利用蓄电池克服水电机组反调节特性的系统及方法

1.本发明属于水力发电技术领域，具体涉及利用蓄电池克服水电机组反调节特性的系统及方法。


背景技术：

2.为构建新型电力系统，风电、太阳能等新能源将大量并入电网。预计到2050年，风电机组的装机容量将达到22亿千瓦，占全国总装机的29.4％；太阳能发电的装机容量将达到34.5亿千瓦，占全国总装机的46.1％。新能源的间歇性、波动性和随机性将给电网的稳定运行带来巨大的挑战，因此，电网亟需巨量的快速响应灵活调节电源。
3.水电是灵活的清洁能源，不仅具有可再生、无污染、运行费用低等优点，而且水电机组启停迅速、功率调整范围广、单机容量大，是电网中重要的灵活调节电源。但由于水锤产生的反调节特性会恶化水电机组的调节性能，限制机组在新型电力系统中调峰调频作用的发挥。
4.蓄电池是一种成熟的快速储能方案，具有易于模块化、功率响应速度快、安装灵活、建设周期短等优势，但能量密度低，大规模使用时成本较高。结合蓄电池的优势，建立蓄电池和水电机组协同运行系统，克服了水电机组的功率反调节特性，提升了水电机组的响应速度，有效地提高了水电机组的一次调频性能，大大增加了以新能源为主的新型电力系统频率稳定性，并利用特定控制策略尽最大可能降低了电池的容量和充放电功率。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供利用蓄电池克服水电机组反调节特性的方法，该方法克服了水电机组的功率反调节特性，提升了水电机组的响应速度，有效地提高了水电机组的一次调频性能，大大增加了以新能源为主的新型电力系统频率稳定性。
6.本发明所采用的利用蓄电池克服水电机组反调节特性的系统结构是：利用蓄电池克服水电机组反调节特性的系统，包括水电系统和蓄电池系统，水电系统主要包括调节器、伺服系统、水电机组，所述调节器通过给定频率与电网的频率的差值以pid(比例-积分-微分)控制方法形成控制信号，伺服系统将控制电信号转化为导叶开度，所述水电机组包括水轮机、引水系统及发电机，水电机组的功率输出主要靠调节导叶开度实现；所述蓄电池系统包括控制器、蓄电池、逆变器，所述控制器输出控制信号控制蓄电池的功率输出，所述逆变器的作用是将直流电能转化为交流电能；其中，水电系统为主系统，蓄电池系统为辅助系统，水电系统根据电网的频率调整机组的功率，蓄电池系统根据水电系统的开度信号调整蓄电池的功率，两个系统的功率输出叠加形成协同系统以克服水电机组功率反调节。
7.本发明所采用的利用蓄电池克服水电机组反调节特性的方法步骤是：
8.步骤1，实时测量电网的频率，并与频率给定比较得到频率偏差值；
9.步骤2，水电系统的调节器根据频率偏差通过pid控制方法得到导叶控制信号；
10.步骤3，水电系统的伺服系统将导叶控制信号转化为导叶开度，其中，伺服系统常
采用电液伺服系统，水电机组功率随着导叶开度的变化而变化；
11.步骤4，将水电系统调节器输出的导叶控制信号引入蓄电池系统作为其输入；
12.步骤5，蓄电池系统的控制器根据水电系统调节器输出的导叶控制信号以特定控制策略得到蓄电池控制信号；
13.步骤6，蓄电池根据蓄电池控制信号输出蓄电池直流功率，并通过逆变器转化为蓄电池交流功率；
14.步骤7，将步骤3中的水电机组功率和步骤6中的蓄电池交流功率叠加得到协同系统功率。
15.本发明的特点还在于，
16.步骤2中根据频率偏差得到控制信号的方法为：
17.pid型调节器的传递函数为：
[0018][0019]
式(1)中，s代表拉普拉斯算子，k
p
代表比例系数，ki代表积分系数，kd代表微分系数。
[0020]
步骤5蓄电池控制器的传递函数为：
[0021][0022]
式(2)中，tw代表水流惯性时间常数；
[0023]
设计蓄电池控制器的依据是：
[0024]
理想水轮机的传递函数为：
[0025][0026]
从自动控制理论可知，由于水轮机传递函数中存在一个正零点，所以，水轮机是一个非最小相位系统，存在反调节特性；
[0027]
理想水轮机的传递函数可拆分为：
[0028][0029]
其中，即是水轮机产生反调节特性的关键因素，不存在反调节特性；因此，利用蓄电池去补充产生的反调节功率，即可克服水电机组的反调节特性。
[0030]
本发明的有益效果是：本发明的利用蓄电池克服水电机组反调节特性的方法，利用蓄电池功率响应速度快的特性，并以导叶控制信号作为蓄电池系统的输入信号，避免了伺服系统响应时间的影响，有效的补充水电机组的反调节功率，克服了水电机组的功率反调节特性，提升了水电机组的响应速度，有效地提高了水电机组的一次调频性能，大大增加
了以新能源为主的新型电力系统频率稳定性。同时，本发明的优势是利用特定控制策略尽最大可能降低了电池的容量和充放电功率来提高水电机组的调节性能。
附图说明
[0031]
图1是本发明一种利用蓄电池克服水电机组反调节特性的方法的协同系统的运行结构图；
[0032]
图2是本发明一种利用蓄电池克服水电机组反调节特性的策略施加前的水轮机反调节特性图；
[0033]
图3是本发明一种利用蓄电池克服水电机组反调节特性的策略施加前的水电机组与策略施加后协同系统的输出功率变化的对比图；
[0034]
图4是本发明一种利用蓄电池克服水电机组反调节特性的策略施加前后系统频率变化的对比图；
[0035]
图5是本发明一种利用蓄电池克服水电机组反调节特性的各系统的功率输出变化图。
[0036]
其中，δp代表功率变化值，δf代表频率变化值，t代表时间。
具体实施方式
[0037]
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明，以使本发明的优点和特征更易于被本领域技术人员理解。
[0038]
实施例1
[0039]
本发明利用蓄电池克服水电机组反调节特性的系统，如图1所示，包括水电系统和蓄电池系统，水电系统主要包括调节器、伺服系统、水电机组，所述调节器通过给定频率与电网的频率的差值以pid(比例-积分-微分)控制方法形成控制信号，伺服系统将控制电信号转化为导叶开度，所述水电机组包括水轮机、引水系统及发电机，水电机组的功率输出主要靠调节导叶开度实现；所述蓄电池系统包括控制器、蓄电池、逆变器，所述控制器输出控制信号控制蓄电池的功率输出，所述逆变器的作用是将直流电能转化为交流电能；其中，水电系统为主系统，蓄电池系统为辅助系统，水电系统根据电网的频率调整机组的功率，蓄电池系统根据水电系统的开度信号调整蓄电池的功率，两个系统的功率输出叠加形成协同系统以克服水电机组功率反调节。
[0040]
实施例2
[0041]
本发明所采用的利用蓄电池克服水电机组反调节特性的方法步骤是：
[0042]
步骤1，实时测量电网的频率，并与频率给定比较得到频率偏差值；
[0043]
步骤2，水电系统的调节器根据频率偏差通过pid控制方法得到导叶控制信号；
[0044]
步骤2中根据频率偏差得到控制信号的方法为：
[0045]
pid型调节器的传递函数为：
[0046][0047]
式(1)中，s代表拉普拉斯算子，k
p
代表比例系数，ki代表积分系数，kd代表微分系数。
[0048]
步骤3，水电系统的伺服系统将导叶控制信号转化为导叶开度，其中，伺服系统常采用电液伺服系统，水电机组功率随着导叶开度的变化而变化；
[0049]
步骤4，将水电系统调节器输出的导叶控制信号引入蓄电池系统作为其输入；
[0050]
步骤5，蓄电池系统的控制器根据水电系统调节器输出的导叶控制信号以特定控制策略得到蓄电池控制信号；
[0051]
步骤5蓄电池控制器的传递函数为：
[0052][0053]
式(2)中，tw代表水流惯性时间常数；
[0054]
步骤6，蓄电池根据蓄电池控制信号输出蓄电池直流功率，并通过逆变器转化为蓄电池交流功率；
[0055]
步骤7，将步骤3中的水电机组功率和步骤6中的蓄电池交流功率叠加得到协同系统功率。
[0056]
设计蓄电池控制器的依据是：
[0057]
理想水轮机的传递函数为：
[0058][0059]
从自动控制理论可知，由于水轮机传递函数中存在一个正零点，所以，水轮机是一个非最小相位系统，存在反调节特性；
[0060]
理想水轮机的传递函数可拆分为：
[0061][0062]
其中，即是水轮机产生反调节特性的关键因素，不存在反调节特性；因此，利用蓄电池去补充产生的反调节功率，即可克服水电机组的反调节特性。
[0063]
实施例3
[0064]
当机组并入大电网运行时，设定水电机组的给定频率为50hz，实时测量电网的频率。频率给定信号和电网频率信号作差得到频率偏差，频率偏差信号输入调节器，经调节器处理后输出控制信号；
[0065]
控制器输出控制信号调整蓄电池的充放电功率(直流)，蓄电池可采用钠硫电池；蓄电池产生的功率(直流)经过逆变器变化为交流电能，即蓄电池功率(交流)，逆变器可采用三相平逆变器。水电机组功率和蓄电池功率(交流)之和即为协同系统功率。
[0066]
以某水电机组为例进行分析，策略施加前的水电机组与策略施加后协同系统的功率变化对比图如图3所示，策略施加前后系统频率变化的对比图如图4所示，施加策略后各个系统的功率输出变化如图5所示。
[0067]
根据图3可以看出，未施加策略的水电机组的功率输出先出现负向的变化，在2.4s以后才会出现正向的变化，这就是水电机组的反调节特性，该特性对电网的稳定是不利的。而在施加本发明提出的控制策略后，协同系统的功率输出直接出现正向的变化，克服了反调节的特性。根据图4可以看出，施加本发明提出的策略后，系统的频率跌落深度也得到了明显的改善，在施加策略前，系统的频率的最低值为0.035pu，施加策略后，系统的频率最低值仅为0.029pu。图5分别展示了施加策略后，水电机组、蓄电池及协同系统的功率输出变化图。根据图5可以直观的看出，施加本发明提出的策略后，蓄电池的功率输出有效地填补了水电机组的功率的反调功率，从而克服水电机组的反调节特性。

技术特征：
1.利用蓄电池克服水电机组反调节特性的系统，其特征在于，包括水电系统和蓄电池系统，水电系统主要包括调节器、伺服系统、水电机组，所述调节器通过给定频率与电网的频率的差值以pid控制方法形成控制信号，伺服系统将控制电信号转化为导叶开度，所述水电机组包括水轮机、引水系统及发电机，水电机组的功率输出主要靠调节导叶开度实现；所述蓄电池系统包括控制器、蓄电池、逆变器，所述控制器输出控制信号控制蓄电池的功率输出，所述逆变器的作用是将直流电能转化为交流电能；其中，水电系统为主系统，蓄电池系统为辅助系统，水电系统根据电网的频率调整机组的功率，蓄电池系统根据水电系统的开度信号调整蓄电池的功率，两个系统的功率输出叠加形成协同系统以克服水电机组功率反调节。2.根据权利要求1所述的利用蓄电池克服水电机组反调节特性的系统，其特征在于，以水电机组调节器输出的导叶控制信号作为蓄电池系统的输入信号。3.采用权利要求1-2任一项所述的利用蓄电池克服水电机组反调节特性的系统的方法，其特征在于，具体操作步骤如下：步骤1，实时测量电网的频率，并与频率给定比较得到频率偏差值；步骤2，水电系统的调节器根据频率偏差通过pid控制方法得到导叶控制信号；步骤3，水电系统的伺服系统将导叶控制信号转化为导叶开度，其中，伺服系统常采用电液伺服系统，水电机组功率随着导叶开度的变化而变化；步骤4，将水电系统调节器输出的导叶控制信号引入蓄电池系统作为其输入；步骤5，蓄电池系统的控制器根据水电系统调节器输出的导叶控制信号以控制策略得到蓄电池控制信号；步骤6，蓄电池根据蓄电池控制信号输出蓄电池直流功率，并通过逆变器转化为蓄电池交流功率；步骤7，将步骤3中的水电机组功率和步骤6中的蓄电池交流功率叠加得到协同系统功率。4.根据权利要求3所述的利用蓄电池克服水电机组反调节特性的方法，其特征在于，步骤5蓄电池控制器的控制策略的传递函数为：式(2)中，t
w
代表水流惯性时间常数。5.根据权利要求3所述的利用蓄电池克服水电机组反调节特性的方法，其特征在于，设计蓄电池控制器控制策略的依据是：理想水轮机的传递函数为：从自动控制理论可知，由于水轮机传递函数中存在一个正零点，所以，水轮机是一个非最小相位系统，存在反调节特性；理想水轮机的传递函数可拆分为：
其中，即是水轮机产生反调节特性的关键因素，不存在反调节特性；因此，利用蓄电池去补充产生的反调节功率，即可克服水电机组的反调节特性。

技术总结
本发明提供了利用蓄电池克服水电机组反调节特性的系统及方法，设计了一种蓄电池和水电机组的协同系统，以导叶控制信号作为蓄电池系统的输入信号，并以特定的控制策略控制蓄电池的充放电功率，用以补偿由水锤作用引起的水电机组的反调节特性。本发明克服了水电机组的功率反调节特性，提升了水电机组的响应速度，有效地提高了水电机组的一次调频性能，大大增加了以新能源为主的新型电力系统频率稳定性，并利用特定控制策略尽最大可能降低了电池的容量和充放电功率。容量和充放电功率。容量和充放电功率。


技术研发人员：南海鹏 高春阳 余向阳 吴罗长 郭鹏程 罗兴锜
受保护的技术使用者：西安理工大学
技术研发日：2023.05.09
技术公布日：2023/8/1