CN220544703U - 并网发电系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种并网发电系统，其中，第一发电子系统包括依次连接的储能飞轮阵列、电机逆变器、同步电动机‑同步调相机系统，第二发电子系统包括依次连接的储能飞轮阵列和并网逆变器；同步电动机‑同步调相机系统包括依次连接的同步电动机和同步调相机，电机逆变器分别与储能飞轮阵列和同步电动机连接，并网逆变器与储能飞轮阵列连接；同步调相机与并网开关连接并能够经并网开关与交流电网连接，并网逆变器与并网开关连接并能够经并网开关与交流电网连接；系统控制器与并网开关、储能飞轮阵列、同步电动机‑同步调相机系统及并网逆变器连接。从而为交流电网提供了足够的机械惯量支撑能力。

Description

并网发电系统

技术领域

本申请涉及电网调节技术领域，尤其涉及一种并网发电系统。

背景技术

传统的发电模式主要是火电厂燃烧化石燃料驱动燃气轮机组进行发电。

目前的新能源电网的惯量主要来自逆变装置和虚拟惯量控制算法生成的虚拟惯量，虚拟惯量无法做到与交流电网的自然耦合运行，导致无法响应交流电网的扰动，无法做到自主支持交流电网的频率稳定性；现有的新能源并网中采用化学电池储能，但是化学电池储能的充放电次数不高，短时功率输出难以做到最大，对环境温度敏感，易发生火灾事故。

实用新型内容

有鉴于此，本申请提供了一种并网发电系统，用于解决现有技术中的新能源并网中，虚拟惯量无法做到与交流电网的自然耦合运行，导致无法响应交流电网的扰动，而化学电池储能的充放电次数不高，短时功率输出难以做到最大，对环境温度敏感，易发生火灾事故的技术问题。

本申请提出一种并网发电系统，所述并网发电系统包括：系统控制器、第一发电子系统、第二发电子系统和并网开关；

所述第一发电子系统包括依次连接的储能飞轮阵列、电机逆变器、同步电动机-同步调相机系统，所述第二发电子系统包括依次连接的储能飞轮阵列和并网逆变器；

所述储能飞轮阵列用于与发电单元连接并从所述发电单元取电，所述同步电动机-同步调相机系统包括依次连接的同步电动机和同步调相机，所述电机逆变器分别与所述储能飞轮阵列和所述同步电动机连接，所述并网逆变器与所述储能飞轮阵列连接；

在所述同步电动机与所述同步调相机处于连接状态，所述同步电动机能够带动所述同步调相机同步转动发电；

所述同步调相机与所述并网开关连接并能够经所述并网开关与交流电网连接，所述并网逆变器与所述并网开关连接并能够经所述并网开关与交流电网连接；

所述系统控制器与所述并网开关、储能飞轮阵列、同步电动机-同步调相机系统及所述并网逆变器连接。

进一步地，所述同步电动机-同步调相机系统还包括：质量块，所述质量块安装在所述同步电动机的端部，以用于增加机械惯量。

进一步地，所述并网发电系统还包括：转速检测传感器和频率检测传感器，所述转速检测传感器用于检测所述同步调相机的转速，所述频率检测传感器用于检测所述交流电网的电网瞬时频率。

进一步地，所述并网发电系统还包括：取电开关，所述取电开关连接在所述发电单元与所述储能飞轮阵列之间。

进一步地，所述第一发电子系统和所述第二发电子系统共用同一个所述储能飞轮阵列，或者，所述第一发电子系统的所述储能飞轮阵列和所述第二发电子系统的所述储能飞轮阵列分开设置；

其中，所述储能飞轮阵列包括：阵列控制器和多个储能飞轮单元，所述储能飞轮单元包括：依次连接的双向变流器和储能飞轮，所述阵列控制器与各所述储能飞轮单元连接，所述阵列控制器与所述系统控制器连接。

进一步地，所述第一发电子系统还包括：第一并网变压器，所述第一并网变压器的输入端与所述同步调相机连接，所述第一并网变压器的输出端与所述并网开关连接并能够经所述并网开关与所述交流电网连接；和/或，

所述第二发电子系统还包括：第二并网变压器，所述第二并网变压器的输入端与所述并网逆变器连接，所述第二并网变压器的输出端与所述并网开关连接并能够经所述并网开关与所述交流电网连接。

进一步地，所述第一发电子系统还包括：飞轮转子，所述飞轮转子与所述同步调相机同轴连接。

进一步地，所述第一发电子系统还包括：第一联轴器和第二联轴器；

所述第一联轴器连接在所述同步电动机和所述同步调相机之间；

所述第二联轴器连接在所述飞轮转子与所述同步调相机之间。

进一步地，所述发电单元为新能源发电的单元。

进一步地，所述同步调相机与所述并网逆变器通过同一个所述并网开关与所述交流电网连接，或者，所述同步调相机与第一个所述并网开关连接并能够经所述并网开关与交流电网连接，所述并网逆变器与第二个所述并网开关连接并能够经所述并网开关与交流电网连接。

实施本申请实施例，将具有如下有益效果：

(1)通过同步电动机和同步调相机实现了对所述交流电网的惯量响应，为交流电网提供了足够的机械惯量支撑能力，从而能够做到与交流电网的自然耦合运行，以及能够响应交流电网的扰动，避免受到电网侧的负载瞬间变化的冲击，提高了电网的稳定性。

(2)本申请采用所述储能飞轮阵列储能，充放电次数多，能够短时输出大功率，对环境温度不敏感，待机损耗低，并且安全环保。

(3)相对只通过第一发电子系统实现一条路径的并网，本申请通过第一发电子系统、第二发电子系统实现两条路径的并网，提高了支持交流电网的稳定性的能力。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

其中：

图1为一个实施例中并网发电系统的示意图；

图2为一个实施例中并网发电系统的另一种结构的示意图；

图3为一个实施例中并网发电系统的部分结构的示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

本申请的并网发电系统是一个发电系统，可设置在光伏、风电等新能源场站内。该并网发电系统可以与传统的火力发电站一起作为发电侧，或者单独作为发电侧以仿造传统的火力发电，为后端负载供电。本申请的并网发电系统与此同时是一个交流电网006的调节器，比如，如发电功率与交流电网006网的用电功率不匹配，交流电网006的频率会发生上升或下降，此时可以控制本申请的并网发电系统少输出机械功率少发电或者多输出机械功率多发电，以实现调节交流电网006的频率；当然，本申请的并网发电系统的同步调相机也可以作为无功功率的调节器。

图1和图2只是并网发电系统的示意性展示，具体的结构/尺寸/形状/所在的位置/所安装的方式等可根据实际需求进行适应性调整，本申请在此不做限定。

如图1所示，本申请提出了一种并网发电系统，所述并网发电系统包括：系统控制器(图中未示出)、第一发电子系统、第二发电子系统和并网开关010；

所述第一发电子系统包括依次连接的储能飞轮阵列002、电机逆变器003、同步电动机-同步调相机系统004，所述第二发电子系统包括依次连接的储能飞轮阵列002和并网逆变器007；

所述储能飞轮阵列002用于与发电单元001连接并从所述发电单元001取电，所述同步电动机-同步调相机系统004包括依次连接的同步电动机041和同步调相机042，所述电机逆变器003分别与所述储能飞轮阵列002和所述同步电动机041连接，所述并网逆变器007与所述储能飞轮阵列002连接；

在所述同步电动机041与所述同步调相机042处于连接状态，所述同步电动机041能够带动所述同步调相机042同步转动发电；

所述同步调相机042与所述并网开关010连接并能够经所述并网开关010与交流电网006连接，所述并网逆变器007与所述并网开关010连接并能够经所述并网开关010与交流电网006连接；

所述系统控制器与所述并网开关010、储能飞轮阵列002、同步电动机-同步调相机系统004及所述并网逆变器007连接。

本实施例通过同步电动机041和同步调相机042实现了对所述交流电网006的惯量响应，为交流电网006提供了足够的机械惯量支撑能力，从而能够做到与交流电网006的自然耦合运行，以及能够响应交流电网006的扰动，避免受到电网侧的负载瞬间变化的冲击，提高了电网的稳定性；本申请采用所述储能飞轮阵列002储能，充放电次数多，能够短时输出大功率，对环境温度不敏感，待机损耗低，并且安全环保；相对只通过第一发电子系统实现一条路径的并网，本申请通过第一发电子系统、第二发电子系统实现两条路径的并网，提高了支持交流电网006的稳定性的能力。

第一发电子系统的工作原理为：储能飞轮阵列002的电能进入电机逆变器003，电机逆变器003将直流变换成交流以驱动同步电动机-同步调相机系统004进行二次发电，二次发电发出的电能通过并网开关0100并入所述交流电网006。

第二发电子系统的工作原理为：储能飞轮阵列002的电能进入并网逆变器007；并网逆变器007对电能进行直流到交流的变换，然后进入所述交流电网006。

可以理解的是，在交流电网006需要进行一次调频时，若功率补偿值的绝对值大于预留的发电功率，则选择第一发电子系统和第二发电子系统作为进行并网的发电子系统，若功率补偿值的绝对值小于或等于预留的发电功率，则选择第一发电子系统作为进行并网的发电子系统，其中，功率补偿值是根据频率偏差值计算用于一次调频的功率补偿值，频率偏差值是电网瞬时频率与预设的电网额定频率之间的偏差值，预留的发电功率是所述同步电动机-同步调相机系统004在设计时预留的发电功率，用于应对交流电网006的电网侧的功率波动。也就是说，在交流电网006需要进行一次调频时，若功率补偿值的绝对值小于或等于预留的发电功率，则只选择第一发电子系统进行并网，而若功率补偿值的绝对值大于预留的发电功率，则以第一发电子系统作为主要的系统和以第二发电子系统作为辅助的系统。在交流电网006需要进行无功功率调节时，通过第一发电子系统中的同步调相机042对交流电网006进行无功功率调节。

预设的电网额定频率，是所述交流电网的额定的交流供电频率。可选的，预设的电网额定频率为50HZ。

系统控制器，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器适于执行所述计算机程序时，控制所述并网开关010、储能飞轮阵列002、同步电动机-同步调相机系统004及所述并网逆变器007的工作。

发电单元001是发电的电站。可选的，发电单元001为新能源发电的单元。比如，发电单元001是采用光伏、风电和潮汐等新能源发电的新能源场站。发电单元001发的电需要并网到交流电网006。并网发电系统用于将发电单元001发的电并网到交流电网006。

储能飞轮阵列002，是基于多个储能飞轮进行储能的阵列。

储能飞轮，储能飞轮一般指飞轮储能。飞轮储能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。技术特点是高功率密度、长寿命。飞轮本体是飞轮储能系统中的核心部件，作用是力求提高转子的极限角速度，减轻转子重量，最大限度地增加飞轮储能系统的储能量，多采用碳素纤维材料制作。

储能飞轮阵列002的充电过程为：储能飞轮阵列002从发电单元001的直流母线的取电，电能经过储能飞轮阵列002的双向变流器进行直流到交流的转换，然后进入储能飞轮阵列002的储能飞轮进行充电。

储能飞轮阵列002的放电过程为：储能飞轮阵列002的储能飞轮中的能量通过双向变流器进行交流到直流的整流，然后输入电机逆变器003或者并网逆变器007。

并网开关010是一个双向的电控开关，并网开关010的一端与所述同步调相机042和/或所述并网逆变器007连接，并网开关010的另一端与交流电网006连接。

同步电动机041和同步调相机042通过联轴器实现同轴连接。电机逆变器003驱动同步电动机041转动，所述同步电动机041的转动能够带动所述同步调相机042同步转动发电。

同步电动机041(synchronous motor)，是由直流供电的励磁磁场与电枢的旋转磁场相互作用而产生转矩，以同步转速旋转的交流电动机。

同步调相机042，是一种特殊运行状态下的同步电机，当应用于电力系统时，能根据系统的需要，自动地在电网电压下降时增加无功输出。在电网电压上升时吸收无功功率，以维持电压，提高电力系统的稳定性，改善系统供电质量。同步电机运行于电动机状态，不带机械负载也不带原动机，只向电力系统提供或吸收无功功率的同步电机。又称同步补偿机。用于改善电网功率因数，维持电网电压水平。

在一个实施例中，所述同步电动机-同步调相机系统004还包括：质量块，所述质量块安装在所述同步电动机041的端部，以用于增加机械惯量。所述同步电动机041和、所述同步调相机042实现对所述交流电网006的惯量响应，通过质量块进一步增加所述同步电动机041的转子的转动惯量，从而增加了机械惯量，进一步提高了交流电网006的稳定性。

在一个实施例中，所述并网发电系统还包括：转速检测传感器011和频率检测传感器，所述转速检测传感器011用于检测所述同步调相机042的转速，所述频率检测传感器用于检测所述交流电网006的电网瞬时频率。

转速检测传感器011用于检测所述同步调相机042的电机系统的转速，其中，通过判断检测到的转速与预设的转速是否相同，以确定并网频率的具体值。

频率检测传感器用于实时检测所述交流电网006的电网瞬时频率，比如，实时检测所述并网开关010的与所述交流电网006连接的一端，以用于检测所述交流电网006的电网瞬时频率。频率检测传感器，是用于检测电网的频率的传感器。可以理解的是，电网瞬时频率用于判断交流电网006是否需要进行一次调频。

在一个实施例中，所述并网发电系统还包括：取电开关，所述取电开关连接在所述发电单元001与所述储能飞轮阵列002之间。

取电开关是一个双向的电控开关。

可选的，所述系统控制器还与所述取电开关连接，用于控制取电开关的工作。

在一个实施例中，所述第一发电子系统和所述第二发电子系统共用同一个所述储能飞轮阵列002，或者，所述第一发电子系统的所述储能飞轮阵列002和所述第二发电子系统的所述储能飞轮阵列002分开设置；

其中，所述储能飞轮阵列002包括：阵列控制器和多个储能飞轮单元，所述储能飞轮单元包括：依次连接的双向变流器和储能飞轮，所述阵列控制器与各所述储能飞轮单元连接，所述阵列控制器与所述系统控制器连接。通过双向变流器实现直流到交流的逆变和交流到直流的整流，减少了器件数量。

当所述第一发电子系统和所述第二发电子系统共用同一个所述储能飞轮阵列002时，储能飞轮阵列002与电机逆变器003及并网逆变器007连接；当所述第一发电子系统的所述储能飞轮阵列002和所述第二发电子系统的所述储能飞轮阵列002分开设置时，第一个储能飞轮阵列002连接在发电单元001与电机逆变器003之间，第二个储能飞轮阵列002连接在发电单元001与并网逆变器007之间。

其中，阵列控制器通过阵列控制算法控制单个储能飞轮单元的充放电，同时也控制单个储能飞轮单元输出电能到电机逆变器003或者并网逆变器007。

如图2所示，所述第一发电子系统的所述储能飞轮阵列002和所述第二发电子系统的所述储能飞轮阵列002分开设置，此时包括两个所述储能飞轮阵列002。

可选的，储能飞轮采用五轴磁悬浮储能飞轮。

可选的，储能飞轮采用兆瓦级的五轴磁悬浮储能飞轮。

在一个实施例中，所述第一发电子系统还包括：第一并网变压器005，所述第一并网变压器005的输入端与所述同步调相机042连接，所述第一并网变压器005的输出端与所述并网开关010连接并能够经所述并网开关010与所述交流电网006连接；和/或，

所述第二发电子系统还包括：第二并网变压器008，所述第二并网变压器008的输入端与所述并网逆变器007连接，所述第二并网变压器008的输出端与所述并网开关010连接并能够经所述并网开关010与所述交流电网006连接。

第一并网变压器005，用于将输入第一并网变压器005的电能进行变压后并入所述交流电网006。第二并网变压器008，用于将输入第二并网变压器008的电能进行变压后并入所述交流电网006。第一并网变压器005和第二并网变压器008均采用并网变压器。

如图2所示，在本实施例的可选实施方式中，所述第一发电子系统还包括：第一并网变压器005，所述第一并网变压器005的输入端与所述同步调相机042连接，所述第一并网变压器005的输出端与所述并网开关010连接并能够经所述并网开关010与所述交流电网006连接，所述第二发电子系统还包括：第二并网变压器008，所述第二并网变压器008的输入端与所述并网逆变器007连接，所述第二并网变压器008的输出端与所述并网开关010连接并能够经所述并网开关010与所述交流电网006连接。

在本实施例的可选实施方式中，所述第一发电子系统还包括：第一并网变压器005，所述第一并网变压器005的输入端与所述同步调相机042连接，所述第一并网变压器005的输出端与所述并网开关010连接并能够经所述并网开关010与所述交流电网006连接。

在本实施例的可选实施方式中，所述第二发电子系统还包括：第二并网变压器008，所述第二并网变压器008的输入端与所述并网逆变器007连接，所述第二并网变压器008的输出端与所述并网开关010连接并能够经所述并网开关010与所述交流电网006连接。

可以理解的是，在本实施例中，所述同步调相机042不直接与所述并网开关010连接，所述并网逆变器007不直接与所述并网开关010连接。

本实施例通过为所述第一发电子系统设置第一并网变压器005和/或为所述第二发电子系统设置第二并网变压器008，实现了在并网前对电能的电压进行调节，提高了本申请的并网发电系统并网的稳定性，而且提高了本申请的并网发电系统的适应性。

第一并网变压器005和第二并网变压器008均采用变压器。

在一个实施例中，所述第一发电子系统还包括：飞轮转子043，所述飞轮转子043与所述同步调相机042同轴连接。

所述同步电动机041的转子、所述同步调相机042的转子和飞轮转子043组成转子系统，通过该转子系统的转动惯量提供惯量支撑，以实现对所述交流电网006的惯量响应。惯量支撑是一个短时的冲击型的功率支撑。

因转子系统的转动惯量为机械惯量，一个发电系统(比如，所述同步电动机041和所述同步调相机042组成的系统)来说，转动惯量是恒定不变的，能够提供的惯量支撑有限，为了解决该问题，本实施例不仅通过所述同步电动机041的转子和所述同步调相机042的转子代替了传统化石燃料发电时发电机转子和汽轮机转子提供的惯量支撑，而且通过飞轮转子043增大惯量，通过增大惯量以延长了惯量时间常数，通过延长惯量时间常数，增加了惯量支撑功率。

在一个实施例中，所述第一发电子系统还包括：第一联轴器和第二联轴器；

所述第一联轴器连接在所述同步电动机041和所述同步调相机042之间；

所述第二联轴器连接在所述飞轮转子043与所述同步调相机042之间。

本实施例中，所述同步电动机041和所述同步调相机042通过所述第一联轴器实现了同轴的刚性连接；所述飞轮转子043与所述同步调相机042通过所述第二联轴器实现了同轴的刚性连接。

第一联轴器和第二联轴器均采用联轴器。

在一个实施例中，所述发电单元001为新能源发电的单元。

可选的，所述发电单元001为新能源发电的单元时，所述储能飞轮阵列002用于与发电单元001连接并从述发电单元001的直流母线取电。

如图2所示，在一个实施例中，所述同步调相机042与所述并网逆变器007通过同一个所述并网开关010与所述交流电网006连接，或者，所述同步调相机042与第一个所述并网开关010连接并能够经所述并网开关010与交流电网006连接，所述并网逆变器007与第二个所述并网开关010连接并能够经所述并网开关010与交流电网006连接。通过并网开关010控制是否输出电能到交流电网006，实现了可以主动断开发电单元001的并网，有利于对发电单元001和本申请的并网发电系统的维护。

在所述同步调相机042与所述并网逆变器007通过同一个所述并网开关010与所述交流电网006连接时，所述并网开关010的控制操作，使所述同步调相机042与所述并网逆变器007实现同步并网；在所述同步调相机042与第一个所述并网开关010连接并能够经所述并网开关010与交流电网006连接，所述并网逆变器007与第二个所述并网开关010连接并能够经所述并网开关010与交流电网006连时，通过两个并网开关010有利于第一发电子系统、第二发电子系统的单独控制。

以上所揭露的仅为本申请较佳实施例而已，当然不能以此来限定本申请之权利范围，因此依本申请权利要求所作的等同变化，仍属本申请所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种并网发电系统，其特征在于，所述并网发电系统包括：系统控制器、第一发电子系统、第二发电子系统和并网开关；

所述第一发电子系统包括依次连接的储能飞轮阵列、电机逆变器、同步电动机-同步调相机系统，所述第二发电子系统包括依次连接的储能飞轮阵列和并网逆变器；

所述储能飞轮阵列用于与发电单元连接并从所述发电单元取电，所述同步电动机-同步调相机系统包括依次连接的同步电动机和同步调相机，所述电机逆变器分别与所述储能飞轮阵列和所述同步电动机连接，所述并网逆变器与所述储能飞轮阵列连接；

在所述同步电动机与所述同步调相机处于连接状态，所述同步电动机能够带动所述同步调相机同步转动发电；

所述同步调相机与所述并网开关连接并能够经所述并网开关与交流电网连接，所述并网逆变器与所述并网开关连接并能够经所述并网开关与交流电网连接；

所述系统控制器与所述并网开关、储能飞轮阵列、同步电动机-同步调相机系统及所述并网逆变器连接。

2.如权利要求1所述的并网发电系统，其特征在于，所述同步电动机-同步调相机系统还包括：质量块，所述质量块安装在所述同步电动机的端部，以用于增加机械惯量。

3.如权利要求1所述的并网发电系统，其特征在于，所述并网发电系统还包括：转速检测传感器和频率检测传感器，所述转速检测传感器用于检测所述同步调相机的转速，所述频率检测传感器用于检测所述交流电网的电网瞬时频率。

4.如权利要求1所述的并网发电系统，其特征在于，所述并网发电系统还包括：取电开关，所述取电开关连接在所述发电单元与所述储能飞轮阵列之间。

5.如权利要求1所述的并网发电系统，其特征在于，所述第一发电子系统和所述第二发电子系统共用同一个所述储能飞轮阵列，或者，所述第一发电子系统的所述储能飞轮阵列和所述第二发电子系统的所述储能飞轮阵列分开设置；

其中，所述储能飞轮阵列包括：阵列控制器和多个储能飞轮单元，所述储能飞轮单元包括：依次连接的双向变流器和储能飞轮，所述阵列控制器与各所述储能飞轮单元连接，所述阵列控制器与所述系统控制器连接。

6.如权利要求1所述的并网发电系统，其特征在于，所述第一发电子系统还包括：第一并网变压器，所述第一并网变压器的输入端与所述同步调相机连接，所述第一并网变压器的输出端与所述并网开关连接并能够经所述并网开关与所述交流电网连接；和/或，

所述第二发电子系统还包括：第二并网变压器，所述第二并网变压器的输入端与所述并网逆变器连接，所述第二并网变压器的输出端与所述并网开关连接并能够经所述并网开关与所述交流电网连接。

7.如权利要求1所述的并网发电系统，其特征在于，所述第一发电子系统还包括：飞轮转子，所述飞轮转子与所述同步调相机同轴连接。

8.如权利要求7所述的并网发电系统，其特征在于，所述第一发电子系统还包括：第一联轴器和第二联轴器；

所述第一联轴器连接在所述同步电动机和所述同步调相机之间；

所述第二联轴器连接在所述飞轮转子与所述同步调相机之间。

9.如权利要求1所述的并网发电系统，其特征在于，所述发电单元为新能源发电的单元。

10.如权利要求1所述的并网发电系统，其特征在于，所述同步调相机与所述并网逆变器通过同一个所述并网开关与所述交流电网连接，或者，所述同步调相机与第一个所述并网开关连接并能够经所述并网开关与交流电网连接，所述并网逆变器与第二个所述并网开关连接并能够经所述并网开关与交流电网连接。