一种用于飞轮储能制动的能量回收系统的制作方法

1.本实用新型涉及飞轮储能技术领域，尤其涉及一种用于飞轮储能制动的能量回收系统。


背景技术：

2.随着新能源发电占比的提高，电网频率的稳定性受到了严重挑战，对电网中火电机组的调频能力提出了更高的要求。然而传统火电机组对功率的调节响应慢，难以满足一次调频的快速需求，且频繁的扰动也会对火电机组造成严重磨损，降低机组运行的安全性和经济性。其中储能越来越受到重视，将是电力系统不可或缺的一部分。
3.近年来，大规模储能辅助电力系统进行调频，其中飞轮储能是将能量或动量存储在高速旋转的飞轮转子中，通过电机实现电能到机械动能再到电能的转换。飞轮储能是一种先进的物理储能技术，具有安全性高、功率密度大、响应速度快、长寿命、免维护、可扩展性好、无污染、地下布置占地面积小、无需特殊消防系统以及通风系统等特点。凭借这些优势为解决火电机组调频问题提供了新的思路，其循环次数高达数百万次，响应时间在十毫秒以内，很好地匹配了一次调频频繁功率波动以及较小时间尺度的要求。
4.现有飞轮储能系统主要包括变压器、机侧pcs(变流器)、网侧pcs、控制柜、飞轮储能系统和制动电阻。其中飞轮储能的制动系统由网侧pcs和制动电阻构成，在飞轮储能遇到飞轮转速超过限定值，逆变器报超速故障，以及飞轮运行报故障时，主控给出急停指令，逆变器和pcs连锁跳闸，切断与变压器的连接，同时启动制动电阻，使飞轮刹车。该过程中飞轮存储的机械能转化为电能在制动电阻中以热能形式白白浪费。因此，现有的飞轮储能系统制动时用制动电阻吸收飞轮存储能量，然后以热能形式耗散，存在能量浪费的问题。


技术实现要素：

5.本实用新型旨在至少解决上述技术问题之一。
6.为此，本实用新型的第一个目的在于提出一种用于飞轮储能制动的能量回收系统，主要目的在于解决现有技术中飞轮储能系统制动时能量浪费的问题。
7.为了实现上述目的，本实用新型第一方面实施例的用于飞轮储能制动的能量回收系统，包括主变进线单元、预制舱单元、飞轮储能系统单元和回收能量单元；所述主变进线单元与所述预制舱单元连接；所述预制舱单元分别与所述飞轮储能系统单元和所述回收能量单元连接；所述飞轮储能系统单元与所述回收能量单元连接。
8.根据本实用新型实施例的用于飞轮储能制动的能量回收系统，该用于飞轮储能制动的能量回收系统包括主变进线单元、预制舱单元、飞轮储能系统单元和回收能量单元；主变进线单元与预制舱单元连接；预制舱单元分别与飞轮储能系统单元和回收能量单元连接；飞轮储能系统单元与回收能量单元连接。在这种情况下，利用回收能量单元存储飞轮储能系统单元制动过程将产生的电能，使得飞轮制动能量得以回收，解决了现有技术中飞轮储能系统制动时能量浪费的问题。
9.在本实用新型的一个实施例中，所述回收能量单元包括超级电容器和电容储能换流器，所述超级电容器经所述电容储能换流器与所述飞轮储能系统单元连接。
10.在本实用新型的一个实施例中，所述预制舱单元包括网侧换流器和机侧换流器，所述主变进线单元经由所述网侧换流器和所述机侧换流器与所述飞轮储能系统单元连接。
11.在本实用新型的一个实施例中，所述预制舱单元还包括网侧控制柜和机侧控制柜，所述网侧控制柜与所述网侧换流器连接，所述机侧控制柜与所述机侧换流器连接。
12.在本实用新型的一个实施例中，所述预制舱单元还包括主控柜，所述主控柜分别与网侧控制柜和机侧控制柜连接。
13.在本实用新型的一个实施例中，所述主控柜与所述电容储能换流器连接。
14.在本实用新型的一个实施例中，所述主变进线单元包括进线变压器。
15.在本实用新型的一个实施例中，所述主变进线单元还包括进线断路器和出线断路器，母线经进线断路器、进线变压器和出线断路器与所述预制舱单元连接。
16.在本实用新型的一个实施例中，所述用于飞轮储能制动的能量回收系统还包括电阻制动单元，所述电阻制动单元与所述飞轮储能系统单元连接。
17.在本实用新型的一个实施例中，所述电阻制动单元包括制动电阻和制动电阻开关，所述制动电阻经所述制动电阻开关与所述飞轮储能系统单元连接，所述制动电阻开关与所述主控柜连接。
18.本实用新型附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。
附图说明
19.本实用新型上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中，
20.图1为本实用新型实施例所提供的一种用于飞轮储能制动的能量回收系统的框图；
21.图2为本实用新型实施例所提供的另一种用于飞轮储能制动的能量回收系统的框图；
22.图3为本实用新型实施例所提供的一种用于飞轮储能制动的能量回收系统的结构示意图；
23.附图标记说明：
24.1—主变进线单元；2—预制舱单元；3—飞轮储能系统单元；4—回收能量单元；5—电阻制动单元；1-1—进线断路器；1-2—进线变压器；1-3—出线断路器；2-1—网侧换流器；2-2—机侧换流器；2-3—主控柜；2-4—网侧控制柜；2-5—机侧控制柜；4-1—电容储能换流器；4-2—超级电容器；5-1—制动电阻开关；5-2—制动电阻。
具体实施方式
25.这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本实用新型实施例相一致的所有实施方式。相反，它们仅
是与如所附权利要求书中所详述的、本实用新型实施例的一些方面相一致的装置和方法的例子。
26.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“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实用新型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必须针对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一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
27.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。还应当理解，本实用新型中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
28.下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。
29.下面参考附图描述根据本实用新型实施例的用于飞轮储能制动的能量回收系统。
30.本实用新型提出一种用于飞轮储能制动的能量回收系统及方法，以解决现有技术中飞轮储能系统制动时能量浪费的问题。
31.图1为本实用新型实施例所提供的一种用于飞轮储能制动的能量回收系统的框图。图2为本实用新型实施例所提供的另一种用于飞轮储能制动的能量回收系统的框图。图3为本实用新型实施例所提供的一种用于飞轮储能制动的能量回收系统的结构示意图。
32.如图1所示，本实用新型实施例提供的用于飞轮储能制动的能量回收系统包括主变进线单元1、预制舱单元2、飞轮储能系统单元3和回收能量单元4。主变进线单元1与预制舱单元2连接；预制舱单元2分别与飞轮储能系统单元3和回收能量单元4连接；飞轮储能系统单元3与回收能量单元4连接。
33.在本实施例中，主变进线单元1，用于实现母线电压和预制舱单元2的电压的转换。
34.具体地，主变进线单元1的进线端连接电网的母线，主变进线单元1的出线端连接预制舱单元2。在飞轮储能系统单元3处于充电状态时，主变进线单元1将母线的电压转化为预制舱单元2所需的电压；在飞轮储能系统单元3处于放电状态时，主变进线单元1将预制舱单元2输出的电压转化为母线所需的电压。
35.在一些实施例中，如图3所示，主变进线单元1包括依次连接的进线断路器1-1、进线变压器1-2和出线断路器1-3，进线断路器1-1与母线连接，进线断路器1-1与预制舱单元2连接。也即母线经进线断路器1-1、进线变压器1-2和出线断路器1-3与预制舱单元2连接。母线例如为发电厂厂用10kv公用a段母线。预制舱单元2的电压例如为400v。也即进线变压器1-2的高压侧经进线断路器1-1与厂用10kv公用a段母线相连，进线变压器1-2的低压侧通过出线断路器1-3与400v的预制舱单元2相连。
36.进线断路器1-1用于切断或接通进线变压器1-2和母线。进线断路器1-1与主控柜2-3(后续描述)连接，进线断路器1-1的闭合或断开受主控柜2-3控制。
37.进线变压器1-2用于在飞轮储能系统单元3处于充电状态时，将母线的电压转化为预制舱单元2所需的电压；在飞轮储能系统单元3处于放电状态时，将预制舱单元2输出的电压转化为母线所需的电压。
38.出线断路器1-3用于切断或接通进线变压器1-2和预制舱单元2。出线断路器1-3与主控柜2-3连接，出线断路器1-3的闭合或断开受主控柜2-3控制。
39.在本实施例中，预制舱单元2(也称pcs预制舱单元2)，用于基于接收的充放电指令控制飞轮储能系统单元3进行充放电，还用于在飞轮转速不满足要求时控制飞轮储能系统单元3进入制动状态。预制舱单元2的进线端与主变进线单元1的出线端连接，预制舱单元2的出线端与飞轮储能系统单元3连接。
40.在一些实施例中，如图3所示，预制舱单元2包括网侧换流器2-1(可以称为网侧pcs)和机侧换流器2-2(可以称为机侧pcs)，网侧换流器2-1与机侧换流器2-2连接，进线断路器1-1与网侧换流器2-1连接，机侧换流器2-2与飞轮储能系统单元3连接，即主变进线单元1经由网侧换流器2-1和机侧换流器2-2与飞轮储能系统单元3连接。其中网侧换流器2-1的工作方式包括整流器方式或逆变器方式。机侧换流器2-2的工作方式包括整流器方式或逆变器方式。
41.网侧换流器2-1用于工作在整流器方式时，将主变进线单元1的电能送至机侧换流器2-2；工作在逆变器方式时，将机侧换流器2-2输出的电能送至主变进线单元1。
42.机侧换流器2-2用于工作在逆变器方式时，将网侧换流器2-1输出的电能送至飞轮储能系统单元3；工作在整流器方式时，将飞轮储能系统单元3的电能送至飞轮储能系统单元3。
43.在一些实施例中，如图3所示，预制舱单元2还包括主控柜2-3、网侧控制柜2-4和机侧控制柜2-5，主控柜2-3分别与网侧控制柜2-4和机侧控制柜2-5连接。网侧控制柜2-4与网侧换流器2-1连接，机侧控制柜2-4与机侧换流器2-2连接。
44.主控柜2-3用于基于接收的充放电指令生成第一控制指令和第二控制指令，并将第一控制指令送至网侧控制柜2-4，将第二控制指令送至机侧控制柜2-5。其中，充放电指令来自电网或调度中心。第一控制指令包括第一整流指令和第一逆变指令，第二控制指令包括第二整流指令和第二逆变指令。
45.主控柜2-3还用于基于接收的飞轮转速生成第三控制指令，并将第三控制指令送至电容储能换流器4-1。其中第三控制指令包括第三导通指令和第三关断指令。
46.网侧控制柜2-4用于基于第一控制指令控制网侧换流器2-1的工作方式。也即主控柜2-3通过网侧控制柜2-4与网侧pcs通讯；主控柜2-3根据上级调度指令(即充放电指令)通过网侧控制柜2-4控制网侧pcs的工作方式，进行飞轮储能或释能(即充电或放电)。若接收到第一整流指令，网侧控制柜2-4控制网侧换流器2-1处于整流器方式，若接收到第一逆变指令，网侧控制柜2-4控制网侧换流器2-1处于逆变器方式。
47.机侧控制柜2-5用于基于第二控制指令控制机侧换流器2-2的工作方式。也即主控柜2-3通过机侧控制柜2-5与机侧pcs通讯；主控柜2-3根据上级调度指令(即充放电指令)通过机侧控制柜2-5控制机侧pcs的工作方式，进行飞轮储能或释能(即充电或放电)。若接收
1，制动电阻5-2经制动电阻开关5-1与飞轮储能系统单元3连接。
59.制动电阻开关5-1用于连通或断开制动电阻5-2与飞轮储能系统单元3连接。制动电阻开关5-1与主控柜5-1连接。制动电阻开关5-1的通断受主控柜2-3控制。若飞轮转速小于或等于初始飞轮转速的三分之一时，主控柜2-3控制制动电阻开关5-1闭合。
60.制动电阻5-2用于在制动电阻开关5-1闭合时，消耗飞轮储能系统单元3产生的电能。在这种情况下，考虑到飞轮转速下降到一定程度时，输出电量下降会导致超级电容器充电速度下降，打开制动电阻开关5-1，由制动电阻5-2吸收飞轮残余能量，使得飞轮转速下降至0，处于停机状态。
61.结合图3，飞轮储能系统单元3正常充放电过程如下：
62.飞轮储能系统单元3充电时，接通主变进线单元1，通过预制舱单元2的主控柜2-3控制，其中网侧pcs工作在整流器状态，机侧pcs工作在逆变器状态；飞轮转子加速旋转，电能以动能形式储存在加速旋转的飞轮储能系统单元3的飞轮中；
63.飞轮储能系统单元3的放电时，飞轮的转子减速旋转带动飞轮机组释能，飞轮机组工作在发电机模式，机侧pcs工作在整流状态，网侧pcs工作在逆变器状态，储存在飞轮转子中的动能经预制舱单元2通过主变进线单元1经厂用10kv公用a段母线供给电网。
64.结合图3，用于飞轮储能制动的能量回收系统的制动能量回收方法过程如下：
65.a、飞轮储能系统单元3异常时制动过程：
66.若飞轮储能系统单元3的飞轮转速超过设定转速，主控柜2-3报超速故障和飞轮运行报故障，主控柜2-3给出对应的指令，控制网侧pcs和机侧pcs连锁跳闸，控制进线断路器1-1和出线断路器1-3断开从而切断与进线变压器1-2的连接，同时控制电容储能换流器4-1导通以启动超级电容储能回收能量单元，飞轮存储机械能转化为电能经电容储能换流器4-1的恒流模式给超级电容器4-2充电，由于超级电容器具有大电流充电特性，可以迅速吸收飞轮存储能量，使飞轮快速刹车至低速状态；当飞轮转速下降到一定程度(例如初始飞轮转速的三分之一)时，飞轮储能系统单元3输出电量下降导致超级电容器充电速度下降，此时主控柜2-3关闭电容储能换流器4-1，并开启制动电阻开关5-1，由制动电阻5-2吸收飞轮残余能量，飞轮转速下降至0，处于停机状态；
67.b、飞轮储能系统单元3恢复正常过程：
68.在飞轮系统排除故障隐患后(即飞轮储能系统单元3的飞轮转速恢复后)，首先主控柜2-3控制电容储能换流器4-1导通，通过超级电容器4-2储存的电量带动飞轮运转，将制动过程超级电容器回收的能量反馈回飞轮储能系统单元3，考虑到回收和反馈过程会存在能量耗散，当超级电容器4-2的电量全部反馈给飞轮储能系统单元3后，通过主控柜2-3接通进线断路器1-1和出线断路器1-3，使进线变压器1-2接通厂用10kv公用a段母线；通过主控柜2-3、网侧控制柜2-4和机侧控制柜2-5控制网侧pcs和机侧pcs的工作方式给飞轮充电，使飞轮转速达到额定转速，飞轮电量充满，充电功率置0，飞轮处于保持额定状态运转。
69.本实用新型的实施例提出的用于飞轮储能制动的能量回收系统，该用于飞轮储能制动的能量回收系统包括主变进线单元、预制舱单元、飞轮储能系统单元和回收能量单元；主变进线单元与预制舱单元连接；预制舱单元分别与飞轮储能系统单元和回收能量单元连接；飞轮储能系统单元与回收能量单元连接。在这种情况下，利用回收能量单元存储飞轮储能系统单元制动过程将产生的电能，使得飞轮制动能量得以回收，解决了现有技术中飞轮
储能系统制动时能量浪费的问题。另外，本实用新型的系统的回收能量单元采用超级电容器，在制动过程将产生的电能存储到超级电容器时，飞轮机组在发电时所形成的制动转矩经由传动系统直接作用到飞轮驱动轮上，使飞轮减速或停机，不仅具有制动效果，且使得飞轮制动能量得以回收。本实用新型的系统增加了回收能量单元，减少了制动飞轮制动能量经制动电阻浪费；提高了厂用电例如飞轮储能系统用电的效率，提高了飞轮储能系统能量利用率，降低了制动热能耗散，经济效果好；采用大容量超级电容器组，可为多个飞轮制动能量回收提供存储路径；回收能量单元可以互为备用，形成能量回收储能单元群，提高飞轮制动能量回收可靠性；环保节能效果好，提高飞轮储能效率，能降低厂用电率，实用性强，便于在大型飞轮储能调频电厂应用；降低了飞轮储能制动损耗、提高飞轮储能工作效率、节能性好、便于推广使用；系统结构简单，降低厂用电损耗，可在各种飞轮储能系统进行推广使用。本实用新型的系统适用于飞轮储能调频系统制动能量回收，解决了现有发电厂用飞轮储能调频制动存在的能量浪费问题。
70.基于上述的实施例提出的用于飞轮储能制动的能量回收系统，本实用新型还提出一种用于飞轮储能制动的能量回收方法。
71.该用于飞轮储能制动的能量回收方法，包括以下步骤：
72.步骤s11，接收充放电指令并控制飞轮储能系统单元进行充放电；
73.步骤s12，在充放电过程中，获取飞轮储能系统单元的飞轮转速，判断飞轮转速是否满足要求；
74.步骤s13，若不满足，则控制飞轮储能系统单元处于制动状态，并控制回收能量单元工作以存储飞轮储能系统单元释放的能量。
75.可选地，用于飞轮储能制动的能量回收方法，还包括：在飞轮储能系统单元处于制动状态时，若飞轮转速满足要求，控制回收能量单元向飞轮储能系统单元释放能量；在回收能量单元的能量完全释放后，利用母线电压通过主变进线单元和预制舱单元为飞轮储能系统单元充电，以使得飞轮转速保持额定转速。
76.需要说明的是，前述对用于飞轮储能制动的能量回收系统实施例的解释说明也适用于该实施例的用于飞轮储能制动的能量回收方法，此处不再赘述。
77.本实用新型的实施例提出的用于飞轮储能制动的能量回收方法，接收充放电指令并控制飞轮储能系统单元进行充放电；在充放电过程中，获取飞轮储能系统单元的飞轮转速，判断飞轮转速是否满足要求；若不满足，则控制飞轮储能系统单元处于制动状态，并控制回收能量单元工作以存储飞轮储能系统单元释放的能量。在这种情况下，制动过程产生的电能传输到回收能量单元中，飞轮制动能量得以回收，解决了现有技术中飞轮储能系统制动时能量浪费的问题。另外，本实用新型的方法在制动过程将产生的电能存储到超级电容器时，飞轮机组在发电时所形成的制动转矩经由传动系统直接作用到飞轮驱动轮上，使飞轮减速或停机，不仅具有制动效果，且使得飞轮制动能量得以回收。本实用新型的方法增加了回收能量单元，减少了制动飞轮制动能量经制动电阻浪费；提高了厂用电例如飞轮储能系统用电的效率，提高了飞轮储能系统能量利用率，降低了制动热能耗散，经济效果好；采用大容量超级电容器组，可为多个飞轮制动能量回收提供存储路径；回收能量单元可以互为备用，形成能量回收储能单元群，提高飞轮制动能量回收可靠性；环保节能效果好，提高飞轮储能效率，能降低厂用电率，实用性强，便于在大型飞轮储能调频电厂应用；降低了
飞轮储能制动损耗、提高飞轮储能工作效率、节能性好、便于推广使用；系统结构简单，降低厂用电损耗，可在各种飞轮储能系统进行推广使用。本实用新型的方法适用于飞轮储能调频系统制动能量回收，解决了现有发电厂用飞轮储能调频制动存在的能量浪费问题。
78.应该理解，本实用新型所示的部件、部件的连接和关系、以及部件的功能仅仅作为示例，并且不意在限制本实用新型中描述的和/或者要求的本实用新型的实现。可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本实用新型中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本实用新型公开的技术方案所期望的结果，本实用新型在此不进行限制。
79.上述具体实施方式，并不构成对本实用新型保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本实用新型的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型保护范围之内。