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基于双馈调速的可变速抽水蓄能半实物仿真平台(YXRT-DFASPSU)

基于双馈调速的可变速抽水蓄能半实物仿真平台(YXRT-DFASPSU)

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【摘要】:
随着可再生能源在电网中渗透率提高,电力系统可靠经济运行要求的提高,电力市场交易开放的推进,储能系统在电力系统中作用越来越重要。目前在电网储能结构中,尽管电池储能在不断发展,但占据绝对比例的依然是抽水蓄能电站,这个比例高达96%。抽水蓄能相对于化学电池储能、空气压缩储能、超导储能等方式在当下依然具有容量大、维护费用低、安全高效等诸多优点。

 

1、抽水蓄能电站

 

随着可再生能源在电网中渗透率提高,电力系统可靠经济运行要求的提高,电力市场交易开放的推进,储能系统在电力系统中作用越来越重要。目前在电网储能结构中,尽管电池储能在不断发展,但占据绝对比例的依然是抽水蓄能电站,这个比例高达96%。抽水蓄能相对于化学电池储能、空气压缩储能、超导储能等方式在当下依然具有容量大、维护费用低、安全高效等诸多优点。

 

抽水蓄能电站如图1、图2所示,由两个相互连接且位于不同高度的水库组成。 管道将上部和下部水库连接。 在充电过程中,电动机将电能转换成机械能。 通过将水从下部水库通过管道输送到上部水库,将它们转化为势能。在低电时,存储在上部水库中的水可以通过涡轮机返回到下部水库,由此从势能产生机械能,并且在发电机的帮助下再次产生电能。储存的能量与水的总质量和上下两蓄水池之间的高度差的乘积成比例。抽水蓄能电站在电网负荷低谷将多余的电能转化为水的势能储存起来,在负荷高峰时将水的势能转化为电能,将电能在时间上重新分配,有效调节电力系统生产、供应、使用之间的动态平衡。

 

图1 抽水蓄能电站示意图

 

图2 浙江安吉天荒坪抽水蓄能电站

 

2、基于双馈调速的可变速抽水蓄能机组(Doubly Fed Adjustable-speed Pumped Storage Unit,DFASPSU)

 

传统抽水蓄能机组采用同步电机系统,以恒定转速运行,水轮机的输出功率由调速器控制,调节自由度相对受限,效率影响较大,难以应对一些当下新能源高渗透率动态响应问题。变速抽水蓄能机组采用双馈感应电机(Doubly-fed  Induction  Machine, DFIM),通过改变转子侧交流励磁系统输出电流的频率实现转速的连续调节,可以灵活的调节有功功率,无功功率,可以提高动态响应,可以满足不同工况下对转速的要求,可适合水头多变的电站,尤其是抽水蓄能电站,能大大提高机组的运行效率。同时,双馈变速抽水蓄能机组(Doubly Fed Adjustable-speed Pumped Storage Unit,DFASPSU)可以通过定子绕组短接的方式实现自启动,无需再借助静止变频器(Static Frequency Converter, SFC)等其他辅助设备,且其为非全功率变流器,自身容量仅仅需要占到整个机组容量的30%左右,在功耗与变流器成本方面都有优势。因此无论是考虑电网稳定运行的需求,还是为缓解能源和环境危机,还是电站本身的运营成本,发展双馈变速抽水蓄能均具有重要的现实意义。

 

图3 双馈可变速抽水系统结构示意

 

3、基于双馈调速的可变速抽水蓄能机组半实物仿真平台(YXRT-DFASPSU)

 

3.1 项目背景

 

南京研旭电气科技有限公司很荣幸受西安布尔科技有限公司与西安理工水利水电学院国家重点实验室邀请一起承接西安理工国家重点实验室的基于双馈调速的可变速抽水蓄能机组半实物仿真平台(YXRT-DFASPSU)的建设。西安布尔在水电项目实施与维护方面有着丰富的经验,西安理工水利水电学院国家重点实验室团队实力雄厚,在水利水电方面研究团队有着多年的研究积累与传承,有着非常完善与先进的软硬件设施,南京研旭则有多年丰富的风、光、储、微电网半实物仿真平台的建设经验,这是一次强强联合。

 

图4 西安理工水利水电学院2014年国家科技进步二等奖

 

图5 西安理工水利书店学院实验电站系统图

 

图6 水电站下水槽

 

图7 水电站下水管道

 

图8 水电站引水管道

 

图9 水轮机组实物

 

图10 实验室一角

 

图11 室外光伏系统

 

3.2 项目概况

 

双馈调速的可变速抽水蓄能机组半实物仿真平台的系统主要结构如图12所示,其中主要由以RTDS HIL硬件在环平台来仿真水轮机模型,其输出相关转矩-转速控制特性控制双馈电机,以模拟水轮机组特性,为了更逼近真是水轮机组大惯性的特点,系统中加入了惯性轮,为了进一步模拟研究水轮机组模型,以及研究水轮机组中动态特性控制,在台架系统中加入了直流电机,也就是在本次系统中可逆水轮机部分有两种选择 1、RTDS+双馈+惯性轮 2、RTDS+直流电机+惯性轮。发电机/电动机系统则采用双馈系统,变流柜1主要实现水轮机部分控制,变流柜2主要实现发电机/电动机部分控制。两个变流柜都配置了快速原型控制器接口,可与YXDSPACE系列快速原型控制器无缝对接,可以比较方便的修改变流柜内控制算法,系统中配置了转矩传感器与光电编码器等测量装置。

 

图12 双馈调速的可变速抽水蓄能机组半实物仿真平台的系统主要结构

 

台架设计如图13所示,实物系统如图14所示:

 

图13 台架设计图

 

图14 台架实物图

 

变流柜与RTDS仿真机现场照如图15所示:

 

图15 变流柜与RTDS仿真机

 

变流柜中本地监控如图16所示:

 

图16 变流柜本地监控

 

为了与DFASPSU效果相对照,系统中也配置了全功率变流器,西安理工该实验室目前具备了,实际同步电机调速控制系统、全功率变流器控制系统、DFASPSU系统,实物系统,半实物仿真系统,等互相之间参照与对比的条件。

 

全功率变流器组与水电站综控系统如图17所示:

 

图17 全功率变流器与水电站综控

 

图18 水电站综控系统

 

图19 系统培训现场

 

4、总结

 

基于双馈调速的可变速抽水蓄能机组半实物仿真平台可实现水轮机组与发电机之间双向可逆运行,可以很好的模拟真实的抽水蓄能系统中水轮机组模型与真实的双馈变流控制系统,也可以模拟双馈风力发电系统。西安理工水利水电学院该实验室进一步具备了水电站调速控制系统、DFASPSU系统、全功率变流系统运行与控制的详细研究与互相对照,同时也具备了新能源光伏、风力发电与抽水蓄能系统互补控制的研究基础。南京研旭与西安布尔进一步积累了相关平台建设经验。期待西安理工、西安布尔、南京研旭能够在相关领域做出更好成绩。读者欲了解该项目进一步进展与详情可以关注以上三个团队,也可以与他们进行交流。

 

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