CN110112724A - 飞轮储能设备和发电机组联合供电系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及联合供电技术领域，具体涉及一种飞轮储能设备和发电机组联合供电系统及控制方法。该系统包括发电机组、整流器、具有冲击性的负载以及飞轮储能设备。飞轮储能设备内的总控制器根据获取和处理数据信息，自动生成充放电控制指令并下发给每一个飞轮控制器控制飞轮储能单元的充放电状态，以维持整个系统稳定运行，由于飞轮储能设备具有充放电响应速度快、使用寿命长和安全性好等优点，本发明的系统及控制方法通过飞轮储能设备来平抑冲击性负载的波动，提高发电机组工作的稳定性和可靠性，延长发电机组的使用寿命，降低发电机组的容量和能耗，从而降低供电系统的成本。

Description

飞轮储能设备和发电机组联合供电系统及控制方法

技术领域

本发明涉及联合供电技术领域，具体涉及一种飞轮储能设备和发电机组联合供电系统及控制方法。

背景技术

发电机组作为一种能够提供稳定电力供应的成套发电设备，具有部署灵活、运输方便，便于操作和维护等特点，具有非常广泛的用途，特别是用于没有连接到电网的地方，或者在电网故障时用作应急电源。在需要采用发电机组供电的用电负荷中，有一类用电负荷为冲击性负荷，其功率波动范围很大且很频繁，突然加载负荷或者突然甩负荷，这种冲击性负荷对发电机组的运行稳定性影响很大，会导致发电机组的电压和频率大范围波动，严重时甚至会导致发电机组的保护停机。

要保证在带有冲击性负荷下发电机组仍能稳定运行，一般的方法是通过增大发电机组的容量来满足冲击性负荷的运行要求，发电机组的容量通常为冲击性负荷最大功率的三倍以上。但是采用这种方法也存在很多弊端，一是增大了发电机组设备的投资；二是发电机组长期在低于额定负荷的工况下运行，油耗高，经济性差；三是发电机组功率频繁波动，机组轴系扭矩冲击剧烈，影响轴系疲劳寿命。

鉴于此，克服以上现有技术中的缺陷，提供一种新的飞轮储能设备和发电机组联合供电系统及控制方法成为本领域亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的上述缺陷，提供一种飞轮储能设备和发电机组联合供电系统及控制方法。

本发明的目的可通过以下的技术措施来实现：

本发明的一个方面提供了一种飞轮储能设备和发电机组联合供电系统，该系统包括：

至少一个负载，具有冲击性；

至少一个发电机组，用于输出交流电；

至少一个整流器，具有直流侧和交流侧，所述交流侧通过三相交流线与所述发电机组连接，所述直流侧通过直流母线与所述负载连接，所述整流器用于将所述交流侧输入的交流电进行变换后从直流侧输出直流电；

飞轮储能设备，连接在所述直流母线上，所述飞轮储能设备包括：分别与直流母线连接的总控制器和至少一个飞轮储能单元，每一个飞轮储能单元具有与所述总控制器通信连接的飞轮控制器，所述飞轮控制器用于获取并发送所述飞轮储能单元的运行数据给所述总控制器，所述总控制器用于获取并处理所述直流母线的电压、总负载电流和所述运行数据，根据处理结果自动生成控制指令，所述飞轮控制器接收所述控制指令对所述飞轮储能单元的充放电状态进行控制；

所述飞轮储能设备处于放电状态时，所述飞轮储能设备与所述发电机组共同为所述负载供电，所述飞轮储能设备处于充电状态时，由所述发电机组为所述负载和所述飞轮储能设备供电。

优选地，所述控制指令包括：充电指令、放电指令和停止充放电指令。

优选地，所述飞轮储能单元设有多个，多个飞轮储能单元分别与所述直流母线连接。

优选地，所述飞轮储能单元还包括依次连接的双向变流器、永磁同步电机以及飞轮本体，所述双向变流器与所述飞轮控制器通信连接，所述飞轮控制器根据接收的控制指令控制所述双向变流器的功率方向和大小。

优选地，所述总控制器通过电压传感器或外接采集终端获取所述直流母线的电压，所述总控制器通过电流传感器或外接采集终端获取总负载电流。

本发明的另一个方面提供了一种飞轮储能设备和发电机组联合供电系统的控制方法，该控制方法包括：

接收飞轮储能单元的运行数据，所述运行数据包括所述飞轮储能单元的充放电状态和电量状态；

获取直流母线电压和总负载电流，计算得到总负载功率；

根据所述总负载功率和飞轮储能单元的运行数据自动生成控制指令，并将所述控制指令发送给飞轮控制器。

优选地，所述控制指令包括：充电指令、放电指令和停止充放电指令。

优选地，“根据所述总负载功率和飞轮储能单元的运行数据自动生成控制指令”的步骤包括：

判断总负载功率是否小于预设充电功率阈值；

若是，飞轮储能设备为可充电状态时生成充电指令；

若否，判断总负载功率是否大于预设放电功率阈值，若是，飞轮储能设备为可放电状态时则生成放电指令，若否，生成停止充放电指令。

优选地，“飞轮储能设备为可充电状态时生成充电指令”的步骤包括：

判断飞轮储能设备为可充电状态；

根据总负载功率和预设充电功率阈值计算飞轮储能设备的总充电功率；

根据所述总充电功率计算各飞轮储能单元的充电功率；

根据所述计算结果生成充电指令。

优选地，“飞轮储能设备为可放电状态时生成放电指令”的步骤包括：

判断飞轮储能设备为可放电状态；

根据总负载功率和预设放电功率阈值计算飞轮储能设备的总放电功率；

根据所述总放电功率计算各飞轮储能单元的放电功率；

根据所述计算结果生成放电指令。

本发明的系统及控制方法，通过飞轮储能设备来平抑冲击性负载的波动，提高发电机组工作的稳定性和可靠性，延长发电机组的使用寿命，降低发电机组的容量和能耗，从而降低供电系统的成本。

附图说明

图1是本发明的系统的架构示意图。

图2是本发明的系统的飞轮储能装置处于放电状态的功率流向示意图。

图3是本发明的系统的飞轮储能装置处于充电状态的功率流向示意图。

图4是本发明的系统的一个实施例的控制流程示意图。

图5是本发明的控制方法的流程示意图。

图6是本发明的控制方法的步骤S3的流程示意图。

图7是本发明的控制方法的步骤S32的流程示意图。

图8是本发明的控制方法的步骤S34的流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

为了使本揭示内容的叙述更加详尽与完备，下文针对本发明的实施方式与具体实施例提出了说明性的描述；但这并非实施或运用本发明具体实施例的唯一形式。实施方式中涵盖了多个具体实施例的特征以及用以建构与操作这些具体实施例的方法步骤与其顺序。然而，亦可利用其它具体实施例来达成相同或均等的功能与步骤顺序。

本发明的实施例公开了一种飞轮储能设备和发电机组联合供电系统及控制方法，由于飞轮储能设备具有充放电响应速度快、使用寿命长和安全性好等优点，通过飞轮储能设备来平抑冲击性负载的波动，提高发电机组工作的稳定性和可靠性，延长发电机组的使用寿命，降低发电机组的容量和能耗，从而降低供电系统的成本。

图1示出了一种飞轮储能设备和发电机组联合供电系统，该系统包括：发电机组10、整流器20、负载30以及飞轮储能设备40。

其中，负载30设有至少一个，具有冲击性。发电机组10用于输出交流电供负载30和/或飞轮储能设备40使用，发电机组10设有一个或多个，多个发电机组10采用并联的工作方式，优选地，发电机组10为柴油发电机组。

进一步地，整流器20设有一个或多个，多个整流器20采用并联的工作方式。整流器20具有直流侧DC和交流侧AC，用于实现从交流侧AC到直流侧DC的功率变换，整流器20的交流侧AC通过三相交流线50与发电机组10连接，整流器20的直流侧DC通过直流母线60与负载30连接，本实施例中的整流器20只能将发电机组10输出的交流电从交流侧AC往直流侧DC进行变换，输出直流电供负载30和/或飞轮储能设备40使用。

进一步地，飞轮储能设备40连接在直流母线60上，飞轮储能设备40包括与直流母线60分别连接的总控制器401和飞轮储能单元402，飞轮储能单元402设有一个或多个，多个飞轮储能单元402分别与直流母线60连接，采用并联的工作方式。更进一步地，飞轮储能单元402包括与总控制器401通信连接的飞轮控制器4020，飞轮控制器4020与总控制器401之间可以采用点对点的通信方式，也可以采用通信网络的通信方式。飞轮控制器4020用于获取并发送飞轮储能单元402的运行数据给总控制器401，总控制器401用于获取并处理直流母线60的电压、总负载电流和运行数据，根据处理结果自动生成控制指令，飞轮控制器4020接收控制指令对飞轮储能单元402的充放电状态进行控制。

进一步地，总控制器401通过电压传感器或外接采集终端获取直流母线60的电压，总控制器401通过电流传感器或外接采集终端获取总负载电流。当负载30设有多个时，总控制器401可以一次性获取多个负载30的总负载电流，也可以分别获取每一个负载30的分电流，再计算得到总负载电流。

进一步地，飞轮储能单元402的运行数据包括：充放电状态、电量状态、电气参数、自检状态等，控制指令包括：充电指令、放电指令、停止充放电指令以及停机指令。

在本实施例中，当负载30的功率快速上升时，飞轮储能设备40处于放电状态，飞轮储能设备40与发电机组10共同为负载30供电，如图2所示；当负载30的功率快速下降时，飞轮储能设备40处于充电状态时，由发电机组10为负载30和飞轮储能设备40供电，如图3所示。

进一步地，飞轮储能单元402还包括依次连接的双向变流器4021、永磁同步电机4022以及飞轮本体4023，双向变流器4021与飞轮控制器4020通信连接，飞轮控制器4020根据接收的控制指令控制双向变流器4021的功率方向和大小。双向变流器4021用于直流-交流和交流-直流转换，双向变流器4021的直流侧DC与直流母线60连接，双向变流器4021的交流侧AC与永磁同步电机4022连接，飞轮本体4023与永磁同步电机4022连接，当飞轮储能单元402处于充电状态时，永磁同步电机4022将经过直流-交流转化的电能驱动飞轮本体4023旋转，转化为动能储存起来，当飞轮储能单元402处于放电状态时，永磁同步电机4022将飞轮本体4023旋转的动能转化为电能输送给双向变流器4021并为负载30提供电能。

本实施例的系统以飞轮储能设备40具有多个飞轮储能单元402为例，请参见图4，工作流程如下进行：

总控制器根据获取的直流母线电压和总负载电流计算得到总负载功率，判断总负载功率是否小于预设充电功率阈值；(1)若总负载功率小于预设充电功率阈值，则判断飞轮储能设备是否为可充电状态；若否，则总控制器生成停止充放电指令并下发该指令至各飞轮控制器，若是，则计算飞轮储能设备的总充电功率，总充电功率为预设充电功率阈值与总负载功率之差，然后根据总充电功率计算各飞轮储能单元的充电功率并生成充电指令，将充电指令下发至各飞轮控制器，飞轮储能设备处于充电状态时，由发电机组为负载和飞轮储能设备供电，如图3所示，此时，发电机组的发电功率为总负载功率与总充电功率之和；(2)若总负载功率大于或等于预设充电功率阈值，则判断总负载功率是否大于预设放电功率阈值；若总负载功率小于或等于预设放电功率阈值，则总控制器生成停止充放电指令并下发该指令至各飞轮控制器，若总负载功率大于预设放电功率阈值，则判断飞轮储能设备是否为可放电状态；若否，则总控制器生成停止充放电指令并下发该指令至各飞轮控制器，若是，则计算飞轮储能设备的总放电功率，总放电功率为总负载功率与预设放电功率阈值之差，然后根据总放电功率计算各飞轮储能单元的放电功率并生成放电指令，将放电指令下发至各飞轮控制器。飞轮储能设备处于放电状态，飞轮储能设备与发电机组共同为负载供电，如图2所示，此时，发电机组的发电功率为总负载功率与总放电功率之差。

在另一些实施例中，飞轮储能设备40也可以被超级电容储能设备和电化学电池储能设备替代，实现平抑负载30的冲击性带来的波动，保证系统的稳定工作。

本发明的实施例提供了一种飞轮储能设备和发电机组联合供电系统的控制方法，请参见图5，该控制方法包括：

步骤S1：接收飞轮储能单元的运行数据，运行数据包括飞轮储能单元的充放电状态和电量状态；

步骤S2：获取直流母线电压和总负载电流，计算得到总负载功率；

步骤S3：根据总负载功率和飞轮储能单元的运行数据自动生成控制指令，并将控制指令发送给飞轮控制器。

进一步地，控制指令包括：充电指令、放电指令和停止充放电指令。

进一步地，请参见图6，步骤S3包括：

步骤S31：判断总负载功率是否小于预设充电功率阈值；

若是，执行步骤S32；步骤S32：飞轮储能设备为可充电状态时生成充电指令。

若否，执行步骤S33；步骤S33：判断总负载功率是否大于预设放电功率阈值，若是，执行步骤S34；步骤S34：飞轮储能设备为可放电状态时则生成放电指令，若否，生成停止充放电指令。

进一步地，请参加图7，步骤S32包括：

步骤S321：判断飞轮储能设备为可充电状态；

步骤S322：根据总负载功率和预设充电功率阈值计算飞轮储能设备的总充电功率；

步骤S323：根据总充电功率计算各飞轮储能单元的充电功率；

步骤S324：根据计算结果生成充电指令。

步骤S32还包括：判断飞轮储能设备为不可充电状态时，生成停止充放电指令。

进一步地，请参见图8，步骤S34包括：

步骤S341：判断飞轮储能设备为可放电状态；

步骤S342：根据总负载功率和预设放电功率阈值计算飞轮储能设备的总放电功率；

步骤S343：根据总放电功率计算各飞轮储能单元的放电功率；

步骤S344：根据计算结果生成放电指令。

步骤S34还包括：判断飞轮储能设备为不可放电状态时，生成停止充放电指令。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种飞轮储能设备和发电机组联合供电系统，其特征在于，该系统包括：

至少一个负载，具有冲击性；

至少一个发电机组，用于输出交流电；

至少一个整流器，具有直流侧和交流侧，所述交流侧通过三相交流线与所述发电机组连接，所述直流侧通过直流母线与所述负载连接，所述整流器用于将所述交流侧输入的交流电进行变换后从直流侧输出直流电；

飞轮储能设备，连接在所述直流母线上，所述飞轮储能设备包括：分别与直流母线连接的总控制器和至少一个飞轮储能单元，每一个飞轮储能单元具有与所述总控制器通信连接的飞轮控制器，所述飞轮控制器用于获取并发送所述飞轮储能单元的运行数据给所述总控制器，所述总控制器用于获取并处理所述直流母线的电压、总负载电流和所述运行数据，根据处理结果自动生成控制指令，所述飞轮控制器接收所述控制指令对所述飞轮储能单元的充放电状态进行控制；

所述飞轮储能设备处于放电状态时，所述飞轮储能设备与所述发电机组共同为所述负载供电，所述飞轮储能设备处于充电状态时，由所述发电机组为所述负载和所述飞轮储能设备供电。

2.根据权利要求1所述的飞轮储能设备和发电机组联合供电系统，其特征在于，所述控制指令包括：充电指令、放电指令和停止充放电指令。

3.根据权利要求1所述的飞轮储能设备和发电机组联合供电系统，其特征在于，所述飞轮储能单元设有多个，多个飞轮储能单元分别与所述直流母线连接。

4.根据权利要求1所述的飞轮储能设备和发电机组联合供电系统，其特征在于，所述飞轮储能单元还包括依次连接的双向变流器、永磁同步电机以及飞轮本体，所述双向变流器与所述飞轮控制器通信连接，所述飞轮控制器根据接收的控制指令控制所述双向变流器的功率方向和大小。

5.根据权利要求1所述的飞轮储能设备和发电机组联合供电系统，其特征在于，所述总控制器通过电压传感器或外接采集终端获取所述直流母线的电压，所述总控制器通过电流传感器或外接采集终端获取总负载电流。

6.一种飞轮储能设备和发电机组联合供电系统的控制方法，其特征在于，该控制方法包括：

接收飞轮储能单元的运行数据，所述运行数据包括所述飞轮储能单元的充放电状态和电量状态；

获取直流母线电压和总负载电流，计算得到总负载功率；

根据所述总负载功率和飞轮储能单元的运行数据自动生成控制指令，并将所述控制指令发送给飞轮控制器。

7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述控制指令包括：充电指令、放电指令和停止充放电指令。

8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，“根据所述总负载功率和飞轮储能单元的运行数据自动生成控制指令”的步骤包括：

判断总负载功率是否小于预设充电功率阈值；

若是，飞轮储能设备为可充电状态时生成充电指令；

若否，判断总负载功率是否大于预设放电功率阈值，若是，飞轮储能设备为可放电状态时则生成放电指令，若否，生成停止充放电指令。

9.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，“飞轮储能设备为可充电状态时生成充电指令”的步骤包括：

判断飞轮储能设备为可充电状态；

根据总负载功率和预设充电功率阈值计算飞轮储能设备的总充电功率；

根据所述总充电功率计算各飞轮储能单元的充电功率；

根据所述计算结果生成充电指令。

10.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，“飞轮储能设备为可放电状态时生成放电指令”的步骤包括：

判断飞轮储能设备为可放电状态；

根据总负载功率和预设放电功率阈值计算飞轮储能设备的总放电功率；

根据所述总放电功率计算各飞轮储能单元的放电功率；

根据所述计算结果生成放电指令。