多飞轮储能单元并联的飞轮阵列储能系统技术方案

一种多飞轮储能单元并联的飞轮阵列储能系统，由公共直流母线、并网静态开关、制动电阻、飞轮阵列控制器以及至少两个以上的飞轮储能单元及其单元控制器组成，每个飞轮储能单元的内部结构和参数特性相同。每个飞轮储能单元以电流源的方式并入公共直流母线，且并入的单元数量可随意增减。本发明专利技术飞轮阵列储能系统采用主从控制模式，作为主控制器的飞轮阵列控制器计算维持直流电网功率平衡所需的功率，并利用协调控制算法将该功率分配至每一个飞轮储能单元控制器；作为从控制器的单元控制器根据得到的功率指令，利用飞轮储能单元控制方法控制双向功率变换电路和永磁同步电机向直流电网吸收或者释放功率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种面向电网级应用的大功率飞轮阵列储能系统。
技术介绍
飞轮储能是一种将电能以机械能形式储存在高速旋转的飞轮转子中的储能技术，一般由飞轮转子、支撑轴承、电机、保护外壳以及电力变换电路构成。根据飞轮转子的工作转速可以将其分为高速飞轮储能系统与低速飞轮储能系统，前者使用复合材料转子和磁悬浮轴承，工作转速在几万转/分；后者使用金属材料转子和机械轴承，工作转速一般为几千转/分。根据国内外飞轮储能
的相关资料显示，独立飞轮储能系统的额定输出功率最大可达225kW(400VAC)，此类独立系统主要用于应急电源、航天卫星以及电动汽车等。 随着风力和光伏发电等新能源的并网需求愈加强烈，省去新能源并网逆变环节的分布式直流电网开始受到关注。由于风电和光伏自身存在间歇性和波动性特征，直流电网内部必须配置合适功率的快速储能设备才能保证整个电网系统的功率平衡。与传统化学电池储能相比，飞轮储能技术具有无污染、充放电循环次数无限制、能量转换效率高等优点，用于平抑新能源的功率波动比较适合。但是，独立的飞轮储能单元容量有限，而且受转子材料、以及整机制造成本的约束，能够满足直流电网功率需求的大容量飞轮储能单元的研制成本非常高。中国的专利技术专利200910219473公开了一种兆瓦级飞轮储能装置，其十米直径的飞轮转子对于气浮或者液浮轴承的要求太高，不易实现，并且兆瓦级电机的成本高昂、体积巨大，将大幅降低飞轮储能系统的功率密度。因此，应对MW级别的电网功率需求，可采取将特定功率等级的飞轮储能单元并联，构建大容量的飞轮阵列储能系统。通过优化设计飞轮储能单元的容量，实现模块化生产，达到降低系统成本的目的。国外专利W003049249A1公开了一种至少由两个飞轮储能系统构成的备用电源，该电源经过一个固定容量的逆变器将飞轮储存的电能并入交流电网。这种电源无法直接用于直流电网，而且系统的容量受到并网逆变器的限制，无法自由添加新的飞轮储能单元。综上所述，面对新能源大量并入直流电网，从而需要在电网中配置储能设备的要求，仍需研发一种能够直接并入直流电网的大功率飞轮阵列储能系统，拓展飞轮储能技术的应用领域。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有飞轮储能技术的不足，提供一种能够直接并入分布式直流电网的飞轮阵列储能系统。本专利技术所采用的技术方案是将内部结构和参数特性相同的多个飞轮储能单元并联在同一条直流母线上，构成一个飞轮阵列储能系统，所述的飞轮阵列储能系统通过其内部的一个并网静态开关实现并入直流电网的功能。本专利技术通过采取合理的控制方法，可以完成该飞轮阵列储能系统与直流电网之间的能量交换，确保后者的功率平衡，维持电网系统的稳定。本专利技术的飞轮阵列储能系统由一条公共直流母线，一个并网静态开关，一个制动电阻、一个飞轮阵列控制器以及两个以上的飞轮储能单元及其单元控制器组成。其中，各个飞轮储能单元的直流侧引出端并联于公共直流母线上，公共直流母线的正、负母线分别与并网静态开关的正、负回路开关连接，并网静态开关再与直流电网连接，通过控制并网静态开关，飞轮阵列储能系统实现并入或者脱离直流电网的功能。制动电阻的两个引出端直接并联在公共直流母线上。飞轮阵列控制器通过通信控制信号线与各个单元控制器连接，并利用工业以太网协议完成控制器之间的信号传输。所述的飞轮储能单元的数量可根据直流电网所需配置储能的容量确定。飞轮阵列储能系统内部含有一条公共直流母线，所有飞轮储能单元的直流侧引出端均并联在这条公共直流母线上，并联的飞轮储能单元数量可以增加或减少。所述的公共直流母线经过一个并网静态开关接入直流电网。如果直流电网和飞轮阵列储能系统均处于正常状态，并网静态开关闭合，飞轮阵列储能系统以电流源的形式并入直流电网，实现吸收或者释放功率的功能；如果直流电网和飞轮阵列储能系统二者中的任何一方出现故障情况，则并网静态开关断开，确保正常运行的系统不受影响。此时，飞轮阵列储能系统处于离网状态，必须将系统内剩余的能量通过制动电阻释放完毕，才可以再次并网。所述的飞轮储能单元由双向功率变换电路、永磁同步电机、支撑轴承以及飞轮转子组成。其中，双向功率变换电路包含直流侧和交流侧引出端，两个直流侧弓I出端与公共直流母线连接，三个交流侧引出端分别与永磁同步电机的A相、B相和C相线连接。永磁同步电机与飞轮转子同轴连接并安装于支撑轴承上。飞轮储能单元在并入直流电网情况下的正常工作模式有三种充电、待机和放电。如果飞轮储能单元工作于充电模式，则由直流电网为飞轮储能单元内部的公共直流母线提供能量，单元控制器控制双向功率变换电路将直流电逆变成交流电，供给与飞轮转子同轴安装的永磁同步电机，驱动飞轮转子加速至给定转 速，将电能转化为机械能，实现吸收功率的功能；如果飞轮储能单元工作于待机模式，则直流电网不与飞轮储能单元发生功率交换；当飞轮储能单元工作于放电模式，则由单元控制器控制双向功率变换电路将永磁同步电机发出的交流电整流成直流，由多飞轮储能单元并联的飞轮阵列储能系统以电流源形式向直流电网释放功率，将机械能转化为电能。所述的飞轮阵列储能系统采用主从控制模式，阵列控制器为主控制器，各个单元控制器为从控制器。由阵列控制器垂直向下控制每一个单元控制器。具体实现方法为阵列控制器可由支持工业以太网协议的工控机和显示设备组成，阵列控制器利用一种协调控制算法，将维持直流电网功率平衡的功率需求合理分配至每一个单元控制器。所述的单元控制器利用一种飞轮储能单元控制方法，控制双向功率变换电路驱动永磁同步电机向直流电网吸收或者释放功率。所述的协调控制算法可以根据各个飞轮储能单元的储能状态以及直流电网所需的功率，随时调整参与能量交换的飞轮储能单元数量，确保飞轮阵列储能系统运行在较优状态。阵列控制器和各个单元控制器之间的指令传输经由工业以太网实现，保证功率指令和单元状态准确迅速的在主从控制器间传输。所述的并网静态开关由飞轮阵列控制器控制，当飞轮阵列储能系统满足并网条件，则阵列控制器向并网静态开关发出闭合指令；当直流电网或者飞轮阵列储能系统自身发生故障，不再满足并网条件，则飞轮阵列控制器向并网静态开关发出断开指令。本专利技术与现有技术相比，克服了大功率飞轮储能单元的加工成本过高的不足，将模块化飞轮储能单元并联连接，组成能够满足电网级应用需求的飞轮阵列储能系统。此外，与传统的面向交流电网应用的飞轮储能系统不同，本专利技术提供的飞轮阵列储能系统省去了逆变并网环节，直接由直流侧并入直流电网，大大提高了系统的储能效率。附图说明下面结合附图和具体实施例对本专利技术做进一步说明图I本专利技术飞轮阵列储能系统的原理图；图2本专利技术飞轮阵列储能系统控制系统框图；图3所述直流电网的一个实施例的结构；图4本专利技术飞轮阵列控制器的控制流程图； 图5本专利技术单元控制器的控制流程图。具体实施例方式图I为本专利技术飞轮阵列储能系统的原理图。一种能够直接并入直流电网100的飞轮阵列储能系统103由一条公共直流母线200，一个并网静态开关203，一个制动电阻204以及两个以上的飞轮储能单元及其单元控制器组成。其中，公共直流母线200由正母线201与负母线202组成，每个飞轮储能单元的两个直流侧引出端分别与公共直流母线200的正、负母线连接。例如第一飞轮储能单元300直流侧的第一引出端411与第二引本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多飞轮储能单元并联的飞轮阵列储能系统,其特征在于，所述的飞轮阵列储能系统(103)由一条公共直流母线(200)，一个并网静态开关(203)，一个制动电阻(204),一个飞轮阵列控制器(400)，以及两个以上的飞轮储能单元及其单元控制器组成；所述的飞轮储能单元均包含两个直流侧引出端；所述公共直流母线(200)由正母线(201)与负母线(202)组成，每个飞轮储能单元的直流侧第一引出端与公共直流母线(200)的正母线(201)连接，每个飞轮储能单元的直流侧第二引出端与公共直流母线(200)的负母线(202)连接；所述的并网静态开关(203)由正回路开关(203a)和负回路开关(203b)组成；公共直流母线(200)的正母线(201)经过并网静态开关(203)的正回路开关(203a)接入直流电网(100)的正母线(101)；公共直流母线(200)的负母线(202)经过并网静态开关(203)的负回路开关(203b)接入直流电网(100)的负母线(102)；所述制动电阻(204)的第一引出端(406)与公共直流母线(200)的正母线(201)连接，制动电阻(204)的第二引出端(407)与公共直流母线(200)的负母线(202)连接；所述的飞轮阵列控制器(400)通过通信控制信号线与各个单元控制器连接，并利用工业以太网协议完成控制器之间的信号传输。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：周龙，唐西胜，刘文军，齐智平，
申请(专利权)人：中国科学院电工研究所，
类型：发明
国别省市：