全功率变频抽蓄与风电联合供电优化配置系统及方法与流程

1.本发明属于发电系统规划技术领域，具体涉及一种全功率变频抽蓄与风电联合供电优化配置系统及方法。


背景技术：

2.风电发电系统的大规模发展给电力系统的调频、调峰带来了巨大的压力。风电与抽水蓄能联合运行的供电方式能够将过大比重的风电转换成高质量的电能间接地输入电网，或将电网负荷低谷时的多余风电转换成水能存蓄起来，减少风机弃荷，从而大大地提高了风能利用率和电网供电质量，使风能资源得到最大化的开发利用。
3.抽水蓄能与风电联合供电系统种类较多，而其运行模式各异，且存在多种条件限制，如何对抽水蓄能与风电进行优化配置，是该系统工程设计以及运行调度的关键技术问题。


技术实现要素：

4.针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种全功率变频抽蓄与风电联合供电优化配置系统及方法，可有效解决上述问题。
5.本发明采用的技术方案如下：
6.本发明提供一种全功率变频抽蓄与风电联合供电优化配置系统，包括风电场、全功率变频抽水蓄能电站、备用柴油发电厂、控制系统和负荷系统；所述全功率变频抽水蓄能电站包括全功率变频抽蓄机组、上水库和下水库；其中，所述全功率变频抽蓄机组包括抽水蓄能电站发电机组和抽水蓄能电站抽水水泵；
7.所述风电场的第一供电线路通过限制元件连接到电网；所述风电场的第二供电线路连接到所述抽水蓄能电站抽水水泵的用电端；所述备用柴油发电厂通过第三供电线路连接到所述电网；所述抽水蓄能电站发电机组的发电端通过第四供电线路连接到所述电网；所述抽水蓄能电站发电机组安装于所述上水库和所述下水库之间；所述电网的输电端通过第五供电线路连接到所述负荷系统的用电端；所述电网的输电端通过第六供电线路连接到所述抽水蓄能电站抽水水泵；所述抽水蓄能电站抽水水泵用于将所述下水库内的水输送到所述上水库；
8.所述控制系统分别与所述风电场、所述全功率变频抽水蓄能电站、所述备用柴油发电厂和所述负荷系统连接。
9.优选的，所述第一供电线路安装第一控制开关(k1)；所述第二供电线路安装第二控制开关(k2)；所述第三供电线路安装第三控制开关(k3)；所述第四供电线路安装第四控制开关(k4)；所述第六供电线路安装第五控制开关(k5)。
10.本发明还提供一种全功率变频抽蓄与风电联合供电优化配置系统的方法，包括以下步骤：
11.步骤1，确定全功率变频抽蓄与风电联合供电优化配置系统的最佳配置参数，包
括：风电场的风机台数、上水库调节库容、全功率变频抽蓄机组装配容量和备用柴油发电厂装机容量；
12.步骤2，按步骤1确定的最佳配置参数安装全功率变频抽蓄与风电联合供电优化配置系统，在系统运行过程中，采用以下策略，进行全功率变频抽蓄与风电联合供电优化：
13.步骤2.1，对风电场进行调控，方法为：
14.步骤2.1.1，采集当前计算时步的风电场的总输出功率p
wp
和负荷系统的系统用电负荷d
ls
；
15.步骤2.1.2，采用下式，计算得到风电直接接入电网系统的最大允许功率p
max
：
16.p
max
＝α*d
ls
17.其中：
18.α为风电接入比重，为系统设定值；
19.步骤2.1.3，比较风电直接接入电网系统的最大允许功率p
max
和风电场的总输出功率p
wp
，如果p
wp
≤p
max
，则关闭第二控制开关(k2)，完全打开第一控制开关(k1)，使风电场的总输出功率p
wp
完全输送给电网系统；
20.如果p
wp
＞p
max
，则打开第一控制开关(k1)和第二控制开关(k2)，将风电场的总输出功率p
wp
中的最大允许功率p
max
部分功率输送给电网系统，将剩下的输出功率输送给抽水蓄能电站抽水水泵，作为抽水蓄能电站抽水水泵的电能来源之一；
21.步骤2.2，对全功率变频抽水蓄能电站进行调控，方法为：
22.步骤2.2.1，根据下式，得到当前计算时步的上水库蓄水容积ve：
[0023][0024]
其中：
[0025]ve0
为前一计算时步的上水库蓄水容积v
e0
；
[0026]dps
为当前计算时步的全功率变频抽蓄机组在水泵工况下的输入功率；
[0027]
p
hp
为当前计算时步的全功率变频抽蓄机组在发电工况下的输出功率；
[0028]
δt为迭代计算的计算时步；
[0029]
η
p
为当前计算时步的抽水蓄能电站抽水水泵的抽水综合效率；
[0030]
η
t
为当前计算时步的抽水蓄能电站发电机组的发电综合效率；
[0031]
γw为水重度；
[0032]zu
为当前计算时步的上水库水位；
[0033]
zd为当前计算时步的下水库水位；
[0034]
步骤2.2.2，设步骤1得到的上水库调节库容为[v
min
,v
max
]，其中，v
min
为上水库蓄水容积允许的最小值，v
max
为上水库蓄水容积允许的最大值；
[0035]
比较当前计算时步的上水库蓄水容积ve和上水库调节库容[v
min
,v
max
]的关系：
[0036]
如果ve＞v
max
，则对抽水蓄能电站抽水水泵进行控制，使其停止抽水；
[0037]
如果ve＜v
min
，则对抽水蓄能电站发电机组进行控制，使其停止发电；
[0038]
如果ve∈[v
min
,v
max
]，则使抽水蓄能电站抽水水泵进行正常抽水工况，使抽水蓄能电站发电机组进行正常发电工况；
[0039]
步骤2.3，对备用柴油发电厂进行调控，方法为：
[0040]
步骤2.3.1，采用下式，得到当前计算时步的备用柴油发电厂的输出功率p
dp
：
[0041]
p
dp
＝d
ls
+d
ps-p
wp-p
hp
[0042]
其中：
[0043]dls
为当前计算时步的系统用电负荷；
[0044]dps
为当前计算时步的全功率变频抽蓄机组在水泵工况下的输入功率；
[0045]
p
wp
为当前计算时步的风电场的总输出功率；
[0046]
p
hp
为当前计算时步的全功率变频抽蓄机组在发电工况下的输出功率；
[0047]
p
dp
为当前计算时步的备用柴油发电厂的输出功率；
[0048]
步骤2.3.2，如果计算得到的备用柴油发电厂的输出功率p
dp
大于0，则使备用柴油发电厂按p
dp
向电网系统输送电能；如果计算得到的备用柴油发电厂的输出功率p
dp
等于0，则关闭备用柴油发电厂，使其不向电网系统输送电能；
[0049]
由此实现在当前计算时步，根据负荷系统的系统用电负荷，对风电场、全功率变频抽水蓄能电站和备用柴油发电厂的供电情况进行优化控制，满足系统用电负荷。
[0050]
优选的，步骤1中，风电场的风机台数通过以下方式确定：
[0051]
步骤1.1，对于全功率变频抽蓄与风电联合供电优化配置系统，在配置研究阶段，确定风机台数为n1,n2,
…
,n
p
；确定上水库调节库容为v1,v2,
…
,vq；
[0052]
因此，当风机台数为n1时，上水库调节库容分别选取v1,v2,
…
,vq，进行全功率变频抽蓄与风电联合供电，分别得到q个供电保证率，表示为：e1,e2,
…
,eq；以横坐标为供电保证率，纵坐标为上水库调节库容，在坐标系中绘制q个离散点，对q个离散点进行曲线拟合，得到与风机台数n1对应的第一曲线；
[0053]
同样的方法，得到与风机台数n2对应的第二曲线,
…
,与风机台数n
p
对应的第p曲线；
[0054]
对于每条曲线，求得曲线的拐点，将p个曲线的拐点进行曲线拟合，得到供电保证率、上水库调节库容和风机台数的最佳配置曲线；
[0055]
步骤1.2，已知目标供电保证率，查找最佳配置曲线，得到与目标供电保证率最为匹配的上水库调节库容和风机台数。
[0056]
优选的，步骤1中，全功率变频抽蓄机组装配容量通过以下方式确定：
[0057]
在一个计算周期中，获得每个计算时步的对全功率变频抽蓄机组的发电抽水需求；对各个计算时步的对全功率变频抽蓄机组的发电抽水需求进行统计，得到最大值作为全功率变频抽蓄机组的原始装机容量；
[0058]
然后，从全功率变频抽蓄机组的原始装机容量开始，逐渐减小其装机容量，并计算每种装机容量对应的供电保证率，得到装机容量与供电保证率的曲线；在该曲线中，查找与目标供电保证率匹配的装机容量，作为最终确定的全功率变频抽蓄机组的装机容量。
[0059]
优选的，步骤1中，备用柴油发电厂装机容量通过以下方式确定：
[0060]
在一个计算周期中，不启动备用柴油发电厂，获得每个计算时步的系统负荷的供电缺口，再获得与该供电缺口对应的备用柴油发电厂装机容量，以及该计算时步的供电保证率，由此绘制得到备用柴油发电厂装机容量和供电保证率的曲线；在该曲线中，查找与目标供电保证率匹配的备用柴油发电厂装机容量，作为最终确定的备用柴油发电厂装机容量。
[0061]
优选的，在确定风电场的风机台数、上水库调节库容、全功率变频抽蓄机组装配容量和备用柴油发电厂装机容量的配置参数后，还包括：
[0062]
对各配置参数进一步优化，包括：联合供电系统的综合经济指标，即优化时段内以电能收益+节煤效益-投资成本最小为总目标，以减小上水库库容和备用柴油发电厂装机规模为次要目标，从而最终确定风电场的风机台数、上水库调节库容、全功率变频抽蓄机组装配容量和备用柴油发电厂装机容量。
[0063]
本发明提供的全功率变频抽蓄与风电联合供电优化配置系统及方法具有以下优点：
[0064]
通过对风电场、全功率变频抽水蓄能电站和备用柴油发电厂进行优化发电调控，以及对风电场、全功率变频抽水蓄能电站和备用柴油发电厂的最佳配置参数进行设置，能够有效提高风能利用率，同时有效保证电网供电质量，使风能资源得到最大化的开发利用。
附图说明
[0065]
图1为本发明提供的全功率变频抽蓄与风电联合供电优化配置系统的结构示意图。
[0066]
图2为本发明提供的上水库调节库容、风机台数和供电保证率的关系图。
具体实施方式
[0067]
为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0068]
本发明提供一种全功率变频抽蓄与风电联合供电优化配置系统，参考图1，包括风电场、全功率变频抽水蓄能电站、备用柴油发电厂、控制系统和负荷系统；所述全功率变频抽水蓄能电站包括全功率变频抽蓄机组、上水库和下水库；其中，所述全功率变频抽蓄机组包括抽水蓄能电站发电机组和抽水蓄能电站抽水水泵；
[0069]
所述风电场的第一供电线路通过限制元件连接到电网；所述风电场的第二供电线路连接到所述抽水蓄能电站抽水水泵的用电端；所述备用柴油发电厂通过第三供电线路连接到所述电网；所述抽水蓄能电站发电机组的发电端通过第四供电线路连接到所述电网；所述抽水蓄能电站发电机组安装于所述上水库和所述下水库之间；所述电网的输电端通过第五供电线路连接到所述负荷系统的用电端；所述电网的输电端通过第六供电线路连接到所述抽水蓄能电站抽水水泵；所述抽水蓄能电站抽水水泵用于将所述下水库内的水输送到所述上水库；
[0070]
所述控制系统分别与所述风电场、所述全功率变频抽水蓄能电站、所述备用柴油发电厂和所述负荷系统连接。
[0071]
其中，所述第一供电线路安装第一控制开关k1；所述第二供电线路安装第二控制开关k2；所述第三供电线路安装第三控制开关k3；所述第四供电线路安装第四控制开关k4；所述第六供电线路安装第五控制开关k5。
[0072]
本发明还提供一种全功率变频抽蓄与风电联合供电优化配置系统的方法，包括以下步骤：
[0073]
步骤1，确定全功率变频抽蓄与风电联合供电优化配置系统的最佳配置参数，包括：风电场的风机台数、上水库调节库容、全功率变频抽蓄机组装配容量和备用柴油发电厂装机容量；
[0074]
本步骤中，结合图2，风电场的风机台数通过以下方式确定：
[0075]
步骤1.1，对于全功率变频抽蓄与风电联合供电优化配置系统，在配置研究阶段，确定风机台数为n1,n2,
…
,n
p
；确定上水库调节库容为v1,v2,
…
,vq；
[0076]
因此，当风机台数为n1时，上水库调节库容分别选取v1,v2,
…
,vq，进行全功率变频抽蓄与风电联合供电，分别得到q个供电保证率，表示为：e1,e2,
…
,eq；以横坐标为供电保证率，纵坐标为上水库调节库容，在坐标系中绘制q个离散点，对q个离散点进行曲线拟合，得到与风机台数n1对应的第一曲线；
[0077]
同样的方法，得到与风机台数n2对应的第二曲线,
…
,与风机台数n
p
对应的第p曲线；
[0078]
对于每条曲线，求得曲线的拐点，将p个曲线的拐点进行曲线拟合，得到供电保证率、上水库调节库容和风机台数的最佳配置曲线；
[0079]
步骤1.2，已知目标供电保证率，查找最佳配置曲线，得到与目标供电保证率最为匹配的上水库调节库容和风机台数。
[0080]
本步骤中，全功率变频抽蓄机组装配容量通过以下方式确定：
[0081]
在一个计算周期中，获得每个计算时步的对全功率变频抽蓄机组的发电抽水需求；对各个计算时步的对全功率变频抽蓄机组的发电抽水需求进行统计，得到最大值作为全功率变频抽蓄机组的原始装机容量；
[0082]
然后，从全功率变频抽蓄机组的原始装机容量开始，逐渐减小其装机容量，并计算每种装机容量对应的供电保证率，得到装机容量与供电保证率的曲线；在该曲线中，查找与目标供电保证率匹配的装机容量，作为最终确定的全功率变频抽蓄机组的装机容量。
[0083]
本步骤中，备用柴油发电厂装机容量通过以下方式确定：
[0084]
在一个计算周期中，不启动备用柴油发电厂，获得每个计算时步的系统负荷的供电缺口，再获得与该供电缺口对应的备用柴油发电厂装机容量，以及该计算时步的供电保证率，由此绘制得到备用柴油发电厂装机容量和供电保证率的曲线；在该曲线中，查找与目标供电保证率匹配的备用柴油发电厂装机容量，作为最终确定的备用柴油发电厂装机容量。
[0085]
进一步的，在确定风电场的风机台数、上水库调节库容、全功率变频抽蓄机组装配容量和备用柴油发电厂装机容量的配置参数后，还包括：
[0086]
对各配置参数进一步优化，包括：联合供电系统的综合经济指标，即优化时段内以电能收益+节煤效益-投资成本最小为总目标，以减小上水库库容和备用柴油发电厂装机规模为次要目标，从而最终确定风电场的风机台数、上水库调节库容、全功率变频抽蓄机组装配容量和备用柴油发电厂装机容量。
[0087]
步骤2，按步骤1确定的最佳配置参数安装全功率变频抽蓄与风电联合供电优化配置系统，在系统运行过程中，采用以下策略，进行全功率变频抽蓄与风电联合供电优化：
[0088]
步骤2.1，对风电场进行调控，方法为：
[0089]
步骤2.1.1，采集当前计算时步的风电场的总输出功率p
wp
和负荷系统的系统用电
负荷d
ls
；
[0090]
步骤2.1.2，采用下式，计算得到风电直接接入电网系统的最大允许功率p
max
：
[0091]
p
max
＝α*d
ls
[0092]
其中：
[0093]
α为风电接入比重，为系统设定值；α≤1，对于大电网一般α＝0.1，对于区域孤网，配置抽蓄电站后，α可另论证确定为较大值。
[0094]
步骤2.1.3，比较风电直接接入电网系统的最大允许功率p
max
和风电场的总输出功率p
wp
，如果p
wp
≤p
max
，则关闭第二控制开关k2，完全打开第一控制开关k1，使风电场的总输出功率p
wp
完全输送给电网系统；
[0095]
如果p
wp
＞p
max
，则打开第一控制开关k1和第二控制开关k2，将风电场的总输出功率p
wp
中的最大允许功率p
max
部分功率输送给电网系统，将剩下的输出功率输送给抽水蓄能电站抽水水泵，作为抽水蓄能电站抽水水泵的电能来源之一；
[0096]
步骤2.2，对全功率变频抽水蓄能电站进行调控，方法为：
[0097]
步骤2.2.1，根据下式，得到当前计算时步的上水库蓄水容积ve：
[0098][0099]
其中：
[0100]ve0
为前一计算时步的上水库蓄水容积v
e0
；
[0101]dps
为当前计算时步的全功率变频抽蓄机组在水泵工况下的输入功率；
[0102]
p
hp
为当前计算时步的全功率变频抽蓄机组在发电工况下的输出功率；
[0103]
δt为迭代计算的计算时步；
[0104]
η
p
为当前计算时步的抽水蓄能电站抽水水泵的抽水综合效率；
[0105]
η
t
为当前计算时步的抽水蓄能电站发电机组的发电综合效率；
[0106]
γw为水重度；
[0107]zu
为当前计算时步的上水库水位；
[0108]
zd为当前计算时步的下水库水位；
[0109]
对于全功率变频抽蓄机组，η
p
和η
t
需要根据当前计算时步的水头、转速进行综合计算。
[0110]
步骤2.2.2，设步骤1得到的上水库调节库容为[v
min
,v
max
]，其中，v
min
为上水库蓄水容积允许的最小值，v
max
为上水库蓄水容积允许的最大值；
[0111]
比较当前计算时步的上水库蓄水容积ve和上水库调节库容[v
min
,v
max
]的关系：
[0112]
如果ve＞v
max
，则对抽水蓄能电站抽水水泵进行控制，使其停止抽水；
[0113]
如果ve＜v
min
，则对抽水蓄能电站发电机组进行控制，使其停止发电；
[0114]
如果ve∈[v
min
,v
max
]，则使抽水蓄能电站抽水水泵进行正常抽水工况，使抽水蓄能电站发电机组进行正常发电工况；
[0115]
步骤2.3，对备用柴油发电厂进行调控，方法为：
[0116]
步骤2.3.1，采用下式，得到当前计算时步的备用柴油发电厂的输出功率p
dp
：
[0117]
p
dp
＝d
ls
+d
ps-p
wp-p
hp
[0118]
其中：
[0119]dls
为当前计算时步的系统用电负荷；
[0120]dps
为当前计算时步的全功率变频抽蓄机组在水泵工况下的输入功率；
[0121]
p
wp
为当前计算时步的风电场的总输出功率；
[0122]
p
hp
为当前计算时步的全功率变频抽蓄机组在发电工况下的输出功率；
[0123]
p
dp
为当前计算时步的备用柴油发电厂的输出功率；
[0124]
步骤2.3.2，如果计算得到的备用柴油发电厂的输出功率p
dp
大于0，则使备用柴油发电厂按p
dp
向电网系统输送电能；如果计算得到的备用柴油发电厂的输出功率p
dp
等于0，则关闭备用柴油发电厂，使其不向电网系统输送电能；
[0125]
由此实现在当前计算时步，根据负荷系统的系统用电负荷，对风电场、全功率变频抽水蓄能电站和备用柴油发电厂的供电情况进行优化控制，满足系统用电负荷。
[0126]
本发明提供的一种全功率变频抽蓄与风电联合供电优化配置系统及方法，具有以下特点：
[0127]
全功率变频抽蓄与风电联合供电优化配置系统的电源点包括风电场、全功率变频抽水蓄能电站和备用柴油发电厂。三种电源点具有优先级顺序为：风电场优先级大于全功率变频抽水蓄能电站，全功率变频抽水蓄能电站优先级大于备用柴油发电厂。
[0128]
(1)首先采用风电场供电
[0129]
该系统为保证供电质量和稳定性，风电场的输出功率仅允许直接接入承担系统负荷的部分比重，其余负荷输送给抽水蓄能电站抽水水泵作为能源，利用抽水蓄能电站抽水水泵抽水转换为水能存蓄在上水库，由此实现了风电场发电的充分有效利用。
[0130]
其次，当风电场发电就能够满足系统负荷时，仅依靠风电场发电即可，不启动备用柴油发电厂，也不启动全功率变频抽蓄机组，此时，全功率变频抽蓄机组不进行发电，全功率变频抽蓄机组用作旋转备用或无功补偿。
[0131]
(2)其次为全功率变频抽蓄机组发电
[0132]
当风电场发电不能够满足系统负荷时，优先启动全功率变频抽蓄机组，如果全功率变频抽蓄机组和风电场能够联合满足系统负荷，则仅通过全功率变频抽蓄机组和风电场供电，不启动备用柴油发电厂；而如果全功率变频抽蓄机组和风电场仍然无法满足系统负荷要求时，再启动备用柴油发电厂。
[0133]
(3)最后启动备用柴油发电厂
[0134]
当全功率变频抽蓄机组和风电场仍然无法满足系统负荷要求时，再启动备用柴油发电厂，备用柴油发电厂作为备用电源启动运行。
[0135]
因此，运行模式采用以风电可再生能源作为主力电源，全功率变频抽水蓄能机组在发电和抽水工况下都可承担调频、调压、调峰和事故备用的作用，不发电或抽水时可作为旋转备用或无功补偿；备用柴油发电厂仅在抽蓄机组满发但仍有电量缺口时启动运行。
[0136]
本发明中，对于全功率变频抽蓄机组，不仅能自动跟踪频率变化调整水泵水轮机输入功率，从而为电力系统提供相应的频率自动控制容量；还能通过降低转速运行，可大大减小水泵输入功率。此外，全功率变频机组在水轮机轴功率保持不变的情况下，通过全功率变频器就可实现有功出力与无功出力的解耦控制和单独调节，因而对电压失稳、低频振荡等不稳定现象具有抑制作用，提高系统的稳定控制能力。
[0137]
本发明提供的一种全功率变频抽蓄与风电联合供电优化配置系统及方法，具有以
下优点：
[0138]
通过对风电场、全功率变频抽水蓄能电站和备用柴油发电厂进行优化发电调控，以及对风电场、全功率变频抽水蓄能电站和备用柴油发电厂的最佳配置参数进行设置，能够有效提高风能利用率，同时有效保证电网供电质量，使风能资源得到最大化的开发利用。
[0139]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。