技术领域
[0001] 本实用新型涉及火电调频技术领域，具体涉及一种飞轮锂电混合储能系统。
相关背景技术
[0002] 随着风电和光伏的并网量增加、互联大电网的快速发展、大容量发电和远距离输电，使得电力系统的调频任务更加繁重。
[0003] 目前中国调频电源主要是火电机组与水电机组，工作原理是通过调整机组有功出力，跟踪系统频率变化。首先火电机组与水电机组通常存在响应时滞长，机组爬坡速率低等问题，无法准确跟踪电网调度指令，暴露出调节时间延迟、调节偏差和调节反向等现象；其次火电机组与水电机组频繁的变换功率运行，对机组设备疲劳和磨损有一定的加重，影响机组运行寿命。
[0004] 作为我国能源变革关键技术支撑之一的大规模储能技术，因为其可以为电网提供调峰、调频、应急响应等多种辅助服务，近年来受到了业内的广泛关注。但在目前的储能系统中通常采用传统工频变压器，受限于传统工频交流变压器的功能，储能系统需要额外配置谐波抑制、无功补偿装置以及继电保护设备，导致储能系统设计成本以及维护成本上升。实用新型内容
[0005] 因此，本实用新型要解决的技术问题在于克服现有技术中储能系统需要额外配置谐波抑制、无功补偿装置以及继电保护设备，导致储能系统设计成本以及维护成本上升的缺陷，从而提供一种飞轮锂电混合储能系统。
[0006] 为达到上述目的，本实用新型提供如下技术方案：
[0007] 本实用新型实施例提供一种飞轮锂电混合储能系统，包括：厂用供电单元、飞轮锂电混合储能电力电子变压单元及飞轮锂电混合储能供电单元，其中，所述飞轮锂电混合储能电力电子变压单元的一端与所述厂用供电单元的厂用母线连接，所述飞轮锂电混合储能电力电子变压单元的另一端与所述飞轮锂电混合储能供电单元连接。
[0008] 可选地，所述飞轮锂电混合储能电力电子变压单元包括：多套锂电池电力电子变压器及多套飞轮电力电子变压器，其中，每套所述锂电池电力电子变压器的高压侧及每套所述飞轮电力电子变压器高压侧均与所述厂用供电单元中同一条厂用母线连接；每套所述锂电池电力电子变压器的低压侧及每套所述飞轮电力电子变压器低压侧均与所述飞轮锂电混合储能供电单元连接。
[0009] 可选地，所述锂电池电力电子变压器包括：锂电池高压侧换流器、锂电池高压侧滤波电容、锂电池高频DC‑DC变压器、锂电池低压侧滤波电容及锂电池低压侧换流器，其中，所述锂电池高压侧换流器交流侧与所述厂用母线连接，所述锂电池高频DC‑DC变压器高压侧通过所述锂电池高压侧滤波电容与所述锂电池高压侧换流器直流侧连接，所述锂电池低压侧换流器直流侧通过所述锂电池低压侧滤波电容与所述锂电池高频DC‑DC变压器低压侧连接。
[0010] 可选地，所述飞轮电力电子变压器包括：飞轮高压侧换流器、飞轮高压侧滤波电容、飞轮高频DC‑DC变压器、飞轮低压侧滤波电容及飞轮低压侧换流器，其中，所述飞轮高压侧换流器交流侧与所述厂用母线连接，所述飞轮高频DC‑DC变压器高压侧通过所述飞轮高压侧滤波电容与所述飞轮高压侧换流器直流侧连接，所述飞轮低压侧换流器直流侧通过所述飞轮低压侧滤波电容与所述飞轮高频DC‑DC变压器低压侧连接。
[0011] 可选地，所述厂用供电单元包括：高厂变、多个高厂变分支断路器、多段厂用母线及多个并网断路器，其中，所述高厂变高压侧连接至发电机出口，所述高厂变低压侧分为多个分支，每段所述厂用母线均通过一个所述高厂变分支断路器连接至所述高厂变低压侧的一个分支，每段所述厂用母线均通过一个所述并网断路器与每套所述飞轮锂电混合储能电力电子变压单元中的所述锂电池电力电子变压器相连，同时每段所述厂用母线还通过一个所述并网断路器与每套所述飞轮锂电混合储能电力电子变压单元中的所述飞轮电力电子变压器相连。
[0012] 可选地，所述飞轮锂电混合储能供电单元包括：多套锂电池储能供电单元及多套飞轮储能供电单元，其中，所述锂电池储能供电单元与所述锂电池电力电子变压器一一对应设置，所述飞轮储能供电单元与所述飞轮电力电子变压器一一对应设置；每套所述锂电池储能供电单元与其对应的所述锂电池电力电子变压器的低压端连接；每套所述飞轮储能供电单元与其对应的飞轮电力电子变压器的低压端连接。
[0013] 可选地，所述锂电池储能供电单元包括：锂电池储能隔离开关、锂电池储能直‑交换流器及锂电池储能装置，其中，所述锂电池储能直‑交换流器交流侧通过所述锂电池储能隔离开关与所述锂电池低压侧换流器交流侧连接，所述锂电池储能直‑交换流器直流侧连接有所述锂电池储能装置。
[0014] 可选地，所述飞轮储能供电单元包括：飞轮储能隔离开关、飞轮储能交‑交换流器及飞轮储能装置，其中，所述飞轮储能交‑交换流器交流送出侧通过所述飞轮储能隔离开关与所述飞轮低压侧换流器交流侧连接，所述飞轮储能交‑交换流器交流流入侧连接有所述飞轮储能装置。
[0015] 本实用新型技术方案，具有如下优点：
[0016] 本实用新型提供的一种飞轮锂电混合储能系统，包括：厂用供电单元、飞轮锂电混合储能电力电子变压单元及飞轮锂电混合储能供电单元，其中，飞轮锂电混合储能电力电子变压单元的一端与厂用供电单元的厂用母线连接，飞轮锂电混合储能电力电子变压单元的另一端与飞轮锂电混合储能供电单元连接。通过采用飞轮锂电混合储能供电单元，构造了一种采用电力电子变压器的飞轮锂电混合储能系统，从而无需配置谐波抑制、无功补偿装置，也可不配置工频变压器需要的继电保护相关一次、二次设备。
具体实施方式
[0019] 下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
[0020] 在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0021] 在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
[0022] 此外，下面所描述的本实用新型不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
[0023] 本实用新型实施例提供一种飞轮锂电混合储能系统，如图1所示，包括：厂用供电单元1、飞轮锂电混合储能电力电子变压单元2及飞轮锂电混合储能供电单元3，飞轮锂电混合储能电力电子变压单元2的一端与厂用供电单元1的厂用母线连接，飞轮锂电混合储能电力电子变压单元2的另一端与飞轮锂电混合储能供电单元3连接。其中，厂用母线在图1中未示出。
[0024] 在一具体实施例中，每台火电机组配备一套厂用供电单元1。当火电机组数量变更时，厂用供电单元1数量也进行适应性变更。在本实用新型实施例中，仅以一套厂用供电单元1为例进行说明。
[0025] 在本实用新型实施例中，飞轮锂电混合储能供电单元3通过飞轮锂电混合储能电力电子变压单元2接入火电机组，辅助火电调峰、调频。通过采用飞轮锂电混合储能供电单元3，构造了一种采用电力电子变压器的飞轮锂电混合储能系统，从而无需配置谐波抑制、无功补偿装置，也可不配置工频变压器需要的继电保护相关一次、二次设备。
[0026] 具体地，飞轮锂电池混合储能可以辅助火电机组参与调频及调峰，在调节过程中，应用飞轮储能快速功率调节能力，来响应高频功率调节指令。应用锂电池储存电量大的特点，响应中、低频功率调节指令。飞轮储能和锂电池储能相互配合，增加火电机组调频及调峰能力，也可以延长储能系统使用寿命。
[0027] 在一实施例中，厂用供电单元1包括：高厂变、多个高厂变分支断路器、多段厂用母线及多个并网断路器，其中，高厂变高压侧连接至发电机出口，高厂变低压侧分为多个分支，每段厂用母线均通过一个高厂变分支断路器连接至高厂变低压侧的一个分支，每段厂用母线均通过一个并网断路器与每套飞轮锂电混合储能电力电子变压单元中的锂电池电力电子变压器相连，同时每段厂用母线还通过一个并网断路器与每套飞轮锂电混合储能电力电子变压单元中的飞轮电力电子变压器相连。
[0028] 在一具体实施例中，在电力系统中，高厂变一般选取双绕组双高厂变，即高厂变低压侧分为A、B两个分支。在本实用新型实施例中，高厂变以图 1所示的双绕组双高厂变为例进行说明。当高厂变1‑1确定为双绕组双分裂绕组高厂变时，厂用母线的数量也就相应的确定了，高厂变1‑1低压侧每个分支对应一段厂用母线。具体地，高厂变1‑1低压侧A分支对应连接厂用 6kVA段母线1‑4，高厂变1‑1低压侧B分支对应连接厂用6kVB段母线1‑5。进一步地，高厂变1‑1低压侧每个分支上还设置有一个高厂变分支断路器。每段厂用母线上还设置有两个并网断路器。
[0029] 具体地，如图1所示，高厂变1‑1高压侧连接至发电机出口，低压侧分为A、B两段，厂用6kVA段母线1‑4通过高厂变A分支断路器1‑2连接至高厂变1‑1低压侧A分支，厂用6kVB段母线1‑5通过高厂变B分支断路器1‑3连接至高厂变1‑1低压侧B分支。厂用6kVA段母线1‑4通过A套锂电池储能并网断路器1‑6及A套飞轮储能并网断路器1‑7与飞轮锂电混合储能电力电子变压单元2相连，厂用6kVB段母线1‑5通过B套锂电池储能并网断路器1‑8及B套飞轮储能并网断路器1‑9与飞轮锂电混合储能电力电子变压单元2相连。
[0030] 在一实施例中，飞轮锂电混合储能电力电子变压单元2包括：多套锂电池电力电子变压器及多套飞轮电力电子变压器。其中，每套锂电池电力电子变压器的高压侧及每套飞轮电力电子变压器高压侧均与厂用供电单元中同一条厂用母线连接；每套锂电池电力电子变压器的低压侧及每套飞轮电力电子变压器22低压侧均与飞轮锂电混合储能供电单元3连接。
[0031] 在一具体实施例中，如图1所示，每段厂用母线连接有一套锂电池电力电子变压器及一套飞轮电力电子变压器，仅以此为例，不以此为限。由于厂用母线设置A、B两段，因此飞轮锂电混合储能电力电子变压单元2 也需设置两套锂电池电力电子变压器及两套飞轮电力电子变压器。在本实用新型实施例中，飞轮锂电混合储能电力电子变压单元2包括A套锂电池电力电子变压器21、A套飞轮电力电子变压器22、B套锂电池电力电子变压器23及B套飞轮电力电子变压器24。
[0032] 在本实用新型实施例中，如图1所示，A套锂电池电力电子变压器21 包括A套锂电池高压侧换流器2‑1、A套锂电池高压侧滤波电容2‑2、A套锂电池高频DC‑DC变压器2‑3、A套锂电池低压侧滤波电容2‑4及A套锂电池低压侧换流器2‑5。其中，A套锂电池高压侧换流器2‑1交流侧通过A 套锂电池储能并网断路器1‑6与厂用6kVA段母线1‑4连接，A套锂电池高频DC‑DC变压器2‑3高压侧通过A套锂电池高压侧滤波电容2‑2与A套锂电池高压侧换流器2‑1直流侧连接，A套锂电池低压侧换流器2‑5直流侧通过A套锂电池低压侧滤波电容2‑4与A套锂电池高频DC‑DC变压器2‑3低压侧连接。
[0033] 进一步地，如图1所示，A套飞轮电力电子变压器22包括：A套飞轮高压侧换流器2‑6、A套飞轮高压侧滤波电容2‑7、A套飞轮高频DC‑DC变压器2‑8、A套飞轮低压侧滤波电容2‑9及A套飞轮低压侧换流器2‑10。其中，A套飞轮高压侧换流器2‑6交流侧通过A套飞轮储能并网断路器1‑7 与厂用6kVA段母线1‑4连接，A套飞轮高频DC‑DC变压器2‑8高压侧通过A套飞轮高压侧滤波电容2‑7与A套飞轮高压侧换流器2‑6直流侧连接， A套飞轮低压侧换流器2‑
10直流侧通过A套飞轮低压侧滤波电容2‑9与A 套飞轮高频DC‑DC变压器2‑8低压侧连接。
[0034] 进一步地，如图1所示，B套锂电池电力电子变压器23包括：B套锂电池高压侧换流器2‑11、B套锂电池高压侧滤波电容2‑12、B套锂电池高频DC‑DC变压器2‑13、B套锂电池低压侧滤波电容2‑14及B套锂电池低压侧换流器2‑15。其中，B套锂电池高压侧换流器2‑11交流侧通过B套锂电池储能并网断路器1‑8与厂用6kVB段母线1‑5连接，B套锂电池高频 DC‑DC变压器2‑13高压侧通过B套锂电池高压侧滤波电容2‑12与B套锂电池高压侧换流器2‑11直流侧连接，B套锂电池低压侧换流器2‑15直流侧通过B套锂电池低压侧滤波电容2‑14与B套锂电池高频DC‑DC变压器2‑13 低压侧连接。
[0035] 进一步地，如图1所示，B套飞轮电力电子变压器24包括：B套飞轮高压侧换流器2‑16、B套飞轮高压侧滤波电容2‑17、B套飞轮高频DC‑DC 变压器2‑18、B套飞轮低压侧滤波电容2‑19及B套飞轮低压侧换流器2‑20。其中，B套飞轮高压侧换流器2‑16交流侧通过B套飞轮储能并网断路器1‑9 与厂用6kVB段母线1‑5连接，B套飞轮高频DC‑DC变压器2‑18高压侧通过B套飞轮高压侧滤波电容2‑17与A套飞轮高压侧换流器2‑6直流侧连接，B套飞轮低压侧换流器2‑20直流侧通过B套飞轮低压侧滤波电容2‑19与B 套飞轮高频DC‑DC变压器2‑18低压侧连接。
[0036] 进一步地，飞轮锂电混合储能电力电子变压单元2中换流器高度可控，电压、电流控制方式灵活，兼容性良好具备故障隔离功能，可以实现单位功率因数运行或根据火电调节需求，按照给定的功率因数运行，更适用于混合储能辅助火电机组调频、调峰工况。
[0037] 进一步地，采用A套锂电池高压侧滤波电容2‑2、A套锂电池低压侧滤波电容2‑4、A套飞轮高压侧滤波电容2‑7、A套飞轮低压侧滤波电容2‑9、 B套锂电池高压侧滤波电容2‑12、B套锂电池低压侧滤波电容2‑14、B套飞轮高压侧滤波电容2‑17、B套飞轮低压侧滤波电容2‑19，可以在电力电子变压器(Power Electronic Transformer，PET)中实现无功补偿、交流高次谐波抑制功能。
[0038] 进一步地，PET由换流器、高频DC‑DC变压器及滤波电容构成，具备交流高次谐波抑制、无功补偿能力，可以实现端口间的故障隔离，控制方式灵活，PET适用于丰富系统功能、提高系统性能等方面的应用。因为采用高频DC‑DC变压器，占地体积相较于工频变压器大幅度缩小，也可不配置工频变压器需要的继电保护相关一次、二次设备，更适用于混合储能辅助火电机组调频、调峰工况。
[0039] 进一步地，A套锂电池高频DC‑DC变压器2‑3、A套飞轮高频DC‑DC 变压器2‑8、B套锂电池高频DC‑DC变压器2‑13、B套飞轮高频DC‑DC变压器2‑18，额定频率为10kHz，通过频率改变，实现电压变化。具有电气隔离功能，相对于工频变压器所需铁心更小，占地体积大幅度缩小，相对功率密度更大，也可不配置工频变压器需要的继电保护相关一次、二次设备。
[0040] 在一实施例中，飞轮锂电混合储能供电单元3包括：多套锂电池储能供电单元及多套飞轮储能供电单元，其中，锂电池储能供电单元与锂电池电力电子变压器一一对应设置，飞轮储能供电单元与飞轮电力电子变压器一一对应设置；每套锂电池储能供电单元与其对应的锂电池电力电子变压器的低压端连接；每套飞轮储能供电单元与其对应的飞轮电力电子变压器的低压端连接。
[0041] 在一具体实施例中，如图1所示，由于锂电池电力电子变压器包括A、 B两套，飞轮电力电子变压器也包括A、B两套。因此，飞轮锂电混合储能供电单元3包括A套锂电池储能供电单元31、A套飞轮储能供电单元32、 B套锂电池储能供电单元33及B套飞轮储能供电单元34。
[0042] 在本实用新型实施例中，如图1所示，A套锂电池储能供电单元31包括A套锂电池储能隔离开关3‑1、A套锂电池储能直‑交换流器3‑2、A套锂电池储能装置3‑3，其中，A套锂电池储能直‑交换流器3‑2交流侧通过A 套锂电池储能隔离开关3‑1与A套锂电池低压侧换流器2‑5交流侧连接，A 套锂电池储能直‑交换流器3‑2直流侧连接有A套锂电池储能装置3‑3。
[0043] 进一步地，如图1所示，A套飞轮储能供电单元32包括：A套飞轮储能隔离开关3‑4、A套飞轮储能交‑交换流器3‑5及A套飞轮储能装置3‑6。其中，A套飞轮储能交‑交换流器3‑5交流送出侧通过A套飞轮储能隔离开关3‑4与A套飞轮低压侧换流器2‑10交流侧连接，A套飞轮储能交‑交换流器3‑5交流流入侧连接有A套飞轮储能装置3‑6。
[0044] 进一步地，如图1所示，B套锂电池储能供电单元33包括B套锂电池储能隔离开关3‑7、B套锂电池储能直‑交换流器3‑8、B套锂电池储能装置3‑9，其中，B套锂电池储能直‑交换流器3‑8交流侧通过B套锂电池储能隔离开关3‑7与B套锂电池低压侧换流器2‑15交流侧连接，B套锂电池储能直‑交换流器3‑8直流侧连接有B套锂电池储能装置3‑9。
[0045] 进一步地，如图1所示，B套飞轮储能供电单元34包括：B套飞轮储能隔离开关3‑10、B套飞轮储能交‑交换流器3‑11、B套飞轮储能装置3‑12。其中，B套飞轮储能交‑交换流器3‑11交流送出侧通过B套飞轮储能隔离开关3‑10与B套飞轮低压侧换流器2‑20交流侧连接，B套飞轮储能交‑交换流器3‑11交流流入侧连接有B套飞轮储能装置3‑12。
[0046] 进一步地，A套锂电池储能装置3‑3、A套飞轮储能装置3‑6、B套锂电池储能装置3‑9、B套飞轮储能装置3‑12可以辅助火电机组参与调频及调峰，在调节过程中，应用A套飞轮储能装置3‑6、B套飞轮储能装置3‑12 快速功率调节能力，来响应高频功率调节指令。应用A套锂电池储能装置 3‑3、B套锂电池储能装置3‑9储存电量大的特点，响应中、低频功率调节指令。飞轮储能和锂电池储能相互配合，增加火电机组调频及调峰能力，也可以延长储能系统使用寿命。
[0047] 进一步地，本实用新型在A套锂电池储能直‑交换流器3‑2、A套飞轮储能交‑交换流器3‑5、B套锂电池储能直‑交换流器3‑8、B套飞轮储能交‑ 交换流器3‑11，所采用的大功率高频IGBT元器件，可以实现单位功率因数运行或根据用电负荷实时功率调节需求，按照给定的功率因数运行。所能提供的最大短路电流不超过其额定电流的1.5倍，保护判断逻辑简单、高效。
[0048] 进一步地，配置A套锂电池储能直‑交换流器3‑2、A套锂电池储能装置3‑3、A套飞轮储能交‑交换流器3‑5、B套锂电池储能装置3‑9及B套锂电池储能直‑交换流器3‑8、B套锂电池储能装置3‑9、B套飞轮储能交‑交换流器3‑11、B套飞轮储能装置3‑12可以增加供电可靠性，A、B套混合储能单元互为后备，不管是单一飞轮储能单元还是锂电池储能单元损坏后，后备单元都可以无缝切入，维持飞轮锂电混合储能供电单元可靠供电。
[0049] 显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型创造的保护范围之中。
