CN207603229U - 基于飞轮储能系统的电网调频装置 - Google Patents

基于飞轮储能系统的电网调频装置 Download PDF

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李虹桥
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Abstract

本实用新型提供了一种基于飞轮储能系统的电网调频装置,包括发电设备处调节装置,所述发电设备处调节装置安装在发电设备与配电站之间,所述发电设备处调节装置包括多个FESS阵列,每个FESS阵列包括一个阵列控制器;每个所述FESS阵列包括多个FESS单元,每个所述FESS单元包括飞轮控制器,以及飞轮控制器连接的飞轮储能模块,每个所述FESS阵列还包括多个切换机构,所述切换机构的一端连接飞轮控制器,切换机构的另一端连接配电网母线。本实用新型所述的基于飞轮储能系统的电网调频装置充放电速度快,15分钟之内可充放电完成,使用寿命长,绿色无污染,特别适合用于电力系统频率微调调节。

Description

基于飞轮储能系统的电网调频装置
技术领域
[0001] 本实用新型属于电网调频技术领域,尤其是涉及一种基于飞轮储能系统的电网调 频装置。
背景技术
[0002] 在中国,期望产生频率为50HZ并且满足所需电压范围的交流电。这种交流电是由 许多发电厂产生的,例如使用化石燃料(例如天然气、煤)或核能的大型固定发电设施,水力 发电设施、风电和光伏发电设施等。在任何给定时间内运行的具体多种混合发电设备是基 于成本等因素来选择的,包括将电网电压调节到期望的范围内,并且将交流电压的频率调 节到所需范围内。
[0003] 发电和配电系统不断受到负载功率和发电功率不匹配的挑战。当负载超过发电总 功率时,系统频率下降。当发电总功率超过负载时,频率上升。可以不断调整发电设备的功 率输出,使得与传输消耗的总功率,并且和负载消耗相匹配。为了将电压和频率同时保持在 期望的范围内,周期性地确定负载和所产生的功率之间的差异。区域调度中心的任务是监 测负载和发电机以及其他因素(如,对频移或时间误差的校正),并且输出控制(调度)信号 (有时被称为能量管理系统(EMS)信号)发送到发电设备,以增加或减少发电设备的功率输 出。针对给定区域有大量的监视点或节点,并且调度中心针对上述因素来监测每个监视点。 由于发电设备对调度中心所输出的信号存在一定的响应时间,所以频率的调整存在一定的 时滞。
[0004] 在大多数电力系统中配备有自动发电控制(AGC),并且可以快速(MW/分钟)改变输 出功率以瞬间跟踪到较大用户负载波动。确定电力需求量的一种方法是使用区域控制误差 (ACE)。这种方法通常通过比较所输送的功率和所需的功率来确定ACE。在该方法中,随着 ACE值的上升或下降,功率被相应地调整。低ACE通常意味着从交流频率的角度,配电系统接 近最佳运行。
[0005]目前电力系统的管理标准要求配电系统每十分钟至少平衡一次。因此,校正信号 通常可以命令发电设备每天交替地加载、卸载数百次。虽然这种操作模式可以通过某些类 型的发电设备来实现,但是这种操作模式对典型的火电发电机组的寿命造成负面影响。
[0006] 目前,己建立了电池储能电厂,容量在500kW到40MW。虽然电池储能用于形成不中 断的电源,但是在执行频率的微调调节时,电池的周期性操作可能会对电池造成损害,包括 影响使用寿命以及电池存储容量。
[0007] 此外,电力调度员还可以使用确定的功率差来输出信号或请求,设备通过功率信 号或请求来提供补充。这样的通常能够提供更大的功率作为用于频率微调的补充,然而,这 种旋转备用设备通常需要很长的时间才能达到满容量(大约10-60分钟),因此并不适用于 频率的微调调节。
[0008] 因此,期望提供用于电力系统频率调节的新方法和装置。
[0009] 飞轮储能系统是指利用电动机带动飞轮高速旋转,在需要的时候再用飞轮带动发 电机发电的储能方式,简称FESS。飞轮储能系统主要包括转子系统、轴承系统和转换能量系 统三个部分构成。另外还有一些支持系统,如真空、深冷、外壳和控制系统。
[0010] 飞轮储能系统充放电速度快,15分钟可充放电完成,使用寿命长,绿色无污染,特 别适合用于电力系统频率微调调节。所以,与传统的或现有技术的方法和装置相结合,采用 飞轮储能系统进行电力系统频率调节的方法和装置亟待解决。
发明内容
[0011] 有鉴于此,本实用新型旨在提出一种基于飞轮储能系统的电网调频装置,以解决 现有的功率调节装置调节反应慢,使用寿命短的情况。
[0012] 为达到上述目的,本实用新型的技术方案是这样实现的:
[0013] 一种基于飞轮储能系统的电网调频装置,包括发电设备处调节装置,所述发电设 备处调节装置安装在发电设备与配电站之间,所述发电设备处调节装置包括多个FESS阵 列,每个FESS阵列包括一个阵列控制器;
[0014] 每个所述FESS阵列包括多个FESS单元,每个所述FESS单元包括飞轮控制器,以及 飞轮控制器连接的飞轮储能模块;
[0015] 所述飞轮控制器都连接阵列控制器,所述阵列控制器还连接调度中心和远程监测 中心,每个所述FESS阵列还包括多个切换机构,所述切换机构的一端连接飞轮控制器,切换 机构的另一端连接配电网母线,所述切换结构连接阵列控制器,通过控制切换机构控制电 流并网。
[0016] 进一步的,还包括配电站处调节装置,所述配电站处调节装置包括多个FESS阵列, 每个所述FESS阵列通过阵列控制器连接多个FESS单元,每个FESS单元的飞轮储能模块都连 接一个第一双向变流器;
[0017] 所述第一双向变流器都连接同一条直流总线,所述直流总线通过依次串联在直流 总线上的第二双向变流器和升压变压器将总线并入电网;
[0018] 所述配电站处调节装置通过阵列控制器连接调度中心和远程监测中心。
[0019] 进一步的,所述第二双向变流器和升压变压器之间并联安装系统辅助负载,所述 系统辅助负载连接阵列控制器。
[0020] 进一步的,还包括可调节负载处调节装置,所述可调节负载处调节装置包括多个 FESS阵列,每个所述FESS阵列通过阵列控制器连接多个FESS单元,每个FESS单元的飞轮储 能模块都连接一个第三双向变流器;
[0021]所述第三双向变流器都连接同一条直流总线,所述直流总线通过依次串联在直流 总线上的第四双向变流器和升压变压器将总线并入电网;所述第四双向变流器与升压变压 器之间并联安装系统辅助负载和功率可调节负载,所述系统辅助负载和可调节负载都连接 阵列控制器;
[0022]所述可调节负载处调节装置通过阵列控制器连接调度中心和远程监测中心。
[0023]相对于现有技术,本实用新型所述的基于飞轮储能系统的电网调频装置具有以下 优势:
[0024]本实用新型所述的飞轮储能系统充放电速度快,15分钟可充放电完成,使用寿命 长,绿色无污染,特别适合用于电力系统频率微调调节。
附图说明
[0025^构成本实用新型的一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解,本实用新 型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型,并不构成对本实用新型的不当限定。在 附图中:
[0026]图1为本实用新型实施例所述的基于飞轮储能系统的电网调频装置整体连接原理 示意图;
[0027]图2为本实用新型实施例所述的发电设备处调节装置结构原理图;
[0028]图3为本实用新型实施例所述的配电站处调节装置结构原理图;
[0029]图4为本实用新型实施例所述的可调节负载处调节装置结构原理图;
[0030]图5为本实用新型实施例所述的发电设备处调节装置流程图;
[0031]图6为本实用新型实施例所述的配电站处调节装置流程图;
[0032]图7为本实用新型实施例所述的可调节负载处调节装置流程图。
具体实施方式
[0033]需要说明的是,在不冲突的情况下,本实用新型中的实施例及实施例中的特征可 以相互组合。
[0034] 在本实用新型的描述中,需要理解的是,术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、 “前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为 基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本实用新型和简化描述,而不是指示 或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解 为对本实用新型的限制。此外,术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的,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”等 的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中,除非另 有说明,“多个”的含义是两个或两个以上。
[0035]在本实用新型的描述中,需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“安 装”、“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地 连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连, 可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以通过具体情况理解上 述术语在本实用新型中的具体含义。
[0036]下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。
[0037]如图1,图2所示,基于飞轮储能系统的电网调频装置,包括发电设备处调节装置, 所述发电设备处调节装置安装在发电设备与配电站之间,所述发电设备处调节装置包括多 个FESS阵列,每个FESS阵列包括一个阵列控制器;阵列控制器和飞轮控制器都是采用的现 有技术,这里不再赘述;
[0038] 每个所述FESS阵列包括多个FESS单元,每个所述FESS单元包括飞轮控制器,以及 飞轮控制器连接的飞轮储能模块;
[0039] 所述飞轮控制器都连接阵列控制器,所述阵列控制器还连接调度中心和远程监测 中心,每个所述FESS阵列还包括多个切换机构,所述切换机构的一端连接飞轮控制器,切换 机构的另一端连接配电网母线,所述切换结构连接阵列控制器,通过控制切换机构控制电 流并网。发电设备的种类可以包括:火电机组、核电机组、水电机组和可再生能源发电设备 (如风力发电机组和太阳能发电设备)等。发电设备可以是可移动的,以便配置于图中配电 系统的任何一个节点。FESS阵列包括一个或多个飞轮储能系统单元,通过飞轮储能单元的 模块化设计,可以将多个飞轮储能单元在车间进行组装,然后整体移动安装在所需位置。 [0040] 本实用新型的FESS阵列的FESS单元各自具有lOOkW至250kW的容量,可以提供 25kWh的电能。通常,每个FESS阵列由10个FESS单元构成,所以,如此配置的FESS阵列可以提 供大约1MW的电力I5分钟或约2 • 5丽的电力约5分钟。本发明的每个FESS阵列也可以由不同 数量的FESS单元构成,每个FESS单元的容量也可以不同。
[0041] FESS单元通常使用旋转构件,以动能的形式存储电能。常规的FESS单元,包括飞轮 控制器和飞轮模块。飞轮模块包括飞轮转子组件和电动机/发电机组件。飞轮模块通常基于 永磁无刷设计,并且机电系统通常由飞轮控制器控制。飞轮储能系统单元被封装真空条件 下的壳体内,以使飞轮转子组件所受阻力最小。
[0042] FESS单元用于频率调节分为三种操作模式:充电模式,待机模式和放电模式。在充 电模式中,飞轮控制器配置电动机/发电机,作为电动机连接至电力源,吸收电能,使飞轮转 子组件旋转,使飞轮转子达到预定的最小转速或处于设定的转速范围内。以这种方式,传递 到飞轮储能系统的电能被转换为飞轮转子的动能。在达到预定的初始转速或设定的转速范 围后,飞轮控制器将控制电动机与电力源断开。
[0043]在完成充电之后,飞轮储能系统处于待机模式,其中飞轮转子组件保持旋转状态。 飞轮转子组件通常封装在保持真空条件的壳体内,并且飞轮转子通常利用无摩擦或具有最 小摩擦效应的轴承。以这种方式,处于待机模式时作用在飞轮转子组件的阻力最小。
[0044] 在FESS单元进入初始操作(即旋转)状态之后,监视FESS单元的运行状态,即飞轮 转子的转速。当飞轮转子的转速下降到预定值以下时,飞轮控制器将电动机重新连接到电 力源上。以这种方式,飞轮转子组件的旋转速度增加,并且在再次达到预定的期望转速之 后,飞轮控制器断开电动机与电力源的连接。以这种方式,飞轮控制器在待机模式下自动维 持FESS单元期望的功率产生能力。
[0045]当FESS单元处于放电模式时,飞轮控制器将飞轮电机配置成发电机。所以发电机 使用由飞轮转子提供的动能来产生电能。飞轮控制器可配置为监视多个操作参数并且提供 X寸FESS单元操作的局部控制。飞轮控制器监测操作参数以确定飞轮转子组件是否应该被减 小转速或者停转,例如在检测到超速状况或有可能旋转不稳定或飞轮转子组件存在潜在故 障的情况下。如果飞轮控制器确定应采取动作,则飞轮控制器使FESS单元停止飞轮转子旋 转,并且输出这种停转信号。
[0046]另外,飞轮控制器可以将运行参数或运行状态输出到远程监控中心,以便在允许 操作条件下进行远程监控。在本实用新型中,这样的监测信号从FESS阵列的每个FESS单元 发送到阵列控制器,然后阵列控制器累积这些信号并将这些信号传送到远程监测中心。 [0047]阵列控制器包括存储器和CPU。调度中心、远程监测中心、阵列控制器、FESS阵列和 FESS单元之间可以进行通信,以便以电能传送到配电系统或从配电系统中吸收电能的形式 来响应来自于调度中心的信号。
[0048]本专利申请的第一种FESS阵列电气结构中还包括将FESS阵列从配电系统耦合和 解耦的切换机构。本切换机构是适合于本领域技术人员己知的数字开关或开关电路中的任 何一种。本专利申请的第一种FESS阵列电气结构被配置有多个切换机构,其中切换机构位 于连接FESS单元到配电网络的线路中。另外,切换机构1也可位于配电网络母线上。
[0049]如图3所示,配电站处调节装置,所述配电站处调节装置包括多个FESS阵列,每个 所述FESS阵列通过阵列控制器连接多个FESS单元,每个FESS单元的飞轮储能模块都连接一 个第一双向变流器;
[0050]所述第一双向变流器都连接同一条直流总线,所述直流总线通过依次串联在直流 总线上的第二双向变流器和升压变压器将总线并入电网;
[0051]所述配电站处调节装置通过阵列控制器连接调度中心和远程监测中心。所述第二 双向变流器和升压变压器之间并联安装系统辅助负载,所述系统辅助负载连接阵列控制 器。
[0052]如图4所示,可调节负载处调节装置,所述可调节负载处调节装置包括多个FESS阵 列,每个所述FESS阵列通过阵列控制器连接多个FESS单元,每个FESS单元的飞轮储能模块 都连接一个第三双向变流器;
[0053]所述第三双向变流器都连接同一条直流总线,所述直流总线通过依次串联在直流 总线上的第四双向变流器和升压变压器将总线并入电网;所述第四双向变流器与升压变压 器之间并联安装系统辅助负载和功率可调节负载,所述系统辅助负载和可调节负载都连接 阵列控制器;
[0054]所述可调节负载处调节装置通过阵列控制器连接调度中心和远程监测中心。可调 负载包括负载组或软负载,可以相对容易地从FESS阵列中增加或减少。例如,负载组或软负 载可以是单独地连接到电网连接点的电阻加热元件。因此,吸收的电能被独立地、可控地传 递到电阻加热元件,以便提供可用的热能或被散热到空气中。软负载是如泵、冷却器、脱盐 器等装置,可以使用过量的电能制成冰、盐、净化水、泵流体等。
[0055]如图5至图7所示,发电设备处调节装置根据调度中心发送的调节量,通过控制 FESS单元的三种状态对配电网母线的频率进行调节;
[0056] 配电站处调节装置根据调度中心发送的调节量,结合系统辅助负载和FESS单元的 三种状态,以及直流和交流间的转换达到电网频率调节的目的;
[0057]可调节负载处调节装置根据调度中心发送的调节量,通过控制可调节负载和FESS 单元的三种状态,以及直流和交流间的转换达到电网频率调节的目的。
[0058]如图5所示,所述发电设备处调节装置的调节方法,具体如下:
[0059] S101、电力用户或电力供应商配置TOSS阵列期望的发电量,以便在给定的时间段 内具有设定的发电能力;
[0060] S102、发电供应商将FESS阵列耦合到配电系统;
[0061] S103、利用电力系统中剩余发电量进行FESS阵列初始化;
[0062] S104、基于给定发电设备所需的响应时间来设定反应时间;
[0063] S105、FESS阵列的运行模式根据配电网的运行情况和需求来进行控制,通过在预 定时间段内进行周期性地比较发电设备输出功率和电力消耗之间的差额进行确定;
[0064] S106、根据发电量和电力消耗之间的差额产生校正误差信号,阵列控制器对校正 信号进行分析,如果功率过高且FESS单元不能再吸收电能,或者功率过低且FESS不能释放 电能,阵列控制器发送信号给调度中心,调度中心控制增加或者减少发电设备;如果阵列控 制器分析通过FESS阵列进行控制,则控制FESS单元吸收或者释放电能。
[0065]如图6所示,RS为调节量,所述配电站处调节装置的执行方法,具体如下:
[0066] S201、阵列控制器连续地监测校正信号,校正信号表示在下一个时间步长中被要 求提供的调节量,这里的调节量要结合电网本身需求的调节量,以及系统辅助负载的功率; [0067] S202、阵列控制器从FESS单元中获取数据确定FESS阵列的容量;
[0068] S203、如果阵列控制器接收到的校正信号,调节量在FESS阵列容量范围之外,则返 回步骤S201,FESS阵列保持待机状态;如果调节量在FESS阵列容量的范围之内,则进一步判 断调节量是否等于零,如果等于零,则返回步骤S201;如果不等于零,则进一步判断调节量 是大于零还是小于零;如果小于零则控制FESS阵列吸收来自电网的指定功率。
[0069]如图7所示,RS为调节量,AP为系统辅助负载功率,可调节负载处调节装置的执行 方法,具体如下:
[0070] S301、阵列控制器连续地监测校正信号,校正信号表示在下一个时间步长中被要 求提供的调节量;
[0071 ] S302、阵列控制器从FESS单元中获取数据确定FESS阵列的容量;
[0072] S3〇3、阵列控制器判断调节量,如果大于零,则判断调节量是否大于系统辅助负载 功率;如果调节量大于系统辅助负载功率,则阵列控制器判断FESS阵列容量是否在调节量 减去系统辅助负载功率情况下具有足够的容量向电网输送功率;如果确定FESS阵列具有足 够的容量,则阵列控制器向电网输出功率,置于放电模式,使FESS单元输出等于调节量减去 系统辅助负载功率的功率大小;如果由FESS阵列接收的设定点的功率被分配到可调节负 载,则可调节负载的全部或部分功率也从可调负载输送回配电网;如果FESS单元没有足够 的容量,返回到对FESS阵列的信号的监测;
[0073]如果确定调节量小于系统辅助负载功率,则需判断FESS阵列是否完全充满;若完 全充满,则阵列控制器控制FESS阵列不提供功率输出,可调节负载的功率输送至配电网;如 果确定FESS阵列未完全充满,则阵列控制器计算NP,所述NP为在给定时间段内的将飞轮充 满电所需功率;如果确定NP大于系统辅助负载功率减去调节量,则阵列控制器使FESS阵列 被配置为充电模式,可调节负载被配置为使功率从可调节负载输送至FESS单元充电,使 FESS阵列吸收等于系统辅助负载功率减去调节量的功率;如果确定NP不大于系统辅助负载 功率减去调节量,则阵列控制器使FESS阵列被配置为充电模式,吸收约等于Np的来自电网 的功率,可调负载被配置成使一部分功率的从可调负载输送到阳$单元和系统辅助负载功 率减去调节量再减去设定点的功率输出到电网;随后返回对FESS阵列的信号的监测;
[0074]如果确定调节量不大于零,则由阵列控制器根据获取的系统数据确定FESS阵列是 否具有足够的容量来吸收调节量绝对值大小的电能;如果确定FESS阵列具有足够的吸收能 力,则阵列控制器使TOSS单元和FESS阵列被配置为充电模式,使可调负载吸收等于系统辅 助负载功率的电能;如果确定FESS阵列不具有足够的吸收功率的能力,则阵列控制器使 FESS阵列被配置成待机模式,可调载荷设置为吸收等于系统辅助负载功率与调节量绝对值 之和的电能;随后返回监测FESS阵列的信号。
[0075]以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已,并不用以限制本实用新型,凡在本 实用新型的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本实用新型 的保护范围之内。

Claims (4)

1. 基于飞轮储能系统的电网调频装置,其特征在于:包括发电设备处调节装置,所述发 电设备处调节装置安装在发电设备与配电站之间,所述发电设备处调节装置包括多个FESS 阵列,每个FESS阵列包括一个阵列控制器; 每个所述FESS阵列包括多个FESS单元,每个所述FESS单元包括飞轮控制器,以及飞轮 控制器连接的飞轮储能模块; 所述飞轮控制器都连接阵列控制器,所述阵列控制器还连接调度中心和远程监测中 心,每个所述FESS阵列还包括多个切换机构,所述切换机构的一端连接飞轮控制器,切换机 构的另一端连接配电网母线,所述切换机构连接阵列控制器,通过控制切换机构控制电流 并网。
2. 根据权利要求1所述的基于飞轮储能系统的电网调频装置,其特征在于:还包括配电 站处调节装置,所述配电站处调节装置包括多个FESS阵列,每个所述FESS阵列通过阵列控 制器连接多个FESS单元,每个FESS单元的飞轮储能模块都连接一个第一双向变流器; 所述第一双向变流器都连接同一条直流总线,所述直流总线通过依次串联在直流总线 上的第二双向变流器和升压变压器将总线并入电网; 所述配电站处调节装置通过阵列控制器连接调度中心和远程监测中心。
3. 根据权利要求2所述的基于飞轮储能系统的电网调频装置,其特征在于:所述第二双 向变流器和升压变压器之间并联安装系统辅助负载,所述系统辅助负载连接阵列控制器。
4. 根据权利要求1所述的基于飞轮储能系统的电网调频装置,其特征在于:还包括可调 节负载处调节装置,所述可调节负载处调节装置包括多个FESS阵列,每个所述FESS阵列通 过阵列控制器连接多个FESS单元,每个FESS单元的飞轮储能模块都连接一个第三双向变流 器; 所述第三双向变流器都连接同一条直流总线,所述直流总线通过依次串联在直流总线 上的第四双向变流器和升压变压器将总线并入电网;所述第四双向变流器与升压变压器之 间并联安装系统辅助负载和功率可调节负载,所述系统辅助负载和可调节负载都连接阵列 控制器; 所述可调节负载处调节装置通过阵列控制器连接调度中心和远程监测中心。
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