[0001] 本发明涉及电力系统储能技术领域，特别是涉及一种蓄热装置、系统及控制方法。

[0002] 可再生能源如风能、太阳能等的装机容量迅速增长，它们已成为电力系统的重要组成部分。然而，可再生能源的间歇性和随机性特征带来了新的挑战，使得电力系统的供需平衡更加复杂，对电网的稳定性和经济运行产生了显著影响。

[0003] 储能技术作为解决上述问题的关键手段之一，其重要性日益凸显。它不仅能够平抑可再生能源的波动，确保电力供应的连续性和可靠性，还能提供辅助服务，如频率调节和电压支撑，从而增强整个电力系统的灵活性和稳定性。储能系统的应用范围广泛，涵盖了电力生产的各个环节，从发电侧的功率平滑到用户侧的需求响应，储能技术均发挥着不可或缺的作用。

[0004] 然而，传统储能技术，如抽水蓄能、压缩空气储能和飞轮储能等，无法做到大规模的长时储能，储能效率低。

[0034] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0035] 本发明的目的是提供一种蓄热装置、系统及控制方法，以解决上述现有技术存在的问题，能够做到大规模的长时储能，提高了储能效率。

[0036] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

[0037] 储能技术不仅能够平抑可再生能源的波动，确保电力供应的连续性和可靠性，还能提供辅助服务，如频率调节和电压支撑，从而增强整个电力系统的灵活性和稳定性。储能系统的应用范围广泛，涵盖了电力生产的各个环节，从发电侧的功率平滑到用户侧的需求响应，储能技术均发挥着不可或缺的作用。

[0038] 然而，传统储能技术，如抽水蓄能、压缩空气储能和飞轮储能等，在大规模、长时储能方面面临着成本高、效率低、响应速度慢等问题，为了解决这一问题，本发明的第一个目的是提供一种蓄热装置，将电能转化为热能存储起来，能够实现长时间和大规模的储能，如图1～图5所示，其结构包括蓄热体1，在蓄热体1外侧包覆有保温层12，用于减少热损失，提高蓄热效率；加热单元2设置于蓄热体1内，通电后能够对蓄热体1加热，实现储能功能；控制电路3一端连接电源，另一端与加热单元2连接；调节单元4与控制电路3连接，能够向控制电路3输送信号，并调节对加热单元2的加热功率，从而调节单元4实现了电磁加热功率的精细化调节，能够在夜间低谷时段充分利用低电价电力进行高效蓄热。本发明通过电磁感应与高温辐射耦合的电热转化技术，利用IGBT为核心的控制电路，实现对蓄热体1蓄热介质的高效加热和温度控制，特别适合于利用谷电进行大规模、长时段的蓄热。

[0039] 具体的，调节单元4主要负责监测系统状态并根据需要调整加热单元2的功率，确保蓄热体1内的温度维持在理想的范围内。调节单元4包含一个已知的现有核心控制器(如微处理器或PLC)，该控制器接收来自温度传感器等设备的数据，并基于预设的已知成熟算法或控制逻辑来决定如何调整加热单元2的功率。该控制器的信号处理模块将传感器发送的模拟信号转换为数字信号，以便控制器能够读取和处理这些数据。一旦控制器决定了所需的加热功率，就会通过输出驱动模块向控制电路发送指令，这个模块可能是脉冲宽度调制(PWM)控制器或者直接与IGBT芯片通信的接口电路。

[0040] 调节单元4与控制电路3之间的连接通常是通过电气连线实现的。调节单元4依据从温度传感器获取的实时温度信息以及预设的目标温度范围计算出所需的加热功率，然后产生相应的控制信号传递给控制电路3中的IGBT芯片。IGBT芯片根据接收到的信号改变其导通时间，从而精确地调节供给加热单元2的电能，以控制加热过程。这样，调节单元4通过对温度的监控和分析生成适当的控制指令，并通过控制电路执行这些指令，形成一个闭环控制系统，有助于提高储能效率并保证整个系统的安全运行。

[0041] 为了提高蓄热效率，所以本实施例的蓄热体1为块状的铸铁体11，铸铁体11具有高磁导率，多个铸铁体11依次贴合布置，形成完整的蓄热体模块，铸铁体11一端开设有加热孔，加热单元2采用线圈21，线圈21为高温线圈，能够实现高温下的正常工作，线圈21固定设于加热孔内，且线圈21与控制电路3连接，加热单元2通过电磁感应原理，使高温线圈中的非线性变化电流在铸铁体11中产生涡电流，这些涡电流遇到铸铁体11，基于铸铁体11材料的电阻而发热，从而将电能转化为热能。在这种情况下，线圈通常由耐高温材料制成，并且设计成能够承受高温工作环境；通过采用铸铁体11作为蓄热介质并结合高效的电磁加热技术，能够实现快速和稳定的蓄热过程，提高蓄热效率，同时降低运行成本。

[0042] 蓄热体1内部在被电磁感应加热至一定温度后，开始以热辐射的形式向外散发热量。随着温度升高，蓄热体1表面会发射出更多的红外线等电磁波形式的能量。在蓄热装置中，一旦铸铁体11被加热到足够高的温度，它就会成为一个有效的热辐射源，向周围的环境或特定目标传递热量。本发明电磁感应加热首先快速提升蓄热体1的温度。当蓄热体1达到一定温度时，它开始显著地通过热辐射的方式释放热量，通过辐射加热的方式对蓄热体1中穿设的管路内的介质进行加热。这意味着蓄热体1不仅通过接触传热来加热水或其他介质，还通过辐射方式向周围空间传递能量。本发明为了有效地结合这两种加热方式，使用具有高磁导率和良好热传导性能的材料(如铸铁)，可以确保电磁感应加热效率高，同时也能有效储存和释放热量。此外，蓄热体1的形状和布局也需要优化，以便于热辐射能够均匀覆盖所需加热的对象。良好的保温措施减少了不必要的热损失，使得更多热量能够用于直接加热目标介质或通过辐射方式进行有效传输。

[0043] 在一具体实施例中，智能控制系统的控制电路3包括整流电路32、扼流线圈33、谐振电容34和IGBT芯片31；整流电路32的输入端连接交流电源，输出端连接扼流线圈33，扼流线圈33依次连接谐振电容34和IGBT芯片31，IGBT芯片31与加热单2元电连接，且IGBT芯片31能够接收调节单元4的信号，并调节对加热单元2的输出功率。交流电源通过整流电路32转换成直流电，整流电路32通常由二极管桥构成，用于将电网提供的交流电转换为直流电，为后续电路提供稳定的工作电压。从整流电路32输出的直流电会通过扼流线圈33。扼流线圈33的作用在于滤波，即平滑电流中的波动，同时它还能限制电流的变化率，对于防止电磁干扰也有一定的作用。扼流线圈33之后，电路中会加入谐振电容34。谐振电容34与扼流线圈33一起构成了LC谐振电路，该电路能够在特定频率下产生谐振效应，从而提高电磁加热的效率。谐振电容的具体值需要根据实际应用需求来选择，以达到最佳的谐振效果。智能控制系统属于成熟的一直技术，用于实现对蓄热装置的智能化管理和控制。传感器如温度传感器实时监测蓄热体内的温度，控制器(通常是微处理器或PLC)接收这些数据，并根据预设的控制算法生成相应的控制信号。控制电路包含整流电路、扼流线圈、谐振电容和IGBT芯片等组件，负责将控制器发出的控制信号转化为实际的功率输出，调节加热单元的工作状态。执行器如IGBT芯片则根据控制电路的指令调整加热单元的功率输出。

[0044] 工作时，经过上述处理的直流电会被送入IGBT芯片31。IGBT即绝缘栅双极型晶体管，是一种功率半导体器件，能够快速开关，实现对加热功率的精确控制。IGBT的工作状态(导通或截止)受控于控制电路3发出的脉冲信号，进而调节供给负载(如加热元件)的功率大小。调节单元5实现电磁加热功率的精细化调节，通常在夜间低谷时段运行，IGBT芯片直接与调节单元相连接。IGBT作为控制电路3的核心控制元件，通过接收来自调节单元4的控制信号(通常是PWM信号)，实现对加热功率的精细调整。也就是说，调节单元4通过改变发送给IGBT的信号的占空比，来间接控制加热系统的功率输出。整个控制电路3的设计遵循了从电源输入到最终功率输出的顺序，各部件之间紧密相连，共同完成电磁加热过程中的功率调节任务。

[0045] 为了实现蓄热体1温度的可控，所以在蓄热体1内设有温度传感器14，温度传感器14与调节单元4连接，温度传感器14用于检测蓄热体1内部的温度，并将温度信号传输给调节单元4，并据此调节控制电路3的输出功率，以实现温度的闭环控制。调节单元4根据温度传感器14提供的温度信号来决定如何调整加热功率。具体来说，温度传感器14安装在蓄热体1内，实时监测蓄热体1的温度，并将温度数据转换成电信号。这些信号被传输到调节单元
4，调节单元4内置的控制算法(如PID控制器)对这些数据进行处理和分析，控制算法为已知的现有技术，不属于本发明保护范围，因此不做赘述。调节单元4根据当前温度与预设的目标温度之间的差异，计算出所需的加热功率调整量。

[0046] 调节单元4生成相应的控制信号(例如PWM信号)，并将这些信号发送给控制电路3。控制电路3中的IGBT芯片或其他开关器件根据接收到的控制信号来调整加热单元2的功率输出。如果需要增加加热功率，调节单元4会发送一个占空比更高的PWM信号；如果需要减少加热功率，则发送一个占空比更低的PWM信号。因此，整个过程是温度传感器14检测温度并将信号传给调节单元4，调节单元4根据温度信号计算出所需的加热功率调整，并生成控制信号发送给控制电路3，控制电路3再根据这些信号调整加热单元2的功率输出，从而实现对蓄热体1温度的精确控制。这样，调节单元4负责决策和生成控制指令，而控制电路3则负责执行这些指令，确保加热功率得到准确调节。

[0047] 发明人已知的储能系统，在电力系统所需的旋转惯量和一次调频能力方面，往往难以满足现代电力系统对于快速响应和高精度频率控制的需求。

[0048] 旋转惯量是电力系统稳定运行的基础，它能够缓冲瞬时的功率波动，避免频率的急剧变化。随着传统同步发电机比例的减少，系统总惯量下降，对电力系统的频率稳定性和动态性能构成了威胁。一次调频则是电力系统自动调节频率偏差的重要机制，它要求储能系统能够迅速响应频率变化，及时调整输出功率，维持系统频率在允许范围内。

[0049] 因此，开发新型的储能技术，尤其是能够在大规模、长时储能中提供旋转惯量和一次调频能力的储能系统，成为了当前电力行业亟待解决的问题。基于此，本发明的第二个目的是提出一种针对电力系统需求定制的储能系统，旨在能够提高旋转惯量和一次调频能力，当电网频率出现波动时，本发明中的调节单元4能够迅速检测到这些变化，并通过控制电路3调整加热单元2的功率输出。例如，在频率下降时，可以减少加热功率，从而释放出更多的电能供给电网；反之，在频率上升时，可以增加加热功率，吸收多余的电能，以此实现提高旋转惯量和一次调频能力。该蓄热系统包括管路和如上的蓄热装置；蓄热体上开设有多个平行布置的腔径111，管路自蓄热体1一端的第一个腔径111穿入，并依次往复穿过多个腔径111后，自蓄热体1另一端的最后一个腔径111穿出，管路穿入端通过进水管和循环泵连接水箱，穿出端连接汽轮机5，汽轮机5通过回水管与水箱连接；汽轮机5通过输电线与用户6端连接，夜间低谷时段，交流电源通过对蓄热体1加热实现电能到热能的转化，并实现储能，白天高峰段，可以向管路通入液体，液体流经蓄热体时被加热为高温蒸气，蒸气输送至汽轮机5实现发电，并将电力输送至用户6，实现的蓄热体1储能的利用。

[0050] 为了使得蓄热体1能够充分与管路接触，提高对管路内介质的加热效率，且能够根据需要随时调整管路内介质的加热程度，所以本实施例的管路包括第一旁路135和第二旁路136，第二旁路136依次往复穿过多个腔径111，第二旁路136靠近第一个腔径111处依次设有第一调节阀131和第二调节阀132，第一旁路135设置于蓄热体1外部，且第一旁路1一端与位于第一调节阀131和第二调节阀132之间的第二旁路136连接连接，第一旁路135另一端与靠近最后一个腔径111处的第二旁路136通过第一旁路阀133连接。通过控制第一调节阀131的开度，实现蒸汽流量的控制，循环泵将液体经进水管输送至第二旁路136，打开第一调节阀131、第二调节阀132，并关闭其他阀门，使的液体完全流经第二旁路136后再输出至汽轮机，管路内的液体能够与蓄热体充分接触，吸收热量。

[0051] 当不需要较高的蒸气温度时，通过通过关闭第二调节阀132，并打开第一调节阀131和第一旁路阀133控制蒸汽流向，使得管路内的液体经蓄热体1第一个腔径111加热后，进入蓄热体1外部的第一旁路135，然后经蓄热体1的最后一个腔径111后，直接进入汽轮机
5，实现精细的温度控制，即在700℃高温条件下，通过开启第一旁路阀133，并关第二调节阀
132，引导蒸汽绕过蓄热体1，避免过热。在温度降至500℃时，通过关闭第一旁路阀133并开启第一调节阀131和第二调节阀132，使蒸汽流经蓄热体1主体，最大化吸收热量。

[0052] 为了实现温度的进一步控制，所以在一优选实施例中还设有中间管路，中间管路位于蓄热体1外部，且中间管路1上设有第二旁路阀134，中间管路一端与位于第一调节阀131和第二调节阀132之间的第二旁路136连接，另一端与位于第一个腔径111和最后一个腔径111之间的任一腔径111处的第二旁路136连接。通过打开第一调节阀131和第二旁路阀
134，并关闭第二调节阀132和第一旁路阀133，使得管路内的液体经蓄热体1前半部分的腔径111内的第二旁路136流动并加热后，经中间管路进入蓄热体1后半部分的腔径111内的第二旁路136，即不经过蓄热体1中间的腔径111内的第二旁路136，起到部分加热的功能，进而调节蒸气的温度。

[0053] 在上述方案基础上，本发明还提供一种蓄热系统控制方法，包括步骤：温度传感器14检测蓄热体温度，并将信号传输至调节单4元；当蓄热体1内部的温度低于预设温度阈值时，调节单元4通过控制电路增大加热功率，以提高蓄热体1的蓄热量；当检测到蓄热体1内部的温度高于预设温度阈值时，调节单元4通过控制电路3减小加热功率，以降低蓄热体1的蓄热量；当检测到蓄热体1内部的温度达到预定温度值时，调节单元4通过控制电路3控制加热单元2停止工作。

[0054] 具体的，在第二旁路136与汽轮机5之间还设有减温器22，减温器22的结构为已知技术，不做赘述。在蓄热体1工作温度高达700℃时，为防止过高的蓄热体1温度导致出口蒸汽过热，通过开启第一旁路阀133，并关闭第二调节阀131，将蒸汽引入第一旁路135，避免减温器22介入，从而在维持蒸汽出口温度在设计阈值的同时，有效避免蓄热体1热量过度转移至蒸汽，确保系统安全稳定运行。

[0055] 当蓄热体1工作温度降至500℃时，为确保出口蒸汽仍能达到预设的过热状态，此时，关闭第一旁路阀133，并开启第一调节阀131，使蒸汽流经蓄热体主1体，以最大程度吸收蓄热体热量，同时在该温度区间内，通过开启减温器22精细调控蒸汽流量，实现对出口蒸汽温度的有效控制，确保其满足设计需求。

[0056] 在蓄热体1工作温度位于500℃至700℃区间时，研究着眼于实现对蓄热体1出口蒸汽参数的精确调控。具体操作时，通过精密协调第一旁路阀133、第二旁路阀134以及第一调节阀131的开度，以及适时启用减温器22喷水，对流入蓄热体1的饱和蒸汽进行分流和热量吸收的精细调控，从而实现对蓄热体1出口蒸汽温度的稳定控制，确保其始终满足设计标准。

[0057] 为有效控制过热蒸汽温度，提高汽轮机5参与一次调频的能力，确保汽轮机5的安全，设定两套混合式的减温器22，分别置于蒸汽出口前端与汽轮机5前端，直接把蒸汽低温给水，喷入过热蒸汽气流中，降低其超高的温度。为汽轮机5的稳定运行提供双重保险。

[0058] 蓄热体采用多个铸铁体依次排列布置而成，图6所示，为蓄热体1的单个铸铁体5h平均温度分布曲线图。铸铁体11数量较为庞大且多个铸铁体相邻分布，使得温度降低区域受温度降高区域影响逐渐趋于平衡，各个铸铁体11温度分布终将呈现类均匀分布状态。单个铸铁体11经线圈21加热后，自初始时刻0h、1h、2h、3h、4h及5h的温度逐步降低，经过5h由700℃降低至419℃，温降速率逐步放缓，由每隔1h温降幅度102.57℃、64.5℃、47.52℃、
36.83℃、29.48℃。如图6所示为单个铸铁体5h平均温度分布曲线。

[0059] 本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。