海岛微电网环境下可变速抽水蓄能机组与可再生能源动态耦合特性与控制方法研究

Seawater-based pumped-hydro storage is crucial for renewable penetration near seashore, such as wind energy, solar energy, wave energy, etc. It is critical for China to start investigating the seawater-based pumped hydro storage systems, especially for the increasing need of island microgrid. This project proposes to first investigate the hydro-mechanical-electrical model of variable-speed pumped hydro storage systems. The project then looks into explaining the coupling characteristics between variable-speed pumped hydro storage systems and renewable energy. Last but not the least, the project proposes novel control techniques for variable-speed pumped hydro storage systems in island microgrid environment for both stability control and fault condition operation, such as low-voltage operation. ..The novelty of this project lies in two parts: 1. explaining the coupling characteristics between variable-speed pumped hydro storage systems and renewable energy; 2. Propose novel control techniques for variable-speed pumped hydro storage systems under both normal operation and fault condition operation.

随着我国海洋战略的展开，海水抽蓄技术主要是解决海上可再生能源的吸纳与联合运行问题。我国现阶段亟需开展海水抽水蓄能电站前瞻性技术研究工作，特别是对于沿海的海岛微电网系统建设，具有关键意义。本项目的目标是基于可变速抽蓄机组的水-机-电模型，首先研究可变速抽蓄机组与可再生能源系统的耦合问题，如风电机组、光电系统、海浪发电系统等，特别是在微电网环境下面对电压、频率波动下的动态耦合问题，揭示其内在机理； 再基于可变速抽蓄机组与可再生能源的动态耦合研究，提出可变速抽蓄机组的稳定控制及故障运行方法，为我国的海洋战略中可变速抽蓄机组的控制技术提供技术储备。本项目的创新性主要体现在：揭示可变速抽蓄机组与可再生能源之间的动态耦合机理；提出可变速机组的稳定控制及故障运行方法，特别是基于可变速机组的机械动态特性，利用飞轮效应将可变速抽蓄机组的控制响应速度由分钟级提高到毫秒级，为大功率新能源的并网提供辅助。

随着海上风电场的蓬勃发展,抽水蓄能系统以其能量密度大、寿命长、功率响应速度快等优势被视为解决孤岛型风电微电网运行问题的理想解决方案。其中,变速型的双馈抽水蓄能系统的应用受到欧洲及日本等可再生能源发展大国的日益重视。双馈抽水蓄能系统可利用其转子动能瞬间调节有功功率输出,即“飞轮效应”。同时提供无功功率的支撑,有利于微电网的正常运行与故障过渡。本文分为微电网正常稳定运行与微电网故障状态过渡两方面对双馈抽水蓄能系统的转子变频器控制策略展开探究。.在微电网正常稳定运行控制策略方面,抽水蓄能系统首先需要在自身能够稳定运行、转子转速运行在合理范围内的情况下,辅助微电网维持频率稳定和电压稳定。在频率稳定方面,本文采用了水泵水轮机调速、电机调频的运行模式,提出了利用飞轮效应的有功功率控制方法,帮助微电网应对快速风速变化和负荷变动。在电压稳定方面,为了快速应对微电网中无功功率平衡波动导致电压波动问题,本文提出了优于传统双环控制的快速无功功率控制方法。.在微电网过渡控制策略方面,双馈抽水蓄能系统面临频率支撑与电压支撑双重挑战。本文认为现有的应用于变速恒频风力发电机的双馈电机控制策略不适宜风电微电网中的双馈抽水蓄能系统。本文指出,在故障期间微电网的运行状态受到双馈抽水蓄能系统的功率输出影响,而双馈抽水蓄能系统的功率支撑能力主要由变频器电流决定。本文提出了频率与电压的相对重要程度以更好地考虑在不同的微电网中控制策略的有效性。为了比较传统的控制策略与本文提出的控制策略的有效性与优越性,本文也提出了微电网暂态过渡过程的评价指标。本文分析了故障期间双馈电机的电磁暂态变化,提出了考虑双馈电机矢量控制中电压跌落的定子磁链相对位置偏移现象以及频率与电压相对重要程度的暂态控制策略。本文建立了10MW的双馈抽水蓄能机组仿真模型与风电微电网 MATLAB/Simulink模型,并在RT-lab系统通过仿真实验验证其有效性与优越性,改善了微电网暂态过渡过程。