[发明专利]用于孤岛电网的磁悬浮飞轮储能阵列系统及其控制方法

说明书

本发明公开了一种用于孤岛电网的磁悬浮飞轮储能阵列系统及其控制方法，涉及微电网技术领域，该系统包括：多个飞轮储能设备；多个储能变流器；频率检测装置，实时获取孤岛电网的频率；控制装置，根据频率与电网额定频率的差值得到孤岛电网的频率变化量，并根据频率变化量控制多个飞轮储能设备进入一次调频模式或惯量响应模式。本发明在孤岛电网中配置磁悬浮飞轮储能阵列系统，在孤岛电网突发大容量有功功率缺额或频率波动时，依靠磁悬浮飞轮储能阵列系统提供惯量响应或一次调频，对电网频率进行有效调节，维持电网频率稳定，能够及时弥补孤岛电网主动支撑能力不足、无法进行快速惯量响应、缺乏可靠的一次调频手段以及抗频率扰动能力弱等问题。

技术领域

本发明涉及微电网技术领域，尤其是涉及一种用于孤岛电网的磁悬浮飞轮储能阵列系统及其控制方法。

背景技术

孤岛电网，又称微电网，其是由分布式电源、储能装置、能量转换装置、负荷、监控和保护装置等组成的小型发配电系统，其发电系统及负荷构成一个可自力运行的孤网系统，例如图1所示。微电网的孤岛模式是指微电网工作在非并网模式下，与大电网解列后依靠微电网内的分布式电源实现自给自足。

孤岛电网的基本特点是电压和频率的波动范围较大，受负荷运行的影响较为明显，与联网电力系统相比，孤岛电网由于各种调频手段限制以及无功补偿控制手段不足，其静态稳定性和动态稳定性都较差，有功功率不平衡发生时一般需要经过较长时间的发电调整才能恢复，甚至出现频率崩溃和电压崩溃现象。一旦有负载突然减载，有功过剩的电网将频率升高，引起高频切发电机控制装置动作；在有功缺额严重的区域，会造成频率崩溃，引起大面积的停电现象。

目前孤岛电网想要具备惯量响应和频率调节能力，一种实现方式是通过对分布式发电机组进行改造，比如利用风电机组自身的转子惯量，通过增加虚拟惯量（结合逆变器与虚拟惯量控制算法，达到类似同步发电机调频调压的作用）控制，提供一定的惯量支撑。另一种实现方式是利用孤岛电网中现有的储能设备，在电网频率波动时通过调节储能设备出力，对电网频率进行有功调节。

然而，目前孤岛电网在实现惯量响应和频率调节时存在如下缺点：

（1）依靠孤岛电网自身的分布式新能源（如风电、光伏）难以提供足够的惯量支撑，无法改善系统惯量，频率变化率未能改善，导致低惯量系统越限风险依然存在；通过采用虚拟惯量控制可使新能源提供一定惯量支撑，但由于一次能源输入的可控性差（风机转子在短暂释放惯性能量后，在转速恢复阶段将从电网吸收能量），可能导致频率二次跌落等次生事故。

（2）孤岛电网的惯量响应需要瞬时提供大功率支撑，蓄电池响应时间无法满足惯量响应的要求，同时蓄电池不能瞬间以满功率释放电能，这是由于电化学储能技术的原理所决定的。

（3）分布式新能源（如风电、光伏）受外界环境（如风速、光照等）影响严重，外界环境的变化会引起输出功率的变化，导致频率波动频繁。而孤岛电网在与主网分离后，无法获得大电网的频率调节能力，依靠其配置的常规储能设备虽然可以进行一定程度上的频率调节，但常规储能设备只能实现短时供电、电力调峰以及黑启动等功能，并非用于电力调频；同时受制于化学电池循环充放电寿命短暂（如：铅酸蓄电池500次左右，铅碳电池2000次左右，锂电池6000次左右），因此，常规储能设备并不能满足这种需要频繁充放电动作的应用场景的充放电需求。

由此，当孤岛电网发生大功率缺额时，例如分布式风电机组处于无风或低风速状态，或者分布式光伏发电突然遭遇阴雨或多云天气，或者微型燃气发电站因突发故障停机，此时用电负荷对电能的需求量不变，则整个孤岛电网面临巨大的有功功率缺额。此时通过采用虚拟惯量控制可使风电机组提供一定惯量支撑，但由于一次能源输入的可控性差，可能导致频率二次跌落等次生事故，而且频率二次跌落值往往高于首次缺额；而传统的储能设备无法立即进行惯量响应提供足够的功率支撑，此时整个电网系统面临巨大的低频风险，若无法立即有效弥补有功功率的缺额，则无法防止电网系统崩溃、保护发电/用电设备，只能通过切除部分用电负荷来维持系统功率平衡，而这会大大影响电力用户的使用，导致孤岛电网的可靠性不高。

发明内容