CN112737131A - 一种飞轮储能和锂电池复合的储能系统及其工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的一种飞轮储能和锂电池复合的储能系统及其工作方法，属于储能技术领域。包括DC‑AC模块、联合储能管理系统、DC‑DC模块、锂离子电池储能单元和飞轮储能单元。锂离子电池储能单元和飞轮储能单元分别对应连接一个DC‑DC模块，所有DC‑DC模块并联后与联合储能管理系统连接，联合储能管理系统与DC‑AC模块连接，DC‑AC模块与外部电网连接。本发明能够充分发挥飞轮储能和锂电池的优势，优化飞轮储能和锂离子电池储能在不同应用场景下所承担的部分，合理高效地配合，充分发挥复合储能系统的性能优势，极大地提升储能系统在复杂条件下调峰调频的能力，解决单一储能系统的不足。

Description

一种飞轮储能和锂电池复合的储能系统及其工作方法
技术领域
本发明属于储能技术领域，具体涉及一种飞轮储能和锂电池复合的储能系统及其工作方法。
背景技术
近年来，在国家政策支持和技术不断进步下，风电、光伏等新能源迅猛增长，装机规模远远超过了当地的消纳能力，造成部分地区较多的弃风和弃光率，且风电、光伏等可再生能源具有间歇性、波动性等特征，造成电网调节、抗干扰能力不断下降，给新能源的消纳上网及电网的稳定运行带来一系列的重大挑战。使用储能装置可有效对与高比例风力发电和太阳能发电相关的波动性和不确定性进行管理起到调峰、提升电站发电量的作用，也可平稳电网，确保电网系统的安全、稳定、可靠的运行。
一般来说，新型储能技术的应用模式可分为功率型和容量型两类，一种是容量型，在电网运行中，系统的频率调节、削峰填谷等运行状态对储能元件的容量要求很高，能满足此运行模式要求的是容量型的储能应用模式。另一种是功率型，要求储能系统的响应速度非常快，在电网功率切换的瞬间能给予有力支撑的是功率型的储能应用模式，功率型的储能应用模式包括系统稳定控制和电能质量调节应用模式等。例如锂电池就是一种容量型的储能形式，具有较大的能量密度，能够实现较大容量的能量存储，但是它的缺点就是不能持续大功率放电且经常大幅度变功率放电易快速降低锂离子电池储能系统的使用寿命。而飞轮储能就是一种功率型的储能形式，具有较大的功率密度，具有快速响应的特征，且具有高达数万次到数十万次的使用寿命。
先进储能系统要求不间断和有一定的储能容量，同时还要保证供电的良好品质，在这样的背景下，单一的储能元件可能很难满足全部要求。
发明内容
为了解决上述现有问题，本发明的目的在于提供一种飞轮储能和锂电池复合的储能系统及其工作方法，能够充分发挥飞轮储能和锂电池的优势，极大地提升储能系统在复杂条件下调峰调频的能力，解决单一储能系统的不足。
本发明通过以下技术方案来实现：
本发明公开了一种飞轮储能和锂电池复合的储能系统，包括DC-AC模块、联合储能管理系统、DC-DC模块、锂离子电池储能单元和飞轮储能单元；
锂离子电池储能单元和飞轮储能单元分别对应连接一个DC-DC模块，所有DC-DC模块并联后与联合储能管理系统连接，联合储能管理系统与DC-AC模块连接，DC-AC模块与外部电网连接。
优选地，每个DC-DC模块连接有BMS模块，所有BMS模块分别连接至联合储能管理系统。
优选地，锂离子电池储能单元由若干锂离子电池单体串联或并联组成。
优选地，锂离子电池储能单元为能量型输出储能单元，飞轮储能单元为功率型输出储能单元。
优选地，所述飞轮储能和锂电池复合的储能系统还包括可再生能源发电单元，可再生能源发电单元连接有DC-DC模块，DC-DC模块与其余DC-DC模块并联后与联合储能管理系统连接。
优选地，锂离子电池储能单元与飞轮储能单元之间设有充电模块，充电模块与联合储能管理系统连接。
本发明公开的上述飞轮储能和锂电池复合的储能系统的工作方法，包括：
联合储能管理系统实时获取锂离子电池储能单元和飞轮储能单元的运行参数，联合储能管理系统通过锂离子电池储能单元的电压和电流，分析锂离子电池的剩余容量，通过飞轮的旋转速度，分析飞轮储能单元的剩余容量，然后通过锂离子电池储能单元和飞轮储能单元各自对应的DC-DC模块调配锂离子电池储能单元和飞轮储能单元的充放电状态。
优选地，当外部电网有调频需求时，优先由飞轮储能单元出力，若飞轮储能单元无法满足尖峰功率需求，再由锂离子电池储能单元配合出力；当外部电网有调峰需求时，直接由锂离子电池储能单元出力，无需飞轮储能单元输出；当外部电网同时有调峰和调频需求时，联合储能管理系统将高频波动的需求部分分配给飞轮储能单元出力，将中低频波动的需求部分分配给锂离子电池储能单元出力。
优选地，联合储能管理系统在分配出力需求时不超过锂离子电池储能单元和飞轮储能单元的最大输出功率；联合储能管理系统对锂离子电池储能单元和飞轮储能单元的输入/输出功率进行实时动态调整，优先让飞轮储能单元进行变功率输入/输出，让锂离子电池储能单元进行恒定功率输入/输出，当飞轮储能单元的输入/输出功率无法满足输入/输出需求时，再让锂离子电池储能单元进行变功率输入/输出。
优选地，在对所述飞轮储能和锂电池复合的储能系统进行充电时，锂离子电池储能单元和飞轮储能单元的状态为两者均在充电或者一个充电另一个未充电；在充电时，优先让飞轮储能单元充电，使飞轮储能单元保持较高的电量水平，若飞轮储能单元的容量达到上限则给锂离子电池储能单元充电；在对所述飞轮储能和锂电池复合的储能系统进行放电时，锂离子电池储能单元和飞轮储能单元的状态为两者均在放电或者一个放电另一个未放电；在放电时，优先让飞轮储能单元放电，使飞轮储能单元的电量保持在较低水平；若充电和放电时的输入和输出的功率无法满足要求，锂离子电池储能单元和飞轮储能单元同时进行充电或者同时放电。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明公开的一种飞轮储能和锂电池复合的储能系统，将锂离子电池储能系统和飞轮储能系统相结合，充分发挥了锂离子电池可以较长时间放电，且具有较大容量储能的特点，使复合储能系统具有较长时间的调峰能力，避免了飞轮储能能量密度较低的缺点。另一方面，可以充分发挥飞轮储能快速充放电响应，大功率充放电、长寿命的优点，使复合储能系统具有较强的调频能力，避免了锂离子电池在调频时充放电经常变化的缺点。飞轮储能具有较高的调节精度，当飞轮储能配合锂离子电池一起进行调频时，可以提高调节的精度，进一步稳定电网。飞轮储能具有非常高的循环寿命，复合储能系统中飞轮储能主要参与调频后，可以让锂离子电池储能系统在恒定的功率下进行充放电，避免频繁地充放电切换，可以极大地延长锂离子电池储能系统的循环寿命。飞轮储能和锂离子电池储能的组合突破了单一储能模式的局限，可以通过协调控制，优化飞轮储能和锂离子电池储能在不同应用场景下所承担的部分，合理高效地配合，充分发挥复合储能系统的性能优势。
进一步地，每个DC-DC模块连接有BMS模块，可以实时采集锂离子电池储能单元的各项数据，联合储能管理系统可以根据这些数据及时调配和管理整个系统，提高系统的综合效率和稳定性。
进一步地，锂离子电池储能单元适合小电流长时间放电，功率密度不高，因此在系统中作为能量型输出储能单元；飞轮储能单元能够大电流放电，因此在系统中作为功率型输出储能单元。
进一步地，复合系统内引入可再生能源发电单元，可实现储能系统与新能源发电单元协同高效运行。可充分利用可再生能源单元的逆变设备，升压设备及电缆，设备利用率高。可再生能源发电单元与电池之间的功率变化环节少，储能效率高。
进一步地，锂离子电池储能单元与飞轮储能单元之间设有充电模块，能够使锂离子电池储能单元对飞轮储能单元进行充电，使飞轮储能单元保持较高的荷电状态。
本发明公开的飞轮储能和锂电池复合的储能系统的工作方法，能够充分发挥飞轮储能和锂电池的优势，极大地提升储能系统在复杂条件下调峰调频的能力，通过联合储能管理系统的协调控制，优化飞轮储能和锂离子电池储能在不同应用场景下所承担的部分，合理高效地配合，充分发挥复合储能系统的性能优势。
进一步地，由于飞轮具有优异的调频性能，以及快速响应充放电、可大功率充放电、长寿命的特点，因此当外电网有调频需求时，优先由飞轮储能单元出力；由于锂离子电池可以较长时间放电，具有较大容量储能的特点，因此当外电网有调峰需求时，优先由锂离子电池储能单元出力；由于电池储能作为能量型的储能系统，经常进行调频易导致电池循环寿命迅速衰退，飞轮储能作为功率型储能系统，能量密度较低，无法长时间进行调峰，因此当外电网同时有调峰调频需求时，将高频波动的需求部分分配给飞轮储能单元出力，将中低频波动的需求部分分配给锂离子电池储能单元出力。
进一步地，由于飞轮储能单元的运行特性，在加上其具有相当长的循环寿命，它可以灵活在不同功率下快速充放电，特别是对于短时间顶功率等方面可提供较大作用。当然，也因为飞轮储能单元的放电时间较短，当飞轮储能单元无法满足需求时，再让锂离子电池储能单元出力。充分发挥飞轮储能单元和锂离子电池储能单元的优势，同时提高储能系统的调节精度，并延长锂离子电池储能单元的使用寿命，提高整个复合储能系统的经济性。
进一步地，在对复合储能系统进行充电或放电时，不宜发生一方充电一方放电的情况，避免两者之间互相进行充放电，造成不必要的能量损失。
附图说明
图1为本发明的飞轮储能和锂电池复合的储能系统的整体结构示意图。
图中：1为DC-AC模块，2为联合储能管理系统，3为DC-DC模块，4为锂离子电池储能单元，5为飞轮储能单元。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述，其内容是对本发明的解释而不是限定：
如图1，本发明的飞轮储能和锂电池复合的储能系统，包括DC-AC模块1、联合储能管理系统2、DC-DC模块3、锂离子电池储能单元4和飞轮储能单元5；锂离子电池储能单元4由若干锂离子电池单体串联或并联组成。
锂离子电池储能单元4和飞轮储能单元5分别对应连接一个DC-DC模块3，所有DC-DC模块3并联后与联合储能管理系统2连接，联合储能管理系统2与DC-AC模块1连接，DC-AC模块1与外部电网连接。
优选地，每个DC-DC模块3连接有BMS模块，所有BMS模块分别连接至联合储能管理系统2。
优选地，飞轮储能和锂电池复合的储能系统还包括可再生能源发电单元，可再生能源发电单元连接有DC-DC模块3，DC-DC模块3与其余DC-DC模块3并联后与联合储能管理系统2连接。
在复合储能系统中，锂离子电池储能单元4以能量型输出为主，飞轮储能单元5以功率型输出为主。两者在配比时需要按照一定的容量和功率比例进行配置。例如配备10MW/10MWh的锂离子电池储能单元4，8MW/240MWs的飞轮储能单元5。当然锂离子电池储能单元4和飞轮储能单元5所需要配置的容量和功率需要根据不同的应用场景、根据实际的需求进行变化。
锂离子电池储能单元4和飞轮储能单元5的运行参数数据实时发送给联合储能管理系统2，从而让联合储能管理系统2可以及时地通过分析这些参数来管理整个复合系统。可以通过分析锂离子电池储能单元4的电压、电流情况，分析电池的剩余容量，通过分析锂离子电池储能单元4的旋转速度等参数，分析飞轮的剩余容量，从而调配锂离子电池储能单元4和飞轮储能单元5的充放电状态。
联合储能管理系统2可根据外电路负载的情况，通过控制各DC-DC模块3从而来控制锂离子电池储能单元4和飞轮储能单元5的运行，对电网所需功率信息实时监控、对锂离子电池储能单元4和飞轮储能单元5的运行状态进行评估，保证复合储能系统的输出功率达到电网调度的需求，并实现平稳的输出。
当外电网有调频需求时，可优先由飞轮储能单元5出力，若飞轮储能单元5无法满足尖峰功率需求，则再由锂离子电池储能单元4配合出力；当外电网有调峰需求时，可直接由锂离子电池储能单元4出力，无需飞轮储能单元5输出；当外电网同时有调峰调频需求时，联合储能管理系统2可以将高频波动的需求部分分配给飞轮储能单元5出力，将中低频波动的需求部分分配给锂离子电池储能单元4出力。例如对于10MW/10MWh的锂离子电池储能单元4，8MW/240MWs的飞轮储能单元5来说，对于30s内8MW以下的调频指令飞轮系统就可以完全满足需求，对于30s以上8MW以下的调频指令可以先优先由飞轮储能单元5出力，然后超出部分再由锂离子电池储能单元4出力配合完成。对于8MW以上的少量调频需求，则需要飞轮储能单元5和锂离子电池储能单元4同时出力。飞轮储能单元5基本上可以响应大部分的调频需求。对于较长时间的调峰，则直接由10MW/10MWh的锂离子电池储能单元4出力即可。对于同时又调峰调频需求的情况，则通过联合储能系统将高频波动部分分配给8MW/240MWs的飞轮储能单元5，将中低频波动的需求部分分配给10MW/10MWh的锂离子电池储能单元4，若飞轮储能单元5无法满足需求时，则再由锂离子电池储能单元4出力配合完成。
联合储能管理系统2在分配出力需求时不超过锂离子电池储能单元4和飞轮储能单元5的最大输出功率。例如对于10MW/10MWh的锂离子电池储能单元4，8MW/240MWs的飞轮储能单元5来说，联合储能管理系统2在分配功率时，对锂离子电池储能单元4分配的最高功率不超过10MW，对飞轮储能单元5分配的最高功率不超过8MW。
锂离子电池储能单元4的输入/输出功率和飞轮储能单元5的输入/输出功率可以实时动态调整和变化，优先让飞轮储能单元5进行变功率输入/输出，让锂离子电池储能单元4进行恒定功率输入/输出，当飞轮储能单元5的输入/输出功率无法满足输入/输出需求时，再让锂离子电池储能单元4变功率输入/输出。由于飞轮储能单元5的运行特性，在加上其具有相当长的循环寿命，它可以灵活在不同功率下快速充放电，特别是对于短时间顶功率等方面可提供较大作用。当然，也因为飞轮储能单元5的放电时间较短，当飞轮储能单元5无法满足需求时，再让锂离子电池储能单元4出力。充分发挥飞轮储能单元5和锂离子电池储能单元4的优势，同时提高储能系统的调节精度，并延长锂离子电池储能单元4的使用寿命，提高整个复合储能系统的经济性。
在对复合储能系统进行充电时，两个储能系统的状态是两者均在充电或者一个充电另一个未充电，不宜发生一方充电一方放电的情况。在充电时，优先让飞轮储能单元5充电，使飞轮储能单元5保持较高的电量水平，若飞轮储能单元5的容量达到上限则给锂离子电池储能单元4充电；在对复合储能系统进行放电时，两个储能系统的状态是两者均在放电或者一个放电另一个未放电，不宜发生一方放电一方充电的情况。复合储能系统放电时，优先让飞轮储能单元5放电，使飞轮储能单元5的电量保持在较低水平。充电和放电时，若输入和输出的功率无法满足时，两个储能模块可同时进行充电或者同时放电。例如对于10MW/10MWh的锂离子电池储能单元4，8MW/240MWs的飞轮储能单元5来说，在充电时，优先给8MW/240MWs的飞轮储能充电，让其保持较高电量水平，飞轮储能单元5达到上限后，然后给10MW/10MWh的锂离子电池储能单元4充电；放电时，优先让8MW/240MWs的飞轮储能单元5放电，让其保持较低电量水平。若输入输出功率无法满足时，则让10MW/10MWh的锂离子电池储能单元4，8MW/240MWs的飞轮储能单元5同时充电或者同时放电。
当锂离子电池储能单元4未处于充放电状态且电量较高，同时飞轮储能单元5也未处于充放电状态且电量较低时，锂离子电池储能单元4可对飞轮储能单元5进行充电，使其保持在较高的荷电状态。例如对于10MW/10MWh的锂离子电池储能单元4未处于充放电状态且电量达到85％，8MW/240MWs的飞轮储能单元5也未处于充放电状态，且电量仅为25％，那么可让锂离子电池储能单元4对飞轮储能单元5进行充电，使其保持较高的荷电状态。
在本申请所提供的实施例中，所揭露的技术内容，主要是针对容量型和功率型混合的储能系统，以上所述仅为本发明实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内可轻易想到的变化或者替换，或利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或者等效流程变换，或直接、间接运用在其他相关技术领域的情况，均应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种飞轮储能和锂电池复合的储能系统，其特征在于，包括DC-AC模块(1)、联合储能管理系统(2)、DC-DC模块(3)、锂离子电池储能单元(4)和飞轮储能单元(5)；
锂离子电池储能单元(4)和飞轮储能单元(5)分别对应连接一个DC-DC模块(3)，所有DC-DC模块(3)并联后与联合储能管理系统(2)连接，联合储能管理系统(2)与DC-AC模块(1)连接，DC-AC模块(1)与外部电网连接。
2.根据权利要求1所述的飞轮储能和锂电池复合的储能系统，其特征在于，每个DC-DC模块(3)连接有BMS模块，所有BMS模块分别连接至联合储能管理系统(2)。
3.根据权利要求1所述的飞轮储能和锂电池复合的储能系统，其特征在于，锂离子电池储能单元(4)由若干锂离子电池单体串联或并联组成。
4.根据权利要求1所述的飞轮储能和锂电池复合的储能系统，其特征在于，锂离子电池储能单元(4)为能量型输出储能单元，飞轮储能单元(5)为功率型输出储能单元。
5.根据权利要求1所述的飞轮储能和锂电池复合的储能系统，其特征在于，所述飞轮储能和锂电池复合的储能系统还包括可再生能源发电单元，可再生能源发电单元连接有DC-DC模块(3)，DC-DC模块(3)与其余DC-DC模块(3)并联后与联合储能管理系统(2)连接。
6.根据权利要求1所述的飞轮储能和锂电池复合的储能系统，其特征在于，锂离子电池储能单元(4)与飞轮储能单元(5)之间设有充电模块，充电模块与联合储能管理系统(2)连接。
7.根据权利要求1～6任意一项所述飞轮储能和锂电池复合的储能系统的工作方法，其特征在于，包括：
联合储能管理系统(2)实时获取锂离子电池储能单元(4)和飞轮储能单元(5)的运行参数，联合储能管理系统(2)通过锂离子电池储能单元(4)的电压和电流，分析锂离子电池的剩余容量，通过飞轮的旋转速度，分析飞轮储能单元(5)的剩余容量，然后通过锂离子电池储能单元(4)和飞轮储能单元(5)各自对应的DC-DC模块(3)调配锂离子电池储能单元(4)和飞轮储能单元(5)的充放电状态。
8.根据权利要求7所述的飞轮储能和锂电池复合的储能系统的工作方法，其特征在于，当外部电网有调频需求时，优先由飞轮储能单元(5)出力，若飞轮储能单元(5)无法满足尖峰功率需求，再由锂离子电池储能单元(4)配合出力；当外部电网有调峰需求时，直接由锂离子电池储能单元(4)出力，无需飞轮储能单元(5)输出；当外部电网同时有调峰和调频需求时，联合储能管理系统(2)将高频波动的需求部分分配给飞轮储能单元(5)出力，将中低频波动的需求部分分配给锂离子电池储能单元(4)出力。
9.根据权利要求7所述的飞轮储能和锂电池复合的储能系统的工作方法，其特征在于，联合储能管理系统(2)在分配出力需求时不超过锂离子电池储能单元(4)和飞轮储能单元(5)的最大输出功率；联合储能管理系统(2)对锂离子电池储能单元(4)和飞轮储能单元(5)的输入/输出功率进行实时动态调整，优先让飞轮储能单元(5)进行变功率输入/输出，让锂离子电池储能单元(4)进行恒定功率输入/输出，当飞轮储能单元(5)的输入/输出功率无法满足输入/输出需求时，再让锂离子电池储能单元(4)进行变功率输入/输出。
10.根据权利要求7所述的飞轮储能和锂电池复合的储能系统的工作方法，其特征在于，在对所述飞轮储能和锂电池复合的储能系统进行充电时，锂离子电池储能单元(4)和飞轮储能单元(5)的状态为两者均在充电或者一个充电另一个未充电；在充电时，优先让飞轮储能单元(5)充电，使飞轮储能单元(5)保持较高的电量水平，若飞轮储能单元(5)的容量达到上限则给锂离子电池储能单元(4)充电；在对所述飞轮储能和锂电池复合的储能系统进行放电时，锂离子电池储能单元(4)和飞轮储能单元(5)的状态为两者均在放电或者一个放电另一个未放电；在放电时，优先让飞轮储能单元(5)放电，使飞轮储能单元(5)的电量保持在较低水平；若充电和放电时的输入和输出的功率无法满足要求，锂离子电池储能单元(4)和飞轮储能单元(5)同时进行充电或者同时放电。
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