一种压缩空气储能耦合飞轮系统及调相模式设计方法技术方案

本发明专利技术公开了一种压缩空气储能耦合飞轮系统及调相模式设计方法，将

【技术实现步骤摘要】
一种压缩空气储能耦合飞轮系统及调相模式设计方法


[0001]本专利技术属于电力系统领域，具体涉及一种压缩空气储能耦合飞轮系统及调相模式设计方法
。

技术介绍

[0002]目前，面对全球经济发展带来的环境问题，以及区域冲突引起的能源供应紧缺，各国对新能源的需求日益迫切
。
随着我国的风光发电机组的装机容量和渗透率的逐步提高，电力系统“双高”特征明显，体现在高比例风
、
光接入引起的消纳困难和高比例电力电子并网引发的惯量和无功支撑不足，对电网的安全稳定运行带来了极大挑战
。
因此，如何高比例消纳可再生能源，提高电网的频率
、
惯量和电压支撑能力，推动绿色低碳的经济发展仍是目前亟待解决的问题
。
[0003]目前，风光场站配置的储能系统大多采用电化学储能的方式，电化学储能电站采用储能变流器即功率转换系统
(Power Conversion System
，
PCS)
接入电网，其运行特性存在无功支撑与惯量不足的问题，无法保证电网电压和功率的稳定，严重影响供电质量
。
随着风光厂站配置的电化学储能电站接入系统容量逐步增大，电力系统面临运行稳定性和可靠性的压力日益倍增
。
目前能够支撑电网动态调整
、
保证供电质量的设备主要有静止无功补偿器
(Static Var Compensator,SVC)、
静止同步补偿器
(Static Synchronous Compensator,STATCOM)
和同步调相机
。
特别需要说明的是，随着多条特高压直流线路相继投运，我国特高压交直流混联电网已初具规模
。
故障时直流系统强冲击与交流系统弱承载的突出矛盾，客观上要求直流大规模有功输送，必须匹配交流强动态无功支撑
。
同步调相机
(Synchronous Condenser
，
SC)
具有补偿容量大
、
过载能力强
、
电压恢复速度快等优点
。
此外，其无延时的自发无功响应特性非常符合直流暂态过程对动态无功的需求
。
然而，装设专用调相机的设备投资较大：据调研1台新一代
50Mvar
调相机费用约为
4500
万元
。
若充分挖掘大规模旋转类储能系统自身的调相能力，则可在减少设备静态投资费用的前提下为电压稳定提供可靠支撑
。
[0004]先进绝热压缩空气储能
(Advanced Adiabatic Compressed Air Energy Storage,AA
‑
CAES)
作为一种常规旋转类储能系统，其具有寿命长
、
容量大
、
零碳排放的特点，除提供常规的调峰调频功能外，
AA
‑
CAES
还具备惯量和电压支撑能力，基于上述优异特性，
AA
‑
CAES
受到学术界和工程界的广泛关注
。
储能时，该系统利用弃风
、
弃光和低谷电驱动压缩机，压缩过程中产生的压缩热能通过换热器回收，同时储气子系统将压缩空气的势能进行储存；释能时，储气库中的高压空气经过膨胀子系统，将压缩空气的压力势能和热能耦合释放发电
。
调相时，仅需注入少量压缩空气用于克服膨胀发电机转轴摩擦损耗，维持其额定转速，通过调节励磁电流，可对其输出无功功率进行连续调节
。
[0005]根据压缩空气储能电站运行特点，其释能典型运行时长为
4h
，一天当中有
20h
处于闲置状态
。
因此，如何合理的设计
AA
‑
CAES
的系统架构，提高压缩空气储能电站设备利用小时数，深度参与电网的调相工作是本专利技术所要解决的主要技术问题
。

技术实现思路

[0006]本专利技术所为了解决
技术介绍
中存在的技术问题，目的在于提供了一种压缩空气储能耦合飞轮系统及调相模式设计方法，将使用一台同步电机替代
AA
‑
CAES
系统中原有的电动机和发电机，并控制其能够在储能
、
调相
、
发电等模式间切换，在提高系统利用小时数的同时，还能为电网提供无功和惯量支撑，辅助调节电网的电压和频率稳定
。
[0007]为了解决技术问题，本专利技术的技术方案是：
[0008]一种压缩空气储能耦合飞轮系统，所述系统包括：压缩子系统
、
储热
/
储气子系统
、
膨胀子系统
、
调相子系统
、
控制系统和飞轮储能子系统；
[0009]所述压缩子系统包括：同步电机和空气压缩机，所述同步电机与所述空气压缩机之间设置有第一磁吸式离合器，所述空气压缩机具有二级压缩阶段；
[0010]所述调相子系统包括：全控励磁装置
、
整流器和电压互感器；所述全控励磁装置与同步电机的励磁绕组相连，所述电压互感器一次侧与区域电网连接，二次侧通过整流器与全控励磁装置连接；
[0011]所述储热
/
储气子系统包括：低温蓄热罐
、
高温蓄热罐
、
冷却器和加热器，所述低温储水罐的输出端与所述高温储水罐的输入端通过冷却器连接，所述低温储水罐的输入端与所述高温储水罐的输出端通过加热器连接；所述冷却器和加热器分别用来收集压缩热和加热压缩空气；
[0012]所述膨胀子系统包括：同步电机和透平膨胀机，所述同步电机与透平膨胀机之间设置第二磁吸式离合器，所述透平膨胀机具有二级膨胀阶段；
[0013]所述飞轮储能子系统包括：飞轮和第一充放一体电机
、
第二充放一体电机
、
第三充放一体电机及磁吸式离合器，利用第一充放一体电机
、
第二充放一体电机及第三充放一体电机可储存空气压缩机和透平膨胀机停转过程中的机械能至飞轮，所述磁吸式离合器设置在同步电机传动轴与飞轮之间
。
[0014]进一步，所述控制系统根据区域电网有功功率和无功功率反馈信号控制同步电机在储能模式
、
调相模式和发电模式间的切换，根据电网需求和运行模式控制全控励磁装置的开断，保证同步电机在三种工作模式中的正确切换；
[0015]根据控制系统的信号，负荷低谷时，同步电机启动储能模式，与空气压缩机间的第一磁吸式离合器闭合，消纳风光清洁能源和电网的低谷电能；同步电机完成储能后，切换至调相模式，断开其与空气压缩机转轴的连接，打开全控励磁装置，调整电网的无功支撑；负荷需求较高时，同步电机切换至发电模式，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种压缩空气储能耦合飞轮系统，其特征在于，所述系统包括：压缩子系统
、
储热
/
储气子系统
、
膨胀子系统
、
调相子系统
、
控制系统和飞轮储能子系统；所述压缩子系统包括：同步电机
(1)
和空气压缩机
(2)
，所述同步电机
(1)
与所述空气压缩机
(2)
之间设置有第一磁吸式离合器
(9)
，所述空气压缩机
(2)
具有二级压缩阶段；所述调相子系统包括：全控励磁装置
、
整流器和电压互感器
(8)
；所述全控励磁装置与同步电机
(1)
的励磁绕组相连，所述电压互感器
(8)
一次侧与区域电网连接，二次侧通过整流器与全控励磁装置连接；所述储热
/
储气子系统包括：低温蓄热罐
、
高温蓄热罐
、
冷却器
(3)
和加热器
(4)
，所述低温储水罐的输出端与所述高温储水罐的输入端通过冷却器
(3)
连接，所述低温储水罐的输入端与所述高温储水罐的输出端通过加热器
(4)
连接；所述冷却器
(3)
和加热器
(4)
分别用来收集压缩热和加热压缩空气；所述膨胀子系统包括：同步电机
(1)
和透平膨胀机
(5)
，所述同步电机
(1)
与透平膨胀机
(5)
之间设置第二磁吸式离合器
(10)
，所述透平膨胀机
(5)
具有二级膨胀阶段；所述飞轮储能子系统包括：飞轮
(7)
和第一充放一体电机
(12)、
第二充放一体电机
(13)、
第三充放一体电机
(14)
及磁吸式离合器
(11)
，利用第一充放一体电机
(12)、
第二充放一体电机
(13)
及第三充放一体电机
(14)
可储存空气压缩机
(2)
和透平膨胀机
(5)
停转过程中的机械能至飞轮
(7)
，所述磁吸式离合器
(11)
设置在同步电机
(1)
传动轴与飞轮
(7)
之间
。2.
根据权利要求1所述的一种压缩空气储能耦合飞轮系统，其特征在于，所述控制系统根据区域电网有功功率和无功功率反馈信号控制同步电机
(1)
在储能模式
、
调相模式和发电模式间的切换，根据电网需求和运行模式控制全控励磁装置的开断，保证同步电机
(1)
在三种工作模式中的正确切换；根据控制系统的信号，负荷低谷时，同步电机
(1)
启动储能模式，与空气压缩机
(2)
间的第一磁吸式离合器
(9)
闭合，消纳风光清洁能源和电网的低谷电能；同步电机
(1)
完成储能后，切换至调相模式，断开其与空气压缩机
(2)
转轴的连接，打开全控励磁装置，调整电网的无功支撑；负荷需求较高时，同步电机
(1)
切换至发电模式，其与透平膨胀机
(5)
间的第二磁吸式离合器
(10)
闭合，释放高压空气的势能，实现电网的调峰
。3.
根据权利要求2所述的一种压缩空气储能耦合飞轮系统，其特征在于，当在空气压缩机
(2)、
透平膨胀机
(5)
处于静置状态时，能够切换至同步电机
(1)
的调相模式向储能电站并网节点提供惯量与电压支撑，提高区域电网的电压稳定性；当系统切换至储能或发电状态时，利用飞轮
(7)
储能为空气压缩机
(2)
或透平膨胀机
(5)
提供启动转矩，驱动其达到同步转速，从而实现第三磁吸式离合器
(11)
相对静止的对接；所述空气压缩机
(2)
在储能模式时，与同步电机
(1)
之间的第一磁吸式离合器
(9)
闭合，为储气罐提供高压空气；在储能结束时，空气压缩机
(2)
叶轮停转过程的机械能，利用第一充放一体电机
(12)、
第三充放一体电机
(14)
将能量转换储存在飞轮
(7)
中；所述空气压缩机
(2)
采用离心式压缩机并且压缩比相同，由环境空气至高压储气罐，空气压力依次提升；所述飞轮
(7)
作为储存空气压缩机
(2)
和透平膨胀机
(5)
停转过程中机械能的设备，另外也可在切换到储能模式和发电模式时释放飞轮
(7)
的机械能辅助空气压缩机
(2)
和透平膨胀机
(5)
达到同步转速，同时在调相模式中为电网提供必要的惯量支撑，稳定供电频率；
所述电压互感器感
(8)
获取同步电机
(1)
输出电压，经过整流器整流，作为反馈信号，为励磁系统调整发电机磁场提高参考
。4.
根据权利要求1所述的一种压缩空气储能耦合飞轮系统，其特征在于，...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈晓弢，王侠，陈生仓，李云飞，麻林瑞，司杨，
申请(专利权)人：国家能源集团青海电力有限公司，
类型：发明
国别省市：