CN112600229A - 用于孤岛电网的磁悬浮飞轮储能阵列系统及其控制方法 - Google Patents

用于孤岛电网的磁悬浮飞轮储能阵列系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于孤岛电网的磁悬浮飞轮储能阵列系统及其控制方法，涉及微电网技术领域，该系统包括：多个飞轮储能设备；多个储能变流器；频率检测装置，实时获取孤岛电网的频率；控制装置，根据频率与电网额定频率的差值得到孤岛电网的频率变化量，并根据频率变化量控制多个飞轮储能设备进入一次调频模式或惯量响应模式。本发明在孤岛电网中配置磁悬浮飞轮储能阵列系统，在孤岛电网突发大容量有功功率缺额或频率波动时，依靠磁悬浮飞轮储能阵列系统提供惯量响应或一次调频，对电网频率进行有效调节，维持电网频率稳定，能够及时弥补孤岛电网主动支撑能力不足、无法进行快速惯量响应、缺乏可靠的一次调频手段以及抗频率扰动能力弱等问题。

Description

用于孤岛电网的磁悬浮飞轮储能阵列系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及微电网技术领域，尤其是涉及一种用于孤岛电网的磁悬浮飞轮储能阵列系统及其控制方法。
背景技术
孤岛电网，又称微电网，其是由分布式电源、储能装置、能量转换装置、负荷、监控和保护装置等组成的小型发配电系统，其发电系统及负荷构成一个可自力运行的孤网系统，例如图1所示。微电网的孤岛模式是指微电网工作在非并网模式下，与大电网解列后依靠微电网内的分布式电源实现自给自足。
孤岛电网的基本特点是电压和频率的波动范围较大，受负荷运行的影响较为明显，与联网电力系统相比，孤岛电网由于各种调频手段限制以及无功补偿控制手段不足，其静态稳定性和动态稳定性都较差，有功功率不平衡发生时一般需要经过较长时间的发电调整才能恢复，甚至出现频率崩溃和电压崩溃现象。一旦有负载突然减载，有功过剩的电网将频率升高，引起高频切发电机控制装置动作；在有功缺额严重的区域，会造成频率崩溃，引起大面积的停电现象。
目前孤岛电网想要具备惯量响应和频率调节能力，一种实现方式是通过对分布式发电机组进行改造，比如利用风电机组自身的转子惯量，通过增加虚拟惯量（结合逆变器与虚拟惯量控制算法，达到类似同步发电机调频调压的作用）控制，提供一定的惯量支撑。另一种实现方式是利用孤岛电网中现有的储能设备，在电网频率波动时通过调节储能设备出力，对电网频率进行有功调节。
然而，目前孤岛电网在实现惯量响应和频率调节时存在如下缺点：
（1）依靠孤岛电网自身的分布式新能源（如风电、光伏）难以提供足够的惯量支撑，无法改善系统惯量，频率变化率未能改善，导致低惯量系统越限风险依然存在；通过采用虚拟惯量控制可使新能源提供一定惯量支撑，但由于一次能源输入的可控性差（风机转子在短暂释放惯性能量后，在转速恢复阶段将从电网吸收能量），可能导致频率二次跌落等次生事故。
（2）孤岛电网的惯量响应需要瞬时提供大功率支撑，蓄电池响应时间无法满足惯量响应的要求，同时蓄电池不能瞬间以满功率释放电能，这是由于电化学储能技术的原理所决定的。
（3）分布式新能源（如风电、光伏）受外界环境（如风速、光照等）影响严重，外界环境的变化会引起输出功率的变化，导致频率波动频繁。而孤岛电网在与主网分离后，无法获得大电网的频率调节能力，依靠其配置的常规储能设备虽然可以进行一定程度上的频率调节，但常规储能设备只能实现短时供电、电力调峰以及黑启动等功能，并非用于电力调频；同时受制于化学电池循环充放电寿命短暂（如：铅酸蓄电池500次左右，铅碳电池2000次左右，锂电池6000次左右），因此，常规储能设备并不能满足这种需要频繁充放电动作的应用场景的充放电需求。
由此，当孤岛电网发生大功率缺额时，例如分布式风电机组处于无风或低风速状态，或者分布式光伏发电突然遭遇阴雨或多云天气，或者微型燃气发电站因突发故障停机，此时用电负荷对电能的需求量不变，则整个孤岛电网面临巨大的有功功率缺额。此时通过采用虚拟惯量控制可使风电机组提供一定惯量支撑，但由于一次能源输入的可控性差，可能导致频率二次跌落等次生事故，而且频率二次跌落值往往高于首次缺额；而传统的储能设备无法立即进行惯量响应提供足够的功率支撑，此时整个电网系统面临巨大的低频风险，若无法立即有效弥补有功功率的缺额，则无法防止电网系统崩溃、保护发电/用电设备，只能通过切除部分用电负荷来维持系统功率平衡，而这会大大影响电力用户的使用，导致孤岛电网的可靠性不高。
发明内容
本发明旨在解决现有技术中孤岛电网主动支撑能力不足、无法进行快速惯量响应、缺乏可靠的一次调频手段以及抗频率扰动能力弱的技术问题。
为此，本发明的一个目的在于提出一种用于孤岛电网的磁悬浮飞轮储能阵列系统，在孤岛电网中配置该磁悬浮飞轮储能阵列系统，在孤岛电网突发大容量有功功率缺额或频率波动时，依靠磁悬浮飞轮储能阵列系统提供惯量响应或一次调频，对电网频率进行有效调节，维持电网频率稳定，能够及时弥补孤岛电网主动支撑能力不足、无法进行快速惯量响应、缺乏可靠的一次调频手段以及抗频率扰动能力弱等问题。
为此，本发明的第二个目的在于提出一种磁悬浮飞轮储能阵列系统的控制方法。
为了解决上述问题，本发明第一方面实施例提出一种用于孤岛电网的磁悬浮飞轮储能阵列系统，包括：并联连接的多个飞轮储能设备；多个储能变流器，多个所述飞轮储能设备一一对应的通过多个所述储能变流器接入孤岛电网；频率检测装置，用于实时获取所述孤岛电网的频率；控制装置，分别与所述频率检测装置和多个所述飞轮储能设备连接，用于根据所述频率与电网额定频率的差值得到所述孤岛电网的频率变化量，并根据所述频率变化量控制多个所述飞轮储能设备进入一次调频模式或惯量响应模式，以对所述孤岛电网进行一次调频或惯量响应。
根据本发明实施例的用于孤岛电网的磁悬浮飞轮储能阵列系统，在孤岛电网中配置该磁悬浮飞轮储能阵列系统，在孤岛电网突发大容量有功功率缺额或频率波动时，依靠磁悬浮飞轮储能阵列系统提供惯量响应或一次调频，对电网频率进行有效调节，维持电网频率稳定，确保发电和用电设备安全稳定运行，有效治理了低惯量系统越限风险，能够及时弥补孤岛电网主动支撑能力不足、无法进行快速惯量响应、缺乏可靠的一次调频手段、抗频率扰动能力弱等问题，防止孤岛电网崩溃，也避免了采用虚拟惯量控制可能导致频率二次跌落等次生事故的发生；同时，利用磁悬浮飞轮储能阵列系统可以实现毫秒级快速响应、瞬时满功率输出、循环使用寿命超长等特点，规避了化学电池频繁动作降低其寿命的缺点，从而在满足系统惯量响应需求的同时，还可以兼顾提供稳定可靠的一次调频能力，精简了储能资源的配置，降低了储能成本；另外，减少了分布式新能源机组动作频次，降低了新能源机组折旧率，从而延长了新能源机组的使用寿命；由此，提高了孤岛电网运行的可靠性及整体经济效益。
另外，根据本发明上述实施例的用于孤岛电网的磁悬浮飞轮储能阵列系统还可以具有如下附加的技术特征：
进一步地，所述控制装置，用于：当所述频率变化量的绝对值大于或等于第一预设频率阈值且小于第二预设频率阈值时，控制多个所述飞轮储能设备进入所述一次调频模式；当所述频率变化量的绝对值大于或等于所述第二预设频率阈值时，控制多个所述飞轮储能设备进入惯量响应模式。
进一步地，在所述一次调频模式下，所述控制装置，用于：当所述频率变化量大于0时，控制多个所述飞轮储能设备充电，直至所述孤岛电网的频率停止上升，且所述频率变化量的绝对值小于所述第一预设频率阈值时，控制多个所述飞轮储能设备退出所述一次调频模式；当所述频率变化量小于0时，控制多个所述飞轮储能设备放电，直至所述孤岛电网的频率停止下降，且所述频率变化量的绝对值小于所述第一预设频率阈值时，控制多个所述飞轮储能设备退出所述一次调频模式。
进一步地，在所述惯量响应模式下，所述控制装置，用于：当所述频率变化量大于0时，控制多个所述飞轮储能设备充电，直至所述孤岛电网的频率停止上升，且所述频率变化量的绝对值大于或等于所述第一预设频率阈值且小于所述第二预设频率阈值时，控制多个所述飞轮储能设备退出所述惯量响应模式；当所述频率变化量小于0时，控制多个所述飞轮储能设备放电，直至所述孤岛电网的频率停止下降，且所述频率变化量的绝对值大于或等于所述第一预设频率阈值且小于所述第二预设频率阈值时，控制多个所述飞轮储能设备退出所述惯量响应模式。
进一步地，在控制多个所述飞轮储能设备退出所述惯量响应模式后，所述控制装置还用于：控制多个所述飞轮储能设备进入所述一次调频模式。
本发明第二方面实施例提供一种磁悬浮飞轮储能阵列系统的控制方法，所述磁悬浮飞轮储能阵列系统与孤岛电网连接，所述控制方法包括：实时获取所述孤岛电网的频率；根据所述频率与电网额定频率的差值得到所述孤岛电网的频率变化量；根据所述频率变化量控制所述磁悬浮飞轮储能阵列系统的多个所述飞轮储能设备进入一次调频模式或惯量响应模式，以对所述孤岛电网进行一次调频或惯量响应。
根据本发明实施例的磁悬浮飞轮储能阵列系统的控制方法，在孤岛电网中配置磁悬浮飞轮储能阵列系统，在孤岛电网突发大容量有功功率缺额或频率波动时，依靠磁悬浮飞轮储能阵列系统提供惯量响应或一次调频，对电网频率进行有效调节，维持电网频率稳定，确保发电和用电设备安全稳定运行，有效治理了低惯量系统越限风险，能够及时弥补孤岛电网主动支撑能力不足、无法进行快速惯量响应、缺乏可靠的一次调频手段、抗频率扰动能力弱等问题，防止孤岛电网崩溃，也避免了采用虚拟惯量控制可能导致频率二次跌落等次生事故的发生；同时，利用磁悬浮飞轮储能阵列系统可以实现毫秒级快速响应、瞬时满功率输出、循环使用寿命超长等特点，规避了化学电池频繁动作降低其寿命的缺点，从而在满足系统惯量响应需求的同时还可以兼顾提供稳定可靠的一次调频能力，精简了储能资源的配置，降低了储能成本；另外，减少了分布式新能源机组动作频次，降低了新能源机组折旧率，从而延长了新能源机组的使用寿命；由此，提高了孤岛电网运行的可靠性及整体经济效益。
另外，根据本发明上述实施例的磁悬浮飞轮储能阵列系统的控制方法还可以具有如下附加的技术特征：
进一步地，所述根据所述频率变化量控制所述磁悬浮飞轮储能阵列系统的多个所述飞轮储能设备进入一次调频模式或惯量响应模式，包括：当所述频率变化量的绝对值大于或等于第一预设频率阈值且小于第二预设频率阈值时，控制多个所述飞轮储能设备进入所述一次调频模式；当所述频率变化量的绝对值大于或等于所述第二预设频率阈值时，控制多个所述飞轮储能设备进入惯量响应模式。
进一步地，在所述一次调频模式下，所述方法包括：当所述频率变化量大于0时，控制多个所述飞轮储能设备充电，直至所述孤岛电网的频率停止上升，且所述频率变化量的绝对值小于所述第一预设频率阈值时，控制多个所述飞轮储能设备退出所述一次调频模式；当所述频率变化量小于0时，控制多个所述飞轮储能设备放电，直至所述孤岛电网的频率停止下降，且所述频率变化量的绝对值小于所述第一预设频率阈值时，控制多个所述飞轮储能设备退出所述一次调频模式。
进一步地，在所述惯量响应模式下，所述方法包括：当所述频率变化量大于0时，控制多个所述飞轮储能设备充电，直至所述孤岛电网的频率停止上升，且所述频率变化量的绝对值大于或等于所述第一预设频率阈值且小于所述第二预设频率阈值时，控制多个所述飞轮储能设备退出所述惯量响应模式；当所述频率变化量小于0时，控制多个所述飞轮储能设备放电，直至所述孤岛电网的频率停止下降，且所述频率变化量的绝对值大于或等于所述第一预设频率阈值且小于所述第二预设频率阈值时，控制多个所述飞轮储能设备退出所述惯量响应模式。
进一步地，在控制多个所述飞轮储能设备退出所述惯量响应模式后，还包括：控制多个所述飞轮储能设备进入所述一次调频模式。
本发明的附加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
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是现有技术中孤岛电网系统组成示意图；
图2是根据本发明一个实施例的用于孤岛电网的磁悬浮飞轮储能阵列系统的结构示意图；
图3是根据本发明一个具体实施例的用于孤岛电网的磁悬浮飞轮储能阵列系统的工作流程示意图；
图4是根据本发明一个实施例的磁悬浮飞轮储能阵列系统的控制方法的流程图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，参考附图描述的实施例是示例性的，下面详细描述本发明的实施例。
下面参考图2-图4描述根据本发明实施例的用于孤岛电网的磁悬浮飞轮储能阵列系统及其控制方法。
图2是根据本发明一个实施例的用于孤岛电网的磁悬浮飞轮储能阵列系统的结构示意图。如图2所示，该磁悬浮飞轮储能阵列系统100，包括：多个飞轮储能设备110、多个储能变流器120、频率检测装置130和控制装置140。
其中，多个飞轮储能设备110相互并联连接，且多个飞轮储能设备110一一对应的通过多个储能变流器120（Power Conversion System，PCS）接入孤岛电网。
具体而言，飞轮储能设备110是组成磁悬浮飞轮储能阵列系统100的基础单元，其为一种机电能量转换和储存装置。储能变流器120作为飞轮储能设备110和孤岛电网的柔性接口，采用高可靠性的智能化功率模块进行开发，通过充、放电一体化的设计，实现交流系统和直流系统的能量双向流动。
频率检测装置130用于实时获取孤岛电网的频率。
具体而言，即频率检测装置130负责监控孤岛电网的频率波动，实时采集孤岛电网的频率信号，获得孤岛电网的实时频率，并发送至控制装置140。
控制装置140分别与频率检测装置130和多个飞轮储能设备110连接，用于根据孤岛电网的频率与电网额定频率的差值得到孤岛电网的频率变化量，并根据频率变化量控制多个飞轮储能设备110进入一次调频模式或惯量响应模式，以对孤岛电网进行一次调频或惯量响应。
具体而言，即控制装置140负责处理、分析、对比整个孤岛电网的频率参数，根据磁悬浮飞轮储能阵列系统100算法逻辑控制系统运转，对磁悬浮飞轮储能阵列系统100下发充/放电指令，从而对孤岛电网进行惯量响应和一次调频。
在本发明的实施例中，即在孤岛电网系统中配置了磁悬浮飞轮储能阵列系统100，通过磁悬浮飞轮储能阵列系统100对孤岛电网进行惯量响应和一次调频，相比于传统蓄电池的响应时间，磁悬浮飞轮储能阵列系统100可以实现毫秒级响应，并可立即满功率输出，弥补系统有功功率缺额，防止整个系统崩溃。依靠磁悬浮飞轮储能阵列系统100可以频繁进行大功率充放电，其循环工作寿命高达200万次以上，可以对整个孤岛电网的频率进行有效调节，维持孤岛电网的功率平衡。
从而，上述的磁悬浮飞轮储能阵列系统100，在孤岛电网中配置该磁悬浮飞轮储能阵列系统100，在孤岛电网突发大容量有功功率缺额或频率波动时，依靠磁悬浮飞轮储能阵列系统100提供惯量响应或一次调频，对电网频率进行有效调节，维持电网频率稳定，确保发电和用电设备安全稳定运行，有效治理了低惯量系统越限风险，能够及时弥补孤岛电网主动支撑能力不足、无法进行快速惯量响应、缺乏可靠的一次调频手段以及抗频率扰动能力弱等问题，防止孤岛电网崩溃，也避免了采用虚拟惯量控制可能导致频率二次跌落等次生事故的发生；同时，利用磁悬浮飞轮储能阵列系统100可以实现毫秒级快速响应、瞬时满功率输出、循环使用寿命超长等特点，规避了化学电池频繁动作降低其寿命的缺点，从而在满足系统惯量响应需求的同时还可以兼顾提供稳定可靠的一次调频能力，精简了储能资源的配置，降低了储能成本；另外，减少了分布式新能源机组动作频次，降低了新能源机组折旧率，从而延长了新能源机组的使用寿命；由此，提高了孤岛电网运行的可靠性及整体经济效益。
在本发明的一个实施例中，结合图2所示，每个飞轮储能设备110包括：功率变换器111、永磁同步电机112、磁悬浮轴承组件113和飞轮114，其中，磁悬浮轴承组件113可包括一对磁悬浮轴承，分别设在飞轮114的两端。
具体地，如图2所示，功率变换器111的一端与对应的储能变流器120连接，功率变换器111的另一端与永磁同步电机112的一端连接；永磁同步电机112的另一端与磁悬浮轴承组件113连接；飞轮114分别与磁悬浮轴承组件113和控制装置140连接。
具体而言，飞轮114例如为转动惯量大、转速高的惯性轮，是动能的主要存储载体；永磁同步电机112例如为高速永磁双模电机，高速永磁双模电机可以工作在发电机/电动机两种工作模式下，实现电能和动能的双向转换；磁悬浮轴承组件113起支撑和保护的作用；功率变换器111用于实现直流和交流的双向转换，以及变频驱动。
飞轮储能设备110的工作原理概述为：存储能量时，磁悬浮轴承组件113控制飞轮114悬浮并且磁悬浮轴承组件113与电机之间无接触，飞轮114高速运转，永磁同步电机112作为电动机运行，通过功率变换器111从系统吸收能量，通过飞轮转子加速，将电能转化为动能；释放能量时，永磁同步电机112作为发电机运行，通过功率变换器111向系统释放能量，通过飞轮转子减速，将动能转化为电能。
在本发明的一个实施例中，控制装置140，用于：当频率变化量的绝对值大于或等于第一预设频率阈值且小于第二预设频率阈值时，控制多个飞轮储能设备110进入一次调频模式；当频率变化量的绝对值大于或等于第二预设频率阈值时，控制多个飞轮储能设备110进入惯量响应模式。
在具体实施例中，孤岛电网的频率例如记作f0，电网额定频率例如记作fn，fn为预先设定的值，例如取fn=50Hz，频率f0与电网额定频率fn的差值，即孤岛电网的频率变化量，例如记作△f，频率变化量△f的绝对值，例如记作|△f|；第一预设频率阈值即电网额定频率fn对应的一次调频死区，例如记作fp，其取值例如为0.05Hz，第二预设频率阈值即电网额定频率fn对应的惯量响应死区，例如记作fi，其取值例如为0.2Hz。即控制装置140判断|△f|与fp和fi的大小关系，若fp≤|△f|<fi，即0.05Hz≤|△f|<0.2Hz，此时认为孤岛电网的频率波动较小，则控制多个飞轮储能设备110进入一次调频模式。若|△f|≥fi，即|△f|≥0.2Hz，此时认为孤岛电网的频率波动较大，则控制多个飞轮储能设备110进入惯量响应模式。
在本发明的一个实施例中，在一次调频模式下，控制装置140，用于：当频率变化量大于0时，控制多个飞轮储能设备110充电，直至孤岛电网的频率停止上升，且频率变化量的绝对值小于第一预设频率阈值时，控制多个飞轮储能设备110退出一次调频模式；当频率变化量小于0时，控制多个飞轮储能设备110放电，直至孤岛电网的频率停止下降，且频率变化量的绝对值小于第一预设频率阈值时，控制多个飞轮储能设备110退出一次调频模式。即，进入一次调频模式后，通过频率变化量Δf确定多个飞轮储能设备110的充放电策略。
具体而言，即在判断fp≤|△f|<fi之后，进一步判断△f与0之间的大小关系，以选择当前磁悬浮飞轮储能阵列系统100的工作模式（如充电/放电）。当△f＞0时，说明此时孤岛电网的频率f0升高，例如高于50Hz，需要飞轮吸收电能，则控制多个飞轮储能设备110充电，以吸收电能，降低孤岛电网的系统出力，使孤岛电网的频率f0下调；同时实时监控孤岛电网的频率f0，若孤岛电网的频率f0停止上升，且|△f|<fp，认为一次调频完成，则控制多个飞轮储能设备110退出一次调频模式，之后多个飞轮储能设备110进入保持状态，停止充放电；当△f＜0时，说明此时孤岛电网的频率f0降低，例如低于50Hz，需要磁悬浮飞轮储能阵列系统100释放电能，则控制多个飞轮储能设备110放电，以释放电能，提高孤岛电网的系统出力，使孤岛电网的频率f0上调；同时实时监控孤岛电网的频率f0，若孤岛电网的频率f0停止下降，且|△f|<fp，认为一次调频完成，则控制多个飞轮储能设备110退出一次调频模式，之后多个飞轮储能设备110进入保持状态，停止充放电。
在本发明的一个实施例中，在惯量响应模式下，控制装置140，用于：当频率变化量大于0时，控制多个飞轮储能设备110充电，直至孤岛电网的频率停止上升，且频率变化量的绝对值大于或等于第一预设频率阈值且小于第二预设频率阈值时，控制多个飞轮储能设备110退出惯量响应模式；当频率变化量小于0时，控制多个飞轮储能设备110放电，直至孤岛电网的频率停止上升，且频率变化量的绝对值大于或等于第一预设频率阈值且小于第二预设频率阈值时，控制多个飞轮储能设备110退出惯量响应模式。即，进入惯量响应模式后，通过频率变化量Δf确定多个飞轮储能设备110的充放电策略。
具体而言，即在判断|△f|≥fi之后，进一步判断△f与0之间的大小关系，以选择当前磁悬浮飞轮储能阵列系统100的工作模式（如充电/放电）。当△f＞0时，说明此时孤岛电网的频率f0升高，例如高于50Hz，需要飞轮吸收电能，则控制多个飞轮储能设备110充电，以吸收电能，降低孤岛电网的系统出力，使孤岛电网的频率f0下调；同时实时监控孤岛电网的频率f0，若孤岛电网的频率f0停止上升，且fp≤|Δf|＜fi，认为惯量响应完成，则控制多个飞轮储能设备110退出惯量响应模式；当△f＜0时，说明此时孤岛电网的频率f0降低，例如低于50Hz，需要磁悬浮飞轮储能阵列系统100释放电能，则控制多个飞轮储能设备110放电，以释放电能，提高孤岛电网的系统出力，使孤岛电网的频率f0上调；同时实时监控孤岛电网的频率f0，若孤岛电网的频率f0停止下降，且fp≤|Δf|＜fi，认为惯量响应完成，则控制多个飞轮储能设备110退出惯量响应模式。
在本发明的一个实施例中，在控制多个飞轮储能设备110退出惯量响应模式后，控制装置140还用于：控制多个飞轮储能设备110进入一次调频模式。换言之，即在频率波动较大时，控制多个飞轮储能设备110进入惯量响应模式，以对频率进行快速调节，当调节至频率波动较小时，控制多个飞轮储能设备110退出惯量响应模式，以便进入一次调频模式对频率进行微调。
作为具体的实施例，以下结合图3，详细描述本发明实施例的用于孤岛电网的磁悬浮飞轮储能阵列系统100的工作流程，以便更好的理解本发明。
在本实施例中，以孤岛电网的频率记作f0，电网额定频率记作fn，且fn=50Hz，频率f0与电网额定频率fn的差值，即孤岛电网的频率变化量记作△f，频率变化量△f的绝对值记作|△f|，第一预设频率阈值记作fp，第二预设频率阈值记作fi为例进行说明。具体地，结合图3所示，该磁悬浮飞轮储能阵列系统100的工作流程概述为：
S1：通过频率检测装置130实时采集孤岛电网的频率f0，控制装置140获取频率f0，并计算f0与电网额定频率fn的差值，得到频率变化量△f及其绝对值|△f|。其中，设定电网额定频率fn=50Hz作为基准，其对应的一次调频死区，即第一预设频率阈值fp的取值为0.05Hz，其对应的惯量响应死区，即第二预设频率阈值fi的取值为0.2Hz 。
S2：判断|△f|是否小于fp，若是，认为孤岛电网的频率f0在一次调频死区范围内，多个飞轮储能设备110无需动作，则进入步骤S12，若否，认为孤岛电网的频率f0超出一次调频死区范围，多个飞轮储能设备110准备动作，则进入步骤S3。
S3：磁悬浮飞轮储能阵列系统100进入工作状态，进入步骤S4。
S4：计算|△f|与fi及fp之间的关系，以判断磁悬浮飞轮储能阵列系统100的工作模式，根据判断结果进入步骤S5或步骤S13。
S5：若fp≤|△f|<fi，则进入一次调频模式，并进入步骤S6。
S6：通过频率变化量△f判断磁悬浮飞轮储能阵列系统100的充放电模式，根据判断结果进入步骤S7或步骤S9。
S7：若△f＞0，即此时孤岛电网的频率f0高于50Hz，则控制多个飞轮储能设备110充电，以吸收电能，降低孤岛电网的系统出力，使孤岛电网的频率f0下调，并进入步骤S8。
S8：判断频率f0是否停止上升，且|△f|是否小于fp，若是，则进入步骤S11，若否，则返回步骤S7。
S9：若△f<0，即此时孤岛电网的频率f0低于50Hz，则控制多个飞轮储能设备110放电，以释放电能，提高孤岛电网的系统出力，使孤岛电网的频率f0上调，并进入步骤S10。
S10：判断频率f0是否停止下降，且|△f|是否小于fp，若是，则进入步骤S11，若否，则返回步骤S10。
S11：退出一次调频模式，结束一次调频，并进入步骤S12。
S12：多个飞轮储能设备110进入保持状态，停止充放电，并返回步骤S1。
S13：若|△f|≥fi，则进入惯量响应模式，并进入步骤S14。
S14：通过频率变化量△f判断磁悬浮飞轮储能阵列系统100的充放电模式，根据判断结果进入步骤S15或步骤S17。
S15：若△f＞0，即此时孤岛电网的频率f0高于50Hz，则控制多个飞轮储能设备110充电，以吸收电能，降低孤岛电网的系统出力，使孤岛电网的频率f0下调，并进入步骤S16。
S16：判断频率f0是否停止上升，且|△f|是否大于或等于fp且小于fi，若是，则进入步骤S19，若否，则返回步骤S15。
S17：若△f<0，即此时孤岛电网的频率f0低于50Hz，则控制多个飞轮储能设备110放电，以释放电能，提高孤岛电网的系统出力，使孤岛电网的频率f0上调，并进入步骤S18。
S18：判断频率f0是否停止下降，且|△f|是否大于或等于fp且小于fi，若是，则进入步骤S19，若否，则返回步骤S17。
S19：退出惯量响应模式，结束惯量响应，并进入步骤S5，即进入一次调频模式。
在本实施例中，在孤岛电网中配置了磁悬浮飞轮储能阵列系统100，磁悬浮飞轮储能阵列系统100及时弥补了主动支撑能力不足、无法进行快速惯量响应、缺乏可靠的一次调频手段、抗频率扰动能力弱等问题；避免了采用虚拟惯量控制后，可能导致频率二次跌落等次生事故的发生。并且，利用磁悬浮飞轮储能阵列系统100，可以毫秒级快速响应、瞬时满功率输出、循环使用寿命超长等特点，规避了化学电池频繁动作降低其寿命的缺点，在满足系统惯量响应需求的同时，还可以兼顾提供稳定可靠的一次调频能力，精简了储能资源的配置，降低了储能成本；另外，减少了分布式新能源机组动作频次，降低了新能源机组折旧率，从而延长了新能源机组的使用寿命；由此，提高了孤岛电网运行的可靠性及整体经济效益。
根据本发明实施例的用于孤岛电网的磁悬浮飞轮储能阵列系统，在孤岛电网中配置该磁悬浮飞轮储能阵列系统，在孤岛电网突发大容量有功功率缺额或频率波动时，依靠磁悬浮飞轮储能阵列系统提供惯量响应或一次调频，对电网频率进行有效调节，维持电网频率稳定，确保发电和用电设备安全稳定运行，有效治理了低惯量系统越限风险，能够及时弥补孤岛电网主动支撑能力不足、无法进行快速惯量响应、缺乏可靠的一次调频手段以及抗频率扰动能力弱等问题，防止孤岛电网崩溃，也避免了采用虚拟惯量控制可能导致频率二次跌落等次生事故的发生；同时，利用磁悬浮飞轮储能阵列系统可以实现毫秒级快速响应、瞬时满功率输出、循环使用寿命超长等特点，规避了化学电池频繁动作降低其寿命的缺点，从而在满足系统惯量响应需求的同时，还可以兼顾提供稳定可靠的一次调频能力，精简了储能资源的配置，降低了储能成本；另外，减少了分布式新能源机组动作频次，降低了新能源机组折旧率，从而延长了新能源机组的使用寿命；由此，提高了孤岛电网运行的可靠性及整体经济效益。
本发明的进一步实施例提出了一种磁悬浮飞轮储能阵列系统的控制方法，其中，涉及的所述磁悬浮飞轮储能阵列系统例如为本发明上述任意一个实施例所描述的用于孤岛电网的磁悬浮飞轮储能阵列系统。即，该磁悬浮飞轮储能阵列系统与孤岛电网连接，该磁悬浮飞轮储能阵列系统的具体结构及组成部分，请参见前文中的相关描述，为减少冗余，此处不再赘述。
图4是根据本发明一个实施例的磁悬浮飞轮储能阵列系统的控制方法的流程图。如图4所示，该磁悬浮飞轮储能阵列系统的控制方法，包括以下步骤：
步骤S101：实时获取孤岛电网的频率。
在具体示例中，例如通过频率检测装置监控孤岛电网的频率波动，实时采集孤岛电网的频率信号，获得孤岛电网的实时频率。
步骤S102：根据频率与电网额定频率的差值得到孤岛电网的频率变化量。
步骤S103：根据频率变化量控制磁悬浮飞轮储能阵列系统的多个飞轮储能设备进入一次调频模式或惯量响应模式，以对孤岛电网进行一次调频或惯量响应。
在具体示例中，例如通过控制装置处理、分析、对比整个孤岛电网的频率参数，根据磁悬浮飞轮储能阵列系统算法逻辑控制磁悬浮飞轮储能阵列系统运转，对磁悬浮飞轮储能阵列系统下发充/放电指令，从而对孤岛电网进行惯量响应和一次调频。
在本发明的实施例中，即在孤岛电网系统中配置了磁悬浮飞轮储能阵列系统，通过磁悬浮飞轮储能阵列系统对孤岛电网进行惯量响应和一次调频，相比于传统蓄电池的响应时间，磁悬浮飞轮储能阵列系统可以实现毫秒级响应，并可立即满功率输出，弥补系统有功功率缺额，防止整个系统崩溃。依靠磁悬浮飞轮储能阵列系统可以频繁进行大功率充放电，其循环工作寿命高达200万次以上，可以对整个孤岛电网的频率进行有效调节，维持孤岛电网的功率平衡。
从而，上述的磁悬浮飞轮储能阵列系统的控制方法，在孤岛电网中配置了磁悬浮飞轮储能阵列系统，在孤岛电网突发大容量有功功率缺额或频率波动时，依靠磁悬浮飞轮储能阵列系统提供惯量响应或一次调频，对电网频率进行有效调节，维持电网频率稳定，确保发电和用电设备安全稳定运行，有效治理了低惯量系统越限风险，能够及时弥补孤岛电网主动支撑能力不足、无法进行快速惯量响应、缺乏可靠的一次调频手段以及抗频率扰动能力弱等问题，防止孤岛电网崩溃，也避免了采用虚拟惯量控制可能导致频率二次跌落等次生事故的发生；同时，利用磁悬浮飞轮储能阵列系统可以实现毫秒级快速响应、瞬时满功率输出、循环使用寿命超长等特点，规避了化学电池频繁动作降低其寿命的缺点，从而在满足系统惯量响应需求的同时还可以兼顾提供稳定可靠的一次调频能力，精简了储能资源的配置，降低了储能成本；另外，减少了分布式新能源机组动作频次，降低了新能源机组折旧率，从而延长了新能源机组的使用寿命；由此，提高了孤岛电网运行的可靠性及整体经济效益。
在本发明的一个实施例中，步骤S103中，根据频率变化量控制磁悬浮飞轮储能阵列系统的多个飞轮储能设备进入一次调频模式或惯量响应模式，包括：当频率变化量的绝对值大于或等于第一预设频率阈值且小于第二预设频率阈值时，控制多个飞轮储能设备进入一次调频模式；当频率变化量的绝对值大于或等于第二预设频率阈值时，控制多个飞轮储能设备进入惯量响应模式。
在具体实施例中，孤岛电网的频率例如记作f0，电网额定频率例如记作fn，fn为预先设定的值，例如取fn=50Hz，频率f0与电网额定频率fn的差值，即孤岛电网的频率变化量，例如记作△f，频率变化量△f的绝对值，例如记作|△f|；第一预设频率阈值即电网额定频率fn对应的一次调频死区，例如记作fp，其取值例如为0.05Hz，第二预设频率阈值即电网额定频率fn对应的惯量响应死区，例如记作fi，其取值例如为0.2Hz。即，判断|△f|与fp和fi的大小关系，若fp≤|△f|<fi，即0.05Hz≤|△f|<0.2Hz，此时认为孤岛电网的频率波动较小，则控制多个飞轮储能设备进入一次调频模式。若|△f|≥fi，即|△f|≥0.2Hz，此时认为孤岛电网的频率波动较大，则控制多个飞轮储能设备进入惯量响应模式。
在本发明的一个实施例中，在一次调频模式下，具体包括：当频率变化量大于0时，控制多个飞轮储能设备充电，直至孤岛电网的频率停止上升，且频率变化量的绝对值小于第一预设频率阈值时，控制多个飞轮储能设备退出一次调频模式；当频率变化量小于0时，控制多个飞轮储能设备放电，直至孤岛电网的频率停止下降，且频率变化量的绝对值小于第一预设频率阈值时，控制多个飞轮储能设备退出一次调频模式。即，进入一次调频模式后，通过频率变化量Δf确定多个飞轮储能设备的充放电策略。
具体而言，即在判断fp≤|△f|<fi之后，进一步判断△f与0之间的大小关系，以选择当前磁悬浮飞轮储能阵列系统的工作模式（如充电/放电）。当△f＞0时，说明此时孤岛电网的频率f0升高，例如高于50Hz，需要飞轮吸收电能，则控制多个飞轮储能设备充电，以吸收电能，降低孤岛电网的系统出力，使孤岛电网的频率f0下调；同时实时监控孤岛电网的频率f0，若孤岛电网的频率f0停止上升，且|△f|<fp，认为一次调频完成，则控制多个飞轮储能设备退出一次调频模式，之后多个飞轮储能设备进入保持状态，停止充放电；当△f＜0时，说明此时孤岛电网的频率f0降低，例如低于50Hz，需要磁悬浮飞轮储能阵列系统释放电能，则控制多个飞轮储能设备放电，以释放电能，提高孤岛电网的系统出力，使孤岛电网的频率f0上调；同时实时监控孤岛电网的频率f0，若孤岛电网的频率f0停止下降，且|△f|<fp，认为一次调频完成，则控制多个飞轮储能设备退出一次调频模式，之后多个飞轮储能设备进入保持状态，停止充放电。
在本发明的一个实施例中，在惯量响应模式下，具体包括：当频率变化量大于0时，控制多个飞轮储能设备充电，直至孤岛电网的频率停止上升，且频率变化量的绝对值大于或等于第一预设频率阈值且小于第二预设频率阈值时，控制多个飞轮储能设备退出惯量响应模式；当频率变化量小于0时，控制多个飞轮储能设备放电，直至孤岛电网的频率停止下降，且频率变化量的绝对值大于或等于第一预设频率阈值且小于第二预设频率阈值时，控制多个飞轮储能设备退出惯量响应模式。即，进入惯量响应模式后，通过频率变化量Δf确定多个飞轮储能设备的充放电策略。
具体而言，即在判断|△f|≥fi之后，进一步判断△f与0之间的大小关系，以选择当前磁悬浮飞轮储能阵列系统的工作模式（如充电/放电）。当△f＞0时，说明此时孤岛电网的频率f0升高，例如高于50Hz，需要飞轮吸收电能，则控制多个飞轮储能设备充电，以吸收电能，降低孤岛电网的系统出力，使孤岛电网的频率f0下调；同时实时监控孤岛电网的频率f0，若孤岛电网的频率f0停止上升，且fp≤|Δf|＜fi，认为惯量响应完成，则控制多个飞轮储能设备退出惯量响应模式；当△f＜0时，说明此时孤岛电网的频率f0降低，例如低于50Hz，需要磁悬浮飞轮储能阵列系统释放电能，则控制多个飞轮储能设备放电，以释放电能，提高孤岛电网的系统出力，使孤岛电网的频率f0上调；同时实时监控孤岛电网的频率f0，若孤岛电网的频率f0停止下降，且fp≤|Δf|＜fi，认为惯量响应完成，则控制多个飞轮储能设备退出惯量响应模式。
在本发明的一个实施例中，在控制多个飞轮储能设备退出惯量响应模式后，该方法还包括：控制多个飞轮储能设备进入一次调频模式。换言之，即在频率波动较大时，控制多个飞轮储能设备进入惯量响应模式，以对频率进行快速调节，当调节至频率波动较小时，控制多个飞轮储能设备退出惯量响应模式，以便进入一次调频模式对频率进行微调。
需要说明的是，在采用该磁悬浮飞轮储能阵列系统的控制方法对磁悬浮飞轮储能阵列系统进行控制时，其具体实现方式与本发明上述实施例的磁悬浮飞轮储能阵列系统的具体实现方式类似，具体请参见磁悬浮飞轮储能阵列系统部分的描述，为了减少冗余，此处不再赘述。
根据本发明实施例的磁悬浮飞轮储能阵列系统的控制方法，在孤岛电网中配置磁悬浮飞轮储能阵列系统，在孤岛电网突发大容量有功功率缺额或频率波动时，依靠磁悬浮飞轮储能阵列系统提供惯量响应或一次调频，对电网频率进行有效调节，维持电网频率稳定，确保发电和用电设备安全稳定运行，有效治理了低惯量系统越限风险，能够及时弥补孤岛电网主动支撑能力不足、无法进行快速惯量响应、缺乏可靠的一次调频手段以及抗频率扰动能力弱等问题，防止孤岛电网崩溃，也避免了采用虚拟惯量控制可能导致频率二次跌落等次生事故的发生；同时，利用磁悬浮飞轮储能阵列系统可以实现毫秒级快速响应、瞬时满功率输出、循环使用寿命超长等特点，规避了化学电池频繁动作降低其寿命的缺点，从而在满足系统惯量响应需求的同时还可以兼顾提供稳定可靠的一次调频能力，精简了储能资源的配置，降低了储能成本；另外，减少了分布式新能源机组动作频次，降低了新能源机组折旧率，从而延长了新能源机组的使用寿命；由此，提高了孤岛电网运行的可靠性及整体经济效益。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“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一定指的是相同的实施例或示例。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种用于孤岛电网的磁悬浮飞轮储能阵列系统，其特征在于，包括：
并联连接的多个飞轮储能设备；
多个储能变流器，多个所述飞轮储能设备一一对应的通过多个所述储能变流器接入孤岛电网；
频率检测装置，用于实时获取所述孤岛电网的频率；
控制装置，分别与所述频率检测装置和多个所述飞轮储能设备连接，用于根据所述频率与电网额定频率的差值得到所述孤岛电网的频率变化量，并根据所述频率变化量控制多个所述飞轮储能设备进入一次调频模式或惯量响应模式，以对所述孤岛电网进行一次调频或惯量响应。
2.根据权利要求1所述的用于孤岛电网的磁悬浮飞轮储能阵列系统，其特征在于，所述控制装置，用于：
当所述频率变化量的绝对值大于或等于第一预设频率阈值且小于第二预设频率阈值时，控制多个所述飞轮储能设备进入所述一次调频模式；
当所述频率变化量的绝对值大于或等于所述第二预设频率阈值时，控制多个所述飞轮储能设备进入惯量响应模式。
3.根据权利要求2所述的飞轮储能阵列系统，其特征在于，在所述一次调频模式下，所述控制装置，用于：
当所述频率变化量大于0时，控制多个所述飞轮储能设备充电，直至所述孤岛电网的频率停止上升，且所述频率变化量的绝对值小于所述第一预设频率阈值时，控制多个所述飞轮储能设备退出所述一次调频模式；
当所述频率变化量小于0时，控制多个所述飞轮储能设备放电，直至所述孤岛电网的频率停止下降，且所述频率变化量的绝对值小于所述第一预设频率阈值时，控制多个所述飞轮储能设备退出所述一次调频模式。
4.根据权利要求2所述的飞轮储能阵列系统，其特征在于，在所述惯量响应模式下，所述控制装置，用于：
当所述频率变化量大于0时，控制多个所述飞轮储能设备充电，直至所述孤岛电网的频率停止上升，且所述频率变化量的绝对值大于或等于所述第一预设频率阈值且小于所述第二预设频率阈值时，控制多个所述飞轮储能设备退出所述惯量响应模式；
当所述频率变化量小于0时，控制多个所述飞轮储能设备放电，直至孤岛电网的频率停止下降，且所述频率变化量的绝对值大于或等于所述第一预设频率阈值且小于所述第二预设频率阈值时，控制多个所述飞轮储能设备退出所述惯量响应模式。
5.根据权利要求4所述的飞轮储能阵列系统，其特征在于，在控制多个所述飞轮储能设备退出所述惯量响应模式后，所述控制装置还用于：控制多个所述飞轮储能设备进入所述一次调频模式。
6.一种磁悬浮飞轮储能阵列系统的控制方法，其特征在于，所述磁悬浮飞轮储能阵列系统与孤岛电网连接，所述控制方法包括：
实时获取所述孤岛电网的频率；
根据所述频率与电网额定频率的差值得到所述孤岛电网的频率变化量；
根据所述频率变化量控制所述磁悬浮飞轮储能阵列系统的多个飞轮储能设备进入一次调频模式或惯量响应模式，以对所述孤岛电网进行一次调频或惯量响应。
7.根据权利要求6所述的磁悬浮飞轮储能阵列系统的控制方法，其特征在于，所述根据所述频率变化量控制所述磁悬浮飞轮储能阵列系统的多个飞轮储能设备进入一次调频模式或惯量响应模式，包括：
当所述频率变化量的绝对值大于或等于第一预设频率阈值且小于第二预设频率阈值时，控制多个所述飞轮储能设备进入所述一次调频模式；
当所述频率变化量的绝对值大于或等于所述第二预设频率阈值时，控制多个所述飞轮储能设备进入惯量响应模式。
8.根据权利要求7所述的磁悬浮飞轮储能阵列系统的控制方法，其特征在于，在所述一次调频模式下，所述方法包括：
当所述频率变化量大于0时，控制多个所述飞轮储能设备充电，直至所述孤岛电网的频率停止上升，且所述频率变化量的绝对值小于所述第一预设频率阈值时，控制多个所述飞轮储能设备退出所述一次调频模式；
当所述频率变化量小于0时，控制多个所述飞轮储能设备放电，直至所述孤岛电网的频率停止下降，且所述频率变化量的绝对值小于所述第一预设频率阈值时，控制多个所述飞轮储能设备退出所述一次调频模式。
9.根据权利要求7所述的磁悬浮飞轮储能阵列系统的控制方法，其特征在于，在所述惯量响应模式下，所述方法包括：
当所述频率变化量大于0时，控制多个所述飞轮储能设备充电，直至所述孤岛电网的频率停止上升，且所述频率变化量的绝对值大于或等于所述第一预设频率阈值且小于所述第二预设频率阈值时，控制多个所述飞轮储能设备退出所述惯量响应模式；
当所述频率变化量小于0时，控制多个所述飞轮储能设备放电，直至所述孤岛电网的频率停止下降，且所述频率变化量的绝对值大于或等于所述第一预设频率阈值且小于所述第二预设频率阈值时，控制多个所述飞轮储能设备退出所述惯量响应模式。
10.根据权利要求9所述的磁悬浮飞轮储能阵列系统的控制方法，其特征在于，在控制多个所述飞轮储能设备退出所述惯量响应模式后，还包括：控制多个所述飞轮储能设备进入所述一次调频模式。
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