CN213990156U - 一种电网功率调节设备及系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型实施例公开了一种电网功率调节设备及系统，电网功率调节设备包括能量管理装置、网侧储能变流器、飞轮管理器、飞轮变流器以及飞轮储能装置；飞轮管理器、飞轮变流器以及网侧储能变流器分别与能量管理装置电连接；飞轮管理器与飞轮储能装置电连接；飞轮变流器的交流侧与飞轮储能装置电连接；当应用于电网功率调节时，能根据电网和飞轮的运行状况，实时控制飞轮储能装置给电网进行充电和放电，由此提高了飞轮的能量利用率和工作效率，保证了电网用电侧和发电侧的频率和幅值的动态统一。

Description

一种电网功率调节设备及系统

技术领域

本实用新型涉及电网设备领域，尤其涉及一种电网功率调节设备及系统。

背景技术

众所周知，利用新能源发电将会成为未来的主要发电方式，但是新能源，如太阳光、风力等具有天然不稳定性，间歇性、随机性和抗扰动能力弱，大规模新能源并网将会带来电网的稳定性下降。尤其是当发电和用电不平衡时，必然会带来发电侧频率和幅值的变化，导致发电侧频率和幅值与用电侧频率和幅值不统一，使得电力系统电能质量下降。

为解决新能源发电和用电不平衡，导致发电侧频率和幅值与用电侧频率和幅值不统一的问题，常采用化学电池储能装置或飞轮储能装置进行发电侧调频调峰。相比于化学电池储能装置，飞轮储能装置具有响应速度更快、能量转换效率更高、使用寿命更长、环境污染更小等优点。

然而，采用飞轮储能装置进行发电侧的调频调峰的技术并不成熟，还存在能量利用率低和系统工作状态差的情况。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种电网功率调节设备及系统，用以解决现有技术中飞轮储能装置能量利用率低和系统工作状态差的技术问题。

第一方面，本实用新型的实施例提供一种电网功率调节设备，包括：能量管理装置、网侧储能变流器、多个飞轮管理器、多个飞轮变流器以及多个飞轮储能装置；

多个飞轮管理器、多个飞轮变流器以及网侧储能变流器均与能量管理装置电连接；

网侧储能变流器的直流侧和飞轮变流器的直流侧均连接在直流母线上。

每个飞轮管理器与一个飞轮储能装置电连接；

每个飞轮变流器的交流侧均与一个飞轮储能装置电连接。

在一些实施例中，能量管理装置包括电流传感器和电压传感器。

在一些实施例中，飞轮变流器和网侧储能变流器为IGBT全控型开关器件。

在一些实施例中，能量管理装置基于Modbus TCP协议，通过工业用以太网总线与网侧储能变流器电连接。

在一些实施例中，能量管理装置基于Modbus RTU协议，通过RS485总线与飞轮管理器电连接。

在一些实施例中，飞轮管理器基于CAN标准帧协议，通过CAN总线与飞轮储能装置电连接。

在一些实施例中，电网功率调节设备至少包括三个飞轮储能装置。

第二方面，本实用新型的实施例还提供一种电网功率调节系统，包括第一方面中任一种电网功率调节设备、发电装置以及用电装置；

电网功率调节设备中的网侧储能变流器的交流侧、发电装置以及用电装置连接在电网交流母线上，其中，电网功率调节设备中的网侧储能变流器并联设置于发电装置和用电装置之间。

在一些实施例中，电网交流母线的额定电压为380V，网侧储能变流器的直流侧，与飞轮变流器的直流测的允许电压均为600-800V，额定电压均为700V。

在一些实施例中，发电装置为风电光伏发电装置。

本实用新型的实施例具有以下优点：

本实用新型的实施例将飞轮管理器、飞轮变流器以及网侧储能变流器分别与能量管理装置电连接，网侧储能变流器的直流侧和飞轮变流器的直流侧均连接在直流母线上，飞轮管理器与飞轮储能装置电连接，飞轮变流器的交流侧与飞轮储能装置电连接，由此，当利用飞轮储能装置进行电网调频调峰时，根据电网和飞轮的运行状况，实时控制飞轮储能装置给电网进行充电和放电，从而提高了飞轮的能量利用率和工作效率，保证了电网用电侧和发电侧的频率和幅值的动态统一。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对本实用新型保护范围的限定。在各个附图中，类似的构成部分采用类似的编号。

图1示出了本实用新型的电网功率调节设备的结构示意图。

图2示出了本实用新型的电网功率调节系统的结构示意图。

主要元件符号说明：

100-电网功率调节设备，110-能量管理装置，120-网侧储能变流器，130-直流母线，140-飞轮管理器，150-飞轮变流器，160-飞轮储能装置。

200-电网功率调节系统，210-发电装置，220-电网交流母线，230-用电装置。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。

通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在下文中，可在本实用新型的各种实施例中使用的术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。

此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本实用新型的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本实用新型的各种实施例中被清楚地限定。

实施例1

请参照图1，本实施例提供一种电网功率调节设备100，包括：能量管理装置110、网侧储能变流器120、多个飞轮管理器140、多个飞轮变流器150以及多个飞轮储能装置160；

多个飞轮管理器140、多个飞轮变流器150以及网侧储能变流器120均与能量管理装置110电连接；

网侧储能变流器120的直流侧和飞轮变流器150的直流侧均连接在直流母线130上；

每个飞轮管理器140与一个飞轮储能装置160电连接；

每个飞轮变流器150的交流侧均与一个飞轮储能装置160电连接。

具体的，能量管理装置110监控电网的运行状况，并根据电网的运行状况向网侧储能变流器120、多个飞轮管理器140、多个飞轮变流器150发送控制指令。可选的，能量管理装置110包括电流传感器和电压传感器，能量管理装置110通过电流传感器检测电网的电流，电压传感器检测电网的电压，进而根据电网的电流和电压得到电网的运行状况。

网侧储能变流器120，用于根据能量管理装置110发送的控制指令，控制飞轮储能装置160向电网供电，或控制飞轮储能装置利用电网充电。

飞轮管理器140，用于实时监控飞轮储能装置160的运行状况，并将飞轮储能装置160的运行状况发送至能量管理装置110。

飞轮变流器150，用于飞轮储能装置160和电网间保证直流电和交流电的稳定转换。

飞轮储能装置160，用于在充电完成后，根据网侧储能变流器120的指令利用电网充电以吸收电网运行功率，或向电网供电以提高电网的运行功率。

基于本实用新型的实施例1中的电网功率调节设备，本实施例还提供一种电网功率调节方法，具体如下：

将能量管理装置和网侧储能变流器连接在电网上，使得能量管理装置监控电网上的电流和电压，网侧储能变流器能根据能量管理装置的指令吸收或放出电网的功率。

当能量管理装置、飞轮储能装置以及飞轮管理器通过220V电压完成上电后，飞轮管理器生成上电完成信息并发送至能量管理装置，能量管理装置接收到飞轮管理器发送的上电完成信息后，生成充电指令并发送至网侧储能变流器，网侧储能变流器根据能量管理装置发送的充电指令，吸收电网的功率以使飞轮储能装置充电。当飞轮变流器检测到飞轮储能装置的转速达到预设值后，飞轮变流器生成可放电指令并发送至能量管理装置，能量管理装置接收到飞轮变流器的可放电指令后，实时监控电网上的电流和电压以得到当前电网的运行功率。

当能量管理装置监测到电网的当前运行功率低于额定功率时，生成供电指令并发送至网侧储能变流器。网侧储能变流器根据能量管理器发送的上电指令，控制飞轮储能装置向电网放出功率以提高电网的运行功率至额定功率，以提高电网的运行功率至额定功率。

类似的，当能量管理装置监测到电网的当前运行功率高于额定功率时，生成放电指令并发送至网侧储能变流器。网侧储能变流器根据能量管理器发送的放电指令，控制飞轮储能装置吸收电网功率以使电网的运行功率降至额定功率。

可选的，能量管理装置110基于Modbus TCP协议，通过工业用以太网总线与网侧储能变流器120电连接。

可选的，能量管理装置110基于Modbus RTU协议，通过RS485总线与飞轮管理器140电连接。

具体的，Modbus是一种串行通信协议，为工业领域通信协议的业界标准，并且是工业电子设备之间常用的连接方式。Modbus TCP协议和Modbus RTU协议都是靠MODBUS寄存器地址来交换数据，但所用的硬件接口不一样，Modbus RTU一般采用串口RS232C或RS485，而Modbus TCP一般采用以太网口。

具体的，工业用以太网总线一般来讲是指技术上与商业以太网兼容的底层控制网络，常用于制造业、流程工业、交通、楼宇等方面的自动化系统中。

而RS485采用半双工工作方式，支持多点数据通信，具有高灵敏度，能检测低至200mv的电压，常应用在工业环境内可编程逻辑控制器内部之间的通信。

可选的，飞轮管理器140基于CAN标准帧协议，通过CAN总线与飞轮储能装置160电连接。

具体的，控制器局域网总线(Controller Area Network，CAN)是一种用于实时应用的串行通讯协议总线，使用双绞线、同轴电缆或光纤来传输信号，具备高性能、高可靠性和高实时性等特点；而CAN标准帧协议是一种常应用于CAN总线上的通信协议，具完整性的串行数据通讯、提供实时支持、传输速率高达1Mb/s、同时具有11位的寻址以及检错能力。

进一步的，电网功率调节设备100至少包括三个飞轮储能装置160。

示范性的，基于实施例中的电网功率调节设备，当飞轮储能装置中的某个飞轮储能装置出现故障或者失效时，飞轮管理器给能量管理装置发送故障信息，能量管理装置根据故障信息，立即给网侧储能变流器发送切换指令，使得网侧储能变流器切换工作状态为低电压直流稳压模式，并以680V的稳定直流电压运行，同时，飞轮管理器不断降低故障或失效的飞轮储能装置的转速，直至转速为零。

基于故障处理方式，在飞轮储能装置故障时能最大限度的保障飞轮装置的可回收性。除此之外，当飞轮储能装置处于磁悬浮失效、磁轴承通信丢失、真空值过高、飞轮温度过高以及紧急制动按钮闭合任一种情况时，同样采用故障处理方式；若飞轮储能装置出现除五种情况外的故障，仅报警示意而不会降低飞轮转速。

进一步的，当飞轮储能装置处于放电或充电过程时，飞轮管理器实时向能量管理装置发送各个飞轮储能装置的转速，若供电时某个飞轮储能装置的转速过低，能量管理装置停止发送供电指令至网侧储能变流器；若充电时某个飞轮储能装置的转速过高，能量管理装置停止发送放电指令至网侧储能变流器。

可选的，网侧储能变流器120和飞轮变流器150均包括IGBT全控型开关器件。

具体的，IGBT(Insulated Gate BipolarTransistor，绝缘栅双极型晶体管)是由双极型三极管(Bipolar Junction Transistor，BJT)和绝缘栅型场效应管(Metal OxideSemiconductor FET，MOS)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件,兼有MOSFET(Metal-Oxide-SemiconductorField-Effect Transistor，金氧半场效晶体管)的高输入阻抗和GTR(Giant Transistor，电力晶体管)的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大；MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。

本实用新型的实施例将飞轮管理器、飞轮变流器以及网侧储能变流器分别与能量管理装置电连接，飞轮管理器与飞轮储能装置电连接，飞轮变流器的交流侧与飞轮储能装置电连接，由此，当利用飞轮储能装置进行电网调频调峰时，根据电网和飞轮储能装置的运行状况，实时控制飞轮储能装置给电网进行充电和放电，从而提高了飞轮的能量利用率，提高了飞轮的工作效率，保证了电网用电侧和发电侧的频率和幅值的动态统一。

实施例2

请参照图2，本实施例提供了一种电网功率调节系统200，包括实施例1中的电网功率调节设备100、发电装置210以及用电装置230。

电网功率调节设备100中的网侧储能变流器120的交流侧、发电装置210以及用电装置230连接在电网交流母线220上；

具体的，电网功率调节设备100中的网侧储能变流器120并联设置于发电装置210和用电装置230之间。

示范性的，当网侧储能变流器收到能量管理装置的控制指令后，网侧储能变流器根据控制指令降低或提高电网直流母线上的功率。

进一步的，电网交流母线220的额定电压为380V，网侧储能变流器120的直流侧，与飞轮变流器150的直流测的允许电压均为600-800V，额定电压均为700V。

优选的，发电装置210为风电光伏发电装置。

基于本实用新型的实施例2中的电网功率调节系统，本实施例还提供一种电网功率调节方法，具体如下：

将能量管理装置和网侧储能变流器连接在电网交流母线上，使得能量管理装置监控电网交流母线上的电流和电压。

当能量管理装置、飞轮储能装置以及飞轮管理器通过220V电压完成上电后，飞轮管理器生成上电完成信息，并发送至能量管理装置，能量管理装置接收到飞轮管理器发送的上电完成信息后，生成充电指令并发送至网侧储能变流器，网侧储能变流器根据能量管理装置发送的充电指令，吸收电网交流母线的功率以使飞轮储能装置充电。当飞轮管理装置充电完成后，飞轮变流器检测到飞轮储能装置的转速达到预设值后，飞轮变流器生成可放电指令并发送至能量管理装置，能量管理装置接收到飞轮变流器的可放电指令后，实时监控电网交流母线上的电流和电压以得到当前电网交流母线的运行功率。

能量管理装置监控电网交流母线的运行状况，当能量管理装置监测到电网交流母线需要进行功率补偿时，生成供电指令并发送至网侧储能变流器。网侧储能变流器根据能量管理器发送的上电指令，控制飞轮储能装置向电网交流母线放出功率以提升电网交流母线的运行功率。

类似的，当能量管理装置监测到电网需要进行功率吸收时，生成放电指令并发送至网侧储能变流器。网侧储能变流器根据能量管理器发送的放电指令，控制飞轮储能装置吸收电网交流母线的功率。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和结构图显示了根据本实用新型的多个实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，结构图和/或流程图中的每个方框、以及结构图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

另外，在本实用新型各个实施例中的各功能模块或单元可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或更多个模块集成形成一个独立的部分。

所述功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本实用新型的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是智能手机、个人计算机、服务器、或者网络设备等)执行本实用新型各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电网功率调节设备，其特征在于，包括：能量管理装置、网侧储能变流器、多个飞轮管理器、多个飞轮变流器以及多个飞轮储能装置；

多个所述飞轮管理器、多个所述飞轮变流器以及所述网侧储能变流器均与所述能量管理装置电连接；

所述网侧储能变流器的直流侧和所述飞轮变流器的直流侧均连接在直流母线上；

每个所述飞轮管理器与一个所述飞轮储能装置电连接；

每个所述飞轮变流器的交流侧均与一个所述飞轮储能装置电连接。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：

所述能量管理装置包括电流传感器和电压传感器。

3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：

所述飞轮变流器和所述网侧储能变流器均包括IGBT全控型开关器件。

4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：

所述能量管理装置基于Modbus TCP协议，通过工业用以太网总线与所述网侧储能变流器电连接。

5.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：

所述能量管理装置基于Modbus RTU协议，通过RS485总线与所述飞轮管理器电连接。

6.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：

所述飞轮管理器基于CAN标准帧协议，通过CAN总线与所述飞轮储能装置电连接。

7.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：

所述电网功率调节设备至少包括三个所述飞轮储能装置。

8.一种电网功率调节系统，其特征在于，包括如权利要求1-7任一项所述的电网功率调节设备、发电装置以及用电装置；

所述电网功率调节设备中的网侧储能变流器的交流侧、所述发电装置以及所述用电装置均连接在电网交流母线上，所述电网功率调节设备中的网侧储能变流器并联设置于所述发电装置和所述用电装置之间。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于：

所述电网交流母线的额定电压为380V，所述网侧储能变流器的直流侧与所述飞轮变流器的直流测的允许电压均为600-800V，所述网侧储能变流器的直流侧与所述飞轮变流器的直流测的额定电压均为700V。

10.根据权利要求8所述的系统，其特征在于：

所述发电装置为风电发电装置或光伏发电装置。

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