一种超级电容耦合蓄电池参与火电厂调频的系统的制作方法

本实用新型涉及火电厂调频领域，尤其涉及火力发电机组利用超级电容和蓄电池参与电网调频辅助服务。

背景技术：

近年来随着中国国民经济的飞速发展，人们对电力的需求也急剧增加，峰谷差日益增大。中国电力供应峰谷比约为10/0.7，远高于一般发展中国家的平均水平1/0.63，比美国1/0.25的峰谷比高得多，因此中国发电机组的调峰任务艰巨。发电机组的调频能力是维护电网功率平衡和安全稳定的第1道重要屏障，其调节能力和性能对电网的动态稳定性显得尤为重要；此外，风能、核能等电源的飞速发展，相对降低了电网的自调节能力，大规模接入的风电机组甚至引入了额外的随机功率扰动，使电网稳定性进一步恶化。合理规范并监测机组调频参数和性能，保障机组良好的调频能力，对电网的安全稳定运行和未来智能电网环境下的优化调度具有重要的意义。

目前火力发电机组的自动发电控制(AGC)、调频性能是统调机组涉网性能中的2个重要指标，电网调度对机组的AGC、调频性能有严格的要求，这2个指标也是电网“二个细则”考核的重要内容，尤其是AGC品质直接体现机组的性能。目前机组主要通过锅炉、汽轮机的协调控制，依靠增、减燃料量，开大或关小汽轮机调门来响应电网的需求，由于锅炉存在迟延，机组负荷响应始终存在局限性；汽轮机为确保有调节裕量，调门也无法保持全开状态，限制了调节的深度。

另外，目前大多数发电厂采用DEH(数字式电液)控制系统,为了负荷的稳定和考核的需要,避免机组随频率变动而频繁进行调节,影响负荷的稳定,将汽轮机转速调节系统的一次调频死区设置的比较大,一次调频作用几乎被切除,使得电网的频率主要靠二次调频来维持。研究表明,在突发性事故和大的负荷(功率)扰动时,很多机组尽管具有调节负荷的能力,但对频率偏差的调频响应几乎为零,此时就会出现频率大幅度波动甚至发生系统崩溃的恶性事故。

而目前利用三元锂蓄电池进行储能调频的项目已经建成几个，但三元锂电池由于能量密度高而功率密度低，对于火电厂调频的应用场景来说，秒级的充放电和每天高达上千次的充放电次数，是一个严峻的挑战，因此已经出现了两起电池充放电功率密度过高而导致的着火爆炸事故。

技术实现要素：

本实用新型利用了超级电容功率密度大，蓄电池能量密度高的特点，创新性地将超级电容耦合蓄电池，二者的充放电控制与发电厂自动发电控制和电网调频控制进行联动，实现机组响应电网的自动发电控制和调频对机组负荷的变动要求。

本实用新型解决前述技术问题所采用的技术方案是：

一种超级电容耦合蓄电池参与火电厂调频的系统，包括：

火力发电机组、电厂调频控制模块、超级电容控制柜和超级电容装置、蓄电池控制柜和蓄电池装置；

其中超级电容装置通过供电线路和放电线路连接火力发电机组的发电机和电网；

其中蓄电池装置通过供电线路和放电线路连接火力发电机组的发电机和电网；

所述电厂调频控制模块，与电厂集中控制系统和电网调度中心连接，接受电网的调频指令；

所述电厂调频控制模块还连接到超级电容控制柜和超级电容装置，以及蓄电池控制柜和蓄电池装置；

所述超级电容控制柜、蓄电池控制柜与所述电厂调频控制模块相连，控制超级电容装置、蓄电池装置进行快速充电或快速放电，实现快速响应电网调频需求。

进一步地，所述超级电容装置和蓄电池装置，利用调频富余电力通过供电线路进行充电操作，利用放电线路进行放电操作；

所述电厂调频控制模块连接到超级电容控制柜和超级电容装置、蓄电池控制柜和蓄电池装置，通过超级电容控制柜、蓄电池控制柜控制所述超级电容装置、蓄电池装置中的超级电容、蓄电池充放电，满足电网调频响应需求。

进一步地，所述供电线路包括：

接自升压站后220kV～500kV电压等级，经过第一开关连接至降压器，交流电压经过降压后经过逆变器转为直流电，然后经过第五开关连接至超级电容控制柜，给超级电容装置供电；经过第六开关连接至蓄电池控制柜，给蓄电池装置供电。

进一步地，所述供电线路包括：

接自发电机出口，经过第二开关连接至降压器，交流电压经过降压后经过逆变器转为直流电，经过第五开关连接至超级电容控制柜，给超级电容装置供电；经过第六开关连接至蓄电池控制柜，给蓄电池装置供电。

进一步地，所述供电线路包括：

接自厂用电线路，经过第三开关连接至降压器，交流电压经过降压后经过逆变器转为直流电，经过第五开关连接至超级电容控制柜，给超级电容装置供电；经过第六开关连接至蓄电池控制柜，给蓄电池装置供电。

进一步地，所述放电线路包括：

超级电容或蓄电池直流放电经过逆变器转成交流电，然后经过升压器后升压至发电机出口电压或厂用电线路电压，然后再统一经过升压站后输送至电网。

进一步地，所述超级电容装置是双电层电容器、法拉第赝电容器、水系超级电容器、有机系超级电容器、对称超级电容器、非对称超级电容器、固体电解质超级电容器、液体电解质超级电容器中的任意一种或几种组合。

进一步地，所述蓄电池装置是电化学蓄电池中的锂离子电池、铅酸、铅碳、镍氢、镍镉、钠硫、钒液硫、镁、镍锌、锌空气蓄电池中的任意一种或几种组合。

本实用新型的有益效果在于：

利用了超级电容功率密度大、可在秒级进行快充快放的特点，来响应秒级的火电机组一次调频指令，从而避免了一次调频造成机组随频率变动而频繁进行调节,影响负荷的稳定。通过超级电容的快充快放功率响应，可以使得超级电容承担一次调频的电网功率波动，而机组始终稳定在一定负荷，汽机转速也可稳定在额定转速。这样，整个机组寿命都会得到延长。另外，超级电容充放电次数可达50万次以上，完全可以满足一次调频每天可能高达成百上千次的调节频率，而蓄电池在一次调频应用中就不太适合。

另一方面，本实用新型利用了蓄电池特别是三元锂电池能量密度大、可在分钟级进行充放电的特点，来响应分钟级别的火电机组二次调频指令(自动发电系统AGC调频控制指令)，从而避免了二次调频造成机组随负荷变动而频繁进行的深度调节,影响负荷的稳定，也深度影响汽轮机、锅炉的稳定运行。通过蓄电池分钟基本的充放电功率响应，可以使得蓄电池承担二次调频的电网功率波动，而机组始终稳定在一定负荷，避免了锅炉、汽机及相关汽水系统的运行参数的频繁变动，从而延长整个机组寿命。

另外，由于超级电容的单位蓄电量(kWh)的成本报价远高于蓄电池，但超级电容的充放电次数可达50万次以上，而最好的三元锂蓄电池的充发电次数也就在2000次左右。利用高价格的超级电容来承担工况最恶劣的频繁充放电的一次调频工况，利用成本相对较低的蓄电池来承担分钟级别的二次调频响应，这样可以使得整个调频系统的成本降到最低。

本实用新型的有益效果是：

1)本实用新型利用超级电容响应一次调频，利用蓄电池响应二次调频，满足电网对发电厂调频的考核要求；

2)本实用新型摒弃了常规机组为满足电网调频要求，通过DEH系统控制造成的汽机调门频繁动作或大量锅炉快速负荷调整、磨煤机出力变化等机组扰动，增加了机组运行安全性，延长了机组寿命；

3)本实用新型利用高价格的超级电容来承担工况最恶劣的频繁充放电的一次调频工况，利用成本相对较低的蓄电池来承担分钟级别的二次调频响应，这样可以使得整个调频系统的成本降到最低。

附图说明

图1为本实用新型实施例1的系统架构示意图。

图2为本实用新型实施例1的供电线路示意图。

图3为本实用新型实施例1的放电线路示意图。

图4为本实用新型实施例2的放电线路示意图。

图5为本实用新型实施例3的放电线路示意图。

图示说明：

1.超级电容控制柜；2.超级电容装置；3.蓄电池控制柜；4.蓄电池装置；5.火力发电机组；6.电厂集中控制系统；7.电网调度中心；8.电厂调频控制模块。

具体实施方式

为了更进一步了解本实用新型的实用新型内容，下面将结合具体实施例对本实用新型作更为详细的描述，实施例只对本实用新型具有示例性作用，而不具有任何限制性的作用；任何本领域技术人员在本实用新型的基础上作出的非实质性修改，都应属于本实用新型保护的范围。

如附图1所示，本实用新型提供了一种超级电容耦合蓄电池参与火电厂调频的系统，包括：

实施例1(超级电容+蓄电池)

如图1所示，一种超级电容耦合蓄电池参与火电厂调频的系统，包括：

火力发电机组5、电厂调频控制模块8、超级电容控制柜1和超级电容装置2、蓄电池控制柜3和蓄电池装置4；

其中超级电容装置2通过供电线路和放电线路连接火力发电机组5的发电机和电网；

其中蓄电池装置4通过供电线路和放电线路连接火力发电机组5的发电机和电网；

所述电厂调频控制模块8，与电厂集中控制系统6和电网调度中心7连接，接受电网的调频指令；

所述电厂调频控制模块8还连接到超级电容控制柜1和超级电容装置2，以及蓄电池控制柜3和蓄电池装置4；

所述超级电容控制柜1、蓄电池控制柜3与所述电厂调频控制模块8相连，控制超级电容装置2、蓄电池装置4进行快速充电或快速放电，实现快速响应电网调频需求。

在本实施例中，所述超级电容装置2和蓄电池装置4，利用调频富余电力通过供电线路进行充电操作，利用放电线路进行放电操作；

所述电厂调频控制模块8连接到超级电容控制柜1和超级电容装置2、蓄电池控制柜3和蓄电池装置4，通过超级电容控制柜1、蓄电池控制柜3控制所述超级电容装置2、蓄电池装置4中的超级电容、蓄电池充放电，满足电网调频响应需求。

在本实施例中，如图2所示，所述供电线路包括：

接自升压站后220kV～500kV电压等级，经过第一开关连接至降压器，交流电压经过降压后经过逆变器转为直流电，然后经过第五开关连接至超级电容控制柜，给超级电容装置供电；经过第六开关连接至蓄电池控制柜，给蓄电池装置供电。

进一步地，在本实施例中，如图2所示，所述供电线路包括：

接自发电机出口，经过第二开关连接至降压器，交流电压经过降压后经过逆变器转为直流电，经过第五开关连接至超级电容控制柜，给超级电容装置供电；经过第六开关连接至蓄电池控制柜，给蓄电池装置供电。

进一步地，在本实施例中，如图2所示，所述供电线路包括：

接自厂用电线路，经过第三开关连接至降压器，交流电压经过降压后经过逆变器转为直流电，经过第五开关连接至超级电容控制柜，给超级电容装置供电；经过第六开关连接至蓄电池控制柜，给蓄电池装置供电。

在本实施例中，如图3所示，所述放电线路包括：

超级电容或蓄电池直流放电经过逆变器转成交流电，然后经过升压器后升压至发电机出口电压或厂用电线路电压，然后再统一经过升压站后输送至电网。

本实施例中，所述超级电容装置是双电层电容器、法拉第赝电容器、水系超级电容器、有机系超级电容器、对称超级电容器、非对称超级电容器、固体电解质超级电容器、液体电解质超级电容器中的任意一种或几种组合。

本实施例中，所述蓄电池装置是电化学蓄电池中的锂离子电池、铅酸、铅碳、镍氢、镍镉、钠硫、钒液硫、镁、镍锌、锌空气蓄电池中的任意一种或几种组合。

实施例2

如图4所示，本实施例与实施例1的不同之处在于，删除了蓄电池系统，只保留超级电容来承担火电厂一次调频和二次调频的电网调频响应。

实施例3

如图5所示，本实施例与实施例1的不同之处在于，删除了超级电容系统，只保留蓄电池来承担火电厂一次调频和二次调频的电网调频响应。

实施例4

本实施例与实施例1的区别在于，在本实施例中无论是超级电容还是蓄电池，其供电全部来自于连接第三开关的厂用电线路，例如连接在厂用电电压6kV的线路上，这个充电电压最低，相应的降压器成本可以降低，系统安全性也可以提高。

尽管具体地参考其优选实施例来示出并描述了本实用新型，但本领域的技术人员可以理解，可以做出形式和细节上的各种改变而不脱离所附权利要求书中所述的本实用新型的范围。以上结合本实用新型的具体实施例做了详细描述，但并非是对本实用新型的限制。凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，均仍属于本实用新型技术方案的范围。