一种多充放电倍率储能的燃气轮机黑启动系统及方法与流程

1.本发明属于储能和燃气轮机黑启动技术领域，涉及一种多充放电倍率储能的燃气轮机黑启动系统及方法。


背景技术：

2.随着新能源发电的大力发展，其装机在电力系统中的占比将逐渐提升，由于新能源发电的不可预见性与波动性，高比例新能源装机将对整个电力系统运行产生影响，轻者影响源网荷三者之间平衡关系，影响电网潮流，重者威胁电网整体安全稳定运行，如果遇到异常天气，或将导致大范围停电。2019年8月发生在英国的大范围停电，正是由于贝德福德郡的燃气电站因故障停运，加上霍恩锡海上风电因风机低压穿越能力不足而失去部分负荷呈现脱网状态，周边可做黑启动的电源未能做到立即启动，导致伦敦及周边长期处于断网状态。由此案例可知，当电力系统出现故障停电后，可靠的黑启动电源至关重要，而且当前黑启动电源尚不具备万无一失的可靠性，需要研发更可靠、更高效的黑启动电源。
3.目前黑启动电源主要包括燃气轮机电站、水电站、柴油发电机等。燃机黑启动主要在检测到电网故障时将其解列，瞬间甩掉负荷，维持发电机带动厂用电运行，在故障解除后，或需要的时候并网对外供电；水电站因为地理位置限制，只能在区域范围内提供黑启动功能；柴油发电机一般与燃气轮机等配合作为黑启动的牵引，而且还存在缓解污染等问题。电池储能具有更快响应速度和更高效率，是理想的黑启动电源，如果将其与燃气轮机系统相配合，在黑启动过程为燃气轮机提供牵引能量，可帮助快速完成燃气轮机黑启动过程。
4.目前，已有关于电池储能参与黑启动相关研究。中国专利cn111130102a提出一种基于储能系统的电网黑启动方法及系统，给出了储能系统参与黑启动工作过程，但系统内未涉及燃气轮机黑启动详细过程，也未按照黑启动不同过程电力需求对储能系统进行结构优化。中国专利cn111478367a提出一种发电厂储能黑启动系统及控制方法，给出储能系统从电厂高厂变接线提供黑启动电源的系统结构，但系统内未涉及燃气轮机黑启动详细过程，也未按照黑启动不同过程电力需求对储能系统进行结构优化。中国专利cn111614084a提出一种基于功率动态分配的多储能支撑黑启动协调控制方法，将风电、储能和火电厂高压母线并入并网点，针对不同工作模式采用相应的控制方法，同样，该系统内未涉及燃气轮机黑启动详细过程，也未按照黑启动不同过程电力需求对储能系统进行结构优化。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种多充放电倍率储能的燃气轮机黑启动系统及方法，该系统及方法能够实现燃气轮机的黑启动。
6.为达到上述目的，本发明所述的多充放电倍率储能的燃气轮机黑启动系统包括电池蓄能系统、黑启动系统、黑启动负荷及母线；
7.所述黑启动系统包括励磁、负载换相逆变器、转子、定子及发电机壳体，转子、定子及发电机壳体由内到外依次设置，励磁与转子相连接，负载换相逆变器与定子相连接，黑启
动负荷、负载换相逆变器及励磁与母线相连接。
8.还包括电池蓄能系统，电池蓄能系统包括低充放电倍率电池、储能控制器、高充放电倍率电池、两个升压变压器、若干第一储能变流器及若干第二储能变流器；
9.高充放电倍率电池分为若干簇，其中，一簇高充放电倍率电池对应一个第一储能变流器，各簇高充放电倍率电池与对应第一储能变流器的一端相连接；
10.低充放电倍率电池分为若干簇，其中，一簇低充放电倍率电池对应一个第二储能变流器，各低充放电倍率电池与对应第二储能变流器的一端相连接；
11.各第一储能变流器的另一端与第一个升压变压器的一端相连接，各第二储能变流器的另一端与第二个升压变压器的一端相连接，两个升压变压器的另一端与母线相连接；
12.储能控制器的输出端与第一储能变流器的控制端及第二储能变流器的控制端相连接。
13.所述黑启动负荷包括压缩机、泵及负荷设备。
14.所述母线为厂用母线或者备用线。
15.在工作时，在转子中施加励磁电流，以建立转子磁场，在定子的绕组中施加三相交流电，以建立电枢磁场，在转子磁场与电枢磁场的相互作用下，产生的扭矩推动转子转动。
16.本发明所述的多充放电倍率储能的燃气轮机黑启动方法包括以下步骤：
17.1)励磁在转子中加励磁电流，以建立转子磁场，负载换相逆变器在定子的绕组中施加三相交流电，以建立电枢磁场，在转子磁场与电枢磁场的相互作用下，产生的扭矩推动转子转动；
18.2)当转子转速达到清吹转速时，则停止负载换相逆变器功率输出，撤出电枢磁场，转子的转速逐渐降低；
19.3)当转子的转速逐渐降低至点火转速时，负载换相逆变器重新在定子的绕组中施加三相交流电，以建立电枢磁场，此时对燃气轮机进行点火；
20.4)燃气轮机成功点火后，维持当前转速预设时间进行暖机；
21.5)暖机完成后，同时通过增加燃气投入量以及负载换相逆变器的输出功率，将转子加速至自持转速；
22.6)当转子加速至自持转速后，逐渐降低负载换相逆变器的输出功率直至为零，同时维持或增加燃气投入量，继续将转子加速至额定转速，完成燃气轮机的黑启动。
23.还包括电池蓄能系统，电池蓄能系统包括低充放电倍率电池、储能控制器、高充放电倍率电池、两个升压变压器、若干第一储能变流器及若干第二储能变流器；
24.高充放电倍率电池分为若干簇，其中，一簇高充放电倍率电池对应一个第一储能变流器，各簇高充放电倍率电池与对应第一储能变流器的一端相连接；
25.低充放电倍率电池分为若干簇，其中，一簇低充放电倍率电池对应一个第二储能变流器，各低充放电倍率电池与对应第二储能变流器的一端相连接；
26.各第一储能变流器的另一端与第一个升压变压器的一端相连接，各第二储能变流器的另一端与第二个升压变压器的一端相连接，两个升压变压器的另一端与母线相连接；
27.储能控制器的输出端与第一储能变流器的控制端及第二储能变流器的控制端相连接。
28.当黑启动系统与黑启动负荷的总体负荷中有突变性大功率需求时，则由高充放电
倍率电池承担大功率输出，以满足负荷突变需求；当黑启动系统与黑启动负荷的总体负荷趋于平衡时，则由低充放电倍率电池承担功率输出。
29.本发明具有以下有益效果：
30.本发明所述的多充放电倍率储能的燃气轮机黑启动系统及方法在具体操作时，在燃气轮机黑启动过程中，通过励磁在转子中施加励磁电流，以建立转子磁场，通过负载换相逆变器在定子的绕组中施加三相交流电，以建立电枢磁场，继而推动转子转动，以实现汽轮机的黑启动，相较于传统柴油发电机等方法，可大幅提高运行效率，缩短黑启动时间，帮助尽快恢复局部、电网的电力。
31.进一步，由于采用高充放电倍率电池与低充放电倍率电池相结合的设计方案，在黑启动过程中，电池蓄能系统的放电功率根据黑启动所需总体功率实时变化，通过储能控制器优化控制高充放电倍率电池及低充放电倍率电池放电，即当总体负荷中有突变性大功率需求时，则由高充放电倍率电池承担大功率输出，以满足负荷突变需求；当总体负荷趋于平衡时，则由低充放电倍率电池承担功率输出，从而有效协调高充放电倍率电池及低充放电倍率电池放电，使得电池蓄能系统具有大功率放电的能力以及长时间放电的容量，降低整体成本。
附图说明
32.图1为本发明的结构示意图。
33.其中，1为电池蓄能系统、2为黑启动系统、3为黑启动负荷、4为母线、101为高充放电倍率电池、102为低充放电倍率电池、103为储能变流器、104为升压变压器、105为储能控制器、201为励磁、202为负载换相逆变器、203为转子、204为定子、205为发电机壳体、301为压缩机、302为泵、303为负荷设备。
具体实施方式
34.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分的实施例，不是全部的实施例，而并非要限制本发明公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要的混淆本发明公开的概念。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
35.在附图中示出了根据本发明公开实施例的结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
36.参考图1，本发明所述的多充放电倍率储能的燃气轮机黑启动系统包括电池蓄能系统1、黑启动系统2、黑启动负荷3及母线4；
37.所述电池蓄能系统1包括低充放电倍率电池102、储能控制器105、高充放电倍率电池101、两个升压变压器104、若干第一储能变流器1031及若干第二储能变流器1032；
38.高充放电倍率电池101分为若干簇，其中，一簇高充放电倍率电池101对应一个第一储能变流器1031，各簇高充放电倍率电池101与对应第一储能变流器1031的一端相连接，
39.低充放电倍率电池102分为若干簇，其中，一簇低充放电倍率电池102对应一个第二储能变流器1032，各低充放电倍率电池102与对应第二储能变流器103的一端相连接；
40.各第一储能变流器103的另一端与第一个升压变压器104的一端相连接，各第二储能变流器103的另一端与第二个升压变压器104的一端相连接，两个升压变压器104的另一端与母线4相连接；
41.储能控制器105的输出端与第一储能变流器1031的控制端及第二储能变流器1032的控制端相连接，根据充放电功率大小需求，优化控制高充放电倍率电池101及低充放电倍率电池102的充放电，升压变压器104连接母线4，从母线4取电，或者将电能反馈给母线4。
42.所述黑启动系统2包括励磁201、负载换相逆变器202、转子203、定子204及发电机壳体205，转子203、定子204及发电机壳体205由内到外依次设置，励磁201与转子203相连接，通过励磁201在转子203中加励磁电流，以建立转子磁场，负载换相逆变器202与定子204相连接，负载换相逆变器202及励磁201与母线4相连接，在定子204的绕组中施加三相交流电，以建立电枢磁场，在转子磁场与电枢磁场的相互作用下，产生的扭矩推动转子203转动。
43.黑启动负荷3与母线4相连接，所述黑启动负荷3包括压缩机301、泵302及负荷设备303。
44.所述母线4为厂用母线或者备用线。
45.本发明所述多充放电倍率储能的燃气轮机黑启动方法包括以下步骤：
46.在黑启动过程中，电池蓄能系统1的放电功率根据黑启动系统2与黑启动负荷3的总体负荷变动情况实时变化，通过储能控制器105优化控制高充放电倍率电池101及低充放电倍率电池102放电，当黑启动系统2与黑启动负荷3的总体负荷中有突变性大功率需求时，则由高充放电倍率电池101承担大功率输出，以满足负荷突变需求；当黑启动系统2与黑启动负荷3的总体负荷趋于平衡时，则由低充放电倍率电池102承担功率输出。
47.燃气轮机黑启动过程中，黑启动系统2的工作过程为：
48.1)励磁201在转子203中加励磁电流，以建立转子磁场，负载换相逆变器202在定子的绕组中施加三相交流电，以建立电枢磁场，在转子磁场与电枢磁场的相互作用下，产生的扭矩推动转子203转动；
49.2)当转子203转速达到清吹转速时，则停止负载换相逆变器202功率输出，撤出电枢磁场，转子203的转速逐渐降低；
50.3)当转子203的转速逐渐降低至点火转速时，负载换相逆变器202重新在定子204的绕组中施加三相交流电，以建立电枢磁场，此时对燃气轮机进行点火；
51.4)燃气轮机成功点火后，维持当前转速预设时间进行暖机；
52.5)暖机完成后，同时通过增加燃气投入量以及负载换相逆变器202的输出功率，将转子203加速至自持转速；
53.6)当转子203加速至自持转速后，逐渐降低负载换相逆变器202的输出功率直至为零，同时维持或增加燃气投入量，继续将转子203加速至额定转速，完成燃气轮机的黑启动。
54.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明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发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，
都应涵盖在本发明的保护范围之内。