CN117578628A - 一种抽水蓄能机组的频率动态调节方法及其应用的全功率可变速抽水蓄能机组 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抽水蓄能机组的频率动态调节方法，包括：获取电网的当前频率的变化值；根据电网当前频率的变化值判断是否超出频率死区范围；若判断结果为未超出，则机组确定惯量响应的有功功率指令，通过有功功率指令确定电网当前的实际功率调整的功率附加值；若判断结果为超出，则机组依据电网当前频率的变化值，将功率附加值与全功率可变速抽水蓄能机组的有功功率指令相叠加，生成新的机组输出功率指令，用以改变机组的输出功率。该抽水蓄能机组的频率动态调节方法，对机组输出功率进行限幅，使全功率可变速抽水蓄能机组具备了主动提供惯性响应以及一次调频响应的有功功率支撑，提高了电网运行的频率稳定性。

Description

一种抽水蓄能机组的频率动态调节方法及其应用的全功率可 变速抽水蓄能机组

技术领域

本发明涉及抽水蓄能技术领域，尤其涉及一种抽水蓄能机组的频率动态调节方法及其应用的全功率可变速抽水蓄能机组。

背景技术

全功率变速抽水蓄能机组是一种利用水力能量进行能量储存和再利用的设备。它由水泵水轮机、电动机/发电机、双向变换器组成，可以实现能量的转化和储存。当电网负荷较低时，电动机将电能转化为机械能驱动水泵水轮机，将水从低位抽升到高位的水库或水池中，将电能转化为重力势能，实现能量的储存，当电网负荷增加时，通过控制系统启动水泵水轮机的水轮机模式，将储存的水释放回低位，水流经过水泵水轮机驱动发电机发电。全功率变速抽水蓄能机组具有功率快速可调、响应速度快、有功无功独立解耦的优点。全功率可变速抽水蓄能机组由于双向变换器将机组与电网隔离，使得机组的调速范围更宽，并且可以使机组始终运行在最优工况。

然而机组与电网的解耦，使得原来的同步发电机在电网受到扰动发生频率变化后，同步发电机的转子所具有的旋转动能被“隐藏”，使其不能通过吸收或释放转子旋转动能为电网提供瞬时惯性响应的有功主动支撑，弱化了电力系统的整体惯量，造成电网频率稳定性更加脆弱，影响整个电网的频率稳定性。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种抽水蓄能机组的频率动态调节方法，适用于全功率可变速抽水蓄能机组中的频率动态调节附加控制系统，所述抽水蓄能机组的频率动态调节方法包括：获取电网的当前频率的变化值；根据电网当前频率的变化值判断是否超出频率死区范围；若判断结果为未超出，则机组确定惯量响应的有功功率指令，通过有功功率指令确定所述电网当前的实际功率调整的功率附加值；若判断结果为超出，则机组依据所述电网当前频率的变化值，将所述功率附加值与全功率可变速抽水蓄能机组的有功功率指令相叠加，生成新的机组输出功率指令，用以改变机组的输出功率，并进一步通过机组的运行功率限制对所述输出功率进行限幅，限幅后的输出功率用以对电网当前的实际功率进行调节，以进一步调节电网的实际频率。

作为上述技术方案的进一步描述：所述电网频率发生变化未超出所述频率死区范围，机组通过虚拟转动惯量，计算出惯量响应的有功功率指令，确定对所述电网当前的实际功率调整的功率附加值。

作为上述技术方案的进一步描述：所述电网频率发生变化超出所述频率死区范围，机组通过惯量响应的有功功率指令和下垂控制的一次调频有功功率指令，确定对所述电网当前的实际功率调整的功率附加值。

作为上述技术方案的进一步描述：所述惯量支撑在所述电网频率变化率为时，惯量支撑结束，其惯量响应的有功功率附加值输出为。

作为上述技术方案的进一步描述：依据所述电网当前频率变化，可分为频率上升和频率下降两种情况，惯量响应的有功功率附加值分两种情况进行输出：

频率下降：

频率上升：

作为上述技术方案的进一步描述：依据所述电网当前频率变化，所述机组的输出功率数学模型为：

频率下降：

频率上升：

其中，P^*为全功率可变速抽水蓄能机组参与频率调节的调频功率；ΔP₁为惯量响应的有功功率附加值；ΔP₂为下垂控制的一次调频有功功率附加值；P为实际运行中全功率可变速抽水蓄能机组的有功功率值。

作为上述技术方案的进一步描述：限幅功率为全功率可变速抽水蓄能机组的输出功率范围。

作为上述技术方案的进一步描述：确定所述电网当前的实际功率后，将功率值下发给协调控制系统。

一种使用所述抽水蓄能机组的频率动态调节方法的全功率可变速抽水蓄能机组，包括抽水蓄能调节系统，所述抽水蓄能调节系统用于调节电网频率、电网功率、电网电压以及储能水位；水泵水轮机全特性曲线，所述水泵水轮机全特性曲线用于表征在不同运行条件下机组的性能；同步发电电动机，所述同步发电电动机用于将机组输出的机械能转化为电能；励磁系统，所述励磁系统用于调节励磁电流；全功率双向变换器，所述全功率双向变换器用于将机组输出的电能转换为适合电网接收的电能，并将电网的电能转换为机组所需的电能；协调控制系统，所述协调控制系统用于优化机组运行、管理和调度机组能量流、协调机组与电网之间的能量交互、监测机组的运行状态及调节机组运行参数；频率动态调节附加控制系统以及变压器，所述频率动态调节系统用于动态调整机组输出频率和功率及响应电网频率的变化，所述变压器用于将机组输出的电能变换为电网所需要的电压等级。

作为上述技术方案的进一步描述：所述协调控制系统包括快速功率控制模块和最优转速模块。

上述技术方案具有如下优点或有益效果：

1、本发明中，对机组输出功率进行限幅，使全功率可变速抽水蓄能机组具备了主动提供惯性响应以及一次调频响应的有功功率支撑，提高了电网运行的频率稳定性。

2、本发明中，在确定频率调节所需功率后，将功率值下发给协调控制系统，实现全功率双向变换器与调速器之间的协调，使得全功率变速抽水蓄能机组的最大利用化，提高了现有资源的利用率。

3、本发明中，将功率值下发给协调控制系统可以改善机组的水力性能、减轻振动、空蚀、磨损，提高机组的稳定运行、运行灵活。

4、本发明中，提出在频率变化率为0时，惯量支撑结束，其惯量响应的有功功率附加值输出为0，减少了因频率变化率发生变化对电网频率调节产生的负阻尼影响。

附图说明

图1为本发明提出的全功率可变速抽水蓄能机组的系统原理示意图；

图2为本发明提出的全功率可变速抽水蓄能机组的频率调节流程图；

图3为本发明提出的全功率可变速抽水蓄能机组的频率动态调节附加控制系统示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供的一种实施例：一种抽水蓄能机组的频率动态调节方法，适用于机组中的频率动态调节附加控制系统，参照图1，该频率动态调节附加控制系统是以惯量响应的有功功率指令和下垂控制的一次调频有功功率指令作为调频附加功率，使机组具备惯性响应以及一次调频响应的有功功率支撑，提高电网运行的频率稳定性。

惯量响应的有功功率指令为惯量支撑，主要作用于频率变化初期，可以平抑频率变化的幅值与频次，降低暂态频率恶化的下降速度和程度，其数学模型为：

其中，ΔP₁为惯量响应的有功功率附加值；K_d为虚拟惯性系数；为频率变化率。

下垂控制的一次调频有功功率指令为频率偏差值的比例响应关系，频率变化前期，偏差量小，不动作，超过频率死区阈值后起作用，调节源-荷功率不平衡引起的频率变化，其功率调节量的数学模型为：

ΔP₂＝K_droopΔf，

其中，ΔP₂为下垂控制的一次调频有功功率附加值；K_droop为下垂控制系数；Δf为频率变化量。

具体地，抽水蓄能机组的频率动态调节方法包括：获取电网的当前频率的变化值；根据电网当前频率的变化值判断是否超出频率死区范围；若判断结果为未超出，则机组确定惯量响应的有功功率指令，通过有功功率指令确定电网当前的实际功率调整的功率附加值；若判断结果为超出，则机组依据电网当前频率的变化值，将功率附加值与全功率可变速抽水蓄能机组的有功功率指令相叠加，生成新的机组输出功率指令，用以改变机组的输出功率，并进一步通过机组的运行功率限制对输出功率进行限幅，限幅后的输出功率用以对电网当前的实际功率进行调节，以进一步调节电网的实际频率。

参照图2，一种抽水蓄能机组的频率动态调节方法的具体步骤为：

S1：判断电网当前频率是否发生变化。

具体地，在实际应用过程中，机组通过实时检测电网当前的频率是否发生变化，来判断电网是否需要进行调频。

进一步地，可以为机组设置频率死区，用于确定机组参与一次调频的时间。

S2：判断电网频率变化量是否超出频率死区范围。

具体地，电网实际频率未超出频率死区范围，则机组需要通过虚拟转动惯量，计算出惯量响应的有功功率指令，为电网频率的变化主动提供惯性响应。

进一步地，电网实际频率超出频率死区范围，则机组需要以惯量响应的有功功率指令和下垂控制的一次调频有功功率指令相叠加作为调频附加功率。

S3：判断频率变化情况，确定惯量响应的有功功率指令。

具体地，依据电网当前频率变化，可分为频率上升和频率下降两种情况。

因此，频率下降时，惯量响应的有功功率指令为：

频率上升时，惯量响应的有功功率指令为:

其中，ΔP₁为惯量响应的有功功率附加值；K_d为虚拟惯性系数；为频率变化率。

可以理解的是，惯量支撑在电网频率变化率为0时，惯量支撑结束，其惯量响应的有功功率附加值输出为0，减少了因频率变化率发生变化对电网频率调节产生的负阻尼影响。

S4：将功率附加值与全功率可变速抽水蓄能机组的有功功率指令相叠加，生成新的机组输出功率指令，从而改变机组的输出功率，依据电网当前频率变化，其输出功率的数学模型为：

频率下降：

频率上升：

其中，P^*为全功率可变速抽水蓄能机组参与频率调节的调频功率；ΔP₁为惯量响应的有功功率附加值；ΔP₂为下垂控制的一次调频有功功率附加值；P为实际运行中全功率可变速抽水蓄能机组的有功功率值。

具体地，参照图3，当实际频率变化量未超出频率死区时，功率附加值仅为惯性支撑的有功功率附加值。

进一步地，当实际频率变化量超出频率死区且频率变化率未达到0时，功率附加值为惯量响应的有功功率指令和下垂控制的一次调频有功功率指令。

进一步地，当实际频率变化量超出频率死区且频率变化率发生相反变化时，功率附加值仅为下垂控制的一次调频有功功率指令。

S5：通过机组的运行功率限制对输出功率进行限幅，限幅功率为全功率可变速抽水蓄能机组的输出功率范围，限幅后的功率对电网当前的实际功率进行调节，以调节电网的实际频率。

具体地，由上述可以知道，本发明实施例提供的方法可以确定全功率可变速抽水蓄能机组的有功功率指令，通过机组的功率运行范围，对上述的功率指令进行限幅。

S6：在确定频率调节所需电网当前的实际功率后，将功率值下发给协调控制系统，实现全功率双向变换器与调速器之间的协调，从而完成最优转速计算和功率调节。

具体地，在实际应用中，由于全功率双向变换器和调速器都可以调节功率，并且存在相互影响，因此，需要设置协调系统，调节两者之间的关系。

参照图1，一种全功率可变速抽水蓄能机组，包括抽水蓄能调节系统、水泵水轮机全特性曲线、同步发电电动机、励磁系统、全功率变换器、协调控制系统、频率动态调节附加控制系统以及变压器。

抽水蓄能调节系统用于调节电网频率、电网功率、电网电压以及储能水位，具体的，当电网负荷发生变化时，抽水蓄能调节系统可以根据电网频率的变化来控制机组的运行速度，实现快速的调节和平衡，使得电网频率保持在合理范围内；抽水蓄能机组可以根据电网的需求，在电网负荷增加时将储存的水能转化为电能输出，从而提供额外的电力供应；还可以根据电网的功率需求，控制机组的输出功率，保持电网的平衡和稳定；抽水蓄能调节系统能够调节机组的运行速度和输出功率，对电网电压进行调节和控制，确保电网电压在合理范围内；抽水蓄能调节系统可以根据电网负荷情况和储能水位的变化，控制机组的抽水和发电操作，实现对储能水位的调节和控制，以满足电网的需求。

水泵水轮机全特性曲线用于表征在不同运行条件下机组的性能，具体的，水泵水轮机全特性曲线可以帮助运行人员更好地了解机组在不同运行条件下的性能表现，从而根据电网负荷和储能水位等因素，选择最佳的运行点，实现机组的最优运行状态，提高机组的效率和经济性；表征出机组在不同运行条件下的稳定性表现，根据电网频率、功率和电压等因素，选择最佳的运行点，改善机组的稳定性和可靠性并预测出机组在不同运行条件下的性能表现，从而为机组的运行和维护提供有价值的参考信息。

同步发电电动机用于将机组输出的机械能转化为电能。

励磁系统用于调节励磁电流，从而具备产生磁场、调节电压、控制无功功率和调整功率因数等功能，对同步发电电动机的运行进行控制和调节，以满足电网需求，并保持电网的稳定性和可靠性。

全功率双向变换器用于将机组输出的电能转换为适合电网接收的电能，并将电网的电能转换为机组所需的电能，实现了机组与电网之间的双向能量流动和信息交互，确保机组与电网的协调运行。

协调控制系统用于优化机组运行、管理和调度机组能量流、协调机组与电网之间的能量交互、监测机组的运行状态及调节机组运行参数，实现机组与电网的协调运行，确保机组与电网的安全稳定互联。

频率动态调节系统用于动态调整机组输出频率和功率及响应电网频率的变化。

变压器用于将机组输出的电能变换为电网所需要的电压等级。

其中，协调控制系统内部分为快速功率控制模块和最优转速模块两部分，最优转速模块可以计算出最优转速，快速功率控制模块可以快速调节功率。

在本实施例中，确定频率调节所需功率后，将功率值下发给协调控制系统，实现全功率双向变换器与调速器之间的协调，使得全功率变速抽水蓄能机组的最大利用化，提高了现有资源的利用率，并且改善了机组的水力性能、减轻振动、空蚀、磨损，提高机组的稳定运行、运行灵活。

本申请中，以全功率可变速抽水蓄能机组技术为基础，通过惯量响应的有功功率指令和下垂控制的一次调频有功功率指令作为调频附加功率，在电网发生频率变化时，根据频率变化的情况，将上述的调频附加功率指令叠加到全功率可变速抽水蓄能机组的有功功率指令上，从而改变机组的输出功率，为保证机组的安全运行，对输出功率进行限幅，使全功率可变速抽水蓄能机组具备了主动提供惯性响应以及一次调频响应的有功功率支撑，提高了电网运行的频率稳定性。

工作原理：以惯量响应的有功功率指令和下垂控制的一次调频有功功率指令作为调频附加功率，在电网发生频率变化时，根据频率变化的情况，将上述的调频附加功率指令叠加到全功率可变速抽水蓄能机组的有功功率指令上，改变机组的输出功率，为保证机组的安全运行，对输出功率进行限幅，在确定频率调节所需功率后，需将功率值下发给协调控制系统，实现全功率双向变换器与调速器之间的协调。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种抽水蓄能机组的频率动态调节方法，适用于全功率可变速抽水蓄能机组中的频率动态调节附加控制系统，其特征在于：

所述抽水蓄能机组的频率动态调节方法包括：

获取电网的当前频率的变化值；

根据电网当前频率的变化值判断是否超出频率死区范围；

若判断结果为未超出，则机组确定惯量响应的有功功率指令，通过有功功率指令确定所述电网当前的实际功率调整的功率附加值；

若判断结果为超出，则机组依据所述电网当前频率的变化值，将所述功率附加值与全功率可变速抽水蓄能机组的有功功率指令相叠加，生成新的机组输出功率指令，用以改变机组的输出功率，并进一步通过机组的运行功率限制对所述输出功率进行限幅，限幅后的输出功率用以对电网当前的实际功率进行调节，以进一步调节电网的实际频率。

2.根据权利要求1所述的一种抽水蓄能机组的频率动态调节方法，其特征在于：所述电网频率发生变化未超出所述频率死区范围，机组通过虚拟转动惯量，计算出惯量响应的有功功率指令，确定对所述电网当前的实际功率调整的功率附加值。

3.根据权利要求2所述的一种抽水蓄能机组的频率动态调节方法，其特征在于：所述电网频率发生变化超出所述频率死区范围，机组通过惯量响应的有功功率指令和下垂控制的一次调频有功功率指令，确定对所述电网当前的实际功率调整的功率附加值。

4.根据权利要求3所述的一种抽水蓄能机组的频率动态调节方法，其特征在于：所述惯量支撑在所述电网频率变化率为0时，惯量支撑结束，其惯量响应的有功功率附加值输出为0。

5.根据权利要求4所述的一种抽水蓄能机组的频率动态调节方法，其特征在于：依据所述电网当前频率变化，可分为频率上升和频率下降两种情况，惯量响应的有功功率附加值分两种情况进行输出：

频率下降：

频率上升：

6.根据权利要求1所述的一种抽水蓄能机组的频率动态调节方法，其特征在于：依据所述电网当前频率变化，所述机组的输出功率数学模型为：

频率下降：

频率上升：

其中，P^*为全功率可变速抽水蓄能机组参与频率调节的调频功率；ΔP₁为惯量响应的有功功率附加值；ΔP₂为下垂控制的一次调频有功功率附加值；P为实际运行中全功率可变速抽水蓄能机组的有功功率值。

7.根据权利要求1所述的一种抽水蓄能机组的频率动态调节方法，其特征在于：限幅功率为全功率可变速抽水蓄能机组的输出功率范围。

8.根据权利要求1所述的一种抽水蓄能机组的频率动态调节方法，其特征在于：确定所述电网当前的实际功率后，将功率值下发给协调控制系统。

9.一种使用权利要求1-8任一项所述抽水蓄能机组的频率动态调节方法的全功率可变速抽水蓄能机组，其特征在于：

包括抽水蓄能调节系统，所述抽水蓄能调节系统用于调节电网频率、电网功率、电网电压以及储能水位；

水泵水轮机全特性曲线，所述水泵水轮机全特性曲线用于表征在不同运行条件下机组的性能；

同步发电电动机，所述同步发电电动机用于将机组输出的机械能转化为电能；

励磁系统，所述励磁系统用于调节励磁电流；

全功率双向变换器，所述全功率双向变换器用于将机组输出的电能转换为适合电网接收的电能，并将电网的电能转换为机组所需的电能；

协调控制系统，所述协调控制系统用于优化机组运行、管理和调度机组能量流、协调机组与电网之间的能量交互、监测机组的运行状态及调节机组运行参数；

频率动态调节附加控制系统以及变压器，所述频率动态调节系统用于动态调整机组输出频率和功率及响应电网频率的变化，所述变压器用于将机组输出的电能变换为电网所需要的电压等级。

10.根据权利要求9所述的一种全功率可变速抽水蓄能机组，其特征在于：所述协调控制系统包括快速功率控制模块和最优转速模块。