CN110601235A - 一种适用于火电厂多台机组的超级电容辅助调频系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于火电厂多台机组的超级电容辅助调频系统，包括厂用电系统和储能系统；其中，所述储能系统通过两个高压开关分别连接至厂用电系统的两个厂用母线上。具体的，所述厂用电系统包括两个机组DCS、两个发电机、两个高厂变、第一厂用母线、第一通讯线路、第二通讯线路和第二厂用母线等；所述储能系统包括两个升压变、两个双向功率转换装置、两个超级电容、第三通信线路、两个储能监控系统、第四通信线路、第五通信线路、第六通信线路和两个储能子系统等。本发明接线清晰简单、切换方便、安全性好、寿命长，降低节流损耗、防止锅炉超温，减轻考核、提高辅助收益，经济性可观。
Description
技术领域
本发明涉及一种储能辅助火电机组调频系统，具体涉及一种适用于火电厂多台机组的超级电容辅助调频系统。
背景技术
由于火电机组均由具有旋转惯性的机械器件组成，并且将一次能源转换成电能需要经历一系列复杂过程，因此其对有功功率的调节响应速度较慢。在新能源装机及发电持续、快速增长的大背景下，电网调频需求与市场规模将越来越大，火电机组会担任越来越繁重的调频任务，在设备磨损、煤耗增加、运行安全等方面面临负面影响，不利于机组和电网运行的经济性、安全性和可靠性。电网对优质调频电源有迫切需求，储能辅助机组调频成为当下火电厂提高调频辅助服务水平，减轻调频考核、增加辅助服务收益，缓解机组调频压力、降低节流损耗的有效措施。
目前在火电厂实际工程应用中，用于辅助机组调频的储能系统主要是锂电池。然而，锂电池应用于火电机组调频方面存在寿命的缺陷，锂电池在2C/100％DOD状态下的理论寿命不超过为5000次。考虑到机组调节的特性和频次，必须选用足够容量的电池以满足浅充浅放延长寿命的要求。此外，现有锂电池辅助调频项目全部是只响应有辅助服务补贴的AGC，而不响应仅有考核的一次调频。锂电池辅助调频项目建成后，机组仍按原有运行方式运行，主汽调门仍保持较大节流损失。其技术缺陷造成了此类项目仅能在补贴较高的山西、内蒙、广东等地开展，难以推广至其他地区。
发明内容
本发明的目的是在现有调频辅助服务市场不断完善的背景下，针对现有火电机组调频任务繁重，设备磨损加重、节流损耗增加、存在锅炉超温等安全隐患的问题，提供了一种适用于火电厂多台机组的超级电容辅助调频系统，其接线清晰简单、切换方便、安全性好、寿命长，降低节流损耗、防止锅炉超温，减轻考核、提高辅助收益，经济性可观。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案来实现的：
一种适用于火电厂多台机组的超级电容辅助调频系统，包括厂用电系统和储能系统；其中，所述储能系统通过两个高压开关分别连接至厂用电系统的两个厂用母线上。
本发明进一步的改进在于，所述厂用电系统包括#1机组DCS、#1发电机、#1高厂变、第一高压开关、#1机组A段母线、第二高压开关、#1机组B段母线、第三高压开关、第一厂用母线、第一通讯线路、第二通讯线路、#2机组DCS、#2发电机、#2高厂变、第四高压开关、#2机组B段母线、第五高压开关、#2机组A段母线、第六高压开关和第二厂用母线；其中，
所述#1发电机和#2发电机分别与#1机组DCS和#2机组DCS保持通信联系，所述#1机组DCS和#2机组DCS之间通过第二通讯线路互相通信的同时，均通过第一通讯线路与调度保持通讯；所述#1发电机依次通过#1高厂变和第一高压开关降压连接至#1机组A段母线和#1机组B段母线，所述#1机组A段母线和#1机组B段母线分别通过第二高压开关和第五高压开关连接至第一厂用母线和第二厂用母线；所述#2发电机依次通过#2高厂变和第四高压开关降压连接至#2机组B段母线和#2机组A段母线，所述#2机组B段母线和#2机组A段母线分别通过第三高压开关和第六高压开关连接至第一厂用母线和第二厂用母线上。
本发明进一步的改进在于，第一厂用母线和第二厂用母线均为6kV厂用母线。
本发明进一步的改进在于，所述储能系统包括第七高压开关、第一升压变、第一双向功率转换装置、第一超级电容、第三通信线路、第一储能监控系统、第四通信线路、第五通信线路、第二储能监控系统、第六通信线路、第八高压开关、第二升压变、第二双向功率转换装置、第二超级电容、第一储能子系统和第二储能子系统；其中，
所述第一超级电容依次通过第一双向功率转换装置、第一升压变和第七高压开关连接至第一厂用母线，所述第一储能监控系统分别通过第三通信线路和第四通信线路与第一储能子系统和#1机组DCS互相通信；所述第二超级电容依次通过第二双向功率转换装置、第二升压变和第八高压开关连接至第二厂用母线，所述第二储能监控系统分别通过第六通信线路和第五通信线路与第二储能子系统和#2机组DCS互相通信。
本发明进一步的改进在于，在二次调频过程中，电网调度机构下达AGC指令后，发送给#1机组DCS和#2机组DCS，同时第一储能监控系统和第二储能监控系统也分别通过第四通信线路和第五通信线路接收到指令信息；
在两台机组均正常工作的情况下：通过闭合第七高压开关、第二高压开关和第一高压开关，断开第三高压开关，将第一储能子系统切换至#1机组A段母线，使其辅助#1发电机调频；闭合第八高压开关、第六高压开关和第四高压开关，断开第五高压开关，将第二储能子系统切换至#2机组A段母线，使其辅助#2发电机调频；
在单个子储能系统的充放电不足以满足调频功率需求时，设置优先级给#1发电机，通过闭合第七高压开关、第二高压开关、第五高压开关和第一高压开关，断开第八高压开关和第三高压开关、第六高压开关和第四高压开关，将第一储能子系统切换至#1机组A段母线的同时将第二储能子系统切换至#1机组B段母线，使得两子储能系统合并后辅助#1发电机参与二次调频；
在#1发电机停电检修的情况下：通过闭合第八高压开关和第三高压开关、第六高压开关和第四高压开关，断开第七高压开关、第二高压开关、第五高压开关和第一高压开关，将第一储能子系统切换至#2机组B段母线的同时将第二储能子系统切换至#2机组A段母线，使得两子储能系统合并后辅助#2发电机参与二次调频频；在#2发电机停电检修的情况下：通过闭合第七高压开关、第二高压开关、第五高压开关和第一高压开关，断开第八高压开关、第三高压开关、第六高压开关和第四高压开关，将第一储能子系统切换至#1机组A段母线的同时将第二储能子系统切换至#1机组B段母线，使得两子储能系统合并后辅助#1发电机参与二次调频。
本发明进一步的改进在于，在三种工况下，第二高压开关和第三高压开关之间以及第五高压开关和第六高压开关之间都设置互锁功能，避免开关切换失误导致的同一储能子系统同时接在不同机组的母线段上。
与现有技术相比，本发明至少具有如下有益的技术效果：
1、本发明系统结构清晰，接线简单，接入厂用电的超级电容按照调度指令和机组出力来优化充放电，通过外置的辅控系统和DCS内置逻辑即可实现二者的控制协同，使得火电机组基本按照原方式响应调度指令，不需要对机组做较大改动。
2、本发明超级电容分为两个储能子系统，两个子系统可以分别辅助#1、#2机组参与调频或合并参与一台机组调频，实现了超级电容根据实际调频功率需求在两台机组之间的轻松切换。
3、本发明中所使用的超级电容不同于传统的化学电源，在辅助调频过程中不发生化学反应，安全性好；同时超级电容使用寿命超长，用于辅助调频项目选型时可不考虑过多裕量，故虽然其单位造价较高，但项目总投资反而更有优势。
4、本发明中超级电容充电速度快，在辅助调频过程中可以快速充电，以备下一次扰动的响应；同时，超级电容功率密度高，相当于锂电池的5～10倍，放电能力超强，特别适于需求为短时大功率的调频场合。超级电容优异的充放电特性使其能够快速、精准地在二次调频中跟踪AGC指令，一次调频中满足不同频率波动水平功率需求，减小机组磨损的同时降低考核、增加辅助收益。
5、本发明超级电容可以代替调门调节出力，在稳定工况下主汽调门运行开度得到大幅提高，主汽调门节流损失降至接近全开下设计水平。在不同负荷下，对机组供电煤耗的改善效果明显，具有良好的节能收益，提高了机组运行的经济性。
6、本发明一方面消除了主汽调门节流调节运行方式下由于主汽压力的不稳定带来的安全隐患；同时可以在火电机组AGC的R模式下，通过超级电容辅助机组快速升降负荷来避免锅炉超温，氧化皮脱落甚至爆管的不良后果，以达到保证锅炉安全的目的，提升了机组长期运行的安全可靠性。
综上所述，本发明安全可靠、经济效益显著、实用性强以及便于推广使用。
附图说明
图1为本发明结构原理图。
附图标记说明：
1—厂用电系统；2—储能系统；1-1—#1机组DCS(Distributed Control System)；1-2—#1发电机；1-3—#1高厂变；1-4—第一高压开关；1-5—#1机组A段母线；1-6—第二高压开关；1-7—#1机组B段母线；1-8—第三高压开关；1-9—第一厂用母线；1-10—第一通讯线路；1-11—第二通讯线路；1-12—#2机组DCS(Distributed Control System)；1-13—#2发电机；1-14—#2高厂变；1-15—第四高压开关；1-16—#2机组B段母线；1-17—第五高压开关；1-18—#2机组A段母线；1-19—第六高压开关；1-20—第二厂用母线；2-1—第七高压开关；2-2—第一升压变；2-3—第一双向功率转换装置(PCS，Power Conversion System)；2-4—第一超级电容；2-5—第三通信线路；2-6—第一储能监控系统；2-7—第四通信线路；2-8—第五通信线路；2-9—第二储能监控系统；2-10—第六通信线路；2-11—第八高压开关；2-12—第二升压变；2-13—第二双向功率转换装置(PCS，Power Conversion System)；2-14—第二超级电容；2-15—第一储能子系统；2-16—第二储能子系统。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做出进一步的说明。
如图1所示，本发明提供的一种适用于火电厂多台机组的超级电容辅助调频系统，包括厂用电系统1和能系统2；其中，所述储能系统2分别通过第七高压开关2-1和第八高压开关2-11连接至厂用电系统1的第一厂用母线1-9和第二厂用母线1-20，两个厂用母线均为6kV厂用母线。
具体来说，所述厂用电系统1包括#1机组DCS1-1、#1发电机1-2、#1高厂变1-3、第一高压开关1-4、#1机组A段母线1-5、第二高压开关1-6、#1机组B段母线1-7、第三高压开关1-8、第一厂用母线1-9、第一通讯线路1-10、第二通讯线路1-11、#2机组DCS1-12、#2发电机1-13、#2高厂变1-14、第四高压开关1-15、#2机组B段母线1-16、第五高压开关1-17、#2机组A段母线1-18、第六高压开关1-19、第二厂用母线1-20；其中，所述#1发电机1-2和#2发电机1-13分别与#1机组DCS1-1和#2机组DCS1-12保持通信联系，所述#1机组DCS1-1和#2机组DCS1-12之间通过第二通讯线路1-11互相通信的同时均通过第一通讯线路1-10与调度保持通讯；所述#1发电机1-2依次通过#1高厂变1-3和第一高压开关1-4降压连接至#1机组A段母线1-5和#1机组B段母线1-7，所述#1机组A段母线1-5和#1机组B段母线1-7分别通过第二高压开关1-6和第五高压开关1-17连接至第一厂用母线1-9和第二厂用母线1-20；所述#2发电机1-13依次通过#2高厂变1-14和第四高压开关1-15降压连接至#2机组B段母线1-16和#2机组A段母线1-18，所述#2机组B段母线1-16和#2机组A段母线1-18分别通过第三高压开关1-8和第六高压开关1-19连接至第一厂用母线1-9和第二厂用母线1-20上。所述储能系统2包括第七高压开关2-1、第一升压变2-2、第一双向功率转换装置(PCS，Power Conversion System)2-3、第一超级电容2-4、第三通信线路2-5、第一储能监控系统2-6、第四通信线路2-7、第五通信线路2-8、第二储能监控系统2-9、第六通信线路2-10、第八高压开关2-11、第二升压变2-12、第二双向功率转换装置2-13、第二超级电容2-14、第一储能子系统2-15、第二储能子系统2-16；其中，所述第一超级电容2-4依次通过第一双向功率转换装置(PCS，PowerConversion System)2-3、第一升压变2-2和第七高压开关2-1连接至第一厂用母线1-9，所述第一储能监控系统2-6分别通过第三通信线路2-5和第四通信线路2-7与第一储能子系统2-15和#1机组DCS 1-1互相通信；所述第二超级电容2-14依次通过第二双向功率转换装置2-13、第二升压变2-12和第八高压开关2-11连接至第二厂用母线1-20，所述第二储能监控系统2-9分别通过第六通信线路2-10和第五通信线路2-8与第二储能子系统2-16和#2机组DCS 1-12互相通信。
本发明在实际应用中，在二次调频过程中，电网调度机构下达AGC指令后，发送给#1机组DCS1-1和#2机组DCS1-12，同时第一储能监控系统2-6和第二储能监控系统2-9也分别通过第四通信线路2-7和第五通信线路2-8接收到指令信息。在两台机组均正常工作的情况下：可以通过闭合第七高压开关2-1、第二高压开关1-6和第一高压开关1-4，断开第三高压开关1-8，将第一储能子系统2-15切换至#1机组A段母线1-5，使其辅助#1发电机1-2调频；闭合第八高压开关2-11、第六高压开关1-19和第四高压开关1-15，断开第五高压开关1-17，将第二储能子系统2-16切换至#2机组A段母线1-18，使其辅助#2发电机1-13调频；在单个子储能系统的充放电不足以满足调频功率需求时，设置优先级给#1发电机1-2，通过闭合第七高压开关2-1、第二高压开关1-6、第五高压开关1-17和第一高压开关1-4，断开第八高压开关2-11和第三高压开关1-8、第六高压开关1-19和第四高压开关1-15，将第一储能子系统2-15切换至#1机组A段母线1-5的同时将第二储能子系统2-16切换至#1机组B段母线1-7，使得两子储能系统合并后辅助#1发电机1-2参与二次调频；在#1发电机1-2停电检修的情况下：通过闭合第八高压开关2-11和第三高压开关1-8、第六高压开关1-19和第四高压开关1-15，断开第七高压开关2-1、第二高压开关1-6、第五高压开关1-17和第一高压开关1-4，将第一储能子系统2-15切换至#2机组B段母线1-16的同时将第二储能子系统2-16切换至#2机组A段母线1-18，使得两子储能系统合并后辅助#2发电机1-13参与二次调频频；在#2发电机1-13停电检修的情况下：通过闭合第七高压开关2-1、第二高压开关1-6、第五高压开关1-17和第一高压开关1-4，断开第八高压开关2-11、第三高压开关1-8、第六高压开关1-19和第四高压开关1-15，将第一储能子系统2-15切换至#1机组A段母线1-5的同时将第二储能子系统2-16切换至#1机组B段母线1-7，使得两子储能系统合并后辅助#1发电机1-2参与二次调频。
以上三种工况中，相应机组接收到AGC指令后控制机组出力跟踪调度指令，与此同时，储能系统2实时监测机组功率，当收到指令后，计算出自身的出力，然后快速响应。随着机组出力对指令的响应，储能系统2逐渐退出，完成辅助响应过程，并在辅助响应的空档，根据机组出力情况协同调度，完成所需的缓慢充放电过程，以保持系统的持续出力能力水平。在各工况下，第二高压开关1-6和第三高压开关1-8、第五高压开关1-17和第六高压开关1-19之间都设置互锁功能，避免开关切换失误导致的同一储能子系统同时接在不同机组的母线段上。
同理，在超级电容辅助机组参与一次调频的过程中，储能监控系统根据电网频率变化，按照一次调频参数和相应机组的出力来控制充放电量，与机组出力一起满足不同频率波动水平下一次调频的功率需求。一次调频过程中，上述各种工况下的开关切换及系统接线基本一致，只是内部控制方法不同，在此不做赘述同理，在超级电容辅助机组参与一次调频的过程中，储能监控系统根据电网频率变化，按照一次调频参数和相应机组的出力来控制充放电量，与机组出力一起满足不同频率波动水平下一次调频的功率需求。一次调频过程中，上述各种工况下的开关切换及系统接线基本一致，只是内部控制方法不同，在此不做赘述。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (6)
1.一种适用于火电厂多台机组的超级电容辅助调频系统，其特征在于，包括厂用电系统(1)和储能系统(2)；其中，
所述储能系统(2)通过两个高压开关分别连接至厂用电系统(1)的两个厂用母线上。
2.根据权利要求1所述的一种适用于火电厂多台机组的超级电容辅助调频系统，其特征在于，所述厂用电系统(1)包括#1机组DCS(1-1)、#1发电机(1-2)、#1高厂变(1-3)、第一高压开关(1-4)、#1机组A段母线(1-5)、第二高压开关(1-6)、#1机组B段母线(1-7)、第三高压开关(1-8)、第一厂用母线(1-9)、第一通讯线路(1-10)、第二通讯线路(1-11)、#2机组DCS(1-12)、#2发电机(1-13)、#2高厂变(1-14)、第四高压开关(1-15)、#2机组B段母线(1-16)、第五高压开关(1-17)、#2机组A段母线(1-18)、第六高压开关(1-19)和第二厂用母线(1-20)；其中，
所述#1发电机(1-2)和#2发电机(1-13)分别与#1机组DCS(1-1)和#2机组DCS(1-12)保持通信联系，所述#1机组DCS(1-1)和#2机组DCS(1-12)之间通过第二通讯线路(1-11)互相通信的同时，均通过第一通讯线路(1-10)与调度保持通讯；所述#1发电机(1-2)依次通过#1高厂变(1-3)和第一高压开关(1-4)降压连接至#1机组A段母线(1-5)和#1机组B段母线(1-7)，所述#1机组A段母线(1-5)和#1机组B段母线(1-7)分别通过第二高压开关(1-6)和第五高压开关(1-17)连接至第一厂用母线(1-9)和第二厂用母线(1-20)；所述#2发电机(1-13)依次通过#2高厂变(1-14)和第四高压开关(1-15)降压连接至#2机组B段母线(1-16)和#2机组A段母线(1-18)，所述#2机组B段母线(1-16)和#2机组A段母线(1-18)分别通过第三高压开关(1-8)和第六高压开关(1-19)连接至第一厂用母线(1-9)和第二厂用母线(1-20)上。
3.根据权利要求2所述的一种适用于火电厂多台机组的超级电容辅助调频系统，其特征在于，第一厂用母线(1-9)和第二厂用母线(1-20)均为6kV厂用母线。
4.根据权利要求2所述的一种适用于火电厂多台机组的超级电容辅助调频系统，其特征在于，所述储能系统(2)包括第七高压开关(2-1)、第一升压变(2-2)、第一双向功率转换装置(2-3)、第一超级电容(2-4)、第三通信线路(2-5)、第一储能监控系统(2-6)、第四通信线路(2-7)、第五通信线路(2-8)、第二储能监控系统(2-9)、第六通信线路(2-10)、第八高压开关(2-11)、第二升压变(2-12)、第二双向功率转换装置(2-13)、第二超级电容(2-14)、第一储能子系统(2-15)和第二储能子系统(2-16)；其中，
所述第一超级电容(2-4)依次通过第一双向功率转换装置(2-3)、第一升压变(2-2)和第七高压开关(2-1)连接至第一厂用母线(1-9)，所述第一储能监控系统(2-6)分别通过第三通信线路(2-5)和第四通信线路(2-7)与第一储能子系统(2-15)和#1机组DCS(1-1)互相通信；所述第二超级电容(2-14)依次通过第二双向功率转换装置(2-13)、第二升压变(2-12)和第八高压开关(2-11)连接至第二厂用母线(1-20)，所述第二储能监控系统(2-9)分别通过第六通信线路(2-10)和第五通信线路(2-8)与第二储能子系统(2-16)和#2机组DCS(1-12)互相通信。
5.根据权利要求4所述的一种适用于火电厂多台机组的超级电容辅助调频系统，其特征在于，在二次调频过程中，电网调度机构下达AGC指令后，发送给#1机组DCS(1-1)和#2机组DCS(1-12)，同时第一储能监控系统(2-6)和第二储能监控系统(2-9)也分别通过第四通信线路(2-7)和第五通信线路(2-8)接收到指令信息；
在两台机组均正常工作的情况下：通过闭合第七高压开关(2-1)、第二高压开关(1-6)和第一高压开关(1-4)，断开第三高压开关(1-8)，将第一储能子系统(2-15)切换至#1机组A段母线(1-5)，使其辅助#1发电机(1-2)调频；闭合第八高压开关(2-11)、第六高压开关(1-19)和第四高压开关(1-15)，断开第五高压开关(1-17)，将第二储能子系统(2-16)切换至#2机组A段母线(1-18)，使其辅助#2发电机(1-13)调频；
在单个子储能系统的充放电不足以满足调频功率需求时，设置优先级给#1发电机(1-2)，通过闭合第七高压开关(2-1)、第二高压开关(1-6)、第五高压开关(1-17)和第一高压开关(1-4)，断开第八高压开关(2-11)和第三高压开关(1-8)、第六高压开关(1-19)和第四高压开关(1-15)，将第一储能子系统(2-15)切换至#1机组A段母线(1-5)的同时将第二储能子系统(2-16)切换至#1机组B段母线(1-7)，使得两子储能系统合并后辅助#1发电机(1-2)参与二次调频；
在#1发电机(1-2)停电检修的情况下：通过闭合第八高压开关(2-11)和第三高压开关(1-8)、第六高压开关(1-19)和第四高压开关(1-15)，断开第七高压开关(2-1)、第二高压开关(1-6)、第五高压开关(1-17)和第一高压开关(1-4)，将第一储能子系统(2-15)切换至#2机组B段母线(1-16)的同时将第二储能子系统(2-16)切换至#2机组A段母线(1-18)，使得两子储能系统合并后辅助#2发电机(1-13)参与二次调频频；在#2发电机(1-13)停电检修的情况下：通过闭合第七高压开关(2-1)、第二高压开关(1-6)、第五高压开关(1-17)和第一高压开关(1-4)，断开第八高压开关(2-11)、第三高压开关(1-8)、第六高压开关(1-19)和第四高压开关(1-15)，将第一储能子系统(2-15)切换至#1机组A段母线(1-5)的同时将第二储能子系统(2-16)切换至#1机组B段母线(1-7)，使得两子储能系统合并后辅助#1发电机(1-2)参与二次调频。
6.根据权利要求5所述的一种适用于火电厂多台机组的超级电容辅助调频系统，其特征在于，在三种工况下，第二高压开关(1-6)和第三高压开关(1-8)之间以及第五高压开关(1-17)和第六高压开关(1-19)之间都设置互锁功能，避免开关切换失误导致的同一储能子系统同时接在不同机组的母线段上。
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