[發明專利]用于孤島電網的磁懸浮飛輪儲能陣列系統及其控制方法

有效

• 申請號: 202110248498.3
• 申請日: 2021-03-08
• 公開（公告）號: CN112600229B
• 公開（公告）日: 2021-06-22
• 發明（設計）人: 王智勇;葛自強
• 申請（專利權）人: 沈陽微控新能源技術有限公司
• 主分類號: H02J3/30
• 分類號: H02J3/30;H02J3/24;H02J3/38;H02J3/48
• 代理公司: 北京景聞知識產權代理有限公司 11742
• 代理人: 賈玉姣

本發明公開了一種用于孤島電網的磁懸浮飛輪儲能陣列系統及其控制方法，涉及微電網技術領域，該系統包括：多個飛輪儲能設備；多個儲能變流器；頻率檢測裝置，實時獲取孤島電網的頻率；控制裝置，根據頻率與電網額定頻率的差值得到孤島電網的頻率變化量，并根據頻率變化量控制多個飛輪儲能設備進入一次調頻模式或慣量響應模式。本發明在孤島電網中配置磁懸浮飛輪儲能陣列系統，在孤島電網突發大容量有功功率缺額或頻率波動時，依靠磁懸浮飛輪儲能陣列系統提供慣量響應或一次調頻，對電網頻率進行有效調節，維持電網頻率穩定，能夠及時彌補孤島電網主動支撐能力不足、無法進行快速慣量響應、缺乏可靠的一次調頻手段以及抗頻率擾動能力弱等問題。

技術領域

本發明涉及微電網技術領域，尤其是涉及一種用于孤島電網的磁懸浮飛輪儲能陣列系統及其控制方法。

背景技術

孤島電網，又稱微電網，其是由分布式電源、儲能裝置、能量轉換裝置、負荷、監控和保護裝置等組成的小型發配電系統，其發電系統及負荷構成一個可自力運行的孤網系統，例如圖1所示。微電網的孤島模式是指微電網工作在非并網模式下，與大電網解列后依靠微電網內的分布式電源實現自給自足。

孤島電網的基本特點是電壓和頻率的波動范圍較大，受負荷運行的影響較為明顯，與聯網電力系統相比，孤島電網由于各種調頻手段限制以及無功補償控制手段不足，其靜態穩定性和動態穩定性都較差，有功功率不平衡發生時一般需要經過較長時間的發電調整才能恢復，甚至出現頻率崩潰和電壓崩潰現象。一旦有負載突然減載，有功過剩的電網將頻率升高，引起高頻切發電機控制裝置動作；在有功缺額嚴重的區域，會造成頻率崩潰，引起大面積的停電現象。

目前孤島電網想要具備慣量響應和頻率調節能力，一種實現方式是通過對分布式發電機組進行改造，比如利用風電機組自身的轉子慣量，通過增加虛擬慣量（結合逆變器與虛擬慣量控制算法，達到類似同步發電機調頻調壓的作用）控制，提供一定的慣量支撐。另一種實現方式是利用孤島電網中現有的儲能設備，在電網頻率波動時通過調節儲能設備出力，對電網頻率進行有功調節。

然而，目前孤島電網在實現慣量響應和頻率調節時存在如下缺點：

（1）依靠孤島電網自身的分布式新能源（如風電、光伏）難以提供足夠的慣量支撐，無法改善系統慣量，頻率變化率未能改善，導致低慣量系統越限風險依然存在；通過采用虛擬慣量控制可使新能源提供一定慣量支撐，但由于一次能源輸入的可控性差（風機轉子在短暫釋放慣性能量后，在轉速恢復階段將從電網吸收能量），可能導致頻率二次跌落等次生事故。

（2）孤島電網的慣量響應需要瞬時提供大功率支撐，蓄電池響應時間無法滿足慣量響應的要求，同時蓄電池不能瞬間以滿功率釋放電能，這是由于電化學儲能技術的原理所決定的。

（3）分布式新能源（如風電、光伏）受外界環境（如風速、光照等）影響嚴重，外界環境的變化會引起輸出功率的變化，導致頻率波動頻繁。而孤島電網在與主網分離后，無法獲得大電網的頻率調節能力，依靠其配置的常規儲能設備雖然可以進行一定程度上的頻率調節，但常規儲能設備只能實現短時供電、電力調峰以及黑啟動等功能，并非用于電力調頻；同時受制于化學電池循環充放電壽命短暫（如：鉛酸蓄電池500次左右，鉛碳電池2000次左右，鋰電池6000次左右），因此，常規儲能設備并不能滿足這種需要頻繁充放電動作的應用場景的充放電需求。

由此，當孤島電網發生大功率缺額時，例如分布式風電機組處于無風或低風速狀態，或者分布式光伏發電突然遭遇陰雨或多云天氣，或者微型燃氣發電站因突發故障停機，此時用電負荷對電能的需求量不變，則整個孤島電網面臨巨大的有功功率缺額。此時通過采用虛擬慣量控制可使風電機組提供一定慣量支撐，但由于一次能源輸入的可控性差，可能導致頻率二次跌落等次生事故，而且頻率二次跌落值往往高于首次缺額；而傳統的儲能設備無法立即進行慣量響應提供足夠的功率支撐，此時整個電網系統面臨巨大的低頻風險，若無法立即有效彌補有功功率的缺額，則無法防止電網系統崩潰、保護發電/用電設備，只能通過切除部分用電負荷來維持系統功率平衡，而這會大大影響電力用戶的使用，導致孤島電網的可靠性不高。

發明內容