CN111416336A - 串联飞轮储能阵列装置及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种串联飞轮储能阵列装置及其控制方法，其中，装置包括：直流电网、多个飞轮储能单元、预充电支路、旁路支路和阵列控制器，其中，预充电支路，用于为飞轮储能单元中的直流侧电容充电；旁路支路，用于预充电完毕后，旁路预充电支路；阵列控制器，用于与直流电网的电压匹配后，调节每个飞轮储能单元的飞轮转速进行充电或放电，实现直流电网储能。该装置用于直流电网储能，具有模块化结构，通过增加或减少单元数量可实现不同直流电网的电压匹配，简单易实现。
Description
技术领域
本发明涉及飞轮储能技术领域，特别涉及一种串联飞轮储能阵列装置及其控制方法。
背景技术
飞轮储能是一种物理储能方式，电能与飞轮动能通过电机互相转换。大容量飞轮储能装置受飞轮材料、成本等因素约束，制作困难；小容量飞轮装置所存储的能量有限，在大功率储能中无法满足应用需求。飞轮储能阵列将多台一定容量的飞轮储能装置以一定的连接方式进行组合并协调控制，是实现大容量、高功率能量存储的解决方案。
目前，飞轮储能阵列的研究及应用集中于并联结构，即多个储能单元的母线直流端并联连接，如多飞轮储能单元并联的飞轮阵列储能系统，再比如，并联储能飞轮阵列均衡控制装置及方法。虽然目前的飞轮储能阵列的并联结构能够实现扩充容量和功率的目的，但是受电力电子器件耐压条件限制，其应用的直流电网电压等级不会很高，即并联飞轮储能装置仅适用于低压直流电网储能，适用性较差，亟待解决。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的一个目的在于提出一种串联飞轮储能阵列装置，该装置用于直流电网储能，具有模块化结构，通过增加或减少单元数量可实现不同直流电网的电压匹配，简单易实现。
本发明的另一个目的在于提出一种串联飞轮储能阵列装置的控制方法。
为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种串联飞轮储能阵列装置，包括：直流电网和多个飞轮储能单元；预充电支路，用于为所述飞轮储能单元中的直流侧电容充电；旁路支路，用于预充电完毕后，旁路预充电支路；阵列控制器，用于与所述直流电网的电压匹配后，调节所述每个飞轮储能单元的飞轮转速进行充电或放电，实现直流电网储能。
本发明实施例的串联飞轮储能阵列装置，与单台飞轮储能装置相比，其具有容量大、功率高等优势；与并联飞轮储能装置相比，其母线电压等级可任意扩展，可适用于高压直流电网，从而在实现容量和功率任意扩展的同时，实现母线电压等级的任意扩展，以适配高压直流电网，简单易实现。
另外，根据本发明上述实施例的串联飞轮储能阵列装置还可以具有以下附加的技术特征：
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述每个飞轮储能单元包括飞轮本体、电机、AC/DC变流器、第一断路器和第二断路器，其中，所述第一断路器串联连接在单元直流母线内，所述第二断路器并联连接在所述单元直流母线内。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述预充电支路包括预充电断路器和充电电阻器。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述旁路支路包括旁路断路器和电抗器。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述多个飞轮储能单元的直流端串联连接。
为达到上述目的，本发明另一方面实施例提出了一种串联飞轮储能阵列装置的控制方法，采用上述实施例所述的装置，包括以下步骤：上电启动后，开始自检，若自检正常，则保持所述旁路支路内断路器断开，闭合所述预充电支路内断路器，以为所述每个飞轮储能单元内部的直流母线电容预充电，待电容电压到达预设电压后，断开所述预充电支路内断路器，闭合所述旁路支路内断路器，预充电过程结束；控制所述每个飞轮储能单元的飞轮本体从静止开始升速，待所有飞轮储能单元内飞轮的转速均达到预设转速，软启动过程结束；根据功率指令和飞轮转速状态执行充电或放电功能，其中，充电时，从所述直流电网获取能量，所述每个飞轮储能单元内飞轮升速，使得存储能量逐步升高，当最高转速到达设定的转速上限值时，停止充电；放电时，向所述直流电网发出能量，所述每个飞轮储能单元内飞轮降速，使得所述存储能量逐步降低，当飞轮最低转速到达设定的转速下限值时，停止放电。
本发明实施例的串联飞轮储能阵列装置的控制方法，与单台飞轮储能装置相比，其具有容量大、功率高等优势；与并联飞轮储能装置相比，其母线电压等级可任意扩展，可适用于高压直流电网，从而在实现容量和功率任意扩展的同时，实现母线电压等级的任意扩展，以适配高压直流电网，简单易实现。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明实施例的串联飞轮储能阵列装置的结构示意图；
图2为根据本发明实施例的飞轮储能单元的结构示意图；
图3为根据本发明实施例的串联飞轮储能阵列装置的控制方法流程图；
图4为根据本发明一个实施例的串联飞轮储能阵列装置的控制方法流程图。
附图标记说明：
多个飞轮储能单元1、飞轮本体101、电机102、AC/DC变流器103、第一断路器104、第二断路器105、阵列控制器2、预充电支路3、预充电断路器301、充电电阻器302、旁路支路4、旁路断路器401、电抗器402和直流电网5。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
针对现有并联飞轮储能阵列的不足，本发明实施例提出了一种串联飞轮储能阵列装置及其控制方法，克服并联飞轮储能装置难以应用在高压直流电网的弊端，在实现容量和功率任意扩展的同时，实现母线电压等级的任意扩展，以适配高压直流电网。与串联蓄电池储能阵列不同的是，蓄电池是直流元件，可直接串联或者通过DC-DC变换器串联；串联飞轮储能阵列中，飞轮与电机物理连接构成的是交流元件，需通过AC-DC变流器实现串联。
下面参照附图描述根据本发明实施例提出的串联飞轮储能阵列装置及其控制方法，首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的串联飞轮储能阵列装置。
图1是本发明一个实施例的串联飞轮储能阵列装置的结构示意图。
如图1所示，该串联飞轮储能阵列装置包括：多个飞轮储能单元1、阵列控制器2、预充电支路3、旁路支路4和直流电网5。
其中，预充电支路3用于为飞轮储能单元中的直流侧电容充电；旁路支路4用于预充电完毕后，旁路预充电支路；阵列控制器2用于预直流电网的电压匹配后，调节每个飞轮储能单元的飞轮转速进行充电或放电，实现直流电网储能。本发明实施例的装置用于直流电网储能，具有模块化结构，通过增加或减少单元数量可实现不同直流电网的电压匹配，简单易实现。
进一步地，在本发明的一个实施例中，如图2所示，每个飞轮储能单元1包括飞轮本体101、电机102、AC/DC变流器103、第一断路器104和第二断路器105，其中，第一断路器104串联连接在单元直流母线内，第二断路器105并联连接在单元直流母线内。
需要说明的是，电机转子与飞轮同轴，储能单元所存储能量与飞轮转动惯量成正比，储能单元所存储能量与飞轮转速的平方成正比。
进一步地，在本发明的一个实施例中，多个飞轮储能单元1的直流端串联连接。其中，多个飞轮储能单元1的单元数量可增减。
进一步地，在本发明的一个实施例中，预充电支路3包括预充电断路器301和充电电阻器302。具体地，预充电支路3由断路器和功率电阻串联组成，其作用是为储能单元中的直流侧电容充电。
进一步地，在本发明的一个实施例中，旁路支路4包括旁路断路器401和电抗器402。具体地，旁路支路4由断路器和电抗器串联组成，其作用是待预充电完毕后，旁路预充电支路。
根据本发明实施例提出的串联飞轮储能阵列装置的控制方法，与单台飞轮储能装置相比，其具有容量大、功率高等优势；与并联飞轮储能装置相比，其母线电压等级可任意扩展，可适用于高压直流电网，从而在实现容量和功率任意扩展的同时，实现母线电压等级的任意扩展，以适配高压直流电网，简单易实现。
上述实施例的装置通过调节各储能单元飞轮转速实现充电和放电，具体控制方法包括阵列装置启动控制、阵列装置充电和放电控制以及飞轮储能单元的能量管理。下面将参照附图描述根据本发明实施例提出的串联飞轮储能阵列装置的控制方法。
图3是本发明一个实施例的串联飞轮储能阵列装置的控制方法的流程图。
如图3所示，该串联飞轮储能阵列装置的控制方法，采用上述实施例的装置，结合系统工况，控制方法包括以下步骤：
在步骤S301中，上电启动后，开始自检，若自检正常，则保持旁路支路内断路器断开，闭合预充电支路内断路器，以为每个飞轮储能单元内部的直流母线电容预充电，待电容电压到达预设电压后，断开预充电支路内断路器，闭合旁路支路内断路器，预充电过程结束。
可以理解的是，如图4所示，系统启动后，首先完成自检，然后开始运行。具体地：系统上电启动后，开始自检。若自检正常，则保持旁路支路内断路器断开，闭合预充电支路内断路器，开始为飞轮储能单元内部的直流母线电容预充电，待电容电压到达指定值(可根据实际情况进行设置)后，断开预充电支路内断路器，闭合旁路支路内断路器，预充电过程结束。
在步骤S302中，控制每个飞轮储能单元的飞轮本体从静止开始升速，待所有飞轮储能单元内飞轮的转速均达到预设转速，软启动过程结束。
可以理解的是，如图4所示，飞轮储能单元软启动，控制飞轮从静止开始升速，待所有储能单元内飞轮的转速均达到指定值，软启动过程结束。
在步骤S303中，根据功率指令和飞轮转速状态执行充电或放电功能，其中，充电时，从直流电网获取能量，每个飞轮储能单元内飞轮升速，使得存储能量逐步升高，当最高转速到达设定的转速上限值时，停止充电；放电时，向直流电网发出能量，每个飞轮储能单元内飞轮降速，使得存储能量逐步降低，当飞轮最低转速到达设定的转速下限值时，停止放电。
可以理解的是，如图4所示，根据功率指令和飞轮转速状态，系统执行充电、放电和待机功能。充电时，系统从电网获取能量，各储能单元内飞轮升速，单元存储能量逐步升高，当各单元内飞轮最高转速到达设定的转速上限值时，系统停止充电；放电时，系统向电网发出能量，各储能单元内飞轮降速，单元存储能量逐步降低，当各单元内飞轮最低转速到达设定的转速下限值时，系统停止放电；待机时，系统从电网获取少部分能量，维持各飞轮转速恒定。
其中，在充电和放电过程中，阵列控制器通过控制各储能单元内的直流母线电压和飞轮转速，实现各储能单元存储能量管理。
需要说明的是，前述对串联飞轮储能阵列装置实施例的解释说明也适用于该实施例的串联飞轮储能阵列装置的控制方法，此处不再赘述。
根据本发明实施例提出的串联飞轮储能阵列装置的控制方法，与单台飞轮储能装置相比，其具有容量大、功率高等优势；与并联飞轮储能装置相比，其母线电压等级可任意扩展，可适用于高压直流电网，从而在实现容量和功率任意扩展的同时，实现母线电压等级的任意扩展，以适配高压直流电网，简单易实现。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (6)
1.一种串联飞轮储能阵列装置，其特征在于，包括：
直流电网和多个飞轮储能单元；
预充电支路，用于为所述飞轮储能单元中的直流侧电容充电；
旁路支路，用于预充电完毕后，旁路预充电支路；
阵列控制器，用于与所述直流电网的电压匹配后，调节所述每个飞轮储能单元的飞轮转速进行充电或放电，实现直流电网储能。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述每个飞轮储能单元包括飞轮本体、电机、AC/DC变流器、第一断路器和第二断路器，其中，所述第一断路器串联连接在单元直流母线内，所述第二断路器并联连接在所述单元直流母线内。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述预充电支路包括预充电断路器和充电电阻器。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述旁路支路包括旁路断路器和电抗器。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述多个飞轮储能单元的直流端串联连接。
6.一种串联飞轮储能阵列装置的控制方法，其特征在于，采用如权利要求1-5任一项所述的装置，包括以下步骤：
上电启动后，开始自检，若自检正常，则保持所述旁路支路内断路器断开，闭合所述预充电支路内断路器，以为所述每个飞轮储能单元内部的直流母线电容预充电，待电容电压到达预设电压后，断开所述预充电支路内断路器，闭合所述旁路支路内断路器，预充电过程结束；
控制所述每个飞轮储能单元的飞轮本体从静止开始升速，待所有飞轮储能单元内飞轮的转速均达到预设转速，软启动过程结束；
根据功率指令和飞轮转速状态执行充电或放电功能，其中，充电时，从所述直流电网获取能量，所述每个飞轮储能单元内飞轮升速，使得存储能量逐步升高，当最高转速到达设定的转速上限值时，停止充电；放电时，向所述直流电网发出能量，所述每个飞轮储能单元内飞轮降速，使得所述存储能量逐步降低，当飞轮最低转速到达设定的转速下限值时，停止放电。
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