CN115395540A - 一种用于新能源场站的飞轮储氢装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种用于新能源场站的飞轮储氢装置，将风电系统及光伏发电系统与飞轮储能系统、制氢系统接入同一交流电网，将风电系统和光伏发电系统产生的电能通过储能控制模块的控制，选择性的充入飞轮储能系统中或者应用于制氢系统中产生氢能以进行存储。通过本发明，能够利用飞轮储能系统平抑新能源波动，同时提供长时的储能保障，移峰填谷；提供长时的储能保障，移峰填谷。
Description
技术领域
本发明涉及发电设备技术领域，尤其涉及一种用于新能源场站的飞轮储氢装置。
背景技术
高比例可再生能源结构转型是实现碳中和的关键路径。根据联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)，碳中和是指二氧化碳的人为移除抵消了人为排放，其中人为排放包括化石燃料燃烧、工业过程、农业及土地利用活动排放等。根据国际可再生能源署(IRENA)，化石燃料燃烧和工业过程的二氧化碳排放占比80％以上，分部门来看，电力(占比31％)、交通(占比25％)、工业(占比21％)为排放量前三的部门。减碳举措一般可分为能源结构转型、模式升级、能效提升、碳捕获与储存技术四大类，其中能源结构转型，即电力部门可再生能源发电比重提升,同时其他部门深度电力化，是减排的关键路径。按照《巴黎协定》将全球平均气温较前工业化时期的升幅控制在2℃以内的目标，IRENA预测到2050年，全球能源相关的CO2排放量需减少70％。从能源结构来看，电力将成为主要的能源载体，占终端消费的比例由20％增长至近50％，每年新增1000TWh的电力需求，可再生能源发电的比例需大幅上升至86％，对应每年超过520GW的新增可再生能源发电装机。
电力系统具有很高的稳定性要求。电能以光速传送，并且不能大规模存储，发、输、配、用瞬时同步完成，整个电力系统时刻处于一个动态的平衡状态。在稳态运行时，电力系统中发电机发出的有功功率和负载消耗的有功功率相平衡，系统频率维持额定值。当电源功率大于负荷功率时，系统频率升高；反之系统频率降低。因此电网需通过一次调频、二次调频等手段保证频率在合格范围，否则将对负载或发电设备的运行产生影响，严重时甚至导致频率崩溃，造成大面积停电。
可再生能源发电具有很强的间歇性和波动性。可再生能源发电依赖于自然条件，先天具有间歇性和波动性特征。例如，风力发电是由自然风吹动风机的叶片，带动传动轴转动，把风的动能转化为机械动能再转化为电能，风力间歇性的特点导致风力发电输出的电能也具有间歇性；光伏发电是利用光生伏特效应将光能直接转化为电能，其发电功率受光照强度直接影响，虽然一个地区年均光照强度总体不变，但光照强度一般从早上逐渐增加到中午达到最强，随后逐渐减弱到晚上达到最弱，同时光照强度在一个小时段内具有一定的随机性，因此光伏发电输出也具有间歇性和波动性的特征。
高比例间歇性可再生能源并网将对电网稳定性造成冲击。高比例间歇性新能源接入电力系统后，常规电源不仅要跟随负荷变化，还要平衡新能源出力波动，增加电网调节难度。
现有的储能技术一般包括电化学储能、压缩空气储能、储氢等多种形式。不同类型的储能技术主要区别在于充放电效率、储能容量、储能时间跨度、充放电循环寿命等不同。根据储能技术各自特性不同，在电力系统的调峰、调频、调压、备用等等场景的应用也不同。电化学储能以锂电池为主，但其存在易燃爆、循环寿命差、维护成本高、不环保等劣势。而储氢方面，目前较少涉及，现有技术一般采用高压储氢罐进行存储，具有储氢密度低、不安全、氢气纯度低等缺点。
发明内容
本发明提供一种用于新能源场站的飞轮储氢装置，旨在利用飞轮储能系统平抑新能源波动，同时提供长时的储能保障，移峰填谷；提供长时的储能保障，移峰填谷。
为此，本发明在于提出一种用于新能源场站的飞轮储氢装置，包括：
第一并联支路，第一并联支路一端连接至新能源场站的发电系统，另一端连接至交流电网；
第二并联支路，第二并联支路一端连接飞轮储能系统，另一端连接至交流电网；
第三并联支路，第三并联支路一端连接制氢系统，另一端连接至交流电网；
制氢控制模块，用于根据发电系统的实时发电状态和交流电网的实时用电状态，控制飞轮储能系统进行充放能量和、或控制制氢系统进行制氢。
其中，第一并联支路包括第一变压器和第一变流器，第一变压器的一端和第一变流器的一端连接，第一变压器的另一端连接交流电网，第一变流器的另一端连接发电系统；其中，发电系统为新能源场站的风电系统和、或光伏发电系统，风电系统和光伏发电系统同时存在时，均通过一第一并联支路与交流电网连接。
其中，第二并联支路包括第二变压器和第二变流器，第二变压器的一端和第二变流器的一端连接，第二变压器的另一端连接交流电网，第二变流器的另一端连接飞轮储能系统；交流电网为10kV或350kV的交流电网。
其中，飞轮储能系统为五自由度全磁悬浮系统，持续充放电时间不低于15分钟，储电量不低于125kWh；用于在发电出力不稳定，电网频率波动大时提供电力支撑，同时提供一定时间的储能保障，移峰填谷。
其中，第三并联支路包括第三变压器，第三变压器一端与制氢系统、净化分离系统及储氢系统顺次连接，第三变压器另一端连接交流电网。
其中，飞轮储能系统飞轮转动能量为
其中，J为飞轮转子的转动惯量，ω为转子角速度；
对于质量分布均匀的转子，
其中，M为转子质量，R为转子半径，n为转子转速；
飞轮在运行过程中，充满电时的转子转速为nmax，待机时的转子转速为nmin，则飞轮储能系统的储电量表示为：
其中，制氢控制模块根据交流电网的实时用电状态，
在发电高峰期，如果电网调度AGC指令要求的功率＜发电系统可发功率，则表示发电系统发过多的电能，故有一部分电能不能上网，存在弃风、弃光现象，此时：
如果飞轮储电量95％≤ΔE≤100％，飞轮储能系统不工作，制氢系统开始工作，产生氢气，并经净化分离系统，存入储氢系统；如果飞轮储电量0≤ΔE＜95％，飞轮储能系统按要求开始充电，飞轮储能系统充电功率＝min{发电系统可发功率-电网调度AGC指令要求的功率，飞轮储能系统最大充电功率}，制氢系统暂不工作；当飞轮储电量达到100％，制氢系统开始工作，产生氢气，并经净化分离系统，存入储氢系统；
如果电网调度AGC指令要求的功率＝发电系统可发功率，则表示发电系统能够按可发功率发电，不存在弃风、弃光现象，此时飞轮储能系统和制氢系统均不工作；
如果电网调度AGC指令要求的功率＞发电系统可发功率，则表示发电系统能够按可发功率发电，不存在弃风、弃光现象，而且还存在一定的发电上网空间，此时：
如果飞轮储电量0≤ΔE≤5％，飞轮储能系统和制氢系统均不工作；
如果飞轮储电量5％＜ΔE≤100％，飞轮储能系统按要求放电，飞轮储能系统放电功率＝min{电网调度AGC指令要求的功率-发电系统可发功率，飞轮储能系统最大放电功率}，直到飞轮储电量ΔE＝0，飞轮储能系统停止工作；期间制氢系统不工作。
其中，净化分离系统用于对制氢系统产生的氢气进行净化和分离，以免杂质造成储氢系统的贮氢合金中毒，保障氢气的安全可靠存储。
其中，储氢系统存储氢气时，采用贮氢合金作为储氢介质，实现氢气的低压、高密度存储；贮氢合金为粉末状，材料为AB5、AB2、A2B贮氢合金中的一种；储氢密度达1.5％～2.5％，储氢压力不高于1MPa，氢气纯度高，高于99.999％。
区别于现有技术，本发明提供的用于新能源场站的飞轮储氢装置，将风电系统及光伏发电系统与飞轮储能系统、制氢系统接入同一交流电网，将风电系统和光伏发电系统产生的电能通过储能控制模块的控制，选择性的充入飞轮储能系统中或者应用于制氢系统中产生氢能以进行存储。通过本发明，能够利用飞轮储能系统平抑新能源波动，同时提供长时的储能保障，移峰填谷；提供长时的储能保障，移峰填谷。
附图说明
本发明的和/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是本发明提供的一种用于新能源场站的飞轮储氢装置的结构示意图。
图2是本发明提供的一种用于新能源场站的飞轮储氢装置的分解结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，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。
图1为本发明实施例所提供的一种用于新能源场站的飞轮储氢装置。包括：
第一并联支路1，第一并联支路1一端连接至新能源场站的发电系统5，另一端连接至交流电网4；
第二并联支路2，第二并联支路2一端连接飞轮储能系统6，另一端连接至交流电网4；
第三并联支路3，第三并联支路3一端连接制氢系统7，另一端连接至交流电网4；
制氢控制模块10，用于根据发电系统5的实时发电状态和交流电网4的实时用电状态，控制飞轮储能系统6进行充放能量和、或控制制氢系统7进行制氢。
根据国际能源署(IEA)，按照电网吸纳间歇性可再生能源(主要是风电、光伏)的比例划分了四个阶段：
(1)第一阶段：间歇性可再生能源占比低于3％，电力需求本身的波动超过了间歇性可再生电源供应的波动幅度，因此对于电网的运行基本没有影响。
(2)第二阶段：间歇性可再生能源占比在3％-15％之间，对电网冲击较小，可通过预测间歇性可再生能源机组发力，以及加强调度的方式平抑可再生能源的波动性和间歇性，可再生能源消纳相对容易。
(3)第三阶段：间歇性可再生能源占比在15％-25％之间，对电网冲击较大，此时电网灵活性要求大大增加，短期内需要增加调频电站，中长期需引入需求侧管理与储能技术的应用。
(4)第四阶段：间歇性可再生能源占比在25％-50％之间，电网稳定性面临挑战，部分时段100％电力由间歇性可再生能源提供，所有的电厂都必须配置储能灵活运行，以应对电源端和负荷端的随机变化。
在间歇性可再生能源发电比例不断提升的大背景下，配置储能通过对电能的快速存储和释放，不仅可以降低弃风弃光率，更加重要的作用是可以平抑新能源波动，跟踪计划出力，并参与系统调峰调频，增强电网的稳定性。
如图2所示，第一并联支路1包括第一变压器11和第一变流器12，第一变压器11的一端和第一变流器12的一端连接，第一变压器11的另一端连接交流电网4，第一变流器12的另一端连接发电系统5；其中，发电系统5为新能源场站的风电系统和、或光伏发电系统，风电系统和光伏发电系统同时存在时，均通过一第一并联支路1与交流电网4连接。发电系统5的风电、光伏系统接收风能、太阳能，并转化成电能，经变流转换，升压至10kV或35kV电压等级后，并入交流电网4。
其中，第二并联支路2包括第二变压器21和第二变流器22，第二变压器21的一端和第二变流器22的一端连接，第二变压器21的另一端连接交流电网4，第二变流器22的另一端连接飞轮储能系统6；交流电网4为10kV或350kV的交流电网。
其中，飞轮储能系统6为五自由度全磁悬浮系统，持续充放电时间不低于15分钟，储电量不低于125kWh；用于在发电出力不稳定，电网频率波动大时提供电力支撑，同时提供一定时间的储能保障，移峰填谷。
其中，第三并联支路3包括第三变压器31，第三变压器31一端与制氢系统7、净化分离系统8及储氢系统9顺次连接，第三变压器31另一端连接交流电网4。
其中，飞轮储能系统6飞轮转动能量为
其中，J为飞轮转子的转动惯量，ω为转子角速度；
对于质量分布均匀的转子，
其中，M为转子质量，R为转子半径，n为转子转速；
飞轮在运行过程中，充满电时的转子转速为nmax，待机时的转子转速为nmin，则飞轮储能系统的储电量表示为：
除故障或其他非正常情况下，飞轮储能系统6一直工作在待机和最高转速之间，待机转速为最低转速nmin，是飞轮储能系统6可用电量放空的状态，在此转速下，不能再往外放电，只能充电。最高转速nmax是充满电的状态，在此转速下，飞轮储能系统6只能往外放电，不能充电。
其中，制氢控制模块10根据交流电网的实时用电状态，
在发电高峰期，如果电网调度AGC指令要求的功率＜发电系统可发功率，则表示发电系统发过多的电能，故有一部分电能不能上网，存在弃风、弃光现象，此时：
如果飞轮储电量95％≤ΔE≤100％，飞轮储能系统6不工作，制氢系统7开始工作，产生氢气，并经净化分离系统8，存入储氢系统9；如果飞轮储电量0≤ΔE＜95％，飞轮储能系统6按要求开始充电，飞轮储能系统6充电功率＝min{发电系统5可发功率-电网调度AGC指令要求的功率，飞轮储能系统6最大充电功率}，制氢系统7暂不工作；当飞轮储电量达到100％，制氢系统7开始工作，产生氢气，并经净化分离系统8，存入储氢系统9；
如果电网调度AGC指令要求的功率＝发电系统可发功率，则表示发电系统5能够按可发功率发电，不存在弃风、弃光现象，此时飞轮储能系统6和制氢系统7均不工作；
如果电网调度AGC指令要求的功率＞发电系统可发功率，则表示发电系统5能够按可发功率发电，不存在弃风、弃光现象，而且还存在一定的发电上网空间，此时：
如果飞轮储电量0≤ΔE≤5％，飞轮储能系统6和制氢系统7均不工作；
如果飞轮储电量5％＜ΔE≤100％，飞轮储能系统6按要求放电，飞轮储能系统6放电功率＝min{电网调度AGC指令要求的功率-发电系统5可发功率，飞轮储能系统6最大放电功率}，直到飞轮储电量ΔE＝0，飞轮储能系统6停止工作；期间制氢系统7不工作。
其中，净化分离系统8用于对制氢系统7产生的氢气进行净化和分离，以免杂质造成储氢系统的贮氢合金中毒，保障氢气的安全可靠存储。
其中，储氢系统9存储氢气时，采用贮氢合金作为储氢介质，实现氢气的低压、高密度存储；贮氢合金为粉末状，材料为AB5、AB2、A2B贮氢合金中的一种；储氢密度达1.5％～2.5％，储氢压力不高于1MPa，氢气纯度高，高于99.999％。采用贮氢合金存储氢气，具有储氢密度高、安全、氢气纯度高等优点，可应用于半导体和集成电路、石油、化工、医药等行业。
区别于现有技术，本发明提供的用于新能源场站的飞轮储氢装置，将风电系统及光伏发电系统与飞轮储能系统、制氢系统接入同一交流电网，将风电系统和光伏发电系统产生的电能通过储能控制模块的控制，选择性的充入飞轮储能系统中或者应用于制氢系统中产生氢能以进行存储。通过本发明，能够利用飞轮储能系统平抑新能源波动，同时提供长时的储能保障，移峰填谷；提供长时的储能保障，移峰填谷。
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，对所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。
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。
Claims (10)
1.一种用于新能源场站的飞轮储氢装置，其特征在于，包括：
第一并联支路，所述第一并联支路一端连接至新能源场站的发电系统，另一端连接至交流电网；
第二并联支路，所述第二并联支路一端连接飞轮储能系统，另一端连接至交流电网；
第三并联支路，所述第三并联支路一端连接制氢系统，另一端连接至交流电网；
制氢控制模块，用于根据所述发电系统的实时发电状态和所述交流电网的实时用电状态，控制所述飞轮储能系统进行充放能量和、或控制所述制氢系统进行制氢。
2.根据权利要求1所述的用于新能源场站的飞轮储氢装置，其特征在于，所述第一并联支路包括第一变压器和第一变流器，第一变压器的一端和第一变流器的一端连接，第一变压器的另一端连接交流电网，第一变流器的另一端连接发电系统；其中，所述发电系统为新能源场站的风电系统和、或光伏发电系统，风电系统和光伏发电系统同时存在时，均通过一第一并联支路与所述交流电网连接。
3.根据权利要求1所述的用于新能源场站的飞轮储氢装置，其特征在于，所述第二并联支路包括第二变压器和第二变流器，第二变压器的一端和第二变流器的一端连接，第二变压器的另一端连接交流电网，第二变流器的另一端连接所述飞轮储能系统；所述交流电网为10kV或350kV的交流电网。
4.根据权利要求1所述的用于新能源场站的飞轮储氢装置，其特征在于，所述飞轮储能系统为五自由度全磁悬浮系统，持续充放电时间不低于15分钟，储电量不低于125kWh；用于在发电出力不稳定，电网频率波动大时提供电力支撑，同时提供一定时间的储能保障，移峰填谷。
5.根据权利要求1所述的用于新能源场站的飞轮储氢装置，其特征在于，所述第三并联支路包括第三变压器，第三变压器一端与制氢系统、净化分离系统及储氢系统顺次连接，第三变压器另一端连接交流电网。
6.根据权利要求4所述的用于新能源场站的飞轮储氢装置，其特征在于，所述飞轮储能系统飞轮转动能量为
其中，J为飞轮转子的转动惯量，ω为转子角速度；
对于质量分布均匀的转子，
其中，M为转子质量，R为转子半径，n为转子转速；
飞轮在运行过程中，充满电时的转子转速为nmax，待机时的转子转速为nmin，则飞轮储能系统的储电量表示为：
7.根据权利要求5所述的用于新能源场站的飞轮储氢装置，其特征在于，所述制氢控制模块根据所述交流电网的实时用电状态，
在发电高峰期，如果电网调度AGC指令要求的功率＜发电系统可发功率，则表示发电系统发过多的电能，故有一部分电能不能上网，存在弃风、弃光现象，此时：
如果飞轮储电量95％≤ΔE≤100％，飞轮储能系统不工作，制氢系统开始工作，产生氢气，并经净化分离系统，存入储氢系统；如果飞轮储电量0≤ΔE＜95％，飞轮储能系统按要求开始充电，飞轮储能系统充电功率＝min{发电系统可发功率-电网调度AGC指令要求的功率，飞轮储能系统最大充电功率}，制氢系统暂不工作；当飞轮储电量达到100％，制氢系统开始工作，产生氢气，并经净化分离系统，存入储氢系统；
如果电网调度AGC指令要求的功率＝发电系统可发功率，则表示发电系统能够按可发功率发电，不存在弃风、弃光现象，此时飞轮储能系统和制氢系统均不工作；
如果电网调度AGC指令要求的功率＞发电系统可发功率，则表示发电系统能够按可发功率发电，不存在弃风、弃光现象，而且还存在一定的发电上网空间，此时：
如果飞轮储电量0≤ΔE≤5％，飞轮储能系统和制氢系统均不工作；
如果飞轮储电量5％＜ΔE≤100％，飞轮储能系统按要求放电，飞轮储能系统放电功率＝min{电网调度AGC指令要求的功率-发电系统可发功率，飞轮储能系统最大放电功率}，直到飞轮储电量ΔE＝0，飞轮储能系统停止工作；期间制氢系统不工作。
8.根据权利要求5所述的用于新能源场站的飞轮储氢装置，其特征在于，所述储氢系统存储氢气时，采用贮氢合金作为储氢介质，实现氢气的低压、高密度存储。
9.根据权利要求8所述的用于新能源场站的飞轮储氢装置，其特征在于，所述净化分离系统用于对制氢系统产生的氢气进行净化和分离，以免杂质造成储氢系统的贮氢合金中毒，保障氢气的安全可靠存储。
10.根据权利要求9所述的用于新能源场站的飞轮储氢装置，其特征在于，贮氢合金为粉末状，材料为AB5、AB2、A2B贮氢合金中的一种；储氢密度达1.5％～2.5％，储氢压力不高于1MPa，氢气纯度高，高于99.999％。
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| CN213279179U (zh) * | 2020-08-04 | 2021-05-25 | 中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司 | 用于光伏电站调峰调频的飞轮-制氢-燃料电池发电系统 |
| CN213906324U (zh) * | 2020-08-04 | 2021-08-06 | 中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司 | 一种用于风电场调峰调频的飞轮-制氢系统 |
| CN114825393A (zh) * | 2022-06-23 | 2022-07-29 | 华驰动能(北京)科技有限公司 | 一种用于新能源场站的混合储能储氢装置 |
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- 2022-09-20 CN CN202211141134.6A patent/CN115395540A/zh active Pending
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