[发明专利]多飞轮储能单元并联的飞轮阵列储能系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种面向电网级应用的大功率飞轮阵列储能系统。

背景技术

飞轮储能是一种将电能以机械能形式储存在高速旋转的飞轮转子中的储能技术，一般由飞轮转子、支撑轴承、电机、保护外壳以及电力变换电路构成。根据飞轮转子的工作转速可以将其分为高速飞轮储能系统与低速飞轮储能系统，前者使用复合材料转子和磁悬浮轴承，工作转速在几万转/分；后者使用金属材料转子和机械轴承，工作转速一般为几千转/分。根据国内外飞轮储能技术领域的相关资料显示，独立飞轮储能系统的额定输出功率最大可达225kW(400VAC)，此类独立系统主要用于应急电源、航天卫星以及电动汽车等。

随着风力和光伏发电等新能源的并网需求愈加强烈，省去新能源并网逆变环节的分布式直流电网开始受到关注。由于风电和光伏自身存在间歇性和波动性特征，直流电网内部必须配置合适功率的快速储能设备才能保证整个电网系统的功率平衡。与传统化学电池储能相比，飞轮储能技术具有无污染、充放电循环次数无限制、能量转换效率高等优点，用于平抑新能源的功率波动比较适合。但是，独立的飞轮储能单元容量有限，而且受转子材料、以及整机制造成本的约束，能够满足直流电网功率需求的大容量飞轮储能单元的研制成本非常高。中国的发明专利200910219473公开了一种兆瓦级飞轮储能装置,其十米直径的飞轮转子对于气浮或者液浮轴承的要求太高，不易实现，并且兆瓦级电机的成本高昂、体积巨大，将大幅降低飞轮储能系统的功率密度。因此，应对MW级别的电网功率需求，可采取将特定功率等级的飞轮储能单元并联，构建大容量的飞轮阵列储能系统。通过优化设计飞轮储能单元的容量，实现模块化生产，达到降低系统成本的目的。

国外专利WO03049249A1公开了一种至少由两个飞轮储能系统构成的备用电源，该电源经过一个固定容量的逆变器将飞轮储存的电能并入交流电网。这种电源无法直接用于直流电网，而且系统的容量受到并网逆变器的限制，无法自由添加新的飞轮储能单元。

综上所述，面对新能源大量并入直流电网，从而需要在电网中配置储能设备的要求，仍需研发一种能够直接并入直流电网的大功率飞轮阵列储能系统,拓展飞轮储能技术的应用领域。

发明内容

本发明的目的在于克服现有飞轮储能技术的不足，提供一种能够直接并入分布式直流电网的飞轮阵列储能系统。

本发明所采用的技术方案是：将内部结构和参数特性相同的多个飞轮储能单元并联在同一条直流母线上,构成一个飞轮阵列储能系统,所述的飞轮阵列储能系统通过其内部的一个并网静态开关实现并入直流电网的功能。本发明通过采取合理的控制方法，可以完成该飞轮阵列储能系统与直流电网之间的能量交换，确保后者的功率平衡，维持电网系统的稳定。

本发明的飞轮阵列储能系统由一条公共直流母线，一个并网静态开关，一个制动电阻、一个飞轮阵列控制器以及两个以上的飞轮储能单元及其单元控制器组成。其中,各个飞轮储能单元的直流侧引出端并联于公共直流母线上,公共直流母线的正、负母线分别与并网静态开关的正、负回路开关连接，并网静态开关再与直流电网连接，通过控制并网静态开关，飞轮阵列储能系统实现并入或者脱离直流电网的功能。制动电阻的两个引出端直接并联在公共直流母线上。飞轮阵列控制器通过通信控制信号线与各个单元控制器连接，并利用工业以太网协议完成控制器之间的信号传输。

所述的飞轮储能单元的数量可根据直流电网所需配置储能的容量确定。飞轮阵列储能系统内部含有一条公共直流母线，所有飞轮储能单元的直流侧引出端均并联在这条公共直流母线上，并联的飞轮储能单元数量可以增加或减少。所述的公共直流母线经过一个并网静态开关接入直流电网。如果直流电网和飞轮阵列储能系统均处于正常状态，并网静态开关闭合，飞轮阵列储能系统以电流源的形式并入直流电网，实现吸收或者释放功率的功能；如果直流电网和飞轮阵列储能系统二者中的任何一方出现故障情况，则并网静态开关断开，确保正常运行的系统不受影响。此时，飞轮阵列储能系统处于离网状态，必须将系统内剩余的能量通过制动电阻释放完毕，才可以再次并网。