参与电网调频的飞轮储能系统及其控制方法与流程

1.本公开属于飞轮储能技术领域，特别涉及一种参与电网调频的飞轮储能系统及其控制方法。


背景技术：

2.储能是实现“双碳”目标的重要手段，当前储能领域中化学电池储能、抽水蓄能、飞轮储能等技术在电网频率调节中发挥了重要作用。飞轮储能作为物理储能设备，具有寿命长、运行安全、响应速度快等优点。目前用于电网调频的飞轮储能系统都是采用飞轮储能单元结合大容量、高基频变流器的架构，飞轮的额定工作转速是一个区间，变流器功率容量与飞轮电机容量相当。在工作转速区间内，飞轮电机和变流器均具备满功率输出能力。这种架构的飞轮储能系统具有控制灵活、输出能量大的优点，但同时也存在造价高、技术路线复杂、能量效率低的不足。


技术实现要素：

3.本公开旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
4.为此，本公开第一方面实施例提供的响应速度快、能量效率高、成本低且运行可靠性高的参与电网调频的飞轮储能系统，包括：
5.飞轮单元，所述飞轮单元包括电机和飞轮，所述电机与飞轮转子同轴连接；
6.第一开关，所述第一开关连接于所述电机的绕组与电网之间；
7.辅助支路，所述辅助支路并联连接在所述第一开关的两侧，所述辅助支路包括相连接的第二开关和辅助变流器，所述辅助变流器用于在所述飞轮储能系统的启动阶段驱动所述飞轮转子升速至额定转速；和
8.控制单元，所述控制单元用于根据所述电网的电压与所述电机的电压控制所述第一开关、所述第二开关和所述辅助变流器的开闭。
9.本公开第一方面实施例提供的参与电网调频的飞轮储能系统，具有以下特点及有益效果：
10.本公开第一方面实施例提供的参与电网调频的飞轮储能系统，与当前应用于电网调频的飞轮储能系统相比，飞轮单元直接与电网电气连接，省去了控制响应时间，提高了调频响应速度；其次省去了电力电子装置，不仅降低了系统成本，而且还有利于提高系统整体的能量效率和运行可靠性。
11.在一些实施例中，在所述飞轮转子达到额定转速的工作点时，所述电机的空载反电势的频率为50hz，所述电机的空载反电势的幅值与所述电网是电压的额定幅值相等。
12.在一些实施例中，所述电机采用永磁同步电机。
13.在一些实施例中，所述第一开关和所述第二开关均采用三相开关，所述第一开关和所述第二开关的各相的一端均分别接入所述电机的相应绕组，所述第一开关和所述第二开关的各相另一端均分别接入所述电网的相应相。
14.在一些实施例中，当所述第一开关断开、所述第二开关闭合时，所述飞轮储能系统处于启动阶段，当所述第一开关闭合、所述第二开关断开时，所述飞轮储能系统处于调频阶段。
15.在一些实施例中，所述辅助变流器仅运行在所述飞轮储能系统的启动阶段。
16.在一些实施例中，所述控制单元内配置有如下控制指令：
17.所述飞轮储能系统处于启动阶段时，控制所述第一开关断开、所述第二开关闭合，并通过所述辅助变流器控制所述电机带动飞轮转子从0开始升速，待所述飞轮转子的转速达到额定转速时，控制所述第二开关断开，使所述辅助变流器退出运行，实时获取电网电压与所述电机的反电势，当所述电网电压与所述电机的反电势的相位和幅值均符合同期并网条件时，控制所述第一开关闭合、所述第二开关保持断开，所述飞轮储能系统结束启动阶段并进入调频阶段；在所述调频阶段，所述电机的电压与所述电网电压同步；若需停机维护，控制所述第一开关断开，所述电机和所述飞轮转子的转速逐渐降速至0。
18.本公开第二方面实施例提供的参与电网调频的飞轮储能系统的控制方法，所述参与电网调频的飞轮储能系统为根据本公开第一方面实施例提供的飞轮储能系统，所述控制方法包括：
19.启动阶段，所述控制单元控制所述第一开关断开、所述第二开关闭合，使所述辅助变流器投入运行，所述辅助变流器控制所述电机和所述飞轮转子的转速从0开始升速，待转速到达额定转速，使所述辅助变流器退出运行，断开所述第二开关；所述控制单元实时获取电网电压与所述电机的反电势，当电网电压与所述电机的反电势的相位和幅值均符合时，所述控制单元控制所述第一开关闭合，实现同期并网；
20.调频阶段，所述飞轮储能系统自动参与电网调频；
21.若需停机检修，所述控制单元控制所述第一开关断开。
附图说明
22.图1为本公开第一方面实施例提供的参与电网调频的飞轮储能系统的结构示意图。
具体实施方式
23.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本技术，并不用于限定本技术。
24.相反，本技术涵盖任何由权利要求定义的在本技术精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本技术有更好的了解，在下文对本技术的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本技术。
25.参见图1，本公开第一方面实施例提供的参与电网调频的飞轮储能系统，包括：
26.飞轮单元1，飞轮单元1包括电机102和飞轮，电机102与飞轮转子101同轴连接；
27.第一开关s1，第一开关s1连接于电机102的绕组与电网之间；
28.辅助支路，辅助支路并联连接在第一开关s1的两侧，辅助支路包括相连接的第二
开关s2和辅助变流器2，辅助变流器2用于在本飞轮储能系统的启动阶段驱动飞轮转子102升速至额定转速；和
29.控制单元3，控制单元3用于根据电网电压与电机102电压控制第一开关s1、第二开关s2和辅助变流器2的开闭。
30.在一些实施例中，飞轮转子101具有较大的旋转惯量，且在机械上依托于磁悬浮轴承，摩擦损耗极低。电机102采用永磁同步电机，在飞轮转子101达到额定转速的工作点时电机102的空载反电势的频率为50hz，其空载反电势的幅值与其所在电网电压的额定幅值相等，以此保证本飞轮储能系统的正常工作。实际上本飞轮储能系统的频率与电网频率是同步的，当电网频率发生波动时，本飞轮储能系统的频率也随之波动，打破原有的旋转惯性，迫使电网频率以更小的幅度波动，从而实现本飞轮储能系统对电网调频的目的。
31.在一些实施例中，第一开关s1和第二开关s2均采用三相开关，第一开关s1和第二开关s2的各相的一端均分别接入电机102的相应绕组，第一开关s1和第二开关s2的各相另一端均分别接入电网的相应相。通过切换第一开关s1和第二开关s2的开闭状态使本飞轮储能系统处于不同的工作状态，具体地，当第一开关s1断开、第二开关s2闭合时，本飞轮储能系统处于启动阶段，当第一开关s1闭合、第二开关s2断开时，本飞轮储能系统处于调频阶段。
32.在一些实施例中，辅助变流器2仅在本飞轮储能系统的启动阶段投入运行，用于控制电机102带动飞轮转子101从0开始升速，待飞轮转子101的转速达到额定转速时，闭合第一开关s1、断开第二开关s2，辅助变流器2退出运行。辅助变流器2采用通用的永磁同步电机控制器，对其功率和转速控制要求不高，能将本飞轮储能系统的电机102从0速驱动至额定转速即可。
33.在一些实施例中，控制单元3用于控制本飞轮储能系统中其余各电器件的工作。具体地，本飞轮储能系统处于启动阶段时，控制单元3控制第一开关s1断开、第二开关s2闭合，辅助变流器2开始运行，由辅助变流器2控制电机102带动飞轮转子101从0开始升速，待飞轮转子101的转速达到额定转速时，控制单元3控制第二开关s2断开、第一开关s1保持断开，辅助变流器2退出运行，控制单元3实时获取电网电压与电机102的反电势，当电网电压与电机102的反电势的相位和幅值均符合同期并网条件(即电机102的反电势的相位和幅值与电网的相位和幅值分别相等)时，控制单元3控制第一开关s1闭合、第二开关s2保持断开，本飞轮储能系统结束启动阶段并进入调频阶段，在调频阶段，电机102的三相电压与电网的三相电压同步，本飞轮储能系统将自动、快速地调节电网频率，无需任何控制算法和电力电子设备，因此本飞轮储能系统的损耗极低，可靠性极高；若需停机维护，控制单元3控制第一开关s1断开，电机102和飞轮转子101的转速逐渐降速至0，本飞轮储能系统停止工作。
34.本公开第二方面实施例提供的上述参与电网调频的飞轮储能系统的控制方法，包括：
35.第一步，本飞轮储能系统启动，控制单元3控制第一开关s1断开、第二开关s2闭合，辅助变流器投入运行，辅助变流器2控制电机102和飞轮转子101的转速从0开始升速，待转速到达额定转速，辅助变流器2退出运行，断开第二开关s2、第一开关s1继续断开。控制单元3实时获取电网电压与电机102的反电势，当电网电压与电机102的反电势的相位和幅值均符合时，控制第一开关s1闭合，实现同期并网。随后本飞轮储能系统进入调频阶段。
36.第二步，本飞轮储能系统在调频阶段自动参与电网调频，无电力电子装置或算法介入，自身旋转惯量完全注入电网系统。
37.第三步，若需停机检修，断开第一开关s1即可。
38.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本公开的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
39.尽管已经示出和描述了本公开的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本公开的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本公开的范围由权利要求及其等同物限定。