[發明專利]基于飛輪儲能可變速抽水蓄能機組的動能回收系統及方法

有效

• 申請號: 202110239234.1
• 申請日: 2021-03-04
• 公開（公告）號: CN113098039B
• 公開（公告）日: 2022-04-15
• 發明（設計）人: 姜新建;呂靜亮;梁靖卿;龔國仙;孫旭東
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: H02J3/30
• 分類號: H02J3/30;H02J3/14;H02J3/38;H02J3/24;H02P9/00;H02H7/26
• 代理公司: 北京清亦華知識產權代理事務所(普通合伙) 11201
• 代理人: 廖元秋

本發明提出了一種基于飛輪儲能可變速抽水蓄能機組的動能回收系統及控制方法。所述系統包括：LCL濾波器、網側變流器、直流母線電容、可變速抽水蓄能機側變流器、可變速抽水蓄能機組、飛輪儲能機側變流器和飛輪儲能系統。所述控制方法為：檢測電網工作于正常狀態下或甩負荷狀態下；基于飛輪儲能可變速抽水蓄能機組的動能回收系統在電網甩負荷、可變速抽水蓄能機組工作于發電狀態下時投入使用，實現對剩余能量的回收；當電網重新啟動時，飛輪儲能系統中的剩余能量回饋電網或用于雙饋感應電機的軟起動。本發明可以實現電網甩負荷工況下最大限度地向可變速抽水蓄能機組提供能量支撐，并將直流母線電壓穩定在一定范圍內，維持系統穩定。

技術領域

本發明涉及儲能技術領域以及電機控制領域，特別涉及一種基于飛輪儲能可變速抽水蓄能機組的動能回收系統及方法。

背景技術

在新能源電網中，儲能系統在電網的頻率波動平抑和電壓穩定控制中起到了重要作用，雙饋式可變速抽水蓄能采用雙饋電機作為主要機組，根據電網的需要運行在抽水和發電狀態下，并通過調節機組的轉速和功率，達到新能源電網的頻率電壓調節需求。

在電網實際運行中，會遇到甩負荷現象：主動甩負荷是指終端用戶用電負荷減小導致發電廠發電量超過輸送用戶的量，為將發電廠的發電量減小到與實際負荷相適應的值，發電廠供網出口斷路器跳閘；被動甩負荷是在電網出現故障運行工況或發電機主開關跳閘等情況下導致的發電端并網斷路器跳閘。

雙饋式可變速抽水蓄能機組工作在發電狀態下時，在電網甩負荷時，巨大的剩余能量將導致機組導葉轉速泵升，經過較長一段時間的調整制動，恢復到空載工況下運行。轉速泵升將給機組造成機械損耗，并影響機組的使用壽命和工作效果，國內外學者已有研究通過在可變速抽水蓄能機組直流母線外加能量回收裝置來防止發電工況下甩負荷時可變速抽水蓄能裝置轉子導葉的轉速泵升，并實現快速制動，從而減少因此引起的機械損耗。

目前尚沒有將飛輪儲能裝置應用于可變速抽水蓄能甩負荷狀態下運行工況的先例，關于該模型的控制策略目前也尚未研究過。飛輪儲能裝置具有高功率密度、短時響應速度快的特征，使用飛輪儲能裝置作為可變速抽水蓄能的動能回收裝置，可以實現對能量存儲的快速響應，并實現大量剩余能量的回收。

發明內容

本發明的目的在于一定程度上解決現有技術的不足之處，提供了一種基于飛輪儲能可變速抽水蓄能機組的動能回收系統及方法，本發明將大功率飛輪儲能裝置與雙饋式可變速抽水蓄能系統進行耦合控制，實現電網甩負荷時，可變速抽水蓄能裝置發電工況下的能量回收，防止水泵水輪機轉子轉速泵升，快速制動，并進行能量回收。

上述目的通過以下具體技術方案實現：

本發明第一方面提出的一種基于飛輪儲能可變速抽水蓄能機組的動能回收系統，其特征在于，包括：LCL濾波器、網側變流器、直流母線電容、可變速抽水蓄能機側變流器、可變速抽水蓄能機組、飛輪儲能機側變流器和飛輪儲能系統；所述可變速抽水蓄能機組包括相連接的雙饋感應電機和水泵水輪機，所述飛輪儲能系統包括相連接的永磁同步電機和飛輪；所述雙饋感應電機的定子依次通過定子短接斷路器和并網接觸器連接至電網側變壓器；所述雙饋感應電機的轉子依次通過可變速抽水蓄能機側變流器、直流母線電容、網側變流器、LCL濾波器以及電網接觸器連接至電網側變壓器；所述永磁同步電機的轉子通過飛輪儲能機側變流器連接至直流母線電容和可變速抽水蓄能機側變流器之間。

本發明第二方面提出的一種根據第一方面所述動能回收系統的控制方法，其特征在于，包括以下步驟：

S1、啟動所述動能回收系統，電網向可變速抽水蓄能機組供電，使可變速抽水蓄能機組正常運行在抽水或發電工況下；通過可變速抽水蓄能機側變流器使雙饋感應電機的轉子轉速增加至同步轉速；對可變速抽水蓄能機側變流器采用定子電壓定向的矢量控制，控制定子開路電壓跟隨電網電壓，實現可變速抽水蓄能機組的軟起動和軟并網；為直流母線電容預充電，使該直流母線電容的電壓達到并網額定電壓；控制飛輪儲能系統的飛輪從靜止開始加速至其額定轉速后，飛輪儲能系統處于待機狀態；