CN114243743B - 储能飞轮控制装置及入网系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种储能飞轮控制装置及入网系统，所述装置包括：电压互感器，与电网连接，用于实时采集电网的电压；控制单元，与电压互感器连接，用于根据电压互感器采集的电压，判断是否发生电网断面；电子开关矩阵，与控制单元和飞轮储能系统连接，用于当发生电网断面时，接收控制单元发出的控制信号，以使飞轮储能系统产生的高频交流电压信号进行换向；耦合变压器，分别与电子开关矩阵和电网连接，用于当发生电网断面时，向任意电压等级的电网进行无功注入，有效的实现在电网紧急状态下，快速零延迟的提供电网无功断面支撑的能力，确保电网的电压稳定，解决了高速电机瞬时并入电网产生的断面问题。

Description

储能飞轮控制装置及入网系统
技术领域
本发明涉及储能飞轮技术领域，尤其是涉及一种储能飞轮控制装置及入网系统。
背景技术
电网的稳定安全是直接关系到国计民生的大问题，而随着光伏和风电等新能源接入电网比例的加大，给电网的稳定与安全带来新的挑战。当区域电网内出现瞬时故障或者冲击性负荷接入时，会给电网的电压带来瞬间的下降。当电网的电压下降的幅度大到足以引发电网的保护动作时，会造成区域性供电的中断，这就是所说的电网断面。为了有效解决电网断面的问题，需要在电网断面产生的瞬间对电网进行高容量的无功支撑，以维持电网的电压处于在一个安全的范围内。
电网目前普遍采用同步调相机的强励功能和SVG（Statle Var Generator，静止式无功发生器）的低压穿越能力实现无功支撑。但同步调相机自身是一台空载的同步发电机，运行维护的成本较高；而SVG的低压穿越能力，已经被证明对电网断面的支撑是有限的。
为了新型电网的安全，储能飞轮被引入到电网中，用来维持电网的频率稳定，提供必要的有功支撑，进行电网的一次调频。但由于飞轮自身是高速电机带动的储能设备，不能直接接入电网中，在出现电网断面时，同样不能对电网提供快速大容量的无功支撑。如何有效解决高速电机瞬时并入电网产生的断面问题是亟需解决的问题。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的目的在于提出一种储能飞轮控制装置及入网系统。
本发明提出的一种储能飞轮控制装置，包括：
电压互感器，与电网连接，用于实时采集所述电网的电压；
控制单元，与所述电压互感器连接，用于根据所述电压互感器采集的电压，判断是否发生电网断面；
电子开关矩阵，与所述控制单元和飞轮储能系统连接，用于当发生所述电网断面时，接收所述控制单元发出的控制信号，以使所述飞轮储能系统产生的高频交流电压信号进行换向；
耦合变压器，分别与所述电子开关矩阵和所述电网连接，用于当发生所述电网断面时，向任意电压等级的电网进行无功注入。
另外，根据本发明实施例的储能飞轮控制装置，还可以具有如下附加的技术特征：
进一步地，该储能飞轮控制装置还包括：
低通滤波单元，连接于所述电子开关矩阵和所述耦合变压器之间，用于滤除所述高频交流电压信号换向产生的高次谐波。
进一步地，所述电子开关矩阵包括第一电子开关、第二电子开关、第三电子开关和第四电子开关；
其中，所述第一电子开关的一端连接于所述低通滤波单元和所述第二电子开关的一端之间，所述第一电子开关的另一端连接于所述第三电子开关的一端与所述飞轮储能系统之间；所述第二电子开关的一端连接于所述低通滤波单元和所述第一电子开关的一端之间，所述第二电子开关的另一端连接于所述第四电子开关的一端与所述飞轮储能系统之间；所述第三电子开关的一端连接于所述第一电子开关的另一端与所述飞轮储能系统之间，所述第三电子开关的另一端连接于所述低通滤波单元和所述第四电子开关的另一端之间；所述第四电子开关的一端连接于所述第二电子开关的另一端与所述飞轮储能系统之间，所述第四电子开关的另一端连接于所述第三电子开关的另一端与所述低通滤波单元之间。
进一步地，所述第一电子开关至所述第四电子开关均为半控可控硅开关。
进一步地，所述控制单元还用于：根据电网电压的过零点将所述耦合变压器输出的高频交流电压转换成与所述电网电压同频同相的电压。
进一步地，所述第一电子开关和所述第四电子开关的分合状态相同，所述第二电子开关和所述第三电子开关的分合状态相同。
进一步地，所述控制单元用于：当所述电网的电压和所述飞轮储能系统输出的电压都为高电平时，控制所述第一电子开关和所述第四电子开关闭合，以及控制所述第二电子开关和所述第三电子开关断开。
进一步地，所述控制单元用于：当所述电网的电压为高电平，且所述飞轮储能系统输出的电压为低电平时，控制所述第一电子开关和所述第四电子开关断开，以及控制所述第二电子开关和所述第三电子开关闭合。
进一步地，所述控制单元用于：当所述电网的电压为低电平，且所述飞轮储能系统输出的电压为高电平时，控制所述第一电子开关和所述第四电子开关断开，以及控制所述第二电子开关和所述第三电子开关闭合。
进一步地，所述控制单元用于：当所述电网的电压和所述飞轮储能系统输出的电压都为低电平时，控制所述第一电子开关和所述第四电子开关闭合开，以及控制所述第二电子开关和所述第三电子开关断开。
根据本发明实施例的储能飞轮控制装置，充分利用高速旋转飞轮的永磁特性，当发生电网断面时，控制单元发出控制信号，控制电子开关矩阵进行动作，实现飞轮储能系统产生的高频交流电压信号的换向，同时通过耦合变压器向任意电压等级的电网进行无功注入，有效的实现在电网紧急状态下，快速零延迟的提供电网无功断面支撑的能力，即在电网暂态第一时间实现电网无功断面支撑的能力，确保电网的电压稳定，而且在后续的电网一次调频中继续有效的发挥作用，有效的解决了高速电机瞬时并入电网产生的断面问题。
针对上述存在的问题，本发明还提出一种储能飞轮入网系统，包括：
如上述任一实施例所述的储能飞轮控制装置；
飞轮储能系统，所述飞轮储能系统包括：飞轮双向储能逆变器、飞轮高频逆变器IPM和飞轮电机本体，其中，
所述飞轮双向储能逆变器与电网连接，用于完成所述电网的交流电能和所述飞轮储能系统的直流电能之间的能量转换；
所述飞轮高频逆变器IPM，与所述飞轮双向储能逆变器连接，用于完成所述飞轮储能系统的直流电能和所述飞轮电机本体的高频交流电能之间的能量转换；
所述飞轮电机本体，与所述飞轮高频逆变器IPM连接，用于完成所述飞轮电机本体的高频交流电能和机械能之间的能量转换。
根据本发明实施例的储能飞轮入网系统，充分利用高速旋转飞轮的永磁特性，当发生电网断面时，控制单元发出控制信号，控制电子开关矩阵进行动作，实现飞轮储能系统产生的高频交流电压信号的换向，同时通过耦合变压器向任意电压等级的电网进行无功注入，有效的实现在电网紧急状态下，快速零延迟的提供电网无功断面支撑的能力，即在电网暂态第一时间实现电网无功断面支撑的能力，确保电网的电压稳定，而且在后续的电网一次调频中继续有效的发挥作用，有效的解决了高速电机瞬时并入电网产生的断面问题。
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是根据本发明一个实施例的储能飞轮入网系统的结构示意图；
图2是根据本发明一个实施例的电网电压转换的波形示意图；
图3是根据本发明一个实施例的储能飞轮控制装置的工作原理示意图。
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1-图3描述根据本发明实施例的储能飞轮控制装置及入网系统。
图1是根据本发明一个实施例的储能飞轮入网系统的结构示意图。如图1所示，该储能飞轮入网系统包括储能飞轮控制装置200和飞轮储能系统100。
该储能飞轮控制装置200包括：电压互感器204、控制单元205、电子开关矩阵203和耦合变压器201。其中，电压互感器204与电网连接，用于实时采集电网的电压；控制单元205与电压互感器204连接，用于根据电压互感器204采集的电压，判断是否发生电网断面；电子开关矩阵203与控制单元205和飞轮储能系统100连接，用于当发生电网断面时，接收控制单元205发出的控制信号，以使飞轮储能系统100产生的高频交流电压信号进行换向；耦合变压器201分别与电子开关矩阵203和电网连接，用于当发生电网断面时,向任意电压等级的电网进行无功注入。
具体而言，当电压互感器204实时采集的电网电压的下降幅度大于预设值例如70%时，会引发电网的保护动作，造成区域性供电中断，即发生电网断面。当发生电网断面后，控制单元205发出控制信号，控制电子开关矩阵203进行动作，实现飞轮储能系统100产生的高频交流电压信号的换向，同时通过耦合变压器201向任意电压等级的电网进行无功注入，从而向电网提供快速大容量的无功支撑，使电网的电压处于一个安全的范围内，有效解决电网断面问题。
在本发明的一个实施例中，储能飞轮控制装置200还包括低通滤波单元202。该低通滤波单元202连接于电子开关矩阵203和耦合变压器201之间，用于滤除高频交流电压信号换向产生的高次谐波。
具体而言，在飞轮储能系统100产生的高频交流电压信号进行换向后，得到的电压波形中，除了大比例的基波成分，还含有一定比例的高次谐波。本发明实施例采用低通滤波单元202滤除高次谐波，以得到理想的低频正弦波。
在本发明的一个实施例中，电子开关矩阵203包括第一电子开关、第二电子开关、第三电子开关和第四电子开关,即S1~S4；其中，第一电子开关的一端连接于低通滤波单元202和第二电子开关的一端之间，第一电子开关的另一端连接于第三电子开关的一端与飞轮储能系统100之间；第二电子开关的一端连接于低通滤波单元202和第一电子开关的一端之间，第二电子开关的另一端连接于第四电子开关的一端与飞轮储能系统100之间；第三电子开关的一端连接于第一电子开关的另一端与飞轮储能系统100之间，第三电子开关的另一端连接于低通滤波单元202和第四电子开关的另一端之间；第四电子开关的一端连接于第二电子开关的另一端与飞轮储能系统100之间，第四电子开关的另一端连接于第三电子开关的另一端与低通滤波单元202之间。需要说明的是，图1中的S5~S8分别对应于第一电子开关、第二电子开关、第三电子开关和第四电子开关，以体现出控制单元205与电子开关矩阵203的连接关系，以便当发生电网断面时，电子开关矩阵203可以接收控制单元205发出的控制信号，使飞轮储能系统100产生的高频交流电压信号进行换向。
在本发明的一个实施例中，第一电子开关至第四电子开关均为半控可控硅开关。
具体而言，半控可控硅开关具有极强的过载能力，且成本低。由于不采用高频逆变技术，第一电子开关至第四电子开关仅作为高频电压的换向开关，具有开关频率低，损耗小，过载能力强的优势。
在本发明的一个实施例中，控制单元205还用于：根据电网电压的过零点将耦合变压器201输出的高频交流电压转换成与电网电压同频同相的电压。
在具体实施例中，为了将耦合变压器201输出的高频交流电压转换成与电网电压同频同相的电压，如图2所示，将电网电压在其过零点例如a、b、c时刻将其转换成方波信号，例如将电网电压的正半周定义成高电平（即逻辑1），负半周定义成低电平（即逻辑0），然后通过控制单元205发出控制信号，控制第一电子开关至第四电子开关进行动作，从而将耦合变压器201输出的高频交流电压转换成与电网电压同频同相的电压。
在本发明的一个实施例中，第一电子开关和第四电子开关的分合状态相同，第二电子开关和第三电子开关的分合状态相同。
在本发明的一个实施例中，控制单元205用于：当电网的电压和飞轮储能系统100输出的电压都为高电平时，控制第一电子开关和第四电子开关闭合，以及控制第二电子开关和第三电子开关断开。
在本发明的一个实施例中，控制单元205用于：当电网的电压为高电平，且飞轮储能系统100输出的电压为低电平时，控制第一电子开关和第四电子开关断开，以及控制第二电子开关和第三电子开关闭合。
在本发明的一个实施例中，控制单元205用于：当电网的电压为低电平，且飞轮储能系统100输出的电压为高电平时，控制第一电子开关和第四电子开关断开，以及控制第二电子开关和第三电子开关闭合。
在本发明的一个实施例中，控制单元205用于：当电网的电压和飞轮储能系统100输出的电压都为低电平时，控制第一电子开关和第四电子开关闭合开，以及控制第二电子开关和第三电子开关断开。
在具体实施例中，定义电网电压的正半周为逻辑1，负半周为逻辑0；飞轮储能系统100输出电压，即飞轮高速电机电压的正半周为逻辑1，负半周为逻辑0，则第一电子开关至第四电子开关例如S1~S4的控制逻辑如表1所示。
表1
Figure 352012DEST_PATH_IMAGE001
作为具体的实施例，以下结合图3对具体实施例中储能飞轮控制装置200的工作原理进行示例性描述。
如图3所示，V1是飞轮储能系统100产生的高频交流电压信号，当发生电网断面时，控制单元205对电子开关矩阵203发出控制信号，实现高频交流电压信号的换向，得到基频含量的电压波形V2，然后通过低通滤波单元202滤除高次谐波，得到理想的低频正弦波V3，然后通过耦合变压器201，实现向任意电压等级电网的无功注入，从而向电网提供快速大容量的无功支撑，使电网的电压处于一个安全的范围内，有效解决电网断面问题。
根据本发明实施例的储能飞轮控制装置200，充分利用高速旋转飞轮的永磁特性，当发生电网断面时，控制单元205发出控制信号，控制电子开关矩阵203进行动作，实现飞轮储能系统100产生的高频交流电压信号的换向，同时通过耦合变压器201向任意电压等级的电网进行无功注入，有效的实现在电网紧急状态下，快速零延迟的提供电网无功断面支撑的能力，即在电网暂态第一时间实现电网无功断面支撑的能力，确保电网的电压稳定，而且在后续的电网一次调频中继续有效的发挥作用，有效的解决了高速电机瞬时并入电网产生的断面问题。
本发明的进一步实施例还公开了一种储能飞轮入网系统，该储能飞轮入网系统包括：如上述任一实施例所述的储能飞轮控制装置200和飞轮储能系统100。
该飞轮储能系统100包括：飞轮双向储能逆变器101、飞轮高频逆变器IPM（Intelligent Power Module，智能功率模块）102和飞轮电机本体103。其中，飞轮双向储能逆变器与电网连接，用于完成电网的交流电能和飞轮储能系统100的直流电能之间的能量转换；飞轮高频逆变器IPM102与飞轮双向储能逆变器连接，用于完成飞轮储能系统100的直流电能和飞轮电机本体103的高频交流电能之间的能量转换；飞轮电机本体103与飞轮高频逆变器IPM102连接，用于完成飞轮电机本体103的高频交流电能和机械能之间的能量转换。
根据本发明实施例的储能飞轮入网系统，充分利用高速旋转飞轮的永磁特性，当发生电网断面时，控制单元205发出控制信号，控制电子开关矩阵203进行动作，实现飞轮储能系统100产生的高频交流电压信号的换向，同时通过耦合变压器201向任意电压等级的电网进行无功注入，有效的实现在电网紧急状态下，快速零延迟的提供电网无功断面支撑的能力，即在电网暂态第一时间实现电网无功断面支撑的能力，确保电网的电压稳定，而且在后续的电网一次调频中继续有效的发挥作用，有效的解决了高速电机瞬时并入电网产生的断面问题。
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 (9)

1.一种储能飞轮控制装置，其特征在于，包括：
电压互感器，与电网连接，用于实时采集所述电网的电压；
控制单元，与所述电压互感器连接，用于根据所述电压互感器采集的电压，判断是否发生电网断面；
低通滤波单元，连接于电子开关矩阵和耦合变压器之间，用于滤除高频交流电压信号换向产生的高次谐波；
所述电子开关矩阵，与所述控制单元和飞轮储能系统连接，用于当发生所述电网断面时，接收所述控制单元发出的控制信号，以使所述飞轮储能系统产生的所述高频交流电压信号进行换向；所述电子开关矩阵包括第一电子开关至第四电子开关；其中，所述第一电子开关的一端连接于所述低通滤波单元和所述第二电子开关的一端之间，所述第一电子开关的另一端连接于所述第三电子开关的一端与所述飞轮储能系统之间；所述第二电子开关的一端连接于所述低通滤波单元和所述第一电子开关的一端之间，所述第二电子开关的另一端连接于所述第四电子开关的一端与所述飞轮储能系统之间；所述第三电子开关的一端连接于所述第一电子开关的另一端与所述飞轮储能系统之间，所述第三电子开关的另一端连接于所述低通滤波单元和所述第四电子开关的另一端之间；所述第四电子开关的一端连接于所述第二电子开关的另一端与所述飞轮储能系统之间，所述第四电子开关的另一端连接于所述第三电子开关的另一端与所述低通滤波单元之间；
所述耦合变压器，分别与所述电子开关矩阵和所述电网连接，用于当发生所述电网断面时,向任意电压等级的电网进行无功注入。
2.根据权利要求1所述的储能飞轮控制装置，其特征在于，所述第一电子开关至所述第四电子开关均为半控可控硅开关。
3.根据权利要求1所述的储能飞轮控制装置，其特征在于，所述控制单元还用于：根据电网电压的过零点将所述耦合变压器输出的高频交流电压转换成与所述电网电压同频同相的电压。
4.根据权利要求3所述的储能飞轮控制装置，其特征在于，所述第一电子开关和所述第四电子开关的分合状态相同，所述第二电子开关和所述第三电子开关的分合状态相同。
5.根据权利要求4所述的储能飞轮控制装置，其特征在于，所述控制单元用于：当所述电网的电压和所述飞轮储能系统输出的电压都为高电平时，控制所述第一电子开关和所述第四电子开关闭合，以及控制所述第二电子开关和所述第三电子开关断开。
6.根据权利要求4所述的储能飞轮控制装置，其特征在于，所述控制单元用于：当所述电网的电压为高电平，且所述飞轮储能系统输出的电压为低电平时，控制所述第一电子开关和所述第四电子开关断开，以及控制所述第二电子开关和所述第三电子开关闭合。
7.根据权利要求4所述的储能飞轮控制装置，其特征在于，所述控制单元用于：当所述电网的电压为低电平，且所述飞轮储能系统输出的电压为高电平时，控制所述第一电子开关和所述第四电子开关断开，以及控制所述第二电子开关和所述第三电子开关闭合。
8.根据权利要求4所述的储能飞轮控制装置，其特征在于，所述控制单元用于：当所述电网的电压和所述飞轮储能系统输出的电压都为低电平时，控制所述第一电子开关和所述第四电子开关闭合开，以及控制所述第二电子开关和所述第三电子开关断开。
9.一种储能飞轮入网系统，其特征在于，包括：
如权利要求1-8任一项所述的储能飞轮控制装置；
飞轮储能系统，所述飞轮储能系统包括：飞轮双向储能逆变器、飞轮高频逆变器IPM和飞轮电机本体，其中，
所述飞轮双向储能逆变器与电网连接，用于完成所述电网的交流电能和所述飞轮储能系统的直流电能之间的能量转换；
所述飞轮高频逆变器IPM，与所述飞轮双向储能逆变器连接，用于完成所述飞轮储能系统的直流电能和所述飞轮电机本体的高频交流电能之间的能量转换；
所述飞轮电机本体，与所述飞轮高频逆变器IPM连接，用于完成所述飞轮电机本体的高频交流电能和机械能之间的能量转换。
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