一种基于电池组和液态空气储能的电网黑启动与调频装置及方法与流程

本发明涉及一种新型的电网黑启动与调频系统，是一种基于电池组和液态空气储能的电网黑启动与调频装置及方法，属于液态空气储能、电池储能、电网黑启动和调频的技术领域。

背景技术：

电网频率的稳定性和准确性，是供电质量的重要指标。电网频率的变动和偏差，对用户和原动机的影响和危害众所周知。调频过程又是电力生产过程中调整能量平衡的过程。当电网频率发生偏离时，通过调动各种储能和热力系统进行一次调频(30秒内)和二次调频(30秒-30分钟)，恢复电网频率。

电网黑启动(blackstart)是指电力系统因故障停电后，通过系统中具有自启动能力的机组或外部输入的电力，启动系统内无自启动能力的机组，逐渐使整个系统恢复正常运行的过程。在电网发生大面积停电情况下，要求能够快速恢复电源，如果不能够在短时间之内恢复供电，将使国民经济遭受巨大损失。如何在系统大面积停电之后安全并快速地完成系统重建，一直以来都是电力工业亟待解决的关键问题。

液态空气储能技术是一种利用液态空气或氮气作为储能介质的深冷储能技术。在用电低谷时段，利用电能生产液态空气或液氮；在用电高峰的情况下，液态空气或氮气经过加压加热后驱动膨胀机做功发电。液态空气储能系统一般可以在2-5分钟内启动，具有储能密度大和不受地理条件的限制等特点。此外，电池储能技术具有响应时间短(毫秒级)、储能密度大和储能效率高(85％)等优点，得到了广泛的应用。

从上述分析可知，液态空气储能和电池储能具有很好的结合性，可以作为电网外部电力，快速恢复电网频率以及实现电网黑启动。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提出了一种基于电池组和液态空气储能的电网黑启动与调频装置及方法。该装置具有电网黑启动和电网调频两种功能：当电网发生大面积停电时，电池组放电启动液态空气发电循环，快速帮助电厂发电机组启动供电，进而恢复电网供电；当电网有调频需求时，电池组和液态空气发电循环同时启动，电池组反应速度快，用于一次调频，而液态空气发电循环用于二次调频。

为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于电池组和液态空气储能的电网黑启动与调频装置，其特征在于，该装置包括液态空气发电循环回路、液态空气储能循环回路、电池组、第一开关、逆变器、第二开关、第三开关、电厂发电机组、电网、控制单元和第四开关，其中：

所述液态空气发电循环回路包括液态空气储液罐、空气阀、加压泵、蒸发器、第一级加热器、第一级膨胀机、第二级加热器、第二级膨胀机、第三级加热器、第三级膨胀机、第四级加热器、第四级膨胀机、第五级加热器、第五级膨胀机、第一风机、储冷罐、储热罐、第一循环泵、第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门和第五阀门；所述液态空气储液罐的下部输出端通过空气阀、加压泵与蒸发器的左侧输入端连接；蒸发器的右侧输出端与第一级加热器的左侧输入端连接；第一级加热器的右侧输出端通过第一级膨胀机与第二级加热器的左侧输入端连接；第二级加热器的右侧输出端通过第二级膨胀机与第三级加热器的左侧输入端连接；第三级加热器的右侧输出端通过第三级膨胀机与第四级加热器的左侧输入端连接；第四级加热器的右侧输出端通过第四级膨胀机与第五级加热器的左侧输入端连接；第五级加热器的右侧输出端通过第五级膨胀机、第一风机与蒸发器的下部输入端连接；蒸发器的下部输出端与储冷罐的下部输入端连接；储冷罐的上部输出端与环境相连；储热罐的上部输出端通过第一循环泵分五路：一路通过第一阀门与第一级加热器的上部输入端连接；一路通过第二阀门与第二级加热器的上部输入端连接；一路通过第三阀门与第三级加热器的上部输入端连接；一路通过第四阀门与第四级加热器的上部输入端连接；一路通过第五阀门与第五级加热器的上部输入端连接；第一级加热器、第二级加热器、第三级加热器、第四级加热器和第五级加热器的上部输出端并联后与储热罐的下部输入端连接；

所述液态空气储能循环回路与液态空气发电循环回路共用液态空气储液罐、储冷罐和储热罐，还包括第一级压缩机、第一级冷却器、第二级压缩机、第二级冷却器、冷箱、低温透平、第二风机和第二循环泵；所述第一级压缩机的输出端与第一级冷却器的上部输入端连接；第一级冷却器的下部输出端通过第二级压缩机与第二级冷却器的上部输入端连接；第二级冷却器的下部输出端与冷箱的下部输入端连接；冷箱的上部输出端通过低温透平与液态空气储液罐的左侧输入端连接；液态空气储液罐的上部输出端与冷箱的左侧输入端连接；冷箱的左侧输出端与第一级压缩机的输入端连接；储冷罐的左侧输出端通过第二风机与冷箱的右侧输入端连接；冷箱的右侧输出端与储冷罐的左侧输入端连接；储热罐的左侧输出端通过第二循环泵分两路：一路与第一级冷却器的右侧输入端连接，另一路与第二级冷却器的右侧输入端连接；第一级冷却器和第二级冷却器的右侧输出端并联后与储热罐的左侧输入端连接；

所述电池组的输出端通过第一开关与逆变器的输入端连接；逆变器的输出端分别连接空气阀的右侧输入端、加压泵的电机输入端、第一风机的电机输入端、第一循环泵的电机输入端、第一阀门的右侧输入端、第二阀门的右侧输入端、第三阀门的右侧输入端、第四阀门的右侧输入端、第五阀门的右侧输入端和第二开关的左侧输入端；所述第一级膨胀机、第二级膨胀机、第三级膨胀机、第四级膨胀机和第五级膨胀机的发电机输出端并联后分三路：一路通过第二开关与逆变器的输出端并联；一路通过第三开关与电厂发电机组的输入端连接；一路通过第四开关与电网连接；电厂发电机组的输出端与电网连接；控制单元发送指令，控制装置运行模式；

优选的，液态空气发电循环回路中加热器和膨胀机的数量，可以根据需要增加或减少；液态空气储能循环回路中压缩机和冷却器的数量，可以根据需要增加或减少；

进一步的，控制单元可通过有线或无线发送指令。

具体地，本发明采用的基于电池组和液态空气储能的电网黑启动与调频方法包括以下步骤：

用电低谷时段，电池组充电，同时液态空气储能循环工作获取液态空气：净化后的空气经过第一级压缩机压缩、第一级冷却器冷却、第二级压缩机压缩和第二级冷却器冷却后，进入冷箱，被液态空气储液罐回流的常压低温空气和储冷罐存储的低温冷能冷却，然后进入低温透平膨胀降压，一部分空气变为液态空气存储在液态空气储液罐，另一部分未液化的空气经过冷箱后，进入第一级压缩机；第一级冷却器和第二级冷却器释放的空气压缩热存储在储热罐；

当电网发生大面积停电时，控制单元发出黑启动指令：第一开关和第三开关闭合，第二开关和第四开关断开；电池组放电，经过逆变器转换为交流电后，供给空气阀、加压泵、第一风机、第一循环泵、第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门和第五阀门，启动液态空气发电循环；液态空气储液罐出口的低温液态空气经过加压泵加压后，进入蒸发器与第五级膨胀机出口的常压气态空气热交换，温度升高，经过第一级加热器进一步加热后，进入第一级膨胀机膨胀发电，压力和温度降低，依次经过第二级加热器加热、第二级膨胀机膨胀发电、第三级加热器加热、第三级膨胀机膨胀发电、第四级加热器加热、第四级膨胀机膨胀发电和第五级加热器加热后，进入第五级膨胀机膨胀为常压气态空气，然后进入蒸发器回收低温液态空气的冷量，并将低温冷量存储在储冷罐中；储热罐出口的高温液体分别进入第一级加热器、第二级加热器、第三级加热器、第四级加热器和第五级加热器进行级前和级间加热，增大空气膨胀功；第一级膨胀机、第二级膨胀机、第三级膨胀机、第四级膨胀机和第五级膨胀机的发电量通过第三开关启动电厂发电机组，使其恢复发电，供给电网，实现电网的黑启动；

当电网有调频需求时，控制单元发出调频指令：第一开关、第二开关和第四开关闭合，第三开关断开；电池组放电，经过逆变器转换为交流电后，一部分供给电网用于一次调频，另一部分启动液态空气发电循环用于二次调频；

优选的，当电厂发电机组启动发电后，可以闭合第二开关，使液态空气发电循环的发电量一部分用于自我供电，从而降低电池组的容量；液态空气发电循环中可以采用空气或氮气工质；

进一步的，储冷罐可以存储外界低温冷源，增大液态空气储能循环的液化率；储热罐可以存储外界高温热源，增加液态空气发电循环的发电量。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1)、本发明利用电池组启动液态空气发电循环，帮助电厂发电机组启动供电，实现电网黑启动。电池组放电响应时间短(毫秒级)，液态空气发电循环从启动到正常发电在2-5分钟内完成，能够使电网在短时间内恢复供电，避免国民经济遭受巨大损失。

2)、本发明结合电池组和液态空气发电循环实现电网调频，其中电池组反应速度快，用于一次调频，液态空气发电循环用于二次调频，有效维护电网频率的稳定性和准确性，保证供电质量。

3)、本发明的电网黑启动模式中，液态空气发电循环可以在2-5分钟内启动，所需电池组容量小；此外，液态空气发电循环的发电量一部分可以用于供给自己，进一步降低电池组的容量。

4)、本发明为实现电网黑启动和电网调频提供了一种可行的方法与方案。

附图说明

图1为本发明所述的一种基于电池组和液态空气储能的电网黑启动与调频装置及方法的结构示意图；

图2为图1所示的本发明液态空气储能循环的结构示意图；

图3为图1所示的本发明第一实施例的结构示意图；

图4为图1所示的本发明第二实施例的结构示意图。

其中，电池组1，第一开关2，逆变器3，液态空气储液罐4，空气阀5，加压泵6，蒸发器7，第一级加热器8，第一级膨胀机9，第二级加热器10，第二级膨胀机11，第三级加热器12，第三级膨胀机13，第四级加热器14，第四级膨胀机15，第五级加热器16，第五级膨胀机17，第一风机18，储冷罐19，储热罐20，第一循环泵21，第一阀门22，第二阀门23，第三阀门24，第四阀门25，第五阀门26，第二开关27，第三开关28，电厂发电机组29，电网30，控制单元31，第四开关32，第一级压缩机33，第一级冷却器34，第二级压缩机35，第二级冷却器36，冷箱37，低温透平38，第二风机39，第二循环泵40。

具体实施方式

下面将参照附图对本发明进行说明。图1为本发明所述的一种基于电池组和液态空气储能的电网黑启动与调频装置及方法，该装置包括液态空气发电循环回路、液态空气储能循环回路、电池组1、第一开关2、逆变器3、第二开关27、第三开关28、电厂发电机组29、电网30、控制单元31和第四开关32，其中：

液态空气发电循环回路包括液态空气储液罐4、空气阀5、加压泵6、蒸发器7、第一级加热器8、第一级膨胀机9、第二级加热器10、第二级膨胀机11、第三级加热器12、第三级膨胀机13、第四级加热器14、第四级膨胀机15、第五级加热器16、第五级膨胀机17、第一风机18、储冷罐19、储热罐20、第一循环泵21、第一阀门22、第二阀门23、第三阀门24、第四阀门25和第五阀门26；液态空气储液罐4的下部输出端通过空气阀5、加压泵6与蒸发器7的左侧输入端连接；蒸发器7的右侧输出端与第一级加热器8的左侧输入端连接；第一级加热器8的右侧输出端通过第一级膨胀机9与第二级加热器10的左侧输入端连接；第二级加热器10的右侧输出端通过第二级膨胀机11与第三级加热器12的左侧输入端连接；第三级加热器12的右侧输出端通过第三级膨胀机13与第四级加热器14的左侧输入端连接；第四级加热器14的右侧输出端通过第四级膨胀机15与第五级加热器16的左侧输入端连接；第五级加热器16的右侧输出端通过第五级膨胀机17、第一风机18与蒸发器7的下部输入端连接；蒸发器7的下部输出端与储冷罐19的下部输入端连接；储冷罐19的上部输出端与环境相连；储热罐20的上部输出端通过第一循环泵21分五路：一路通过第一阀门22与第一级加热器8的上部输入端连接；一路通过第二阀门23与第二级加热器10的上部输入端连接；一路通过第三阀门24与第三级加热器12的上部输入端连接；一路通过第四阀门25与第四级加热器14的上部输入端连接；一路通过第五阀门26与第五级加热器16的上部输入端连接；第一级加热器8、第二级加热器10、第三级加热器12、第四级加热器14和第五级加热器16的上部输出端并联后与储热罐20的下部输入端连接；

液态空气储能循环回路与液态空气发电循环回路共用液态空气储液罐4、储冷罐19和储热罐20，还包括第一级压缩机33、第一级冷却器34、第二级压缩机35、第二级冷却器36、冷箱37、低温透平38、第二风机39和第二循环泵40；所述第一级压缩机33的输出端与第一级冷却器34的上部输入端连接；第一级冷却器34的下部输出端通过第二级压缩机35与第二级冷却器36的上部输入端连接；第二级冷却器36的下部输出端与冷箱37的下部输入端连接；冷箱37的上部输出端通过低温透平38与液态空气储液罐4的左侧输入端连接；液态空气储液罐4的上部输出端与冷箱37的左侧输入端连接；冷箱37的左侧输出端与第一级压缩机33的输入端连接；储冷罐19的左侧输出端通过第二风机39与冷箱37的右侧输入端连接；冷箱37的右侧输出端与储冷罐19的左侧输入端连接；储热罐20的左侧输出端通过第二循环泵40分两路：一路与第一级冷却器34的右侧输入端连接，另一路与第二级冷却器36的右侧输入端连接；第一级冷却器34和第二级冷却器36的右侧输出端并联后与储热罐20的左侧输入端连接；

电池组1的输出端通过第一开关2与逆变器3的输入端连接；逆变器3的输出端分别连接空气阀5的右侧输入端、加压泵6的电机输入端、第一风机18的电机输入端、第一循环泵21的电机输入端、第一阀门22的右侧输入端、第二阀门23的右侧输入端、第三阀门24的右侧输入端、第四阀门25的右侧输入端、第五阀门26的右侧输入端和第二开关27的左侧输入端；

第一级膨胀机9、第二级膨胀机11、第三级膨胀机13、第四级膨胀机15和第五级膨胀机17的发电机输出端并联后分三路：一路通过第二开关27与逆变器3的输出端并联；一路通过第三开关28与电厂发电机组29的输入端连接；一路通过第四开关32与电网30连接；电厂发电机组29的输出端与电网30连接；控制单元31发送指令，控制装置运行模式。

一种基于电池组和液态空气储能的电网黑启动与调频方法，包括以下步骤：

用电低谷时段，电池组1充电，同时液态空气储能循环工作获取液态空气，如图2所示：净化后的空气经过第一级压缩机33压缩、第一级冷却器34冷却、第二级压缩机35压缩和第二级冷却器36冷却后，进入冷箱37，被液态空气储液罐4回流的常压低温空气和储冷罐19存储的低温冷能冷却，然后进入低温透平38膨胀降压，一部分空气变为液态空气存储在液态空气储液罐4，另一部分未液化的空气经过冷箱37后，进入第一级压缩机33；第一级冷却器34和第二级冷却器36释放的空气压缩热存储在储热罐20；

当电网30发生大面积停电时，控制单元31发出黑启动指令，如图3所示：第一开关2和第三开关28闭合，第二开关27和第四开关32断开；电池组1放电，经过逆变器3转换为交流电后，供给空气阀5、加压泵6、第一风机18、第一循环泵21、第一阀门22、第二阀门23、第三阀门24、第四阀门25和第五阀门26，启动液态空气发电循环；液态空气储液罐4出口的低温液态空气经过加压泵6加压后，进入蒸发器7与第五级膨胀机17出口的常压气态空气热交换，温度升高，经过第一级加热器8进一步加热后，进入第一级膨胀机9膨胀发电，压力和温度降低，依次经过第二级加热器10加热、第二级膨胀机11膨胀发电、第三级加热器12加热、第三级膨胀机13膨胀发电、第四级加热器14加热、第四级膨胀机15膨胀发电和第五级加热器16加热后，进入第五级膨胀机17膨胀为常压气态空气，然后进入蒸发器7回收低温液态空气的冷量，并将低温冷量存储在储冷罐19中；储热罐20出口的高温液体分别进入第一级加热器8、第二级加热器10、第三级加热器12、第四级加热器14和第五级加热器16进行级前和级间加热，增大空气膨胀功；第一级膨胀机9、第二级膨胀机11、第三级膨胀机13、第四级膨胀机15和第五级膨胀机17的发电量通过第三开关28启动电厂发电机组29，使其恢复发电，供给电网30，实现电网30的黑启动；

当电网30有调频需求时，控制单元31发出调频指令，如图4所示：第一开关2、第二开关27和第四开关32闭合，第三开关28断开；电池组1放电，经过逆变器3转换为交流电后，一部分供给电网30用于一次调频，另一部分启动液态空气发电循环用于二次调频。

为了便于理解本发明，以图3电网黑启动为例，假设液态空气发电循环发电量25mw/100mwh，储热罐20中高温液体温度为80℃，经过高温液体加热后的空气温度为60℃。本发明的一种基于电池组和液态空气储能的电网黑启动方法，包括以下步骤：

当电网30发生大面积停电时，电池组1放电，经过逆变器3转换为交流电后，供给空气阀5、加压泵6、第一风机18、第一循环泵21、第一阀门22、第二阀门23、第三阀门24、第四阀门25和第五阀门26，启动液态空气发电循环；如果液态空气发电循环在5分钟内启动，则电池组1的容量仅为2.17mw/0.18mwh；

液态空气储液罐4出口的常压低温液态空气(-194℃)经过加压泵6加压至120bar，进入蒸发器7与第五级膨胀机17出口的常压气态空气热交换，温度升高，经过第一级加热器8加热至60℃，进入第一级膨胀机9膨胀发电，压力降至48bar，温度降至-15℃；经过第二级加热器10加热至60℃，进入第二级膨胀机11膨胀发电，压力降至19bar，温度降至-13℃；经过第三级加热器12加热至60℃，进入第三级膨胀机13膨胀发电，压力降至7.7bar，温度降至-13℃；经过第四级加热器14加热至60℃，进入第四级膨胀机15膨胀发电，压力降至3.0bar，温度降至-12℃；经过第五级加热器16加热至60℃，进入第五级膨胀机17膨胀发电，压力降至1.0bar，温度降至-23℃，然后进入蒸发器7回收低温液态空气的冷量，并将低温冷量存储在储冷罐19中；储热罐20出口的高温液体(80℃)分别进入第一级加热器8、第二级加热器10、第三级加热器12、第四级加热器14和第五级加热器16进行级前和级间加热，增大空气膨胀功；

第一级膨胀机9、第二级膨胀机11、第三级膨胀机13、第四级膨胀机15和第五级膨胀机17的发电量启动电厂发电机组29，使其恢复发电，供给电网30，实现电网30的黑启动；此外，当电厂发电机组29启动发电后，可以闭合第二开关27，使液态空气发电循环的发电量一部分用于自我供电，从而进一步降低电池组1的容量。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。