CN118040668A - 一种耦合分布式调相机与压缩空气储能系统及运行方式 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种耦合分布式调相机与压缩空气储能系统及运行方式，属于新能源发电技术领域，包括与由电网引出用于新能源电站并网的母线、由母线引出的第一支路和第二支路；所述第一支包括与电网依次连接的升压变并网断路器、升压变、调整电路和同步发电/调相机；所述第二支路包括与电网依次连接的降压变并网断路器、降压变和压缩机；所述压缩机与同步发电/调相机之间设置第三支路，所述第三支路包括依次连接的隔离阀、储气系统、调节阀、透平膨胀机和自动同步离合器。本发明能够提高新能源场站自身的调峰和无功补偿调节能力，大幅提升分布式调相机和压缩空气储能设备的利用率和耦合度，提高项目收益率。
Description
技术领域
本发明涉及新能源发电技术领域，尤其是一种耦合分布式调相机与压缩空气储能系统及运行方式。
背景技术
风电、光伏等新能源发电增长势头强劲，而新能源装机容量持续增加和大规模集中并网，也造成未来新型电力系统会出现高比例可再生能源和高比例电力电子设备的“双高”特征。由于新能源发电的随机性、间歇性和波动性问题，高比例可再生能源对电网稳定性产生较大冲击，辅助调节资源匮乏日益凸显，新能源消纳问题日益严重。同时高比例电力电子设备又造成新能源场站短路容量和转动惯量严重不足，存在短路比偏低、系统抗扰动冲击能力差、电网故障后暂态过电压和低电压等问题，严重制约了新能源的送出。
分布式调相机作为可以提高系统惯量和增加短路容量支撑，保障新能源场站功率稳定和电网安全稳定运行的重要设备。可以从源端解决新能源场站短路比偏低的问题，增强了系统的支撑能力，有利于提升新能源电站的利用小时数，大幅减少弃风弃光。
压缩空气储能系统是以高压空气作为能量储存形式，并在需要时通过高压空气膨胀做功发电系统，改变电能量生产、输送和使用同步模式，具有安全性高、储能容量大、放电时间长、冷热电可综合利用、使用寿命长等一系列优点。
如何协调分布式调相机与压缩空气储能系统耦合运行有待解决。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是提供一种耦合分布式调相机与压缩空气储能系统及运行方式，能够提高新能源场站自身的调峰和无功补偿调节能力，大幅提升分布式调相机和压缩空气储能设备的利用率和耦合度，提高项目收益率。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种耦合分布式调相机与压缩空气储能系统，包括与由电网引出用于新能源电站并网的母线、由母线引出的第一支路和第二支路；
所述第一支包括与电网依次连接的升压变并网断路器、升压变、调整电路和同步发电/调相机；
所述第二支路包括与电网依次连接的降压变并网断路器、降压变和压缩机；
所述压缩机与同步发电/调相机之间设置第三支路，所述第三支路包括依次连接的隔离阀、储气系统、调节阀、透平膨胀机和自动同步离合器。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述调整电路包括并联设置的出口断路器、SFC变频启动装置和静态励磁系统。
一种耦合分布式调相机与压缩空气储能系统的运行方式，包括：压缩空气储能独立运行方式，消纳低谷电，通过压缩机将空气以压缩形式储存至储气系统；压缩空气释能独立运行方式，在用电高峰，透平膨胀机释放压缩空气做功使同步发电/调相机以发电机方式运行发电补充电力；分布式调相机运行独立方式，同步发电/调相机以调相机方式运行提供无功调节和转动惯量，提高系统稳定性；分布式调相机和压缩空气储能同时运行方式；
本发明技术方案的进一步改进在于：所述压缩空气储能独立运行方式中，起始状态为：调节阀处于关闭状态，透平膨胀机处于停运状态，自动同步离合器处于脱开状态；同步升压变并网断路器处于开断状态，升压变和同步发电/调相机处于停运状态；
运行步骤包括：闭合降压变并网断路器，连通降压变(11)从新能源电站并网母线获取电力，启动压缩机投入运行，将吸入空气进行压缩得到高压气体，打开隔断阀，连通压缩机和储气系统的管道，高压气体经过管路输送至储气系统储存。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述压缩空气释能独立运行方式中，起始状态为：降压变并网断路器处于开断状态，压缩机处于停运状态，隔断阀处于关断状态；
运行步骤包括：闭合升压变并网断路器，连通同步升压变从新能源电站并网母线获取电力，先断开同步发电/调相机出口断路器，投入SFC变频启动装置，启动同步发电/调相机并带动自动同步离合器输出测投入运行并逐步升至额定转速；同时通过调节阀控制高压气体流量进入膨胀机，启动透平膨胀机并带动自动同步离合器输入侧逐步接近但不超过额定转速；此时切除SFC变频启动装置，同步发电/调相机惯性转动且转速逐步降低，待自动同步离合器检测输入侧的转速倾向超过输出侧时，自动同步离合器啮合，自动同步离合器输出侧被驱动，透平膨胀机带同步发电/调相机以发电机方式运行；投入静态励磁系统使同步发电/调相机机端电压升至额定电压；接受同期检测并控制操作同步发电/调相机在空载运行下达到并网要求的转速和电压，闭合同步发电/调相机出口断路器进行同期并网，并网成功后可通过控制调节阀门开度，调节空气释能发电出力。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述分布式调相机运行独立方式中，起始状态为：降压变并网断路器处于开断状态，压缩机处于停运状态，隔断阀和调节阀处于关断状态，透平膨胀机处于停运状态，自动同步离合器处于脱开状态；
运行步骤包括：闭合升压变并网断路器，连通升压变从新能源电站并网母线获取电力，先断开同步发电/调相机出口断路器，投入SFC变频启动装置，启动同步发电/调相机投入运行并逐步升至略超过额定转速；投入静态励磁系统使同步发电/调相机机端电压升至额定电压；接受同期命令，先切除SFC变频启动装置，检测并控制操作同步发电/调相机在空载运行下达到并网要求的转速和电压，闭合同步发电/调相机出口断路器进行同期并网，并网成功后同步发电/调相机以分布式调相机方式运行，可通过控制静态励磁系统的励磁电流输出大小以调整分布式调相机发出或吸收无功功率的大小。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述分布式调相机和压缩空气储能同时运行方式中，起始状态为：调节阀处于关断状态，透平膨胀机处于停运状态，自动同步离合器处于脱开状态；
运行步骤包括：分布式调相机系统启动并投运；闭合升压变并网断路器，连通升压变从新能源电站并网母线获取电力，先断开出口断路器，投入SFC变频启动装置，启动同步发电/调相机投入运行并逐步升至略超过额定转速；投入静态励磁系统使同步发电/调相机机端电压升至额定电压；接受同期命令，先切除SFC变频启动装置，检测并控制操作同步发电/调相机在空载运行下达到并网要求的转速和电压，闭合同步发电/调相机出口断路器进行同期并网，并网成功后同步发电/调相机以分布式调相机方式运行，通过控制静态励磁系统的励磁电流输出大小以调整分布式调相机发出或吸收无功功率的大小；启动压缩空气储能运行模式；闭合降压变并网断路器，连通降压变(11)从新能源电站并网母线获取电力，启动压缩机投入运行，将吸入空气进行压缩得到高压气体，打开隔断阀，连通压缩机和储气系统管道，高压气体经过管路输送至储气系统储存。
由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：
1、本发明中设置同步发电/调相机，兼具压缩空气储能发电机和分布式调相机两种功能，适合并满足电网对新能源场站同时具备储能调峰、系统惯量和无功调节能力的需求，降低新能源场站弃风弃光电量损失，增加参与电网辅助服务的收益，从而提高项目收益率。
2、本发明中设置自动同步离合器，可以将压缩空气储能透平膨胀机与同步发电/调相机解耦运行，在压缩空气储能运行时，同步发电/调相机可同时进行分布式调相机运行，可大幅提升分布式调相机和压缩空气储能设备的利用率，有利于降低工程建设成本。
附图说明
图1是本发明中用于新能源场站的耦合分布式调相机和压缩空气储能的系统拓扑结构；
图2是本发明中用于新能源场站的耦合分布式调相机和压缩空气储能的系统框图；
其中，1、母线，2、同步发电/调相机，3、升压变，4、升压变并网断路器，5、出口断路器，6、SFC变频启动装置，7、静态励磁系统，8、压缩机，9、储气系统，10、透平膨胀机，11、降压变，12、降压变并网断路器，13、隔断阀，14、调节阀，15、自动同步离合器，16、电网。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明：
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。
如图1、2所示，一种耦合分布式调相机与压缩空气储能系统，包括与由电网16引出用于新能源电站并网的母线1、由母线1引出的第一支路和第二支路；
所述第一支包括与电网1依次连接的升压变并网断路器4、升压变3、调整电路和同步发电/调相机2；
所述调整电路包括并联设置的出口断路器5、SFC变频启动装置6和静态励磁系统7；
所述第二支路包括与电网1依次连接的降压变并网断路器12、降压变11和压缩机8；
所述压缩机8与同步发电/调相机2之间设置第三支路，所述第三支路包括依次连接的隔离阀13、储气系统9、调节阀14、透平膨胀机10和自动同步离合器15。
耦合分布式调相机与压缩空气储能系统的运行方式，包括：压缩空气储能独立运行方式，消纳低谷电，通过压缩机8将空气以压缩形式储存至储气系统9；压缩空气释能独立运行方式，在用电高峰，透平膨胀机10释放压缩空气做功使同步发电/调相机2以发电机方式运行发电补充电力；分布式调相机运行独立方式，同步发电/调相机2以调相机方式运行提供无功调节和转动惯量，提高系统稳定性；分布式调相机和压缩空气储能同时运行方式；
压缩空气储能独立运行方式中，起始状态为：调节阀14处于关闭状态，透平膨胀机10处于停运状态，自动同步离合器15处于脱开状态；同步升压变并网断路器4处于开断状态，升压变3和同步发电/调相机2处于停运状态；
运行步骤包括：闭合降压变并网断路器12，连通降压变(11)从新能源电站并网母线1获取电力，启动压缩机8投入运行，将吸入空气进行压缩得到高压气体，打开隔断阀13，连通压缩机8和储气系统9的管道，高压气体经过管路输送至储气系统9储存。
压缩空气释能独立运行方式中，起始状态为：降压变并网断路器12处于开断状态，压缩机8处于停运状态，隔断阀13处于关断状态；
运行步骤包括：闭合升压变并网断路器4，连通同步升压变3从新能源电站并网母线1获取电力，先断开同步发电/调相机2出口断路器5，投入SFC变频启动装置6，启动同步发电/调相机2并带动自动同步离合器15输出测投入运行并逐步升至额定转速；同时通过调节阀14控制高压气体流量进入膨胀机，启动透平膨胀机10并带动自动同步离合器15输入侧逐步接近但不超过额定转速；此时切除SFC变频启动装置6，同步发电/调相机2惯性转动且转速逐步降低，待自动同步离合器15检测输入侧的转速倾向超过输出侧时，自动同步离合器15啮合，自动同步离合器15输出侧被驱动，透平膨胀机10带同步发电/调相机2以发电机方式运行；投入静态励磁系统7使同步发电/调相机2机端电压升至额定电压；接受同期检测并控制操作同步发电/调相机2在空载运行下达到并网要求的转速和电压，闭合同步发电/调相机2出口断路器5进行同期并网，并网成功后可通过控制调节阀14门开度，调节空气释能发电出力。
分布式调相机运行独立方式中，起始状态为：降压变并网断路器12处于开断状态，压缩机8处于停运状态，隔断阀13和调节阀14处于关断状态，透平膨胀机10处于停运状态，自动同步离合器15处于脱开状态；
运行步骤包括：闭合升压变并网断路器4，连通升压变3从新能源电站并网母线1获取电力，先断开同步发电/调相机2出口断路器5，投入SFC变频启动装置6，启动同步发电/调相机2投入运行并逐步升至略超过额定转速；投入静态励磁系统7使同步发电/调相机2机端电压升至额定电压；接受同期命令，先切除SFC变频启动装置6，检测并控制操作同步发电/调相机2在空载运行下达到并网要求的转速和电压，闭合同步发电/调相机2出口断路器5进行同期并网，并网成功后同步发电/调相机2以分布式调相机方式运行，可通过控制静态励磁系统7的励磁电流输出大小以调整分布式调相机发出或吸收无功功率的大小。
分布式调相机和压缩空气储能同时运行方式中，起始状态为：调节阀14处于关断状态，透平膨胀机10处于停运状态，自动同步离合器15处于脱开状态；
运行步骤包括：分布式调相机系统启动并投运；闭合升压变并网断路器4，连通升压变3从新能源电站并网母线1获取电力，先断开出口断路器5，投入SFC变频启动装置6，启动同步发电/调相机2投入运行并逐步升至略超过额定转速；投入静态励磁系统7使同步发电/调相机2机端电压升至额定电压；接受同期命令，先切除SFC变频启动装置6，检测并控制操作同步发电/调相机2在空载运行下达到并网要求的转速和电压，闭合同步发电/调相机2出口断路器5进行同期并网，并网成功后同步发电/调相机2以分布式调相机方式运行，通过控制静态励磁系统7的励磁电流输出大小以调整分布式调相机发出或吸收无功功率的大小；启动压缩空气储能运行模式；闭合降压变并网断路器12，连通降压变(11)从新能源电站并网母线1获取电力，启动压缩机8投入运行，将吸入空气进行压缩得到高压气体，打开隔断阀13，连通压缩机8和储气系统9管道，高压气体经过管路输送至储气系统9储存。
部件解释及功能：
新能源电站并网母线：汇集接入新能源电站部分或所有发电设备的电气主母线，并与电网连接，可向电网对外送出或对内输入电能。
同步发电/调相机：属于同步电机，兼具压缩空气储能发电机和分布式调相机两种功能的设备。可以避免由于分别设置同步发电机和分布式调相机，所带来的项目建设成本增加。
同步发电/调相机升压变：将同步发电/调相机产生低电压等级的电能，升压到高电压等级并接入新能源电站并网母线。
同步发电/调相机升压变并网断路器：设置在新能源电站并网母线和同步发电/调相机升压变之间的开关设备,可以开合两者间的连接电路。
同步发电/调相机出口断路器：设置在同步发电/调相机和同步发电/调相机变之间的开关设备,可以切断两设备间的连接电路。
SFC变频启动装置：通过改变接入的交流电源频率，用来快速启动同步发电/调相机。
静态励磁系统：为同步发电/调相机运行提供励磁电流，并可以通过调整励磁电流的大小，改变同步发电/调相机发出或吸收无功功率的大小。
压缩机：利用电能产生动力，将吸入空气进行压缩得到高压气体，可以是单级压缩，也可以是多级压缩。
储气系统：可以储存压缩机所产生的高压气体的装置。
透平膨胀机：可以通过输入储气系统储存的高压气体进行做功，带动同步发电/调相机发出电能。
压缩机降压变：将从新能源电站并网母线输入的高电压等级的电能，降压到低电压等级并带动压缩机工作做功。
压缩机降压变并网断路器：设置在新能源电站并网母线和压缩机降压变之间的开关设备,可以开合两者间的连接电路。
隔断阀：设置在储气系统和压缩机之间连接管路上的阀门装置，可以通过开闭控制连接管道的隔断和流通。
调节阀：设置在储气系统和透平膨胀机之间连接管路上的阀门装置，可以通过开闭控制连接管道的隔断和流通，可调节进入透平膨胀机的高压气体流量。
自动同步离合器：一种单向传递扭矩的装置，设置在透平膨胀机和同步发电/调相机之间。自动同步离合器输入端连接透平膨胀机输出轴，自动同步离合器的输出端连接同步发电/调相机的输入端。通过开闭调节阀控制进入透平膨胀机的高压气体流量，从而可以改变透平膨胀机的转速。当离合器输入侧的转速倾向超过输出侧时，离合器啮合，输出侧被驱动，透平膨胀机带同步发电/调相机以发电方式运行；当离合器输入侧转速倾向输出侧减少时，产生反向力矩，离合器脱开，同步发电/调相机以调相机方式运行。
综上所述，本发明通过分析分布式调相机和压缩空气储能系统的工作原理和运行机理，分析两者之间存在的异同点和可耦合点，研发两者可耦合运行的系统拓扑结构，提出相应优化的运行控制策略，从而提高新能源场站自身的调峰和无功补偿调节能力，大幅提升分布式调相机和压缩空气储能设备的利用率和耦合度，有利于降低工程建设成本，降低新能源场站弃风弃光电量损失，增加参与电网辅助服务的收益，从而提高项目收益率。
Claims (7)
1.一种耦合分布式调相机与压缩空气储能系统，其特征在于：包括与由电网（16）引出用于新能源电站并网的母线（1）、由母线（1）引出的第一支路和第二支路；
所述第一支包括与电网（1）依次连接的升压变并网断路器（4）、升压变（3）、调整电路和同步发电/调相机（2）；
所述第二支路包括与电网（1）依次连接的降压变并网断路器（12）、降压变（11）和压缩机（8）；
所述压缩机（8）与同步发电/调相机（2）之间设置第三支路，所述第三支路包括依次连接的隔离阀（13）、储气系统（9）、调节阀（14）、透平膨胀机（10）和自动同步离合器（15）。
2.根据权利要求1所述的耦合分布式调相机与压缩空气储能系统，其特征在于：所述调整电路包括并联设置的出口断路器（5）、SFC变频启动装置（6）和静态励磁系统（7）。
3.一种耦合分布式调相机与压缩空气储能系统的运行方式，其特征在于：使用如权利要求1或2任一项所述的耦合分布式调相机与压缩空气储能系统，包括：压缩空气储能独立运行方式，消纳低谷电，通过压缩机（8）将空气以压缩形式储存至储气系统（9）；压缩空气释能独立运行方式，在用电高峰，透平膨胀机（10）释放压缩空气做功使同步发电/调相机（2）以发电机方式运行发电补充电力；分布式调相机运行独立方式，同步发电/调相机（2）以调相机方式运行提供无功调节和转动惯量，提高系统稳定性；分布式调相机和压缩空气储能同时运行方式。
4.根据权利要求3所述的一种耦合分布式调相机与压缩空气储能系统的运行方式，其特征在于：所述压缩空气储能独立运行方式中，起始状态为：调节阀（14）处于关闭状态，透平膨胀机（10）处于停运状态，自动同步离合器（15）处于脱开状态；同步升压变并网断路器（4）处于开断状态，升压变（3）和同步发电/调相机（2）处于停运状态；
运行步骤包括：闭合降压变并网断路器（12），连通降压变(11)从新能源电站并网母线（1）获取电力，启动压缩机（8）投入运行，将吸入空气进行压缩得到高压气体，打开隔断阀（13），连通压缩机（8）和储气系统（9）的管道，高压气体经过管路输送至储气系统（9）储存。
5.根据权利要求3所述的一种耦合分布式调相机与压缩空气储能系统的运行方式，其特征在于：所述压缩空气释能独立运行方式中，起始状态为：降压变并网断路器（12）处于开断状态，压缩机（8）处于停运状态，隔断阀（13）处于关断状态；
运行步骤包括：闭合升压变并网断路器（4），连通同步升压变（3）从新能源电站并网母线（1）获取电力，先断开同步发电/调相机（2）出口断路器（5），投入SFC变频启动装置（6），启动同步发电/调相机（2）并带动自动同步离合器（15）输出测投入运行并逐步升至额定转速；同时通过调节阀（14）控制高压气体流量进入膨胀机，启动透平膨胀机（10）并带动自动同步离合器（15）输入侧逐步接近但不超过额定转速；此时切除SFC变频启动装置（6），同步发电/调相机（2）惯性转动且转速逐步降低，待自动同步离合器（15）检测输入侧的转速倾向超过输出侧时，自动同步离合器（15）啮合，自动同步离合器（15）输出侧被驱动，透平膨胀机（10）带同步发电/调相机（2）以发电机方式运行；投入静态励磁系统（7）使同步发电/调相机（2）机端电压升至额定电压；接受同期检测并控制操作同步发电/调相机（2）在空载运行下达到并网要求的转速和电压，闭合同步发电/调相机（2）出口断路器（5）进行同期并网，并网成功后可通过控制调节阀（14）门开度，调节空气释能发电出力。
6.根据权利要求3所述的一种耦合分布式调相机与压缩空气储能系统的运行方式，其特征在于：所述分布式调相机运行独立方式中，起始状态为：降压变并网断路器（12）处于开断状态，压缩机（8）处于停运状态，隔断阀（13）和调节阀（14）处于关断状态，透平膨胀机（10）处于停运状态，自动同步离合器（15）处于脱开状态；
运行步骤包括：闭合升压变并网断路器（4），连通升压变（3）从新能源电站并网母线（1）获取电力，先断开同步发电/调相机（2）出口断路器（5），投入SFC变频启动装置（6），启动同步发电/调相机（2）投入运行并逐步升至略超过额定转速；投入静态励磁系统（7）使同步发电/调相机（2）机端电压升至额定电压；接受同期命令，先切除SFC变频启动装置（6），检测并控制操作同步发电/调相机（2）在空载运行下达到并网要求的转速和电压，闭合同步发电/调相机（2）出口断路器（5）进行同期并网，并网成功后同步发电/调相机（2）以分布式调相机方式运行，可通过控制静态励磁系统（7）的励磁电流输出大小以调整分布式调相机发出或吸收无功功率的大小。
7.根据权利要求3所述的一种耦合分布式调相机与压缩空气储能系统的运行方式，其特征在于：所述分布式调相机和压缩空气储能同时运行方式中，起始状态为：调节阀（14）处于关断状态，透平膨胀机（10）处于停运状态，自动同步离合器（15）处于脱开状态；
运行步骤包括：分布式调相机系统启动并投运；闭合升压变并网断路器（4），连通升压变（3）从新能源电站并网母线（1）获取电力，先断开出口断路器（5），投入SFC变频启动装置（6），启动同步发电/调相机（2）投入运行并逐步升至略超过额定转速；投入静态励磁系统（7）使同步发电/调相机（2）机端电压升至额定电压；接受同期命令，先切除SFC变频启动装置（6），检测并控制操作同步发电/调相机（2）在空载运行下达到并网要求的转速和电压，闭合同步发电/调相机（2）出口断路器（5）进行同期并网，并网成功后同步发电/调相机（2）以分布式调相机方式运行，通过控制静态励磁系统（7）的励磁电流输出大小以调整分布式调相机发出或吸收无功功率的大小；启动压缩空气储能运行模式；闭合降压变并网断路器（12），连通降压变(11)从新能源电站并网母线（1）获取电力，启动压缩机（8）投入运行，将吸入空气进行压缩得到高压气体，打开隔断阀（13），连通压缩机（8）和储气系统（9）管道，高压气体经过管路输送至储气系统（9）储存。
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Applications Claiming Priority (1)
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