CN216929601U - 一种大型燃机储能系统的黑启动系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种大型燃机储能系统的黑启动系统，包括电网系统和连接到电网系统的电池储能系统，所述电网系统包括厂用高压母线(11)、第一双绕组变压器(12)、第二双绕组变压器(13)、励磁(14)、燃机(15)、负载换相逆变器(16)、三绕组变压器(17)、发电机出口断路器(18)、高压厂用变压器(19)、高厂变开关(20)、燃机主变压器(21)、主变开关(22)、CB断路开关(23)以及出线开关(24)。本实用新型的优点在于：系统架构保证燃机发电机黑启动并网时满足稳定性要求。
Description
技术领域
本实用新型关于电力系统运行技术领域，具体涉及一种大型燃机储能系统的黑启动系统。
背景技术
黑启动是指电网因故停止电力供应的情况下，发电机组不依靠外部电源实现机组自启动并逐步恢复电网供电范围，最终实现整个电网供电恢复。近年来，受全球气候变化影响，极端天气对我国影响愈加严重，先后引发了南方冰灾、海南电网停电、珠澳电网停电等区域性停电事故，给当地生产生活带来了巨大的影响。根据停电事故对社会的影响程度，国内各地电网因地制宜制定了具体的黑启动项目。燃机电站具有启动速度快、辅机设备少、靠近负荷中心等优点，是最佳的黑启动电源。如何保证大型燃机黑启动的稳定性是目前行业内研究的问题。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题在于提出一种保证燃机发电机黑启动并网时满足稳定性要求的黑启动系统。
本实用新型通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：一种大型燃机储能系统的黑启动系统，包括电网系统和连接到电网系统的电池储能系统。
所述电网系统包括厂用6kV高压母线(11)、第一双绕组变压器(12)、第二双绕组变压器(13)、励磁(14)、燃机(15)、负载换相逆变器(16)、三绕组变压器(17)、发电机出口断路器(18)、高压厂用变压器(19)、高厂变开关(20)、燃机主变压器(21)、主变开关(22)、CB断路开关(23) 以及出线开关(24)；
第一双绕组变压器(12)的一端、第二双绕组变压器(13)的一端、三绕组变压器(17)的一端均连接到用6kV高压母线(11)，第一双绕组变压器(12)的另一端连接负荷，第二双绕组变压器(13)的另一端通过励磁 (14)连接到燃机(15)，三绕组变压器(17)的另两端连接到负载换相逆变器(16)的一端，负载换相逆变器(16)的另一端连接到燃机(15)，高压厂用变压器(19)和高厂变开关(20)连接在燃机(15)和6kV高压母线 (11)之间，发电机出口断路器(18)位于负载换相逆变器(16)与燃机 (15)的连接点以及高压厂用变压器(19)和燃机(15)的连接点之间，燃机主变压器(21)、主变开关(22)、CB断路开关(23)以及出线开关(24) 依次串联在发电机出口断路器(18)的后端线路上。
作为更进一步的技术方案，所述电池储能系统包括蓄电池(31)、功率转换系统(32)以及升压变压器(33)，蓄电池(31)通过功率转换系统(32) 连接到三相升压变压器(33)，升压变压器(33)接厂用6kV高压母线(11)。
作为更进一步的技术方案，所述蓄电池采用全钒液流电池。
作为更进一步的技术方案，该大型燃机储能系统的黑启动系统，还包括控制单元，所述控制单元输入端连接在功率转换系统(32)的输出端，所述控制单元输出端连接到功率转换系统(32)的晶闸管的控制端。
作为更进一步的技术方案，所述控制单元包括VSG外环电路、电压环电路、电流环电路、坐标变换电路、PWM调制电路，所述VSG外环电路输入端连接到PCS(32)的输出端，PCS(32)的输出端同时通过坐标变换电路连接到VSG外环电路、电压环电路、电流环电路，所述VSG外环电路的输出端同时连接到电压环电路的输入端和坐标变换电路的输入端，电压环电路的输出端连接到电流环的输入端，电流环的输出端通过坐标变换电路连接到PWM调制电路的输入端，PWM调制电路输出端连接到PCS(32) 的晶闸管的控制端。
本实用新型的优点在于：采用本实用新型的黑启动系统，将储能系统作为大型燃机黑启动的启动电源，具备快速、高效、清洁等特点，同时基于储能系统燃机黑启动机组，具备优越的市场效益，并且系统架构保证燃机发电机黑启动并网时满足稳定性要求。
附图说明
图1是本实用新型实施例大型燃机储能系统的黑启动系统的电气接线图；
图2是本实用新型实施例PCS控制示意图；
图3是本实用新型实施例同步发电机P-f和Q-U下垂关系图；
图4是本实用新型实施例PCS综合控制策略图。
具体实施方式
为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例，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，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动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。
请参阅图2所示，该黑启动系统包括电网系统和电池储能系统。
所述电网系统包括厂用6kV高压母线11、第一双绕组变压器12、第二双绕组变压器13、励磁14、燃机15、LCI(负载换相逆变器)16、三绕组变压器17、GCB(发电机出口断路器)18、高压厂用变压器19、高厂变开关 20、燃机主变压器21、主变开关22、CB断路开关23以及出线开关24。
第一双绕组变压器12的一端、第二双绕组变压器13的一端、三绕组变压器17的一端均连接到用6kV高压母线11，第一双绕组变压器12的另一端连接负荷，第二双绕组变压器13的另一端通过励磁14连接到燃机15，三绕组变压器17的另两端连接到LCI(负载换相逆变器)16的一端，LCI(负载换相逆变器)16的另一端连接到燃机15，高压厂用变压器19和高厂变开关20连接在燃机15和6kV高压母线11之间，GCB(发电机出口断路器)18 位于LCI(负载换相逆变器)16与燃机15的连接点以及高压厂用变压器19 和燃机15的连接点之间，燃机主变压器21、主变开关22、CB断路开关23 以及出线开关24依次串联在GCB(发电机出口断路器)18的后端线路上。
所述电池储能系统包括蓄电池31、PCS(功率转换系统)32以及升压变压器33，蓄电池31通过PCS 32连接到三相升压变压器33，升压变压器 33接厂用6kV高压母线11。
使用该储能系统所设计的整体启动过程为：大型燃机储能黑启动机组利用蓄电池31作为燃机黑启动电源，实现机组的启动与并网，其蓄电池31 输出电压为直流电压，通过PCS 32实现蓄电池直流输出电压的逆变功能，随后通过升压变压器33，将通过PCS 32输出的电压升高至6kV，接入厂用 6kV高压母线11，使6kV厂用电系统受电，并带燃机辅机启动，随后可启动任意一台燃机﹐最后机组并网通过架空线路送出负荷﹐恢复电网供电。
使用本实用新型黑启动系统进行黑启动采用如下启动策略。
1PCS控制策略优化
PCS(Power Conversion System)为电池储能系统的功率转换系统，实现蓄电池和电网功率交换单元。将蓄电池输出直流电压转换至6kV，需要逆变和升压。
对于PCS而言，不仅需要控制输出电压、电流和频率，同时还需要考虑有功和无功功率对频率和电压的影响。据此，本实用新型还包括一控制单元，该控制单元输入端连接在PCS 32的输出端，所述控制单元输出端连接到PCS 32的晶闸管的控制端，如图2所示。简言之，即通过采样PCS 32输出的电压、电流、电角速度控制PCS 32的PMW(脉冲宽度调制)晶闸管导通占空比为ε。
参阅图4所示，所述控制单元包括VSG外环电路、电压环电路、电流环电路、坐标变换电路、PWM调制电路，所述VSG外环电路输入端连接到PCS 32的输出端，PCS 32的输出端同时通过坐标变换电路连接到VSG外环电路、电压环电路、电流环电路，所述VSG外环电路的输出端同时连接到电压环电路的输入端和坐标变换电路的输入端，电压环电路的输出端连接到电流环的输入端，电流环的输出端通过坐标变换电路连接到PWM调制电路的输入端，PWM调制电路输出端连接到PCS 32的晶闸管的控制端。
使用该控制单元的具体控制方法如下所述。
假设蓄电池是一个虚拟同步发电机VSG(Virtual Synchronous Generator)，发电机虚拟直轴同步电抗为Xd，虚拟交轴同步电抗为Xq。同步发电机有功功率P与频率f呈现下垂关系，无功功率Q与频率U也呈现下垂关系，如图3 所示。根据P-f下垂关系，可以得到同步发电机运动方程如下：
式中，Pf为给定有功功率，Dp为P-f下垂系数，P为实际有功，J为发电机惯性系数，ω为电角速度，ω0为同步电角速度。
根据Q-U下垂关系，可以得到如下：
Us＝Ue+Dq(Qset-Q0)+e0 (2)
式中，Us为输出电压，Ue为额定电压，Dq为Q-U下垂系数，Qset为设定无功功率，e0为虚拟发电机电抗产生的电势，Q0为实际无功输出。
根据电力系统分析，可以得到：
式中，Ud为极坐标中的直轴电压，id为极坐标中的直轴电流，Uq为极坐标中的交轴电压，iq为极坐标中的交轴电流，Xd为直轴电抗，Xq为交轴电抗， Dq为Q-U下垂系数，Qset为设定无功功率，e0为虚拟发电机电抗产生的电势， Q0为实际无功输出。
根据(1)式，在稳态情况之下，电角速度变化率为零，在有功功率和频率下垂因素影响之下，系统频率变化量为：
根据(2)(3)式，在无功功率和电压下垂因素影响之下，系统电压变化量为：
根据上述分析，给出基于VSG控制环、电流环和电压环控制的PCS综合控制策略原理图，如图4所示，在VSG外环中，根据有功和电角度等参数得到实时相位θ，以便于电压电流的极坐标转化。同时VSG环将给定无功功率作为控制对象，依此控制输出电压Ud和Uq，具体算法见式(3)。在电压环中，以VSG环中输出电压为控制对象，通过经典PI控制环节，确定电流输出。同样在电流环中，以电压环输出的电流为被控对象，通过PI控制算法，最终确定直角坐标电压Uid，Uiq，再通过极坐标变换成Uiα，Uiβ。通过电压外环、电流内环实现输出端口电压的控制，以增加系统的控制精度并限制过流，从而最终生成PWM的参考值。
2、燃机黑启动负荷分析
以9F大型燃机为例分析，9F大型燃机容量为300MW，大型燃机启动前需启动主要负荷包括循环水泵、高中压给水泵、凝结水泵、笔试水泵、LCI (静止变频启动装置)等6kV高压电动机；包括顶轴油泵、润滑油泵、液压油泵等380V负荷；同时还需考虑照明、控制电源负荷等。由于9F大型燃机启动负荷较多，以某一燃机启动过程中DCS负荷曲线为例估算大型燃机启动容量，厂用电负荷显著增大主要有三个阶段，第一个为凝结水泵启动，第二个是高压给水泵，第三个是启动LCI，启动期间最大负荷容量为10MW。
在大型燃机黑启动启动过程中，储能系统用作机组的启动电源时，同样应满足如下两个条件：
(1)储能系统蓄电池容量应满足机组启动期间最大负荷容量，并留有一定裕度。
(2)储能系统放电容量，应满足燃机2次启动所需电量，并留有一定裕度。
在大规模储能应用下，全钒液流电池其优点也较为明显。首先全钒液流电池的输出功率和储能容量彼此独立，通过改变储槽中电解液数量，能够满足大规模蓄电储能需求。其次是寿命长。电池正、负极反应均在液相中完成，充、放电过程中电极只起转移电子作用，本身不参与电化学反应，极大地延长了电池的使用寿命。因此本实用新型采用全钒液流电池作为燃机黑启动启动电源。
以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (6)
1.一种大型燃机储能系统的黑启动系统，其特征在于：包括电网系统和连接到电网系统的电池储能系统，所述电网系统包括厂用高压母线(11)、第一双绕组变压器(12)、第二双绕组变压器(13)、励磁(14)、燃机(15)、负载换相逆变器(16)、三绕组变压器(17)、发电机出口断路器(18)、高压厂用变压器(19)、高厂变开关(20)、燃机主变压器(21)、主变开关(22)、CB断路开关(23)以及出线开关(24)；
第一双绕组变压器(12)的一端、第二双绕组变压器(13)的一端、三绕组变压器(17)的一端均连接到用高压母线(11)，第一双绕组变压器(12)的另一端连接负荷，第二双绕组变压器(13)的另一端通过励磁(14)连接到燃机(15)，三绕组变压器(17)的另两端连接到负载换相逆变器(16)的一端，负载换相逆变器(16)的另一端连接到燃机(15)，高压厂用变压器(19)和高厂变开关(20)连接在燃机(15)和高压母线(11)之间，发电机出口断路器(18)位于负载换相逆变器(16)与燃机(15)的连接点以及高压厂用变压器(19)和燃机(15)的连接点之间，燃机主变压器(21)、主变开关(22)、CB断路开关(23)以及出线开关(24)依次串联在发电机出口断路器(18)的后端线路上。
2.如权利要求1所述的一种大型燃机储能系统的黑启动系统，其特征在于：所述厂用高压母线(11)为6kV高压母线(11)。
3.如权利要求1所述的一种大型燃机储能系统的黑启动系统，其特征在于：所述电池储能系统包括蓄电池(31)、功率转换系统(32)以及升压变压器(33)，蓄电池(31)通过功率转换系统(32)连接到三相升压变压器(33)，升压变压器(33)接厂用6kV高压母线(11)。
4.如权利要求3所述的一种大型燃机储能系统的黑启动系统，其特征在于：所述蓄电池采用全钒液流电池。
5.如权利要求3所述的一种大型燃机储能系统的黑启动系统，其特征在于：还包括控制单元，所述控制单元输入端连接在功率转换系统(32)的输出端，所述控制单元输出端连接到功率转换系统(32)的晶闸管的控制端。
6.如权利要求5所述的一种大型燃机储能系统的黑启动系统，其特征在于：所述控制单元包括VSG外环电路、电压环电路、电流环电路、坐标变换电路、PWM调制电路，所述VSG外环电路输入端连接到PCS 32的输出端，PCS 32的输出端同时通过坐标变换电路连接到VSG外环电路、电压环电路、电流环电路，所述VSG外环电路的输出端同时连接到电压环电路的输入端和坐标变换电路的输入端，电压环电路的输出端连接到电流环的输入端，电流环的输出端通过坐标变换电路连接到PWM调制电路的输入端，PWM调制电路输出端连接到PCS 32的晶闸管的控制端。
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| CN113991731A (zh) * | 2021-09-14 | 2022-01-28 | 中国大唐集团科学技术研究总院有限公司华东电力试验研究院 | 一种大型燃机储能系统黑启动方法 |
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| CN113991731A (zh) * | 2021-09-14 | 2022-01-28 | 中国大唐集团科学技术研究总院有限公司华东电力试验研究院 | 一种大型燃机储能系统黑启动方法 |
| CN113991731B (zh) * | 2021-09-14 | 2023-11-28 | 广东大唐国际肇庆热电有限责任公司 | 一种大型燃机储能系统黑启动方法 |
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