CN111934438A - 一种新能源微电网复合储能***及方法 - Google Patents

一种新能源微电网复合储能***及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种新能源微电网复合储能***及方法，在维持微网内部源‑荷平衡的同时，通过对微电网与大电网间的交互控制，实现微电网集群的电源、负荷、储能等资源的共享，从而在保证微电网安全稳定运行的同时实现高效的能源管理。为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：包括压缩空气储能模块、超级电容模块、双向逆变器及微网复合储能控制模块，所述压缩空气储能模块与超级电容模块并联输入输出，而微网复合储能控制模块则分别与超级电容模块控制单元、压缩空气储能模块控制单元以及新能源微电网的并网控制单元连接。本发明通过微电网集群控制可以更好地满足基于高渗透比的可再生能源分布式发电的新型电力***发展需求。

Description

一种新能源微电网复合储能***及方法
技术领域
本发明涉及储能技术领域，特别是一种新能源微电网复合储能***及运行方法。
背景技术
为了满足不断增长的能源消耗需求，解决传统石化燃料燃烧带来的不可忽视的环境污染问题，清洁可再生能源得越来越多的重视和快速的发展。由于风电、光伏等主要可再生能源发电具有随机性和波动性大的缺点，直接并网利用会对电力***的稳定性造成冲击，同时以燃煤发电为主的传统电源结构导致我国电网的调节能力不足，上述情况严重限制了可再生能源发电的大规模发展和有效利用。
新能源微电网通过对分布式可再生能源发电、储能及区域用能的综合控制，可彻底消除“弃风弃光”现象，从而降低化石能源消耗，改善电力***结构。未来，电力***将向着更加坚强、更加智能、更加开放的新能源微电网及微电网集群方向发展。储能***是实现新能源微电网高效能量管理的关键。当前主要储能技术的特点如下：常规的抽水蓄能，只适合大规模储能，受地理条件约束很大，不适合微电网场景；热门的电化学储能，存在成本过高、污染等问题未得到很好的解决，也不是新能源微电网的绿色、经济选择。压缩空气储能(Compressed Air Energy Storage,CAES)是近年来得到较快发展的一种储能技术，以压缩空气作为储能介质，储能成本低，可靠性高，而且主流的绝热CAES结合了储热技术以克服燃料燃烧的依赖，具有清洁、高效的特点。相比抽水蓄能、电化学储能，CAES还具有实现能量综合利用(冷热电联产)的独特优势，因此是新能源微电网储能的理想选择。
由于CAES采用压缩机组和膨胀机组实现电能的存储和转化，而机械***惯性的存在导致CAES启动需要一定的时间(分钟级)，无法独立满足对微电网中电源和负荷变化的实时响应需求。超级电容的功率密度高，响应时间在毫秒级，可很好地弥补CAES实时响应能力的不足。此外，超级电容内部电化学反应的可逆性很好，有远多于常规蓄电池的充放电循环寿命；结构简单，维护成本低；产品原材料构成、生产、使用、储存以及拆解过程均没有污染，同样属于理想的绿色环保储能技术。综上，以压缩空气储能***作为新能源微电网的能量型储能单元，超级电容作为功率型储能单元，组成的复合储能***具有低成本、无污染、灵活布置以及快速响应等优点，可以很好满足新能源微电网的储能需求。
但是，现有的技术仍存在如下不足：
(1)现有基于压缩空气储能和超级电容耦合储能的技术方案主要针对电力***的应急备用场景，并不能满足包含高可再生能源发电渗透率的微电网内电能高效管理和保持源-荷平衡的需求；
(2)现有的复合储能技术方案以解决单一电力***或网络的主动配电需求为核心，并没有考虑新能源微电网集群间的电能优化分配和资源共享。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种新能源微电网复合储能***及方法，在维持微网内部源-荷平衡的同时，通过对微电网与大电网间的交互控制，实现微电网集群的电源、负荷、储能等资源的共享，从而在保证微电网安全稳定运行的同时实现高效的能源管理。为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种新能源微电网复合储能***，其特征在于，包括压缩空气储能模块、超级电容模块、双向逆变器及微网复合储能控制模块，所述压缩空气储能模块与超级电容模块并联输入输出，而微网复合储能控制模块则分别与超级电容模块控制单元、压缩空气储能模块控制单元以及新能源微电网的并网控制单元连接。
进一步地，所述压缩空气储能模块包括电动机、压缩机组、储气装置、膨胀机组以及发电机，所述压缩空气储能模块控制单元具体为发电机控制单元和电动机控制单元，其中电动机控制单元连接电动机输入端，电动机输出端连接压缩机组输入端，压缩机组输出端连接储气装置输入端，储气装置输出端连接膨胀机组输入端，膨胀机组输出端连接发电机输入端，发电机输出端连接发电机控制单元。
进一步地，所述超级电容模块由多个超级电容单体串并联组成，并通过双向逆变器接入复合储能***主电路。
进一步地，所述微网复合储能控制模块通过有线或者无线的方式与压缩空气储能模块控制单元、超级电容模块控制单元以及新能源微电网的并网控制单元进行通信，以控制不同储能模块之间电能的协调分配、新能源微电网与大电网之间的电能交互。
一种新能源微电网复合储能方法，适用于上述新能源微电网复合储能***，其特征在于，采用压缩空气储能模块与超级电容模块组合的方式对新能源微电网内部波动、不稳定的电力供应和用电负荷之间的差异进行实时动态调节，维持微网内部的源-荷平衡。
进一步地，根据不同储能模块的特点，压缩空气储能模块作为能量型储能单元，主要负责对微电网内电能需求变化的持续响应；超级电容模块作为功率型储能单元，主要负责对微电网内供电功率和复合功率差异变化的快速响应；由微网复合储能控制模块负责协调储能模块之间的电能分配，执行以下操作：
当***监测到新能源微电网内的发电量大于负荷需求时，微网复合储能控制模块控制复合储能***吸收多余的电能，启动并控制压缩机组运转使压缩空气储能模块工作在负荷状态，将电能转化为压缩空气内能存储在储气装置中；
当***监测到新能源微电网内的发电量小于负荷需求时，微网复合储能控制模块控制复合储能***输出电能弥补微网内的供电不足，控制储气装置释放高压空气进入膨胀机组驱动发电机发电，使压缩空气储能模块工作在电源状态；
同时，微网复合储能控制模块控制超级电容模块进行灵活的充放电操作，对压缩空气储能模块由于机械***惯性导致的延时响应部分的源-荷-储瞬时功率差和短时电能差进行实时平抑，辅助维持微网内部的源-荷平衡。
进一步地，在大电网内设置微电网集群控制中心，当***监测到新能源微电网内的源-荷差异超过复合储能***调节极限时，微网复合储能控制模块自动向大电网发出调度请求，根据微电网集群控制中心的反馈控制不同微电网之间的电能交互，实现大电网内微电网集群的源-荷-储资源共享，从而在保证各微电网安全稳定运行的同时实现高效的能源管理。
本发明具有如下有益效果：
(1)针对高渗透比可再生能源的微电网内部电能管理需求，提出的以储能成本低、可靠性高、使用寿命长的压缩空气储能为主，功率密度大、循环寿命高、响应速度快的超级电容储能为辅的复合储能技术方案，可以充分发挥不同储能技术的优势，从而在满足维持源-荷平衡需求的同时显著提高复合储能***的技术经济性；
(2)针对包含大规模可再生能源分布式发电的新型电力***发展需求，提出的基于微电网内储能调节和微电网集群间源-荷-储资源共享的运行方法，可以充分利用有限的储能投入对电能的生产、输送以及消费全过程进行优化，从而实现能源的高效管理和利用。
因此，与现有技术相比，本发明具有适应性强、成本低、安全可靠、绿色环保等优点，通过微电网集群控制可以更好地满足基于高渗透比的可再生能源分布式发电的新型电力***发展需求。
附图说明
图1为本发明提供的新能源微电网复合储能***的结构示意图；
图2为本发明提供的基于复合储能***的微电网集***互示意图。
图中：1、新能源微电网，2、复合储能***，3、压缩空气储能模块，4、大电网，101、分布式电源，102、负荷，103、变压器，104、并网控制单元，201、微网复合储能控制模块，202、超级电容模块，203、双向逆变器，204、超级电容模块控制单元，301、电动机控制单元，302、电动机，303、压缩机组，304、储气装置，305、膨胀机组，306、发电机，307发电机控制单元。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步的描述。
如图1、图2所示的实施例中，一种新能源微电网复合储能***，包括压缩空气储能模块3、超级电容模块202、双向逆变器203及微网复合储能控制模块201，所述压缩空气储能模块3与超级电容模块202并联输入输出，而微网复合储能控制模块201则分别与超级电容模块控制单元204、压缩空气储能模块3控制单元以及新能源微电网1的并网控制单元104连接。
上述压缩空气储能模块包括电动机302、压缩机组303、储气装置304、膨胀机组305以及发电机306，所述压缩空气储能模块控制单元具体为发电机控制单元301和电动机控制单元307，其中电动机控制单元301连接电动机302输入端，电动机302输出端连接压缩机组303输入端，压缩机组303输出端连接储气装置304输入端，储气装置304输出端连接膨胀机组305输入端，膨胀机组305输出端连接发电机306输入端，发电机306输出端连接发电机控制单元307。当压缩空气储能模块3工作在负荷状态时，电动机302驱动压缩机组303将电能转化为压缩空气压力能存储在储气装置304中，发电机306待机；当压缩空气储能模块3工作在电源状态时，将储气装置304中存储的高压空气释放进入膨胀机组305做功，驱动发电机306组进行发电，电动机302组待机。
上述超级电容模块202由若干超级电容单体串并联组成以及包括超级电容控制单元204，并通过双向逆变器203接入复合储能***2主电路。实现超级电容模块202内部的直流电与外部交流电之间的相互转换。设置均衡电路对超级电容堆组进行管理，以提高超级电容单体的性能和寿命。
所述微网复合储能控制模块201通过有线或者无线的方式与压缩空气储能模块3控制单元、超级电容模块控制单元204以及新能源微电网1的并网控制单元104进行通信，以控制不同储能模块之间电能的协调分配、新能源微电网1与大电网4之间的电能交互。当新能源微电网1属于中高压电时，通过设置变压器将复合储能***2的低压电转换为中高压电接入新能源微电网1。其中，电动机302和压缩机组303组成储能子***，在电力供应过剩时由电动机302驱动压缩机组303将电能转化为压缩空气压力能存储在储气装置304中；膨胀机组和发电机组成释能子***，在电力供应不足时从储气装置304中释放压缩空气进入膨胀机组305做功，驱动发电机306组进行发电；压缩机组303和膨胀机组305采用多级串联的形式，以实现高压比的空气压缩和膨胀；储能子***和释能子***分时运行，以保持储气装置304内部的相对稳定。
新能源微电网复合储能方法如下：
采用压缩空气储能模块与超级电容模块组合的方式对新能源微电网内部波动、不稳定的电力供应和用电负荷之间的差异进行实时动态调节，维持微网内部的源-荷平衡。
根据不同储能模块的特点，压缩空气储能模块作为能量型储能单元，主要负责对微电网内电能需求变化的持续响应；超级电容模块作为功率型储能单元，主要负责对微电网内供电功率和复合功率差异变化的快速响应；由微网复合储能控制模块负责协调储能模块之间的电能分配，执行以下操作：
当***监测到新能源微电网内的发电量大于负荷需求时，微网复合储能控制模块控制复合储能***吸收多余的电能，启动并控制压缩机组运转使压缩空气储能模块工作在负荷状态，将电能转化为压缩空气内能存储在储气装置中；
当***监测到新能源微电网内的发电量小于负荷需求时，微网复合储能控制模块控制复合储能***输出电能弥补微网内的供电不足，控制储气装置释放高压空气进入膨胀机组驱动发电机发电，使压缩空气储能模块工作在电源状态；
同时，微网复合储能控制模块控制超级电容模块进行灵活的充放电操作，对压缩空气储能模块由于机械***惯性导致的延时响应部分的源-荷-储瞬时功率差和短时电能差进行实时平抑，辅助维持微网内部的源-荷平衡。
在大电网内设置微电网集群控制中心，当***监测到新能源微电网内的源-荷差异超过复合储能***调节极限时，微网复合储能控制模块自动向大电网发出调度请求，根据微电网集群控制中心的反馈控制不同微电网之间的电能交互，实现大电网内微电网集群的源-荷-储资源共享，从而在保证各微电网安全稳定运行的同时实现高效的能源管理。
上述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种新能源微电网复合储能***，其特征在于，包括压缩空气储能模块、超级电容模块、双向逆变器及微网复合储能控制模块，所述压缩空气储能模块与超级电容模块并联输入输出，而微网复合储能控制模块则分别与超级电容模块控制单元、压缩空气储能模块控制单元以及新能源微电网的并网控制单元连接。
2.根据权利要求1所述的复合储能***，其特征在于，所述压缩空气储能模块包括电动机、压缩机组、储气装置、膨胀机组以及发电机，所述压缩空气储能模块控制单元具体为发电机控制单元和电动机控制单元，其中电动机控制单元连接电动机输入端，电动机输出端连接压缩机组输入端，压缩机组输出端连接储气装置输入端，储气装置输出端连接膨胀机组输入端，膨胀机组输出端连接发电机输入端，发电机输出端连接发电机控制单元。
3.根据权利要求1所述的复合储能***，其特征在于，所述超级电容模块由多个超级电容单体串并联组成，并通过双向逆变器接入复合储能***主电路。
4.根据权利要求1所述的复合储能***，其特征在于，所述微网复合储能控制模块通过有线或者无线的方式与压缩空气储能模块控制单元、超级电容模块控制单元以及新能源微电网的并网控制单元进行通信，以控制不同储能模块之间电能的协调分配、新能源微电网与大电网之间的电能交互。
5.一种新能源微电网复合储能方法，适用于权利要求1-4所述任一***，其特征在于，采用压缩空气储能模块与超级电容模块组合的方式对新能源微电网内部波动、不稳定的电力供应和用电负荷之间的差异进行实时动态调节，维持微网内部的源-荷平衡。
6.根据权利要求5所述的一种新能源微电网复合储能方法，其特征在于，根据不同储能模块的特点，压缩空气储能模块作为能量型储能单元，主要负责对微电网内电能需求变化的持续响应；超级电容模块作为功率型储能单元，主要负责对微电网内供电功率和复合功率差异变化的快速响应；由微网复合储能控制模块负责协调储能模块之间的电能分配，执行以下操作：
当***监测到新能源微电网内的发电量大于负荷需求时，微网复合储能控制模块控制复合储能***吸收多余的电能，启动并控制压缩机组运转使压缩空气储能模块工作在负荷状态，将电能转化为压缩空气内能存储在储气装置中；
当***监测到新能源微电网内的发电量小于负荷需求时，微网复合储能控制模块控制复合储能***输出电能弥补微网内的供电不足，控制储气装置释放高压空气进入膨胀机组驱动发电机发电，使压缩空气储能模块工作在电源状态；
同时，微网复合储能控制模块控制超级电容模块进行灵活的充放电操作，对压缩空气储能模块由于机械***惯性导致的延时响应部分的源-荷-储瞬时功率差和短时电能差进行实时平抑，辅助维持微网内部的源-荷平衡。
7.根据权利要求6所述的一种新能源微电网复合储能方法，其特征在于，在大电网内设置微电网集群控制中心，当***监测到新能源微电网内的源-荷差异超过复合储能***调节极限时，微网复合储能控制模块自动向大电网发出调度请求，根据微电网集群控制中心的反馈控制不同微电网之间的电能交互，实现大电网内微电网集群的源-荷-储资源共享，从而在保证各微电网安全稳定运行的同时实现高效的能源管理。
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