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CN110401212A - 一种基于抽水蓄能机组的风光互补发电系统 - Google Patents

一种基于抽水蓄能机组的风光互补发电系统 Download PDF

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CN110401212A
CN110401212A CN201910733726.9A CN201910733726A CN110401212A CN 110401212 A CN110401212 A CN 110401212A CN 201910733726 A CN201910733726 A CN 201910733726A CN 110401212 A CN110401212 A CN 110401212A
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CN
China
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wind
bus
energy
electric energy
pump
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Application number
CN201910733726.9A
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吴利乐
任岩
熊军华
李继方
王文星
尹俊
白磊
黄慧
李斌
李雪
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Henan Chaotuo New Energy Technology Co Ltd
North China University of Water Resources and Electric Power
Original Assignee
Henan Chaotuo New Energy Technology Co Ltd
North China University of Water Resources and Electric Power
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Abstract

本发明公开一种基于抽水蓄能机组的风光互补发电系统，光伏发电系统将光能转化为第一电能，风力发电系统将风能转化为第二电能，抽水蓄能系统将水的势能转化第三电能，第一电能、第二电能和第三电能均传输给交流母线；控制装置根据交流母线上电能功率与交流负载需求的关系，向变频器发送变频控制指令，控制抽水蓄能系统。本申请通过对抽水蓄能系统的控制，能够有效减小风力发电系统和光伏发电系统由于波动性对电网造成的冲击，从而提高风光互补发电系统频率的相对稳定。

Description

一种基于抽水蓄能机组的风光互补发电系统
技术领域
本发明涉及多能互补发电技术领域，特别是涉及一种基于抽水蓄能机组的风光互补发电系统。
背景技术
由于风能、太阳能具有一定的间歇性、波动性、不可控性，会一定程度上影响系统的安全、稳定运行，随着可再生能源渗透率的逐渐增加，其对传统电网带来的不利影响也日益凸显。可再生能源发电系统的核心问题是解决发电出力与负荷的平衡问题，而储能技术能够有效克服由于光伏发电与风力发电出力波动带来的不利影响。
抽水蓄能是当前唯一商业化程度最好的大规模储能技术，能够有效解决可再生能源发电的并网与消纳问题。传统的抽水蓄能机组以的定转速运行，针对某一水头设计，在此水头下，机组以最佳转速运行，具有效率高、性能优良的特点，当抽水蓄能电站水头变化范围较大时，往往会偏离最佳转速，会使气蚀与磨损程度加剧，振动增加，工作条件发生恶化。除此之外，由于定速机组运行于水泵工况时从电网吸收的功率保持不变，因此无法参与系统频率的自动调整。
目前针对变速恒频抽水蓄能机组与风力发电、光伏发电等可再生能源系统联合运行的研究尚处于技术空白阶段。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于抽水蓄能机组的风光互补发电系统，能够有效减少风电、光伏发电由于其波动性对电网造成的冲击。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种基于抽水蓄能机组的风光互补发电系统，所述系统包括：
交流母线，用传输电能；
光伏发电系统，与所述交流母线电连接，用于将光能转化为第一电能，并将所述第一电能传输给所述交流母线；
风力发电系统，与所述交流母线电连接，用于将风能转化为第二电能，并将所述第二电能传输给所述交流母线；
抽水蓄能系统，与所述交流母线电连接，用于将水的势能转化第三电能，并将所述第三电能传输给所述交流母线；所述抽水蓄能系统还用于存储水的势能；
控制装置，分别与所述交流母线和所述抽水蓄能系统电连接，用于根据所述交流母线上电能功率与交流负载需求的关系，控制所述抽水蓄能系统。
可选的，所述光伏发电系统具体包括：光伏阵列、直流汇流箱、直流配电柜和逆变器；
所述光伏阵列依次与所述直流汇流箱和所述直流配电柜电连接，然后再与逆变器电连接；
所述光伏阵列产生的直流电经所述直流汇流箱和所述直流配电柜进行多级汇流后，经所述逆变器逆变为交流电，形成第一电能，传输至所述交流母线。
可选的，所述风力发电系统具体包括：
风力机，用于采集风能并转化为机械能；
永磁同步发电机，与所述风力机电连接，用于将所述机械能转化为电能；
变流器，与所述永磁同步发电机电连接，用于对所述电能进行参数调节，形成所述第二电能，并将所述第二电能传输至所述交流母线。
可选的，所述抽水蓄能系统具体包括：
上水库和下水库，所述上水库与所述下水库通过管道连接，均用于储存水；
可逆式水泵水轮机，设置在所述管道上；
发电电动机，与所述可逆式水泵水轮机电连接，
变频器，分别与所述控制装置、所述发电电动机和所述可逆式水泵水轮机电连接，用于根据所述控制装置的变频控制指令，调节所述发电电动机和所述可逆式水泵水轮机的运行工况。
可选的，所述控制装置分别采集所述交流母线上电能功率与所述交流负载需求量，并根据所述交流母线上电能功率与所述交流负载需求量的比较控制所述抽水蓄能系统的运行状态；
当所述交流负载需求量大于所述交流母线上电能功率时，所述控制装置向所述可逆式水泵水轮机发出放水的控制指令，将所述上水库的水释放至所述下水库，带动所述发电电动机运转，完成发电过程；
当所述交流负载需求量小于所述交流母线上电能功率时，所述控制装置向所述发电电动机发出抽水的控制指令，所述发电电动机运转带动所述可逆式水泵水轮机，将所述下水库的水抽至所述上水库，完成存储势能过程。
可选的，所述可逆式水泵水轮机包括导叶和导叶传动机构，所述导叶传动机构根据所述控制装置发送的控制放水水流量的指令，改变所述导叶位置，调节放水的水流量。
可选的，所述控制装置还用于监控所述交流母线上电能频率，当所述电能频率的波动范围大于波动阈值时，所述控制装置向所述变频器发送改变频率的控制指令，改变所述发电电动机的转子励磁电流频率fr，进而改变所述发电电动机的转子机械转速nm。
可选的，所述发电电动机稳态运行时所述转子励磁电流频率fr与所述转子机机械转速nm的关系为：
nm＝ns-nr，
nr＝60fr/p；
其中，ns为同步转速，nr为转子旋转磁场相对转子转速，p为极对数。
可选的，所述交流母线的频率为50Hz。
可选的，所述发电电动机为变速恒频交流励磁发电电动机。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明公开一种基于抽水蓄能机组的风光互补发电系统，光伏发电系统将光能转化为第一电能，风力发电系统将风能转化为第二电能，抽水蓄能系统将水的势能转化第三电能，第一电能、第二电能和第三电能均传输给交流母线；控制装置根据交流母线上电能功率与交流负载需求的关系，向变频器发送变频控制指令，控制抽水蓄能系统。本申请通过对抽水蓄能系统的控制，能够有效减小风力发电系统和光伏发电系统由于波动性对电网造成的冲击，从而提高风光互补发电系统频率的相对稳定。并且本申请采用变速恒频抽水蓄能机组，能够有效改善其运行工况，当水头发生变化时，通过调节转速，使其在最佳单位转速附近运行，从而提高机组效率，减少气蚀、磨损，延长抽水蓄能机组的使用年限。采用变速恒频交流励磁抽水蓄能机组，通过控制转子交流励磁电流频率的大小改变转子机械转速，可较快实现有功功率的调节。系统频率发生波动时，通过调节发电电动机吸收或输出有功功率大小，可有效抑制风力发电、光伏发电等可再生能源出力波动引起的系统频率变化，从而实现系统频率的相对稳定。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明基于抽水蓄能机组的风光互补发电系统的模块结构图；
符号说明：
1-光伏发电系统，2-风力发电系统，3-抽水蓄能系统，4-交流负载，5-交流母线，6-光伏阵列，7-直流汇流箱，8-直流配电箱，9-逆变器，10-上水库，11-下水库，12-可逆式水泵水轮机，13-发电电动机，14-控制装置，15-变频器，16-风力机，17-永磁同步发电机，18变流器。
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。
本发明的目的是提供一种基于抽水蓄能机组的风光互补发电系统，可有效抑制风力发电、光伏发电等可再生能源出力波动引起的系统频率变化，从而实现电力系统频率的相对稳定。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明提供一种基于抽水蓄能机组的风光互补发电系统，如图1所述，该系统包括：光伏发电系统1、风力发电系统2、抽水蓄能系统3、交流母线5和控制装置14。
光伏发电系统1将光能转化为第一电能，传输至交流母线5。
风力发电系统2将风能转化为第二电能，传输至交流母线5。
抽水蓄能系统3将水的势能转化第三电能，传输至交流母线5。
控制装置14分别于所述交流母线5和所述抽水蓄能系统3电连接，用于根据所述交流母线上电能功率与交流负载4需求的关系，控制所述抽水蓄能系统3。
所述抽水蓄能系统根据所述的风力发电系统输出功率与所述的光伏发电系统的输出功率之和与用电负荷之间的关系改变其运行工况；当所述的风力发电系统电能输出功率与所述的光伏发电系统电能输出功率之和大于交流负载需求时，所述抽水蓄能系统工作于电动机工况，吸收剩余功率，从而把多余的电力以水的势能的形式储存起来；当所述的风力发电系统的电能输出功率与所述的光伏发电系统的电能输出功率之和小于负荷需求时，所述抽水蓄能系统工作于发电机工况，释放功率，从而满足负荷的用电需求。
本申请中，所述光伏发电系统1包括：光伏阵列6、直流汇流箱7、直流配电箱8，和逆变器9，所述光伏阵列6依次与所述直流汇流箱7和所述直流配电柜8电连接，然后再与逆变器电连接；
所述光伏阵列产生的直流电经所述直流汇流箱和所述直流配电柜进行多级汇流后，经所述逆变器逆变为交流电，形成第二电能，传输至所述交流母线5。
所述风力发电系统2包括：风力机16、永磁同步发电机17和变流器18。
所述风力机16、所述永磁同步发电机17和所述变流器18依次电连接。
所述风力机16采集风能并转化为机械能，所述永磁同步发电机17将所述机械能转化为电能；电能经过变流器18调参后形成第二电能，传输至所述交流母线5。
所述抽水蓄能系统3包括：上水库10、下水库11、可逆式水泵水轮机12、发电电动机13和变频器15。
所述变频器15分别与所述控制装置14和所述发电电动机13电连接。
本发明中采用变速恒频交流励磁发电电动机。
变速恒频交流励磁发电电动机组水泵工况的吸收功率与其转速的三次方成正比例，当转速发生较小变化时，吸收功率会发生较大变化。因此变速恒频抽水蓄能机组能够根据系统频率的变化调整其吸收功率，变速恒频抽水蓄能电站对维持电网频率稳定具有重要的意义。
所述可逆式水泵水轮机12设置在连通所述上水库10和所述下水库11的管道上。
所述发电电动机13与所述可逆式水泵水轮机12，用于带动所述可逆式水泵水轮机12的运转。
所述控制装置14分别采集所述交流母线5上电能功率与所述交流负载4需求量，并根据所述交流母线5上电能功率与所述交流负载4需求量的比较控制所述抽水蓄能系统3的运行状态。
当所述交流负载4需求量大于所述交流母线5上电能功率时，所述控制装置14向所述可逆式水泵水轮机12发出放水的控制指令，所述可逆式水泵水轮机12工作于水轮机工况，将所述上水库10的水释放至所述下水库11，带动所述发电电动机13运转，使所述发电电动机13工作于发电机工况，完成发电过程。
所述可逆式水泵水轮机12包括导叶和导叶传动机构，所述导叶传动机构根据所述控制装置14发送的控制放水水流量的指令，改变所述导叶位置，调节放水的水流量，进而控制所述发电电动机13输出功率的大小。
当所述交流负载4需求量小于所述交流母线5上电能功率时，所述控制装置14向所述发电电动机13发出抽水的控制指令，所述发电电动机13工作于电动机工况，所述发电电动机运13转带动所述可逆式水泵水轮机12，使所述可逆式水泵水轮机12工作于水泵工况，将所述下水库11的水抽至所述上水库10，完成存储势能过程。
所述交流母线的额定频率为50Hz。
所述控制装置14还用于监控所述交流母线5上的电能额定频率。
当所述电能频率的波动范围大于波动阈值时，所述控制装置14向所述变频器15发送改变频率的控制指令，改变所述发电电动机13的转子励磁电流频率fr，进而改变所述发电电动机13的转子机械转速nm。
控制变速恒频交流励磁发电电动机机组的转子励磁电流频率fr，能够较快实现系统有功功率的调节。电网频率发生波动时，快速调节其吸收或输出有功功率的大小，从而保证电力系统频率的相对稳定。
所述发电电动机13稳态运行时所述转子励磁电流频率fr与所述转子机机械转速nm的关系为：
nm＝ns-nr，
nr＝60fr/p；
其中，ns为同步转速，nr为转子旋转磁场相对转子转速，p为极对数。
常规抽水蓄能系统设计优先考虑电动机特性时，发电机工况往往偏离最佳运行点，可逆式水泵水轮机对扬程以及水头有一定的要求，如果超出允许范围，会影响机组的安全稳定运行。变速恒频交流励磁发电电动机组能够适应水头变化的范围相对更大些，其单位转速与水头的1/2次方成反比例，为适应较大的水头变化，转速只需发生较小的变化即可。因此，当抽水蓄能系统采用变速恒频交流励磁发电电动机组，在进行抽水蓄能电站选址时可以适当放宽对水头变化范围的要求，优先考虑靠近负荷中心，并能增大水库的水深变化范围，减少开挖的水库容积，从而有效降低工程初次投资。
当水头发生变化时，通过变频器改变所述的变速恒频交流励磁发电电动机的转子励磁电流频率，快速改变转子机械转速，使其始终运行在最佳单位转速附近，从而提高机组效率，减少气蚀、磨损，延长抽水蓄能机组的使用年限。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种基于抽水蓄能机组的风光互补发电系统，其特征在于，所述系统包括：
交流母线，用传输电能；
光伏发电系统，与所述交流母线电连接，用于将光能转化为第一电能，并将所述第一电能传输给所述交流母线；
风力发电系统，与所述交流母线电连接，用于将风能转化为第二电能，并将所述第二电能传输给所述交流母线；
抽水蓄能系统，与所述交流母线电连接，用于将水的势能转化第三电能，并将所述第三电能传输给所述交流母线；所述抽水蓄能系统还用于存储水的势能；
控制装置，分别与所述交流母线和所述抽水蓄能系统电连接，用于根据所述交流母线上电能功率与交流负载需求的关系，控制所述抽水蓄能系统。
2.根据权利要求1所述的基于抽水蓄能机组的风光互补发电系统，其特征在于，所述光伏发电系统具体包括：光伏阵列、直流汇流箱、直流配电柜和逆变器；
所述光伏阵列依次与所述直流汇流箱和所述直流配电柜电连接，然后再与逆变器电连接；
所述光伏阵列产生的直流电经所述直流汇流箱和所述直流配电柜进行多级汇流后，经所述逆变器逆变为交流电，形成第一电能，传输至所述交流母线。
3.根据权利要求1所述的基于抽水蓄能机组的风光互补发电系统，其特征在于，所述风力发电系统具体包括：
风力机，用于采集风能并转化为机械能；
永磁同步发电机，与所述风力机电连接，用于将所述机械能转化为电能；
变流器，与所述永磁同步发电机电连接，用于对所述电能进行参数调节，形成所述第二电能，并将所述第二电能传输至所述交流母线。
4.根据权利要求1所述的基于抽水蓄能机组的风光互补发电系统，其特征在于，所述抽水蓄能系统具体包括：
上水库和下水库，所述上水库与所述下水库通过管道连接，均用于储存水；
可逆式水泵水轮机，设置在所述管道上；
发电电动机，与所述可逆式水泵水轮机电连接，
变频器，分别与所述控制装置、所述发电电动机和所述可逆式水泵水轮机电连接，用于根据所述控制装置的变频控制指令，调节所述发电电动机和所述可逆式水泵水轮机的运行工况。
5.根据权利要求4所述基于抽水蓄能机组的风光互补发电系统，其特征在于，所述控制装置分别采集所述交流母线上电能功率与所述交流负载需求量，并根据所述交流母线上电能功率与所述交流负载需求量的比较控制所述抽水蓄能系统的运行状态；
当所述交流负载需求量大于所述交流母线上电能功率时，所述控制装置向所述可逆式水泵水轮机发出放水的控制指令，将所述上水库的水释放至所述下水库，带动所述发电电动机运转，完成发电过程；
当所述交流负载需求量小于所述交流母线上电能功率时，所述控制装置向所述发电电动机发出抽水的控制指令，所述发电电动机运转带动所述可逆式水泵水轮机，将所述下水库的水抽至所述上水库，完成存储势能过程。
6.根据权利要求4所述基于抽水蓄能机组的风光互补发电系统，其特征在于，所述可逆式水泵水轮机包括导叶和导叶传动机构，所述导叶传动机构根据所述控制装置发送的控制放水水流量的指令，改变所述导叶位置，调节放水的水流量。
7.根据权利要求4所述基于抽水蓄能机组的风光互补发电系统，其特征在于，所述控制装置还用于监控所述交流母线上电能频率，当所述电能频率的波动范围大于波动阈值时，所述控制装置向所述变频器发送改变频率的控制指令，改变所述发电电动机的转子励磁电流频率fr，进而改变所述发电电动机的转子机械转速nm。
8.根据权利要求7所述基于抽水蓄能机组的风光互补发电系统，其特征在于，所述发电电动机稳态运行时所述转子励磁电流频率fr与所述转子机机械转速nm的关系为：
nm＝ns-nr，
nr＝60fr/p；
其中，ns为同步转速，nr为转子旋转磁场相对转子转速，p为极对数。
9.根据权利要求1所述基于抽水蓄能机组的风光互补发电系统，其特征在于，所述交流母线的频率为50Hz。
10.根据权利要求4所述基于抽水蓄能机组的风光互补发电系统，其特征在于，所述发电电动机为变速恒频交流励磁发电电动机。
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