入高压水池中水流量，实现了对高压水池水头的稳定调节。
(2)本发明通过设置水头补偿时间，使高压水池水头快速达到功率调节后的最优水头值，从而实现了高压水池中水头和功率匹配，提高了电站运行效率。
(3)高压水池的水头和功率匹配还有利于水轮机并网运行，同时减缓了由于水压不稳定造成的对水轮机转轮叶片的冲击，延长了水轮机的使用寿命，保证电站的安全运行。
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发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例功率调节方法的流程示意图。
图2为本发明实施例功率调节方法所适应的虚拟抽水蓄能电站典型结构示意图。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
以下详细说明均是示例性的说明，旨在对本发明提供进一步的详细说明。除非另有指明，本发明所采用的所有技术术语与本申请所属领域的一般技术人员的通常理解的含义相同。本发明所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而并非意图限制根据本发明的示例性实施方式。
如图1所示，本发明实施例的一方面提供了一种虚拟抽水蓄能电站运行时的功率调节方法，包括如下步骤：
步骤一：功率调节服务器实时监测电网运行信息，根据负荷需求发出功率调节指令N给优化计算单元，设置补偿时间T，由优化计算单元控制虚拟抽水蓄能电站的运行状态；控制高压水池进入活塞液压缸的水流量以补偿高压水池水头变化量，补偿后再调节活塞液压杆的运行速度为v，使流入流出高压水池的平均流量相等，从而实现功率的快速调节响应和电站的稳定高效运行。具体计算方式如下：
虚拟抽水蓄能电站发电时或储能时，根据给定功率N和设备运行参数进行发电功率调节策略优化计算；具体方法如下：
求出在给定功率N下使电站效率最大时的高压水池水头H：
Figure BDA0003154873470000051
式中，H0为额定水头，N0为电站额定功率；
确定需工作的活塞液压缸数m：
Figure BDA0003154873470000052
式中，k为活塞液压缸总数；
补偿时间T内需补偿的高压水池液面高度变化量Δh：
Δh＝h-h0
式中，h为补偿后的高压水池液面高度，h0为补偿前液面高度；
Figure BDA0003154873470000053
式中，V为高压水池体积，S为高压水池底面积；
经过补偿时间T，通过驱动设备调节活塞液压杆的运行速度vT为：
Figure BDA0003154873470000054
在补偿时间T内，活塞液压缸流入高压水池的流量QT为：
Figure BDA0003154873470000055
式中，D为活塞液压缸直径；Q2在发电状态下为高压水池流入水轮机的流量、在储能状态下为水泵流入高压水池的流量。用高压水池流入水轮机的流量Q2计算出来的Qt，是发电状态下活塞液压缸流入高压水池的流量。用水泵流入高压水池的流量Q2计算出来的Qt，是储能状态下活塞液压缸流入高压水池的流量。
虚拟抽水蓄能电站发电时，高压水池流入水轮机的流量Q2为：
Figure BDA0003154873470000061
虚拟抽水蓄能电站储能时，水泵流入高压水池的流量Q2为：
Figure BDA0003154873470000062
式中，η2为水泵效率；η1为水轮机效率；
控制活塞液压缸进入高压水池的水流量以补偿高压水池水头变化量，补偿后再调节活塞液压杆的运行速度v为：
Figure BDA0003154873470000063
使流入流出高压水池的平均流量相等，从而实现功率的快速调节响应和电站的稳定高效运行。
步骤二：由控制单元判断驱动设备Mx(x＝1,2,3,……)的工作状态，若x>m，m个活塞液压缸工作，控制驱动设备M(m+1～x)不工作；当活塞液压缸的数量小于或者等于m时，所有的活塞液压缸工作；功率调节指令N变化时，返回步骤一重新依据新的功率调节指令进行补偿时间T内最优的活塞液压缸工作数量m、活塞液压缸内活塞液压杆的运行速度vT的计算，以及补偿时间T后活塞液压缸内活塞液压杆的运行速度v的计算；否则驱动设备Mx(x＝1,2,3,……)正常运行并开始计时，进入步骤三。
步骤三：调节正常运行的驱动设备的活塞液压杆的速度为vT，当运行时间t<补偿时间T时，驱动设备继续工作；运行时间达到补偿时间T后，调节驱动设备的活塞液压杆的速度为v。
本发明实施例的另一个方面，还提供了一种用于虚拟抽水蓄能电站运行时的功率调节方法的系统，包括：
功率调节服务器，用于依据电网的负荷需求，向优化计算单元发出功率调节指令N，并设置补偿时间T；
优化计算单元，用于当功率调节指令N需要储能电站发电或者储能时，计算补偿时间T内最优的活塞液压缸工作数量m、活塞液压缸内活塞液压杆的运行速度vT，以及补偿时间T后活塞液压缸内活塞液压杆的运行速度v；
控制单元，用于依据活塞液压缸工作数量m、运行速度vT和v控制活塞液压缸的工作状态。
如图2所示，本发明实施例提供的功率调节方法所适用的典型虚拟抽水蓄能电站，包括：高压水池A、低压水池B、水力设备G、驱动设备M1～M2以及两个活塞液压缸C1～C2；水力设备G包括水泵和水轮机；水泵用于向高压水池内抽水，水轮机用于利用高压水池内的水发电。其中，控制单元与每个驱动设备相连，每个驱动设备与相应的活塞液压缸相连，每个活塞液压缸通过管道和阀门与高压水池A和低压水池B相连，水力设备G的两端分别接到高压水池A和低压水池B，同时连接到电网中，驱动设备通过直线电机、额外液压控制系统或者旋转电机控制活塞杆运动。具体的，水力设备G由水轮机和水泵组成，发电时，水力设备切换至水轮机工作状态，水从高压水池A流入低压水池B给电网发电；储能时，水力设备切换至水泵工作状态，水泵将低压水池B中水抽到高压水池A。
由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。

Claims (7)

1.一种虚拟抽水蓄能电站运行时的功率调节方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：功率调节服务器实时监测电网运行信息，根据负荷需求发出功率调节指令N给优化计算单元，设置补偿时间T，由优化计算单元控制虚拟抽水蓄能电站的运行状态；
发电时，根据功率调节指令N和设备运行参数进行发电功率调节策略优化计算；储能时，进行储能功率调节策略优化计算，求出补偿时间下的活塞液压杆运行速度v T，补偿后活塞液压杆运行速度v和需工作的活塞液压缸数m并发送给控制单元；
步骤二：由控制单元判断驱动设备Mx，x=1,2,3,……的工作状态，若x>m，m个活塞液压缸工作，控制驱动设备Mm+1~Mx不工作；当活塞液压缸的数量小于或者等于m时，所有的活塞液压缸工作；
功率调节指令N变化时，返回步骤一重新依据新的功率调节指令进行补偿时间T内最优的活塞液压缸工作数量m、活塞液压缸内活塞液压杆的运行速度
Figure QLYQS_1
的计算，以及补偿时间T后活塞液压缸内活塞液压杆的运行速度/>
Figure QLYQS_2
的计算；否则驱动设备Mx，x=1,2,3,……正常运行并开始计时，进入步骤三；
步骤三：调节正常运行的驱动设备的活塞液压杆的速度为vT，当运行时间t<补偿时间T时，驱动设备继续工作；运行时间达到补偿时间T后，调节驱动设备的活塞液压杆的速度为v；
所述虚拟抽水蓄能电站，包括：功率调节服务器、优化计算单元、控制单元、高压水池A、低压水池B、水力设备G、驱动设备以及活塞液压缸；
其中，控制单元与每个驱动设备相连，每个驱动设备与相应的活塞液压缸相连，每个活塞液压缸通过管道和阀门与高压水池A和低压水池B相连，水力设备G的两端分别接到高压水池A和低压水池B，同时连接到电网中，功率调节服务器实时接收电网运行信息并向优化计算单元发出功率调节指令，优化计算单元向控制单元发送优化计算结果，控制单元控制驱动设备调节活塞液压杆运行速度，从而调节流入流出高压水池的流量，使高压水池水头达到最优值；
在给定功率N下使电站效率最大时的高压水池水头
Figure QLYQS_3
计算方式如下：
Figure QLYQS_4
式中，
Figure QLYQS_5
为额定水头；N为功率调节指令；/>
Figure QLYQS_6
为电站额定功率；
补偿时间T内需补偿的高压水池液面高度变化量
Figure QLYQS_7
计算方式如下：
Figure QLYQS_8
高压水池水头
Figure QLYQS_9
与/>
Figure QLYQS_10
的关系式如下：
Figure QLYQS_11
式中，h为补偿后的高压水池液面高度；
Figure QLYQS_12
为补偿前液面高度；V为高压水池体积；S为高压水池底面积。
2.根据权利要求1所述的虚拟抽水蓄能电站运行时的功率调节方法，其特征在于，所述活塞液压缸工作数量m具体计算方法如下：
Figure QLYQS_13
式中，k为活塞液压缸总数；
Figure QLYQS_14
为电站额定功率。
3.根据权利要求2所述的虚拟抽水蓄能电站运行时的功率调节方法，其特征在于，补偿时间T内活塞液压缸内活塞液压杆的运行速度
Figure QLYQS_15
计算方式如下：
Figure QLYQS_16
式中，D为活塞液压缸直径；m为活塞液压缸工作数量；
Figure QLYQS_17
表示在补偿时间T内活塞液压缸流入高压水池的流量。
4.根据权利要求3所述的虚拟抽水蓄能电站运行时的功率调节方法，其特征在于，在补偿时间T内活塞液压缸流入高压水池的流量
Figure QLYQS_18
计算方式如下：
Figure QLYQS_19
式中，
Figure QLYQS_20
在发电状态下为高压水池流入水轮机的流量、在储能状态下为水泵流入高压水池的流量；S为高压水池底面积；/>
Figure QLYQS_21
为补偿时间T内需补偿的高压水池液面高度变化量。
5.根据权利要求4所述的虚拟抽水蓄能电站运行时的功率调节方法，其特征在于，发电状态下，高压水池流入水轮机的流量
Figure QLYQS_22
计算方式如下：
Figure QLYQS_23
储能状态下，水泵流入高压水池的流量
Figure QLYQS_24
计算方式如下：
Figure QLYQS_25
式中，
Figure QLYQS_26
为水轮机效率；N为功率调节指令；/>
Figure QLYQS_27
为在给定功率N下使电站效率最大时的高压水池水头；/>
Figure QLYQS_28
为水泵效率。
6.根据权利要求1所述的虚拟抽水蓄能电站运行时的功率调节方法，其特征在于，补偿时间T后活塞液压缸内活塞液压杆的运行速度
Figure QLYQS_29
计算方式为：
Figure QLYQS_30
式中，
Figure QLYQS_31
为高压水池流入水轮机的流量；m为活塞液压缸工作数量；D为活塞液压缸直径。
7.根据权利要求1所述的虚拟抽水蓄能电站运行时的功率调节方法，其特征在于，计算补偿时间T内最优的活塞液压缸工作数量m之后；
当活塞液压缸的数量大于m时，m个活塞液压缸工作，剩余活塞液压缸不工作；当活塞液压缸的数量小于或者等于m时，所有的活塞液压缸工作；
当功率调节指令N变化时，重新依据新的功率调节指令进行补偿时间T内最优的活塞液压缸工作数量m、活塞液压缸内活塞液压杆的运行速度
Figure QLYQS_32
的计算，以及补偿时间T后活塞液压缸内活塞液压杆的运行速度/>
Figure QLYQS_33
的计算。
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