含电化学储能的交流励磁变速抽水蓄能系统及使用方法与流程

1.本发明属于可变速抽水蓄能机组装置领域，具体涉及一种含电化学储能的交流励磁变速抽水蓄能系统及使用方法。


背景技术：

2.交流励磁抽水蓄能机组为双馈式感应电机，在电动和发电状态下均可通过转子交流励磁方式实现变速恒频运行，具有较快的功率响应速度，有功功率、无功功率和转速均可独立调节，较传统的恒速抽水蓄能机组有更优越的运行性能。交流励磁抽水蓄能机组具有良好的电网适应性，在电网的频率调节、动态支撑等方面具有十分重要的意义。
3.目前交流励磁抽水蓄能机组主要在电网调频时发挥作用，尤其是在抽水工况下也能实现对电网频率的支撑。但交流励磁变速抽水蓄能机组依然存在调节能力差、需要进行调节的频度快、电网非正常状态下的动态支撑能力不佳以及机组使用寿命短等问题，为充分发挥其作用，规避其缺点，需要设计一种新型的交流励磁变速抽水蓄能系统。


技术实现要素：

4.为克服上述现有技术的不足，本发明提出一种含电化学储能的交流励磁变速抽水蓄能系统，包括：交流励磁变速抽水蓄能机组模块和电化学储能模块；
5.所述交流励磁变速抽水蓄能机组模块与电网相连，所述电化学储能模块与交流励磁变速抽水蓄能机组模块相连；
6.所述电化学储能模块，用于在电网频率处于正常状态时，为所述交流励磁变速抽水蓄能机组模块提供电压；和用于在电网频率处于非正常状态时，平抑电网的功率波动，调节电网的频率变化。
7.优选的，所述电化学储能模块，包括：电化学储能单元和电池管理单元；
8.所述电化学储能单元的两侧通过导线与所述交流励磁变速抽水蓄能机组模块连接；
9.所述电化学储能单元，用于通过化学反应产生和存储电能，并向所述交流励磁变速抽水蓄能机组模块供电；和用于接收所述交流励磁变速抽水蓄能机组模块发送的指令并根据接收的指令进行调节，并向所述交流励磁变速抽水蓄能机组模块反馈参量信息；
10.所述电池管理单元，用于同所述交流励磁变速抽水蓄能机组模块进行协同调节，对所述电化学储能单元进行控制。
11.优选的，所述电化学储能单元，包括：并联连接的电力电子变换组、电池储能组和电磁储能组；
12.所述电力电子变换组通过导线与所述交流励磁变速抽水蓄能机组模块连接；
13.所述电力电子变换组的连接形式为级联式；
14.所述电池储能组为铅酸电池或锂离子电池；
15.所述电磁储能组为超级电容或锂离子超级电容。
16.优选的，所述交流励磁变速抽水蓄能机组模块，包括：换相开关单元、升压变压器、双馈电机、水泵水轮机、导叶系统、调速系统、网侧变流器、机侧变流器和监控单元；
17.所述升压变压器前端与换相开关相连，升压变压器的后端与电网相连；
18.所述换相开关与网侧变流器和双馈电机的定子相连；
19.所述网侧变流器与电化学储能模块相连，用于接收所述监控单元发送的指令并根据接收的指令进行网侧参量调节，和向所述监控单元反馈参量信息；
20.所述机侧变流器的两端分别与电化学储能模块和双馈电机的转子相连，用于接收所述监控单元发送的指令并根据接收的指令进行机侧参量调节，和向所述监控单元反馈参量信息；
21.所述双馈电机与水泵水轮机通过轴承机械相连；
22.所述调速系统，用于向所述导叶系统发送调速指令，并接收所述导叶系统的反馈信息；和用于同所述监控单元进行协同调节，控制所述交流励磁变速抽水蓄能系统的机械功率；
23.所述导叶系统，用于接收所述调速系统发送的指令并根据接收的指令调节水泵水轮机中导叶的转速，和向调速系统反馈信息；
24.所述监控单元用于向所述机侧变流器、网侧变流器和电化学储能模块发送指令，并接收所述机侧变流器、网侧变流器和电化学储能模块的反馈信息；和用于同所述调速系统和电化学储能模块进行协同调节，控制所述交流励磁变速抽水蓄能系统的机械功率和电磁功率的平衡。
25.基于同一发明构思，本发明还提供了一种含电化学储能的交流励磁变速抽水蓄能系统的使用方法，包括：
26.当电网频率处于正常状态时，通过交流励磁变速抽水蓄能机组模块和电化学储能模块的配合控制，将所述交流励磁变速抽水蓄能机组模块产生的电压进行并网，并平衡所述抽水蓄能系统的机械功率和电磁功率；
27.当电网频率处于非正常状态时，通过所述交流励磁变速抽水蓄能机组模块和电化学储能模块的配合控制向电网提供有功和无功支撑，并对所述交流励磁变速抽水蓄能机组模块进行调节。
28.优选的，所述当电网频率处于正常状态时，通过交流励磁变速抽水蓄能机组模块和电化学储能模块的配合控制，将所述交流励磁变速抽水蓄能机组模块产生的电压进行并网，并平衡所述抽水蓄能系统的机械功率和电磁功率，包括：
29.当电网频率处于正常状态时，通过网侧变流器将电化学储能单元产生的电压调节为稳定的直流电压，并提供给机侧变流器；
30.通过所述机侧变流器对直流电压进行调节实现交流励磁；
31.通过双馈电机在交流励磁下发电，并将定子电压并网；
32.通过监控单元和调速系统对水泵水轮机的机械功率进行协同调节，并调节所述机侧变流器的电磁功率，直到所述抽水蓄能系统的机械功率和电磁功率平衡。
33.优选的，所述通过监控单元和调速系统对水泵水轮机的机械功率进行协同调节，并调节所述机侧变流器的电磁功率，直到所述抽水蓄能系统的机械功率和电磁功率平衡，包括：
34.通过所述监控单元向所述机侧变流器发送给定的电磁功率指令；
35.通过所述机侧变流器根据所述机侧变流器发送的电磁功率指令调节电磁功率，并向监控单元反馈调节后的信息；
36.通过所述监控单元根据接收的机侧变流器反馈的信息，与调速系统进行协同调节；
37.通过所述调速系统向导叶系统发送调速指令，控制所述导叶系统调节所述水泵水轮机的机械功率，直到所述抽水蓄能系统的机械功率和电磁功率平衡。
38.优选的，所述当电网频率处于非正常状态时，通过所述交流励磁变速抽水蓄能机组模块和电化学储能模块的配合控制向电网提供有功和无功支撑，并对所述交流励磁变速抽水蓄能机组模块进行调节，包括：
39.当电网频率处于非正常状态时，通过机侧变流器对所述电化学储能单元和双馈电机产生的电压进行调节，为电网提供无功支撑，并向监控单元反馈调节后的信息；
40.通过网侧变流器对所述电化学储能单元产生的电压进行调节，为电网提供有功支撑，并向所述监控单元反馈调节后的信息；
41.通过所述监控单元根据反馈的信息，调节水泵水轮机中的转速。
42.优选的，所述通过所述监控单元根据反馈的信息，调节水泵水轮机中的转速，包括：
43.通过所述监控单元根据机侧变流器和网侧变流器反馈的信息，与调速系统进行协同调节；
44.通过所述调速系统向导叶系统发送调速指令，控制所述导叶系统调节水泵水轮机中导叶的转速。
45.优选的，所述通过机侧变流器对所述电化学储能单元和双馈电机产生的电压进行调节之前，还包括：
46.通过监控单元和电池管理单元协同调节，向电化学储能单元发送指令，控制所述电化学储能单元产生电压。
47.与最接近的现有技术相比，本发明具有的有益效果如下：
48.本发明提供了一种含电化学储能的交流励磁变速抽水蓄能系统及使用方法，包括：交流励磁变速抽水蓄能机组模块和电化学储能模块；所述交流励磁变速抽水蓄能机组模块与电网相连，所述电化学储能模块与交流励磁变速抽水蓄能机组模块相连；所述电化学储能模块，用于在电网频率处于正常状态时，为所述交流励磁变速抽水蓄能机组模块提供电压；和用于在电网频率处于非正常状态时，平抑电网的功率波动，调节电网的频率变化；本发明将电化学储能和变速抽水蓄能混合后实现联合运行，融合了电化学储能的响应快速性能力，并进一步提升抽水蓄能机组的调节能力和鲁棒性。本发明还可以通过电化学储能提升机组在电网非正常状态下的动态支撑能力。
49.本发明通过将电化学储能与抽水蓄能机组的协调配合运行，能够减少机组机械环节的调节频度，提高机组的运行使用寿命。
附图说明
50.图1为本发明提供的含电化学储能的交流励磁变速抽水蓄能系统整体结构图；
51.图2为本发明提供的含电化学储能的交流励磁变速抽水蓄能系统的电化学储能单元结构示意图；
52.图3为本发明提供的含电化学储能的交流励磁变速抽水蓄能系统使用方法流程示意图。
具体实施方式
53.下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。
54.实施例1：
55.本发明提供的一种含电化学储能的交流励磁变速抽水蓄能系统，其整体结构示意图如图1所示，包括：交流励磁变速抽水蓄能机组模块和电化学储能模块；
56.所述交流励磁变速抽水蓄能机组模块与电网相连，所述电化学储能模块与交流励磁变速抽水蓄能机组模块相连；
57.所述电化学储能模块，用于在电网频率处于正常状态时，为所述交流励磁变速抽水蓄能机组模块提供电压；和用于在电网频率处于非正常状态时，平抑电网的功率波动，调节电网的频率变化。
58.目前交流励磁抽水蓄能机组主要在电网调频时发挥作用，尤其是在抽水工况下也能实现对电网频率的支撑，由于电网调频主要依靠交流励磁的电机侧向电网注入能量，能量主要是来源于转子的转动惯量，因此，需要增加额外的能量源来实现对增加转子的转动惯量，实现对电网在极端情况下的电网支撑，同时可以减少水力-机械部分的调节次数，延长机组的使用寿命，同时，当系统发生黑启动时，可以通过中间电化学储能系统实现对机组励磁和厂用电的支撑。
59.1、交流励磁变速抽水蓄能机组
60.本发明案例中交流励磁变速抽水蓄能机组包括换相开关单元(换相开关实现抽水和发电的换相)、升压变压器、双馈电机/发电机、水泵水轮机、导叶系统、调速系统、监控单元(或称监控系统)、网侧变流器和机侧变流器。
61.所述升压变压器前端与换相开关相连，升压变压器的后端与电网相连；
62.所述换相开关与网侧变流器和双馈电机/发电机的定子相连；
63.所述网侧变流器与电化学储能模块相连，用于接收所述监控单元发送的指令并根据接收的指令进行网侧参量调节，和向所述监控单元反馈参量信息；
64.所述机侧变流器的两端分别与电化学储能模块和双馈电机/发电机的转子相连，用于接收所述监控单元发送的指令并根据接收的指令进行机侧参量调节，和向所述监控单元反馈参量信息；
65.所述双馈电机/发电机与水泵水轮机通过轴承机械相连；
66.所述调速系统，用于向所述导叶系统发送调速指令，并接收所述导叶系统的反馈信息；和用于同所述监控单元进行协同调节，控制所述交流励磁变速抽水蓄能系统的机械功率；
67.所述导叶系统，用于接收所述调速系统发送的指令并根据接收的指令调节水泵水轮机中导叶的转速，和向调速系统反馈信息；
68.所述监控单元用于向所述机侧变流器、网侧变流器和电化学储能模块发送指令，
并接收所述机侧变流器、网侧变流器和电化学储能模块的反馈信息；和用于同所述调速系统和电化学储能模块进行协同调节，控制所述交流励磁变速抽水蓄能系统的机械功率和电磁功率的平衡。
69.2、电化学储能模块
70.本发明案例中电化学储能模块包括电化学储能单元和电池管理单元；其中，电化学储能单元的结构示意图如图2所示；
71.所述电化学储能单元的两侧通过导线与所述交流励磁变速抽水蓄能机组模块连接；
72.所述电化学储能单元，用于通过化学反应产生和存储电能，并向所述交流励磁变速抽水蓄能机组模块供电；和用于接收所述交流励磁变速抽水蓄能机组模块发送的指令并根据接收的指令进行调节，并向所述交流励磁变速抽水蓄能机组模块反馈参量信息；
73.所述电池管理单元，用于同所述交流励磁变速抽水蓄能机组模块进行协同调节，对所述电化学储能单元进行控制。
74.其中，电化学储能单元，具体包括：并联连接的电力电子变换组、电池储能组和电磁储能组；
75.所述电力电子变换组(又称dc-dc单元)的连接形式为级联式；
76.所述电池储能组为铅酸电池或锂离子电池；
77.所述电磁储能组为超级电容或锂离子超级电容。
78.本发明提供的含电化学储能的交流励磁变速抽水蓄能系统的控制方法和可实现的功能如下：
79.稳态运行时，交流励磁变速抽水蓄能机组模块的网侧变流器首先启动并控制电化学储能单元的直流电压，为机侧变流器的运行提供稳定的直流电压，通过机侧变流器实现交流励磁，并实现双馈电机/发电机定子电压和电网电压的相位、幅值和频率相同，以实现并网。并网后，通过监控系统协同调节水泵水轮机的输出功率并给定机侧变流器的电磁功率，实现机械功率和电磁功率的平衡。
80.动态运行时(即非正常状态)，交流励磁变速抽水蓄能机组模块的机侧变流器可以实现对电网的无功支撑，而网侧变流器可以实现对电网的有功支撑，电化学储能单元可以实现平抑电网的功率波动，调节电网的频率变化。通过电化学储能模块，可以减少水轮机导叶的调节频率。另外，不同储能配置下的抽水蓄能机组可以提高其自身的惯性响应能力也不同。
81.通过本发明，将电化学储能和变速抽水蓄能混合后实现联合运行，可以融合电化学储能的响应快速性并进一步提升变速抽水蓄能的调节能力和鲁棒性。同时，通过电化学储能可以提升机组在电网非正常状态下的动态支撑能力，减缓机组机械环节的调节频度，提高机组的运行使用寿命。
82.实施例2：
83.基于同一发明构思，本发明还提供了一种含电化学储能的交流励磁变速抽水蓄能系统的使用方法，如图3所示，包括：
84.步骤1：当电网频率处于正常状态时，通过交流励磁变速抽水蓄能机组模块和电化学储能模块的配合控制，将所述交流励磁变速抽水蓄能机组模块产生的电压进行并网，并
平衡所述抽水蓄能系统的机械功率和电磁功率；
85.步骤2：当电网频率处于非正常状态时，通过所述交流励磁变速抽水蓄能机组模块和电化学储能模块的配合控制向电网提供有功和无功支撑，并对所述交流励磁变速抽水蓄能机组模块进行调节。
86.其中，步骤1具体包括：
87.当电网频率处于正常状态时，通过网侧变流器将电化学储能单元产生的电压调节为稳定的直流电压，并提供给机侧变流器；
88.通过所述机侧变流器对直流电压进行调节实现交流励磁；
89.通过双馈电机在交流励磁下发电，并将定子电压并网；
90.通过监控单元和调速系统对水泵水轮机的机械功率进行协同调节，并调节所述机侧变流器的电磁功率，直到所述抽水蓄能系统的机械功率和电磁功率平衡。
91.所述通过监控单元和调速系统对水泵水轮机的机械功率进行协同调节，并调节所述机侧变流器的电磁功率，直到所述抽水蓄能系统的机械功率和电磁功率平衡，包括：
92.通过所述监控单元向所述机侧变流器发送给定的电磁功率指令；
93.通过所述机侧变流器根据所述机侧变流器发送的电磁功率指令调节电磁功率，并向监控单元反馈调节后的信息；
94.通过所述监控单元根据接收的机侧变流器反馈的信息，与调速系统进行协同调节；
95.通过所述调速系统向导叶系统发送调速指令，控制所述导叶系统调节所述水泵水轮机的机械功率，直到所述抽水蓄能系统的机械功率和电磁功率平衡。
96.步骤2具体包括：
97.当电网频率处于非正常状态时，通过机侧变流器对所述电化学储能单元和双馈电机产生的电压进行调节，为电网提供无功支撑，并向监控单元反馈调节后的信息；
98.通过网侧变流器对所述电化学储能单元产生的电压进行调节，为电网提供有功支撑，并向所述监控单元反馈调节后的信息；
99.通过所述监控单元根据反馈的信息，调节水泵水轮机中的转速。
100.所述通过所述监控单元根据反馈的信息，调节水泵水轮机中的转速，包括：
101.通过所述监控单元根据机侧变流器和网侧变流器反馈的信息，与调速系统进行协同调节；
102.通过所述调速系统向导叶系统发送调速指令，控制所述导叶系统调节水泵水轮机中导叶的转速。
103.所述通过机侧变流器对所述电化学储能单元和双馈电机产生的电压进行调节之前，还包括：
104.通过监控单元和电池管理单元协同调节，向电化学储能单元发送指令，控制所述电化学储能单元产生电压。
105.本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产
品的形式。
106.本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
107.这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
108.这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
109.最后应当说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对其保护范围的限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：本领域技术人员阅读本发明后依然可对发明的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在发明待批的权利要求保护范围之内。