基于飞轮储能可变速抽水蓄能机组的动能回收系统及方法

1.本发明涉及储能技术领域以及电机控制领域，特别涉及一种基于飞轮储能可变速抽水蓄能机组的动能回收系统及方法。


背景技术：

2.在新能源电网中，储能系统在电网的频率波动平抑和电压稳定控制中起到了重要作用，双馈式可变速抽水蓄能采用双馈电机作为主要机组，根据电网的需要运行在抽水和发电状态下，并通过调节机组的转速和功率，达到新能源电网的频率电压调节需求。
3.在电网实际运行中，会遇到甩负荷现象：主动甩负荷是指终端用户用电负荷减小导致发电厂发电量超过输送用户的量，为将发电厂的发电量减小到与实际负荷相适应的值，发电厂供网出口断路器跳闸；被动甩负荷是在电网出现故障运行工况或发电机主开关跳闸等情况下导致的发电端并网断路器跳闸。
4.双馈式可变速抽水蓄能机组工作在发电状态下时，在电网甩负荷时，巨大的剩余能量将导致机组导叶转速泵升，经过较长一段时间的调整制动，恢复到空载工况下运行。转速泵升将给机组造成机械损耗，并影响机组的使用寿命和工作效果，国内外学者已有研究通过在可变速抽水蓄能机组直流母线外加能量回收装置来防止发电工况下甩负荷时可变速抽水蓄能装置转子导叶的转速泵升，并实现快速制动，从而减少因此引起的机械损耗。
5.目前尚没有将飞轮储能装置应用于可变速抽水蓄能甩负荷状态下运行工况的先例，关于该模型的控制策略目前也尚未研究过。飞轮储能装置具有高功率密度、短时响应速度快的特征，使用飞轮储能装置作为可变速抽水蓄能的动能回收装置，可以实现对能量存储的快速响应，并实现大量剩余能量的回收。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于一定程度上解决现有技术的不足之处，提供了一种基于飞轮储能可变速抽水蓄能机组的动能回收系统及方法，本发明将大功率飞轮储能装置与双馈式可变速抽水蓄能系统进行耦合控制，实现电网甩负荷时，可变速抽水蓄能装置发电工况下的能量回收，防止水泵水轮机转子转速泵升，快速制动，并进行能量回收。
7.上述目的通过以下具体技术方案实现：
8.本发明第一方面提出的一种基于飞轮储能可变速抽水蓄能机组的动能回收系统，其特征在于，包括：lcl滤波器、网侧变流器、直流母线电容、可变速抽水蓄能机侧变流器、可变速抽水蓄能机组、飞轮储能机侧变流器和飞轮储能系统；所述可变速抽水蓄能机组包括相连接的双馈感应电机和水泵水轮机，所述飞轮储能系统包括相连接的永磁同步电机和飞轮；所述双馈感应电机的定子依次通过定子短接断路器和并网接触器连接至电网侧变压器；所述双馈感应电机的转子依次通过可变速抽水蓄能机侧变流器、直流母线电容、网侧变流器、lcl滤波器以及电网接触器连接至电网侧变压器；所述永磁同步电机的转子通过飞轮储能机侧变流器连接至直流母线电容和可变速抽水蓄能机侧变流器之间。
9.本发明第二方面提出的一种根据第一方面所述动能回收系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
10.s1、启动所述动能回收系统，电网向可变速抽水蓄能机组供电，使可变速抽水蓄能机组正常运行在抽水或发电工况下；通过可变速抽水蓄能机侧变流器使双馈感应电机的转子转速增加至同步转速；对可变速抽水蓄能机侧变流器采用定子电压定向的矢量控制，控制定子开路电压跟随电网电压，实现可变速抽水蓄能机组的软起动和软并网；为直流母线电容预充电，使该直流母线电容的电压达到并网额定电压；控制飞轮储能系统的飞轮从静止开始加速至其额定转速后，飞轮储能系统处于待机状态；
11.s2、若电网处于甩负荷工况，则执行步骤s3；若电网运行正常，可变速抽水蓄能机组正常运行，飞轮储能系统在工作转速下运行；
12.s3、电网和网侧变流器处于不工作状态；当可变速抽水蓄能机组工作于电动状态时，可变速抽水蓄能机组的水泵水轮机侧转子的动能转化为水的重力势能，实现制动，飞轮储能系统的飞轮保持在额定转速，执行步骤s4；当可变速抽水蓄能机组工作于发电状态下时，可变速抽水蓄能机组与电网断开，对飞轮储能侧变流器通过矢量控制改变外环参考，采用飞轮储能侧变流器并网端电压与电网额定直流母线电压构建电压外环，通过pi控制，使飞轮储能系统工作于充电状态，储存可变速抽水蓄能机组的剩余电能，从而使可变速抽水蓄能机组实现制动，执行步骤s4；
13.s4、重启电网，当可变速抽水蓄能机组处于电动工况时，可变速抽水蓄能机组利用飞轮储能系统中存储的电能进行双馈感应电机的软启动；当可变速抽水蓄能机组工作于发电状态下时，飞轮储能系统中存储的电能馈入电网。
14.本发明的特点及有益效果：在双馈式抽水蓄能装置发电工况下，电网甩负荷时，变流器停止工作，通过加装动力回收装置，利用飞轮储能装置的快速动作，将抽水蓄能装置制动前水的重力势能转化飞轮储能装置的能量，避免抽水蓄能装置瞬时转速泵升，减少机械损耗，延长装置的使用寿命，减少系统的维护成本。
附图说明
15.图1是本发明实施例的一种基于飞轮储能可变速抽水蓄能机组的动能回收系统的拓扑结构图。
16.图2是本发明基于飞轮储能系统装置的可变速抽水蓄能装置的甩负荷工况下动能回收实现流程图。
17.附图标记说明：
[0018]1‑
电网侧变压器，2
‑
lcl滤波器，3
‑
网侧变流器，4
‑
直流母线电容，5
‑
可变速抽水蓄能机侧变流器，6
‑
可变速抽水蓄能机组，7
‑
飞轮储能机侧变流器，8
‑
飞轮储能系统，k1
‑
电网接触器，k2
‑
定子短接断路器，k3
‑
并网接触器。
具体实施方式
[0019]
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。
[0020]
为了更好地理解本发明，以下详细阐述本发明提出的一种基于飞轮储能可变速抽水蓄能机组的动能回收系统及方法的应用实例。
[0021]
参见图1，本发明实施例的一种基于飞轮储能可变速抽水蓄能机组的动能回收系统包括：lcl滤波器2、网侧变流器3、直流母线电容4、可变速抽水蓄能机侧变流器5、可变速抽水蓄能机组6、飞轮储能机侧变流器7和飞轮储能系统8；可变速抽水蓄能机组6包括相连接的双馈感应电机和水泵水轮机，飞轮储能系统8包括相连接的永磁同步电机和飞轮；可变速抽水蓄能机组6中双馈感应电机的定子依次通过定子短接断路器k2和并网接触器k3连接至电网侧变压器1；可变速抽水蓄能机组6中双馈感应电机的转子依次通过可变速抽水蓄能机侧变流器5、直流母线电容4、网侧变流器3、lcl滤波器2以及电网接触器k1连接至电网侧变压器1；飞轮储能系统8中永磁同步电机的转子通过飞轮储能机侧变流器7连接至直流母线电容4和可变速抽水蓄能机侧变流器5之间。本实施例中的变流器均采用双向ac/dc变流器。
[0022]
具体地，电网通过电网接触器k1、lcl滤波器2、网侧变流器3、可变速抽水蓄能机侧变流器5与可变速抽水蓄能机组6中双馈感应电机的转子相连接，网侧变流器1用于维持直流母线电压稳定，向电网馈出转差功率，实现功率的双向流动，可变速抽水蓄能机侧变流器5调节输入到可变速抽水蓄能机组6双馈感应电机转子上的电压，实现对双馈感应电机电磁转矩、转速等物理量的控制，并控制可变速抽水蓄能机组6的软并网过程；双馈感应电机的定子通过定子短接接触器k2、并网接触器k3与电网连接，电动工况下，从电网吸收功率，可变速抽水蓄能机组6中的水泵水轮机抽水工作，发电工况下，水流带动水泵水轮机转动，向电网输入功率。
[0023]
飞轮储能系统8通过飞轮储能侧变流器7并联到直流母线，当工作在充电放电状态下时，飞轮储能机侧变流器7实现对飞轮储能系统8中永磁同步电机的转速控制，对能量进行存储和释放。
[0024]
水泵水轮机采用可逆式水泵水轮机，与双馈感应电机的转子通过转轴连接，传输机械功率；大转动惯量飞轮的转子与永磁同步电机通过转轴连接，实现机械功率的传输。
[0025]
检测电网工作于正常状态下或甩负荷状态下；基于飞轮储能可变速抽水蓄能机组的动能回收系统在电网甩负荷、可变速抽水蓄能机组工作于发电状态下时投入使用，实现对剩余能量的回收；当电网重新启动时，飞轮储能系统中的剩余能量回馈电网或用于双馈感应电机的软起动。可以实现电网甩负荷工况下最大限度地向可变速抽水蓄能机组提供能量支撑，并将直流母线电压稳定在一定范围内，维持系统稳定。
[0026]
图2是图1所示动能回收系统的控制流程图。结合图1、2，根据本发明的一个实施例的基于飞轮储能系统的甩负荷工况下可变速抽水蓄能动能回收装置控制方法，包含以下步骤：
[0027]
s1、本动能回收系统启动阶段，监测电网运行状态。上电启动后，开始自检，当检测到本动能回收系统正常情况下，本动能回收系统开始工作。若本动能回收系统存在故障，则等待故障排除后启动。闭合电网接触器k1，k3，电网向可变速抽水蓄能机组6供电，使可变速抽水蓄能机组6正常运行在抽水或发电工况下；闭合可变速抽水蓄能机组6的定子短接断路器k2，并在可变速抽水蓄能机侧变流器5的控制下实现双馈感应电机转子转速增加至同步转速n1，n1＝60f0/p
n
，其中f0表示电网频率，p
n
表示双馈感应电机的极对数。转速升高过程
中，保证可变速抽水蓄能机组6转子绕组不会过电压。在可变速抽水蓄能机组6转速达到同步转速后，断开定子短接断路器k2，可变速抽水蓄能机侧变流器5采用定子电压定向的矢量控制，控制定子开路电压跟随电网电压，实现可变速抽水蓄能机组6的软起动和软并网；因此使可变速抽水蓄能机侧变流器5定子的d轴正方向与定子电压正方向一致，满足以下关系：
[0028][0029]
其中，u
sd
，u
sq
分别表示可变速抽水蓄能机侧变流器5定子d、q轴电压，u
n
表示并网额定电压。
[0030]
随后为飞轮储能系统8内部的直流母线电容4预充电，该直流母线电容的电压达到并网额定电压u
n
后，预充电过程结束；控制飞轮储能系统8的飞轮从静止开始加速至设定的额定转速ω
n
，即飞轮储能系统8的飞轮的正常工作转速，之后飞轮储能系统8处于待机状态。
[0031]
s2、判断电网是处于甩负荷工况还是处于正常运行状态，若处于甩负荷工况则执行步骤s3，若处于正常运行状态则执行步骤s5。
[0032]
s3、当电网处于甩负荷工况时，电网和网侧变流器处于不工作状态，断路器k1，k3断开。判断可变速抽水蓄能机组6是工作于电动状态还是处于发电工况，当可变速抽水蓄能机组6工作于电动状态时，可变速抽水蓄能机组6的水泵水轮机侧转子的动能快速转化为水的重力势能，并实现快速制动，飞轮储能系统8的飞轮保持在额定转速ω
n
，此时本动能回收系统处于待机状态，执行步骤s4；当可变速抽水蓄能机组6工作于发电状态下时，断路器k1，k3处于开断状态，使得可变速抽水蓄能机组6与电网断开，此时水泵水轮机侧仍有部分水的重力势能转化为转子的动能，可能会导致转子转速泵升，造成较大的机械损耗，经历较长的制动时间。此时飞轮储能侧变流器7通过矢量控制改变外环参考，采用飞轮储能侧变流器7并网端电压与电网额定直流母线电压构建电压外环，通过pi控制，使飞轮储能系统8工作于充电状态，储存可变速抽水蓄能机组6的剩余电能，从而使可变速抽水蓄能机组6实现快速制动，执行步骤s4。
[0033]
s4、判断电网是否重启。当电网仍然存在故障时，等待电网故障排除，可变速抽水蓄能机组处于待机状态；当电网重启时，k1，k3闭合，当可变速抽水蓄能机组6处于电动工况时，可变速抽水蓄能机组6利用飞轮储能系统8中存储的电能进行双馈感应电机的软启动；当可变速抽水蓄能机组6工作于发电状态下时，飞轮储能系统8中存储的电能馈入电网。
[0034]
s5、可变速抽水蓄能机组6正常运行，飞轮储能系统8在正常工作转速下运行。
[0035]
本发明的原理如下：
[0036]
甩负荷工况下，当可变速抽水蓄能机组6工作于发电状态时，飞轮储能系统8投入运行。此时的能量传输路径为：水泵水轮机
→
双馈感应电机
→
可变速抽水蓄能机侧变流器5
→
飞轮储能机侧变流器7
→
永磁同步电机
→
飞轮。飞轮储能系统8处于充电状态，飞轮储能机侧变流器7采用双闭环控制，将实际直流母线电压值和参考直流母线电压进行比较构建电压外环，经过pi控制给出内环q轴电流参考，计算公式如下：i
qref
＝(u
dc
‑
u
ref
)(k
pu
+kius，其中udc为实时采集到的实际直流母线电压值，uref为参考直流母线电压值，kpu、k
iu
、s分别为对直流母线电压进行pi控制的比例系数、积分系数和复变量。
[0037]
当电网重新启动运行时，此时飞轮储能系统8运行于放电工况下，使用飞轮实际转速与参考转速进行比较构建转速外环，经过pi控制给出内环电流参考，计算公式如下：i
qref
＝(ω
fess
‑
ω
ref
)(k
pω
+k
iω
/s)，其中ω
fess
为实时采集到的实际直流母线电压值，ω
re
f为参考直流母线电压值，k
pω
、k
iω
、s分别为对飞轮转速进行pi控制的比例系数、积分系数和复变量。当可变速抽水蓄能机组6运行于发电状态下时，飞轮储能系统8中的能量馈入电网，此时的能量传输路径为：飞轮
→
永磁同步电机
→
飞轮储能机侧变流器7
→
直流母线电容4
→
网侧变流器3
→
电网1；当可变速抽水蓄能机组6运行于电动状态下时，飞轮储能系统8中的能量用于可变速抽水蓄能机组6中驱动双馈式感应电机软起动，此时的能量传输路径为：飞轮
→
永磁同步电机
→
飞轮储能机侧变流器7
→
直流母线电容4
→
可变速抽水蓄能机侧变流器5
→
双馈感应电机。
[0038]
综上所述，本发明中，双馈式可变速抽水蓄能机组和飞轮储能装置的耦合运行，在电网甩负荷时，可变速抽水蓄能机组发电工况下，抑制导叶转速泵升，实现快速制动，并将剩余能量回收，当系统重新运行时，将能量回馈电网或应用于双馈式感应电机的软起动。