CN105914768A - 一种分布式飞轮储能阵列和飞轮储能电厂 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种分布式飞轮储能阵列，其包括直流母线、飞轮储能模块、功率变换模块、控制模块和母线侧变流变压模块，飞轮储能模块包括N个飞轮储能单元，功率变换模块包括串联在直流母线上的接触器、直流滤波电路以及N个多相三电平双向变流器；控制模块包括N个模块控制器和用于对各模块控制器进行集中控制以及对上述接触器线圈通断电进行控制的集控中心；母线侧变流变压模块包括与直流母线连接的DC/AC变流器和阵列变压器。本发明的储能阵列能够提高高能量转换效率和可靠性，增加系统容量，本发明的飞轮储能电厂由多个飞轮储能阵列通过高压交流母线相并联形成，解决了飞轮储能系统大规模、超大储能量、大功率应用的需要。

Description

一种分布式飞轮储能阵列和飞轮储能电厂

技术领域

本发明涉及飞轮储能领域，具体的说是一种分布式飞轮储能阵列。

背景技术

飞轮储能是利用飞轮实现电能存储以及机械能与电能之间转化的系统。该系统由电动机将电能转换成机械能并存储在高速旋转的飞轮中，当需要用电时再由飞轮带动发电机发电，通过飞轮的升速和降速实现能量的存储和释放。

飞轮储能系统具有稳定高效、响应速度快、储能密度高、使用寿命长和不受充放电次数限制等特点，在国防、电力、航空航天等领域均有着广泛的应用。飞轮储能技术多应用于风电场、光伏电站及分布式发电和微电网领域，起到稳定电网频率、削峰填谷、平衡负荷的作用。

单个飞轮储能单元的储能容量低，用于电网调峰、调频和分布式电源系统的飞轮储能电站往往需要几十甚至数百兆瓦的容量，这需要将多个飞轮储能单元并联运行组成飞轮储能阵列，以获得更大的存储容量。目前飞轮储能朝着超大储能量、大功率的方向发展，但是，随着储能容量和功率等级的提升，迫切需要大功率变流器来驱动飞轮电机运转，同时对系统的安全性和稳定性也提出了更高的要求。

如何进一步提高飞轮储能系统的储能容量，同时保证飞轮功率驱动装置的安全性和可靠性成为飞轮储能领域的一大挑战。开发一套大功率飞轮储能阵列组成的飞轮储能电厂对于开拓飞轮储能在电网调峰调频以及分布式能源并网等领域具有重要的理论和实践意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种分布式飞轮储能阵列和飞轮储能电厂，该飞轮储能阵列能提高能量转换效率和可靠性，增加系统容量，飞轮储能电厂由飞轮储能阵列组成，可解决飞轮储能系统大规模、超大储能量、大功率应用的需要。

为解决上述技术问题，本发明包括分布式飞轮储能阵列，其特征是包括直流母线、飞轮储能模块、功率变换模块、控制模块和母线侧变流变压模块，其中：

飞轮储能模块包括N个飞轮储能单元，N为正整数；

功率变换模块包括串联在直流母线上的接触器、直流滤波电路以及与飞轮储能单元一一对应的N个多相三电平双向变流器，各飞轮储能单元与多相三电平双向变流器连接后并联在直流母线的正负极上；

控制模块包括与飞轮储能单元一一对应连接的N个模块控制器和用于对各模块控制器进行集中控制以及对上述接触器线圈通断电进行控制的集控中心；

母线侧变流变压模块包括与直流母线连接的DC/AC变流器和阵列变压器。

所述飞轮储能单元包括真空舱、转动安装在真空舱内的主轴、安装在主轴上的飞轮以及与主轴同轴安装的电动/发电一体机。

所述主轴的两端分别通过磁轴承与真空舱连接。

所述主轴的两端与真空舱之间还连接有保护轴承。

所述真空舱上连接真空泵且真空舱外部配置制冷系统。

所述真空舱设置在一密闭的罐体内，罐体的底部埋设在地下，罐体内设置干燥剂罐，罐体与制冷系统连接。在真空舱外部额外设置罐体可对内部飞轮储能结构起到很好的保护作用，将罐体埋设在地下并对罐体进行干燥和制冷，可有效降低飞轮储能机构的能量损耗，提高能量转化效率。

所述罐体地下部分的外部包覆有保护层。设置保护层可以起到保温、保湿以及减震的作用。

所述直流滤波电路包括多个电解电容组，每个电解电容组均由多个电解电容先串联形成电解电容支路、再由多个电解电容支路并联于直流母线正负极之间组成，电解电容的两端并联均压电阻。利用电解电容可有效抑制直流母线上的电压波动，均压电阻利用分压原理，保证各个电解电容两端的电压均等。

所述多相三电平双向变流器由多相三电平桥臂构成，每三相驱动一个飞轮储能单元，桥臂上端与直流母线连接，下端与飞轮储能模块连接；单个桥臂包括四个IGBT开关管、两个滤波电容和两个钳位二极管；四个IGBT开关管依次串联在直流母线的正负极之间且第二个和第三个开关管的连线上引出交流输出端子；两个滤波电容串联后再并联在直流母线的正负极上，两个电容之间的连线与中性点连接；其中一个钳位二极管的负极端连接在第一个和第二个开关管的连线上、正极端与中性点连接，另一个钳位二极管的负极端与中性点连接、正极端连接在第三个和第四个开关管的连线上。

本发明的飞轮储能电厂包括M个权利要求1所述的分布式飞轮储能阵列，M为正整数，各储能阵列的阵列变压器连接到高压交流母线上，高压交流母线通过厂用变压器与电网连接。

本发明的有益效果是：

1）本发明采用以三电平变流器为核心的功率模块设计，为高电压、大功率飞轮储能模块提供了一个有效的途径；三电平逆变器拓扑结构避免了功率开关器件直接串联引起的动态均压问题，同时降低了电压变化率，减少了共模干扰，提高了飞轮储能系统的能量转换效率和可靠性；

2）本发明采用模块化和集成化设计，将飞轮本体及轴承单元设计为飞轮储能模块，功率驱动组件集成化为一体的多相三电平双向变流器，每三相驱动一个飞轮储能模块，提高了飞轮储能阵列的模块化和集成化水平，结构更加紧凑，提高了空间利用率，降低了飞轮电机和功率模块之间的电磁干扰；

3）本发明采用分布式集中控制，由集控单元和各级飞轮储能模块控制器组成，运行更加高效；集控单元负责储能阵列的动态功率平衡，协调各储能单元间的功率分配；飞轮储能模块控制器根据得到的指令，通过双向变流器实现储能单元的充放电控制，以实现能量的存储和释放；

4）本发明的飞轮储能电厂由多个飞轮储能阵列通过高压交流母线相并联形成，解决了飞轮储能系统大规模、超大储能量、大功率应用的需要。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

图1为本发明储能阵列的主体结构框架结构示意框图；

图2为本发明储能阵列的具体电路原理示意框图；

图3为本发明储能阵列中飞轮储能单元的结构原理示意图；

图4为本发明储能阵列的控制原理示意框图；

图5为本发明储能阵列中飞轮储能单元的具体敷设结构示意图；

图6为本发明储能阵列中直流滤波电路的电路结构示意图；

图7为本发明储能阵列中二极管钳位型三电平变流器的电路结构示意图；

图8为本发明储能阵列的现场定置示意图；

图9为本发明储能电厂与电网的连接关系示意图；

图10为本发明应用于大型储能电厂的布局图。

具体实施方式

参照附图，本发明的分布式飞轮储能阵列包括直流母线1、飞轮储能模块2、功率变换模块3、控制模块和母线侧变流变压模块4。其中：飞轮储能模块2包括N个飞轮储能单元21，N为正整数；功率变换模块3包括串联在直流母线1上的接触器31、直流滤波电路32以及与飞轮储能单元21一一对应的N个多相三电平双向变流器33，各飞轮储能单元21与多相三电平双向变流器33连接后并联在直流母线1的正负极上；控制模块包括与飞轮储能单元21一一对应连接的N个模块控制器5和用于对各模块控制器5进行集中控制以及对上述接触器31线圈通断电进行控制的集控中心6；母线侧变流变压模块4包括与直流母线1连接的DC/AC变流器41和阵列变压器42。

上述结构中，利用飞轮储能模块实现机械能电能之间的转换，利用三电平变流器为核心的功率变换模块设计，为高电压、大功率飞轮储能模块的控制提供可靠依据；每一个飞轮储能单元21对应一个飞轮储能模块控制器5，集控中心6负责对所有飞轮储能模块控制器5进行集中控制。集控中心6负责储能阵列的动态功率平衡，协调各储能单元间的功率分配。各模块控制器根据得到的指令，通过双向变流器实现储能单元的充放电控制，以实现能量的存储和释放。在直流母线1侧，直流母线1下端与多相三电平双向变流器331相连，直流母线1将飞轮储存和释放的能量进行汇集和分配，经过DC/AC变流器41实现交流到直流或直流到交流的能量变换，最后经过阵列变压器42实现升降压变换后与高压直流母线12相连。

参照附图，飞轮储能单元21包括真空舱211、转动安装在真空舱211内的主轴212、安装在主轴212上的飞轮213以及与主轴212同轴安装的电动/发电一体机214。主轴212的两端分别通过磁轴承215与真空舱211连接，磁轴承215上设置磁轴承控制器218，通过磁轴承控制器218控制实现主轴径向四个自由度的悬浮。主轴212的两端与真空舱211之间还连接有保护轴承216。保护轴承216能够在飞轮系统悬浮故障或者低速时用来支承飞轮转子，以防止转子磨损发热而失去支承功能，导致电机损坏。

图3中还示出了信号采集模块217，信号采集模块217用于采集真空舱真空度p，飞轮组件温度t，飞轮电机三相电流i _a 、 i _b 、 i _c ，飞轮电机转速和位置信号n 、θ，直流母线电压u _dc 和电流i _dc 。图4中示出了本发明储能阵列的控制原理，下面进行详细阐述。其中，图4中的电涡流位移传感器安装于主轴213两端，测量主轴上径向位移量X1、Y1和主轴下X2、Y2径向位移量，通过磁轴承控制器218控制实现主轴径向四个自由度的悬浮。

控制器功能：本发明采用分布式集中控制，集控单元6负责储能阵列的动态功率平衡，通过对飞轮储能模块控制器5的集中控制，协调各储能单元间的功率分配。飞轮储能模块控制器5根据得到的集控单元6发送的指令，由高性能数字信号处理器（DSP）通过双向变流器实现飞轮储能系统的快速、稳定的充放电控制，以实现能量的存储和释放。飞轮储能模块控制器5同时接收两个磁轴承控制器的信号，对磁轴承215的运行状态进行监控。

控制原理：飞轮储能阵列的能量存储和释放是通过飞轮储能模块控制器对电动/发电一体机214和双向变流器33的充电和放电控制实现的。通过对电动/发电一体机214的充电和放电控制，实现了直流母线侧电能和飞轮转子侧机械能之间的转换；充电过程中，直流母线储存的能量被转换到电机侧带动飞轮高速旋转并将能量以机械能的形式储存起来；放电过程中，飞轮将存储的机械能通过电机馈送回直流母线。飞轮储能模块充电过程完成后，飞轮达到额定转速，此时飞轮储能模块进入高速怠速运行状态，飞轮运行的主要损耗来自自身的怠速损耗，所需的电源功率降低，飞轮储能系模块将维持在高速运行状态。

信号处理处理：信号采集单元采集真空舱真空度p，飞轮组件温度t，飞轮电机三相电流i _a 、 i _b 、 i _c ，飞轮电机转速和位置信号n 、θ，直流母线电压u _dc 和电流i _dc 等信号量，被输送到飞轮储能模块控制器5。飞轮储能模块控制器5经过AD采样调理电路、坐标变换后，运行能量管理控制算法、充电控制算法、放电控制策略算法，在经过坐标逆变换、PWM脉宽信号调制、隔离和驱动电路，获得功率变换模块中IGBT功率开关器件的开关驱动PWM（脉冲宽度调制）信号，功率开关器件驱动电动/发电一体机214的电动和发电运行，实现飞轮储能模块能量储存和回馈。

故障处理：当飞轮储能模块控制器5检测到采集的真空舱真空度p，飞轮组件温度t超过运行最高限值，或者上磁轴承控制器、下磁轴承控制器反馈磁轴承出现故障时，飞轮储能模块控制器5将立即停止飞轮储能模块2的运行。

集控单元6将该故障飞轮储能模块（包括飞轮储能单元21和双向变流器33）从系统中切除，排除故障后方能并列运行。

对于飞轮储能单元21的具体结构，参照图5，真空舱211上连接真空泵7且真空舱211外部配置制冷系统8。其中，具体的如图4所示，真空舱211设置在一密闭的罐体9内，罐体9的底部埋设在地下，罐体9内设置干燥剂罐10，罐体9与制冷系统8连接。罐体9地下部分的外部包覆有保护层11。在真空舱外部额外设置罐体9可对内部飞轮储能结构起到很好的保护作用，将罐体9埋设在地下并对罐体9进行干燥和制冷，可有效降低飞轮储能机构的能量损耗，提高能量转化效率。设置保护层11可以起到保温、保湿、减震的作用。

参照附图，接触器31用于控制飞轮储能模块与直流母线之间的通断控制，该接触器由集控中心控制。图6示出了具体的滤波电路结构，直流滤波电路32包括多个电解电容组，每个电解电容组均由多个电解电容321先串联形成电解电容支路、再由多个电解电容支路并联于直流母线1正负极之间组成，电解电容321的两端并联均压电阻322。利用电解电容321可有效抑制直流母线1上的电压波动，均压电阻322利用分压原理，保证各个电解电容321两端的电压均等。

参照图7，多相三电平双向变流器33由多相三电平桥臂构成，每三相驱动一个飞轮储能单元21，桥臂上端与直流母线1连接，下端与飞轮储能模块2连接；单个桥臂包括四个IGBT开关管S1、S2、S3、S4、两个滤波电容C1、C2和两个钳位二极管D1、D2；四个IGBT开关管S1、S2、S3、S4依次串联在直流母线1的正负极之间且第二个和第三个开关管的连线上引出交流输出端子B；两个滤波电容C1、C2串联后再并联在直流母线1的正负极上，两个滤波电容C1、C2之间的连线与中性点A连接；其中一个钳位二极管D1的负极端连接在第一个和第二个开关管的连线上、正极端与中性点A连接，另一个钳位二极管D2的负极端与中性点A连接、正极端连接在第三个和第四个开关管的连线上。

本发明的模块化设计便于飞轮储能阵列的现场装配，图8为本发明飞轮储能阵列的现场定置图。其中，专门设置控制室14，功率变换模块3（包括接触器31、直流滤波电路32以及多相三电平双向变流器33）和模块控制器5、集控中心6集中安装在控制室14内，飞轮储能单元21均匀分布于控制室14外，通过电缆与控制室连接，母线侧变流变压模块4布置在控制室外，与接触器31连接。

如图9所示，本发明的飞轮储能电厂包括M个上述分布式飞轮储能阵列，M为正整数，各储能阵列的各个阵列变压器42均连接到高压交流母线12上，高压交流母线12通过厂用变压器13与电网连接。飞轮储能电厂为由若干个飞轮储能阵列通过高压交流母线相并联的拓扑结构，解决了飞轮储能系统大规模、超大储能量、大功率应用的需要。其中，图8中示出了超大型储能电厂的布局图，其有J行K列储能阵列，每个储能阵列包括N个飞轮储能单元，N、J、K均为正整数。

综上所述，本发明不限于上述具体实施方式。本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的前提下，可做若干的更改和修饰。本发明的保护范围应以本发明的权利要求为准。

Claims (10)

1.一种分布式飞轮储能阵列，其特征是包括直流母线（1）、飞轮储能模块（2）、功率变换模块（3）、控制模块和母线侧变流变压模块（4），其中：

飞轮储能模块（2）包括N个飞轮储能单元（21），N为正整数；

功率变换模块（3）包括串联在直流母线（1）上的接触器（31）、直流滤波电路（32）以及与飞轮储能单元（21）一一对应的N个多相三电平双向变流器（33），各飞轮储能单元（21）与多相三电平双向变流器（33）连接后并联在直流母线（1）的正负极上；

控制模块包括与飞轮储能单元（21）一一对应连接的N个模块控制器（5）和用于对各模块控制器（5）进行集中控制以及对上述接触器（31）线圈通断电进行控制的集控中心（6）；

母线侧变流变压模块（4）包括与直流母线（1）连接的DC/A C变流器（41）和阵列变压器（42）。

2.如权利要求1所述的分布式飞轮储能阵列，其特征是所述飞轮储能单元（21）包括真空舱（211）、转动安装在真空舱（211）内的主轴（212）、安装在主轴（212）上的飞轮（213）以及与主轴（212）同轴安装的电动/发电一体机（214）。

3.如权利要求2所述的分布式飞轮储能阵列，其特征是所述主轴（212）的两端分别通过磁轴承（215）与真空舱（211）连接。

4.如权利要求3所述的分布式飞轮储能阵列，其特征是所述主轴（212）的两端与真空舱（211）之间还连接有保护轴承（216）。

5.如权利要求2所述的分布式飞轮储能阵列，其特征是所述真空舱（211）上连接真空泵（7）且真空舱（211）外部配置制冷系统（8）。

6.如权利要求2所述的分布式飞轮储能阵列，其特征是所述真空舱（211）设置在一密闭的罐体（9）内，罐体（9）的底部埋设在地下，罐体（9）内设置干燥剂罐（10），罐体（9）与制冷系统（8）连接。

7.如权利要求6所述的分布式飞轮储能阵列，其特征是所述罐体（9）地下部分的外部包覆有保护层（11）。

8.如权利要求1所述的分布式飞轮储能阵列，其特征是所述直流滤波电路（32）包括多个电解电容组，每个电解电容组均由多个电解电容（321）先串联形成电解电容支路、再由多个电解电容支路并联于直流母线（1）正负极之间组成，电解电容（321）的两端并联均压电阻（322）。

9.如权利要求1所述的分布式飞轮储能阵列，其特征是所述多相三电平双向变流器（33）由多相三电平桥臂构成，每三相驱动一个飞轮储能单元（21），桥臂上端与直流母线（1）连接，下端与飞轮储能模块（2）连接；单个桥臂包括四个IGBT开关管（S1、S2、S3、S4）、两个滤波电容（C1、C2）和两个钳位二极管（D1、D2）；四个IGBT开关管（S1、S2、S3、S4）依次串联在直流母线（1）的正负极之间且第二个和第三个开关管的连线上引出交流输出端子（B）；两个滤波电容（C1、C2）串联后再并联在直流母线（1）的正负极上，两个滤波电容（C1、C2）之间的连线与中性点（A）连接；其中一个钳位二极管（D1）的负极端连接在第一个和第二个开关管的连线上、正极端与中性点（A）连接，另一个钳位二极管（D2）的负极端与中性点（A）连接、正极端连接在第三个和第四个开关管的连线上。

10.如权利要求1所述的飞轮储能电厂，其特征是包括M个权利要求1所述的分布式飞轮储能阵列，M为正整数，各储能阵列的各个阵列变压器（42）均连接到高压交流母线（12）上，高压交流母线（12）通过厂用变压器（13）与电网连接。