CN115173439A - 可控储能联合火电的调频系统及方法 - Google Patents

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CN115173439A CN202211095481.XA CN202211095481A CN115173439A CN 115173439 A CN115173439 A CN 115173439A CN 202211095481 A CN202211095481 A CN 202211095481A CN 115173439 A CN115173439 A CN 115173439A
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王小辉
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赵俊博
刘明奇
瞿孟浩
施晨
冯梦瑶
詹芷叶
程依
黄康辉
方炀
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Abstract

本申请涉及可控储能联合火电的调频系统及方法，所述系统包括：高压发电单元和三相高压飞轮储能系统，所述高压发电单元与所述三相高压飞轮储能系统连接；所述高压发电单元，用于根据调频指令调节所述三相高压飞轮储能系统的充放电功率；所述三相高压飞轮储能系统，用于响应于所述高压发电单元的充放电功率调节；其中，所述三相高压飞轮储能系统包括：A相飞轮储能子系统、B相飞轮储能子系统和C相飞轮储能子系统。本申请提出的技术方案，将三相高压飞轮储能系统直接接入发电机出口，可以联合发电机组参与到响应电网调频调节过程中，能够快速响应所述调频指令，并且提高了系统的安全性。

Description

可控储能联合火电的调频系统及方法
技术领域
本申请涉及调频技术领域，尤其涉及可控储能联合火电的调频系统及方法。
背景技术
近年来，随着储能产业的发展，多种新型储能技术不断突破，在越来越多的场景实现示范应用，主要有储热技术、氢储能技术、电磁储能和飞轮储能等。随着风电和光伏的并网量增加、互联大电网的快速发展、大容量发电和远距离输电，使得电力系统的调节任务更加繁重。储能单元作为可以灵活充放电的电源，能够实现在电网中动态吸收、释放能量，且因为其响应快速、控制灵活，在维持电网电压稳定有无可替代的优势。
目前在调频领域，大多采用集中换流方式，需要储能升压变连接至火电机组高压厂用段，调频比较繁琐，同时集中换流方式因为将储能电池经过串并联连接于直流侧，如果单个电池模组出现问题，木桶短板效应加剧，直流环流效率降低，不同电芯出力不均/部分电芯衰减过快/温升过高，使得现有的调频响应较慢且安全性不高。
发明内容
本申请提供可控储能联合火电的调频系统及方法，以至少解决相关技术中调频响应较慢且安全性不高的技术问题。
本申请第一方面实施例提出一种可控储能联合火电的调频系统，包括：高压发电单元和三相高压飞轮储能系统，所述高压发电单元与所述三相高压飞轮储能系统连接；
所述高压发电单元，用于根据调频指令调节所述三相高压飞轮储能系统的充放电功率；
所述三相高压飞轮储能系统，用于响应于所述高压发电单元的充放电功率调节；
其中，所述三相高压飞轮储能系统包括：A相飞轮储能子系统、B相飞轮储能子系统和C相飞轮储能子系统。
优选的，所述高压发电单元包括：发电机和发电机主变；
所述发电机通过所述发电机主变与电网系统连接。
进一步的，所述调频系统还包括：A相滤波电感、B相滤波电感和C相滤波电感；
所述A相飞轮储能子系统通过所述A相滤波电感连接至所述发电机的出口；
所述B相飞轮储能子系统通过所述B相滤波电感连接至所述发电机的出口；
所述C相飞轮储能子系统通过所述C相滤波电感连接至所述发电机的出口。
进一步的，所述调频系统还包括：A相并网断路器、B相并网断路器和C相并网断路器；
所述A相飞轮储能子系统通过所述A相并网断路器与所述A相滤波电感连接；
所述B相飞轮储能子系统通过所述B相并网断路器与所述B相滤波电感连接；
所述C相飞轮储能子系统通过所述C相并网断路器与所述C相滤波电感连接。
优选的，所述A相飞轮储能子系统包括：多个A相H桥储能单元；
所述B相飞轮储能子系统包括：多个B相H桥储能单元；
所述C相飞轮储能子系统包括：多个C相H桥储能单元。
进一步的，所述A相H桥储能单元、B相H桥储能单元及C相H桥储能单元均包括：H桥换流装置和飞轮储能电池；
所述H桥换流装置与所述飞轮储能电池并联。
进一步的，所述多个A相H桥储能单元依次串联；
所述多个B相H桥储能单元依次串联；
所述多个C相H桥储能单元依次串联。
优选的，所述A相飞轮储能子系统、B相飞轮储能子系统和C相飞轮储能子系统采用三相星形连接的方式进行连接。
本申请第二方面实施例提出一种可控储能联合火电的调频方法，所述方法包括：
获取调频指令，并基于所述调频指令确定所需调节的有功功率；
根据所需调节的有功功率确定各个H桥储能单元所需调整的有功功率；
基于各个H桥储能单元所需调整的有功功率，利用各个H桥换流装置对其对应的飞轮储能电池的充放电功率进行调节，进而响应所述调频指令。
本申请第三方面实施例提出一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现第二方面实施例所述的方法。
本申请的实施例提供的技术方案至少带来以下有益效果：
本申请提出了可控储能联合火电的调频系统及方法，所述系统包括：高压发电单元和三相高压飞轮储能系统，所述高压发电单元与所述三相高压飞轮储能系统连接；所述高压发电单元，用于根据调频指令调节所述三相高压飞轮储能系统的充放电功率；所述三相高压飞轮储能系统，用于响应于所述高压发电单元的充放电功率调节；其中，所述三相高压飞轮储能系统包括：A相飞轮储能子系统、B相飞轮储能子系统和C相飞轮储能子系统。本申请提出的技术方案，将三相高压飞轮储能系统直接接入发电机出口，可以联合发电机组参与到响应电网调频调节过程中，能够快速响应所述调频指令，并且提高了系统的安全性。
本申请附加的方面以及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，或通过本申请的实践了解到。
附图说明
本申请上述的和/或附加的方面以及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为根据本申请一个实施例提供的一种可控储能联合火电的调频系统的框图；
图2为根据本申请一个实施例提供的高压发电单元的结构图；
图3为根据本申请一个实施例提供的一种可控储能联合火电的调频系统的结构图；
图4为根据本申请一个实施例提供的各相飞轮储能子系统的结构图；
图5为根据本申请一个实施例提供的可控储能联合火电的调频系统的整体示意图；
图6为根据本申请一个实施例提供的一种可控储能联合火电的调频方法的流程图；
附图标记说明：
高压发电单元1、三相高压飞轮储能系统2、A相飞轮储能子系统2-1、B相飞轮储能子系统2-2、C相飞轮储能子系统2-3、发电机1-1、发电机主变1-2、A相滤波电感3、B相滤波电感4、C相滤波电感5、A相并网断路器6、B相并网断路器7、C相并网断路器8、A相H桥储能单元2-1-1、B相H桥储能单元2-2-1、C相H桥储能单元2-3-1、H桥换流装置9、飞轮储能电池10。
具体实施方式
下面详细描述本申请的实施例，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，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。
本申请提出的可控储能联合火电的调频系统及方法，所述系统包括：高压发电单元和三相高压飞轮储能系统，所述高压发电单元与所述三相高压飞轮储能系统连接；所述高压发电单元，用于根据调频指令调节所述三相高压飞轮储能系统的充放电功率；所述三相高压飞轮储能系统，用于响应于所述高压发电单元的充放电功率调节；其中，所述三相高压飞轮储能系统包括：A相飞轮储能子系统、B相飞轮储能子系统和C相飞轮储能子系统。本申请提出的技术方案，将三相高压飞轮储能系统直接接入发电机出口，可以联合发电机组参与到响应电网调频调节过程中，能够快速响应所述调频指令，并且提高了系统的安全性。
下面参考附图描述本申请实施例的可控储能联合火电的调频系统及方法。
实施例一
图1为根据本申请一个实施例提供的一种可控储能联合火电的调频系统的框图，如图1所示，所述系统包括：高压发电单元1和三相高压飞轮储能系统2，所述高压发电单元1与所述三相高压飞轮储能系统2连接；
所述高压发电单元1，用于根据调频指令调节所述三相高压飞轮储能系统2的充放电功率；
所述三相高压飞轮储能系统2，用于响应于所述高压发电单元1的充放电功率调节；
其中，所述三相高压飞轮储能系统2包括：A相飞轮储能子系统2-1、B相飞轮储能子系统2-2和C相飞轮储能子系统2-3。
在本公开实施例中，如图2所示，所述高压发电单元1包括：发电机1-1和发电机主变1-2；
所述发电机1-1通过所述发电机主变1-2与电网系统连接。
进一步的，如图3所示，所述调频系统还包括：A相滤波电感3、B相滤波电感4和C相滤波电感5；
所述A相飞轮储能子系统2-1通过所述A相滤波电感3连接至所述发电机1-1的出口；
所述B相飞轮储能子系统2-2通过所述B相滤波电感4连接至所述发电机1-1的出口；
所述C相飞轮储能子系统2-3通过所述C相滤波电感5连接至所述发电机1-1的出口。
进一步的，如图3所示，所述调频系统还包括：A相并网断路器6、B相并网断路器7和C相并网断路器8；
所述A相飞轮储能子系统2-1通过所述A相并网断路器6与所述A相滤波电感3连接；
所述B相飞轮储能子系统2-2通过所述B相并网断路器7与所述B相滤波电感4连接；
所述C相飞轮储能子系统2-3通过所述C相并网断路器8与所述C相滤波电感5连接。
在本公开实施例中，如图4所示，所述A相飞轮储能子系统2-1包括：多个A相H桥储能单元2-1-1；
所述B相飞轮储能子系统2-2包括：多个B相H桥储能单元2-2-1；
所述C相飞轮储能子系统2-3包括：多个C相H桥储能单元2-3-1。
所述A相H桥储能单元2-1-1、B相H桥储能单元2-2-1及C相H桥储能单元2-3-1均包括：H桥换流装置9和飞轮储能电池10；
所述H桥换流装置9与所述飞轮储能电池10并联。
需要说明的是，所述飞轮储能电池10通过所述H桥换流装置9实现电能转换，H桥换流装置9采用全控功率器件，电流最大为额定电流的1.5倍，对于断路器动热稳定性要求不高，保护简单，故障范围不会扩大。
在一些实施例中，单个飞轮储能电池10并联单个H桥换流装置9，由n个飞轮储能电池10和H桥换流装置9构成一相飞轮储能子系统，每相采用热备用冗余设计，可靠性显著提升，3个一相飞轮储能子系统，构成含有A、B、C三相的三相高压飞轮储能系统2，串联升压到20kV后，连接至发电机1-1出口，接入发电机1-1输出A、B、C三相交流母线上。
进一步的，如图4所示，所述多个A相H桥储能单元2-1-1依次串联；
所述多个B相H桥储能单元2-2-1依次串联；
所述多个C相H桥储能单元2-3-1依次串联。
需要说明的是，所述各H桥储能单元中的H桥换流装置9一次串联。
进一步的，如图4所示，所述A相飞轮储能子系统2-1、B相飞轮储能子系统2-2和C相飞轮储能子系统2-3采用三相星形连接的方式进行连接。
在一些实施例中，A、B、C三相飞轮储能子系统的末端采用三相星形连接方式，各相经滤波电抗叠加到20kV，直接接到发电机1-1出口，无需储能升压变，飞轮储能电池10分散在每个H桥储能单元中，运行相互独立，耦合度低，节约了场地与投资，设备可靠性得到了加强。
其中，当单个H桥储能单元损坏后，H桥换流装置9直接导通，可以将损坏的单个H桥储能单元就地隔离，不会影响其他H桥储能单元工作，也不会像集中换流储能系统那样，存在木桶短板效益，直流环流也得到了进一步控制。单个H桥储能单元采用串联方案，也不存在并联方案里的不同电芯出力不均问题，温升得到了控制，也不存在温升过高引发的安全风险。
示例的，如图5所示为所述可控储能联合火电的调频系统的整体示意图，所述调频系统包括：高压发电单元1，其中，所述高压发电单元1中的发电机1-1通过发电机主变1-2至电网系统；三相高压飞轮储能系统2分为交流A、B、C分支，连接至发电机1-1出口，每一分支由H桥储能单元串联组成。
其中，采用三相高压飞轮储能系统2辅助火电机组即发电机1-1参与到响应电网调频调节中，利用储能系统快速充电、功率控制精确特性，响应电网对于火电机组的功率调节，辅助火电机组，共同参与到电网频率调解中，所述储能系统直接接入发电机出口，避免了大多数储能接入厂用段，对设备的改造。
需要说明的是，各个H桥储能单元中包含H桥换流装置9，H桥换流装置9采用移相载波调制方式，同一桥臂上、下晶闸管开关状态互补，第k相中第i个H桥储能单元输出电压可表示为
Figure 709177DEST_PATH_IMAGE001
，k相中所有H桥储能单元输出电压矢量和
Figure 139021DEST_PATH_IMAGE002
为20kV，可表示为：
Figure 442964DEST_PATH_IMAGE003
，式中，k相为三相高压飞轮储能系统2中A、B、C任意相，
Figure 718087DEST_PATH_IMAGE004
为开关函数，当H桥储能单元正常工作时为1，当出现故障时为0，可以实现故障隔离，n为一相飞轮储能子系统中H桥储能单元的级联个数。
单相飞轮储能子系统输出电压、电流与并网点单相电压关系可表示为：
Figure 361558DEST_PATH_IMAGE005
，式中，
Figure 759041DEST_PATH_IMAGE006
为k相并网点电压，
Figure 487963DEST_PATH_IMAGE007
为系统零序电压，
Figure 566777DEST_PATH_IMAGE008
为第k相滤波电容，
Figure 628537DEST_PATH_IMAGE009
为第k相输出电流，其中，
Figure 400184DEST_PATH_IMAGE010
，式中，
Figure 350822DEST_PATH_IMAGE011
为A相飞轮储能子系统输出电压，
Figure 233327DEST_PATH_IMAGE012
为B相飞轮储能子系统输出电压，
Figure 648128DEST_PATH_IMAGE013
为C相飞轮储能子系统输出电压，
Figure 590676DEST_PATH_IMAGE014
为A相并网点电压，
Figure 28611DEST_PATH_IMAGE015
为B相并网点电压，
Figure 511545DEST_PATH_IMAGE016
为C相并网点电压。
在本公开实施例中，所述各个飞轮储能电池10的响应所述调频指令进行充放电包括：
三相高压飞轮储能系统2联合发电机1-1调频时，在H桥换流装置9采用有功功率-频率下垂控制中，引入调频死区，即频率响应动作门槛
Figure 984115DEST_PATH_IMAGE017
，则功率调节量为：
Figure 97564DEST_PATH_IMAGE018
，式中，
Figure 85112DEST_PATH_IMAGE019
为单个H桥储能单元输出有功功率额定值，
Figure 309420DEST_PATH_IMAGE020
为第k相中第i个H桥储能单元输出有功功率实际值，
Figure 370917DEST_PATH_IMAGE021
为充电状态下，第k相中第i个H桥换流装置有功下垂系数，
Figure 216119DEST_PATH_IMAGE022
为放电状态下，第k相中第i个H桥换流装置有功下垂系数，
Figure 628646DEST_PATH_IMAGE023
为第k相中第i个H桥储能单元输出频率实际值，
Figure 656645DEST_PATH_IMAGE024
为单个H桥储能单元输出频率额定值。
综上所述，本实施例提出的可控储能联合火电的调频系统，将三相高压飞轮储能系统直接接入发电机出口，可以联合发电机组参与到响应电网调频调节过程中，能够快速响应所述调频指令，并且提高了系统的安全性。
实施例二
本实施例提供的可控储能联合火电的调频方法，如图6所示，所述方法包括：
步骤1：获取调频指令，并基于所述调频指令确定所需调节的有功功率；
步骤2：根据所需调节的有功功率确定各个H桥储能单元所需调整的有功功率；
步骤3：基于各个H桥储能单元所需调整的有功功率，利用各个H桥换流装置对其对应的飞轮储能电池的充放电功率进行调节，进而响应所述调频指令。
综上所述，本实施例提出的可控储能联合火电的调频方法，能够快速响应所述调频指令，并且提高了系统的安全性。
实施例三
为了实现上述实施例，本公开还提出一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时，实现如实施例二所述的方法。
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申请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。
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现定制逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种可控储能联合火电的调频系统，其特征在于，包括：高压发电单元和三相高压飞轮储能系统，所述高压发电单元与所述三相高压飞轮储能系统连接；
所述高压发电单元，用于根据调频指令调节所述三相高压飞轮储能系统的充放电功率；
所述三相高压飞轮储能系统，用于响应于所述高压发电单元的充放电功率调节；
其中，所述三相高压飞轮储能系统包括：A相飞轮储能子系统、B相飞轮储能子系统和C相飞轮储能子系统。
2.如权利要求1所述的调频系统，其特征在于，所述高压发电单元包括：发电机和发电机主变；
所述发电机通过所述发电机主变与电网系统连接。
3.如权利要求2所述的调频系统，其特征在于，所述调频系统还包括：A相滤波电感、B相滤波电感和C相滤波电感；
所述A相飞轮储能子系统通过所述A相滤波电感连接至所述发电机的出口；
所述B相飞轮储能子系统通过所述B相滤波电感连接至所述发电机的出口；
所述C相飞轮储能子系统通过所述C相滤波电感连接至所述发电机的出口。
4.如权利要求3所述的调频系统，其特征在于，所述调频系统还包括：A相并网断路器、B相并网断路器和C相并网断路器；
所述A相飞轮储能子系统通过所述A相并网断路器与所述A相滤波电感连接；
所述B相飞轮储能子系统通过所述B相并网断路器与所述B相滤波电感连接；
所述C相飞轮储能子系统通过所述C相并网断路器与所述C相滤波电感连接。
5.如权利要求1所述的调频系统，其特征在于，所述A相飞轮储能子系统包括：多个A相H桥储能单元；
所述B相飞轮储能子系统包括：多个B相H桥储能单元；
所述C相飞轮储能子系统包括：多个C相H桥储能单元。
6.如权利要求5所述的调频系统，其特征在于，所述A相H桥储能单元、B相H桥储能单元及C相H桥储能单元均包括：H桥换流装置和飞轮储能电池；
所述H桥换流装置与所述飞轮储能电池并联。
7.如权利要求6所述的调频系统，其特征在于，所述多个A相H桥储能单元依次串联；
所述多个B相H桥储能单元依次串联；
所述多个C相H桥储能单元依次串联。
8.如权利要求1所述的调频系统，其特征在于，所述A相飞轮储能子系统、B相飞轮储能子系统和C相飞轮储能子系统采用三相星形连接的方式进行连接。
9.一种基于上述权利要求1-8任一所述的可控储能联合火电的调频系统的调频方法，其特征在于，所述方法包括：
获取调频指令，并基于所述调频指令确定所需调节的有功功率；
根据所需调节的有功功率确定各个H桥储能单元所需调整的有功功率；
基于各个H桥储能单元所需调整的有功功率，利用各个H桥换流装置对其对应的飞轮储能电池的充放电功率进行调节，进而响应所述调频指令。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求9中所述的方法。
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